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1、第18卷第7期1998年 7 月光 学 学 报 ACT A OPT ICA SIN ICA V ol. 18, N o. 7July ,1998激光二极管泵浦Nd歼VO 4/LBO腔内倍频瓦级连续波绿光激光器*何京良王建明侯玮赵宗源许祖彦吴星杨国桢1 ,中国科学院物理所光物理实验室，北京1000802 ,中国科学院物理所晶体生长实验室，北京摘 要 报道一种激光二极管端面 泵浦N d评V O 4晶体、L BO腔内倍频的全固态瓦级连续波(CW绿光激光器。对L BO采用I类非临界相位匹配(N CPM、温度调谐,当泵 光功率为5. 5W时,获得了 1.2W T EM 00模532nm连续波绿光输出，光
2、-光转换效率达22%,电 -光转换效率达3%。关键词 全固态绿光激光器，N d V O 4,L BO腔内倍频。1 2 1 2 1 2 11引 言激光二极管泵浦的全固态连续波绿光激光器由于具有效率高、寿命长、使用方 便、结构紧凑和性能稳定等优点，近年来成为国际上竞相研究开发的热点。特别是 大功率的全固态绿光激光器，在军事、医疗、科研诸多领域有重要的用途。最近有 文献报道,用20W激光二极管泵浦Nd歼AG、KT P腔内倍频,获得6. 3W连续波 绿光输出，可代替氩离子激光器泵浦钛宝石激光器。本文报道一种采用激光二极管端面泵浦 Nd兗VO 4晶体、LBO腔内倍频的高 效率全固态连续波绿光激光器，它的
3、最大输出功率为1.2W （T EM 00模,532nm。 其光-光转换效率达22%,电-光转换效率为3%,比同量级功率输出的氩离子激光器 高一个数量级以上。12 N d半VO 4/LBO绿光激光器结构Nd讦V O 4/LBO绿光激光器采用三镜折叠腔结构，如图1所示。这种腔结构 的优点是将倍频光与基频光分开，从而避免了 Nd歼VO 4对绿光的吸收，同时可产 生两个束腰，将激光晶体与倍频晶体分别放在两束腰处，以求获得较大的泵光功率密 度和较高的倍频转换效率。另外，对端镜M 3镀双色高反膜以实现腔内双通倍频、 单向输出。实验用的激光二极管（SDL -3450-P 5 ,在25C时中心波长是805nm
4、 ,最大输出 是10W。*国家九五863重点资助项目。收稿日期：1997-03-22;收到修改稿日期：1997-07-237期何京良等：激光二极管泵浦N d V O 4/L BO腔内倍频瓦级连续波绿光激光器863通过对其工作环境温度的调节，使泵光中心波长落在N d评VO 4晶体的吸收峰808nm上，此时最大输出功率只有8W左右。激光二极管的发射光通过光纤耦合输出,发散角较大（FWHM值为48光纤芯径为400L m,数值孔径为0. 42。选用0. 25节距的自聚焦棒状透镜将光纤输出光束耦合到腔内,透镜通光口径为2mm,长5. 22mm , N A =0. 46,尽管棒状透镜尺寸很小,但数 F i
5、g . 1Schemat ic o f the a II - solid -stat e g ree nlaser. 1:End o f fiber , 2:selfo c. lens,值孔径大,工作距离短,较适合于光纤和腔 之间的传输耦合。实验测得它的传输效率在83%以上。Nd讦V0 4晶体具有较大的吸收系数、受激 3:N d WVO 4(M 1 , 4:Brew ster plate , 5:e nd mir ro r M 2, 6:L BO cr ystal , 7:output couple mir r or M 3发射截面和大的吸收带宽，非常适合于激光二极管泵浦。实验中所用Nd计VO
6、4晶体是物理所自己生长的，尺寸为3X35mm 3, Nd 3+掺杂的原子质量分数为0. 8%。为减少腔内元件数量、降低损耗，将Nd讦VO 4晶体的一个端面作为输入腔 镜,镀808nm增透和1.064L m的高反膜，另一面镀1.064L输出镜M 2镀1.064L m的高反膜和532nm的增透m的增透膜。膜。端镜M3镀双色高反膜。布儒斯特片的插入是为了补偿由于折迭腔而产 生的像散。腔长的设计和腔镜的选取按照泵光与腔TEM 00模相匹配的原理，同时考虑到倍频晶体的最佳聚焦点和接收角的大小对倍频效率的影响及腔的稳定性等问 题,选取腔镜M 2和M 3的曲率半径均为80m m,总腔长为360mm , LB
7、O倍频晶体 中心落在距输出镜约为42mm的束腰处。LBO晶体是一种优良的非线性倍频晶体。它的非线性系数虽然比KTP小一些,但光谱透明区和匹配范围更宽，且有高的破坏阈值和很小的离散角3。在1. 06L m 波段倍频,可实现I类非临界相位匹配、温度调谐以消除孔径效应。这意味着在大 功率泵浦情况下，可使用较长的倍频晶体，以获得更高的转换效率。实验中用的 LBO晶体是中科院福建物构所生长的，尺寸为3X3X14mm 3,两端镀双色增透膜，放 在温度均匀分布的炉子里。23实验结果及分析LBO是一种负双轴晶体，根据I类非临界相位匹配条件，可推出它的倍频效率 与温度的关系。由Kato修改后的Sellemier
8、方程4(K以L m为单位：n x (T =n x (T 0 +(-3. 76K +2. 30 10-6 柯+29. 13 10-3($T 2n y (T =n y (T 0 +(6. 01K -19. 40 10其中：2-0. 01388K K -0. 01135246n 2y (T 0 =2. 5390+-0. 01849K +4. 3025 10-5K -2.9131 10-5K 2-0. 011896 $T -32. 89 10($T -42n z (T =n z (T 0 +(1.50K -9. 70 10-6 检T -7來 49 10-4($T 2n 2x (T 0 =2. 4542
9、+(%=-54-56864光 学 学 报18卷$T =T -T 0(取室温 T 0=20 C在I类非临界相位匹配,H =90、U =0时，可以得到：n 1(X =n z (X , Tn 2(2X =n y (2X , T式中n 1(X、n 2(2X分别为慢光和快光的折射率。而倍频效率G * sin c其中$k =22n 2(2X -n 1(X 为失谐量。根据以上公式,通过计算得到倍频效率与 温度关系的理论曲线(图2中实线所示 与实验得到的温度调谐曲线(图2中的点线两者基本相符。绿光最大功率输出出现在 T mp =153. 3C ,此值随泵光功率的变化略有改变图3为实验中测得的连续波绿光输出功率
10、与泵光功率的关系曲线，泵光阈值为1. 1W。当泵光为5. 5W时，获得最大连续波绿光输出为1.2W ,模式为T EM 00模, 光-光转换效率为22%,电-光转换效率为3%。还对激光器绿光输出功率的稳定性进 行了测试:在半小时内测得连续波绿光输出功率抖动的相对平均值约为3%。造成绿光输出功率不稳定的原因除了ChinaAll ri|；hu gervir 札 Publishing Houc.1994 2012loufnftl ironicL 20- 8 exp,theoryLBO的温度控制精度不够外，另一主要原因是由于腔内各振荡纵模通过和频而 产生的各纵模非线性耦合作用导致了光能在各个纵模间不断转
11、换，产生绿光输出功率的波动,即所谓的 绿光问题”F ig . 2L BO IChinaAll rights reserved”Fublhhing How+ hUpi/A*、IW-2012Acidctnic Journal Ektimic-type N CPM SHG temper atur e -tuned curv e F ig . 3N d Y V O 4/L BO laser output po w er at 532nm as a function o f pump pow er由于Nd歼OV 4晶体的导热性较差，当泵光功率超过某一值时，在泵光焦点处， 由于功率密度过大，出现热透镜效应
12、，使绿光输出功率下降，模式改变。在此实验中， 当泵光功率为5W时,开始出现这一现象。经过调节光路参数，可部分补偿热透镜效 应，此时,绿光功率的输出仍可随泵光功率的增大而提高。当泵光功率超过5. 5W时,绿光功率输出趋于饱和。这是因为此时激光晶体产生的热透镜效应已超出了所能调 节的范围。因此，要想获得更高的输出效率，除了完善腔的结构以外，如何最大限度 地降低热效应将是今后必须解决的另一重要问题。结 论 通过以上实验发现：大功率激光二极管泵浦Nd计VO 4、LBO腔内倍频的全固态激光器由于具有阈值低、转换效率高和输出功率大等特点，在获得瓦级以上连续波绿光输出方面显示出一定的优势和潜力。7期何京良等
13、：激光二极管泵浦N d V O 4/L BO腔内倍频瓦级连续波绿光激光器865参考文献1 M asaki T sun eka ne, N o bo r u T aguchi, High-po wer , low -no ise, co nt inuo us-wa ve all-so lid-state T i sap- 宁phir e laser . Op t . L ett . , 1996, 21(23: 191219142 H . Ko gelnik , E . Ippe n , A . D ienes et al . , Astigmat ically co mpen sated ca
14、vities for CW dy e laser .I E EE J . Qua nt. Electr on . , 1972, QE -8(3： 3733793 Cha ng tia n Che n , Y icha ng W u , A idong Jia ng et al . , N ew no n li near -o ptical crsya l :L iB 3O 5, J . Op t .S oc . A m . (B , 1989, 6(4 : 6166214 K . K ato , T em per ature -tuned 90phase-match ing pr opert
15、ies o f L iB 3O 5. I EE E J . Quant . Electr on .,1994, QE -30(12 : 29502952LD Pumped Nd :YVO 4/LBO In tracavity Freque ncy Doubli ngOver 1-W Green Output Laser1 2 1 2 He Jin glia ngWang Jia nming Hou WeiZhao Zon gyua n1 2 1 Xu Zuya n Wu Xing Yang Guozhen1 , L aborator y of Op tical P h y s ics , I n stitute of Phy sics , T he Chin ese A cad emy of S ciences , Beij ing 1000802 , L aborator y of Cry stal Gr ow th , I nstitute of Phy sics , T he Chinese A cad emy of Scie nces , Beij ing 100080(Receiv ed 22M ar ch 1997; r evised
