高转换效率绿光激光器的实验研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 第４１卷第２期　南开大学学报（自然科学版）　Ｖｏ１．４１　Ｎ＿Ｏ２　２００８年４月　Ａｃｔａ　Ｓｃｉｅｎｔｉａｒｕｍ　Ｎａｔｕｒａｌｉｕｍ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔａｔｉｓ　Ｎａｎｋａｉｅｎｓｉｓ　Ａｐｒ．２００８　文章编号：０４６５—７９４２（２００８）０２—００６７—０４　高转换效率绿光激光器的实验研究　王宏杰，　李可佳，　颜彩繁，　刘　哲，　索　超，　孟祥茜，　吕福云　（南开大学物理科学学院，天津３０００７１）　摘要：用半导体激光器阵列对称式侧向泵浦Ｎｄ：ＹＡＧ激光棒，改善了基频光质量．同时，提高了ＫＴＰ倍频　晶体的转换效率．其效果明显优于半导体激光器端面泵浦或普通氪灯侧向泵浦方式．通过实验测量到普通氪灯　泵浦方式中基频光的平均直径为２．３３　ｍｍ，ＬＤ阵列对称泵浦方式中基频光的平均直径仅为１．２２　ｍｍ，并且呈现　标准的高斯分布，形成了高亮度激光输出．实验研究了Ｎｄ：ＹＡＧ调Ｑ固体激光器的重复频率对ＫＴＰ倍频晶体　转换效率的影响．并且，在基频光平均功率ｌ１．２　ｗ时，经ＫＴＰ晶体倍频产生５．１１　Ｗ的５３２　ｎｍ绿光输出，光一　光转换效率达到４５．６　．　关键词：泵浦方式；基频光；光束质量；倍频晶体；转换效率　中图分类号：０７３４　文献标识码：Ａ　０　引　言　随着光学晶体制备技术的日趋完善，各种具有高非线性系数的倍频晶体不断地研制成功，其工艺成本　大幅度下降，性价比越来越高口］．因此，利用廉价的倍频晶体产生绿光或紫外光源的方法越来越受到人们　的青睐　ｑ］．二倍频、三倍频、四倍频乃至五倍频固体激光器的光束质量随着晶体生长工艺的逐步成熟已　经得到了极大的改善．特别是，半导体泵浦技术的出现使得倍频激光器无论是输出功率还是光束质量都得　到了本质的飞跃．倍频光输出的平均功率由当初的几百毫瓦提高到三、四百瓦，光束品质因子已经改善到　接近于１　Ｅ　．比较了普通氪灯泵浦方式和半导体激光器阵列对称泵浦方式下，基频光的光束质量的改善以　及对ＫＴＰ倍频晶体转换效率的影响．同时，也研究了调Ｑ固体激光器的重复频率对倍频晶体转换效率的　影响．通过实验，测量到普通氪灯泵浦方式中基频光的平均直径为２．３３　ｍｍ，半导体激光器泵浦方式中基　频光的平均直径仅为１．２２　ｍｍ，并且呈现标准的高斯分布，能量集中在光斑中心，形成了高亮度激光输　出，光束质量明显优于前者．在１　０６４　ｎｍ基频光平均功率为１１．２　Ｗ时，经ＫＴＰ晶体腔内倍频产生　５．１１　Ｗ的５３２　ｎｍ绿光输出，转换效率达到４５．６　．实验证明，采用半导体激光器阵列对称式泵浦比其它　普通泵浦方式的倍频晶体转换效率明显提高．半导体泵浦技术不仅提高了激光输出功率，而且也极大地改　善了光束质量．　１实验结果与分析　Ｉ．Ｉ实验装置　选取了普通的氪灯泵浦和半导体激光器阵列对称式泵浦两种Ｎｄ：ＹＡＧ固体激光器，半导体激光器输　出的泵浦光中心波长为８０８　ｎｍ，所使用的Ｎｄ：ＹＡＧ激光棒的掺杂浓度均为１．２　Ａｔｏｍ　０Ａ，ＫＴＰ磷酸酞氧　钾倍频晶体的尺寸为３＊３＊８　ｍｍ，Ｍ１是１　０６４　ｎｍ全反镜，Ｍ２是二色镜（１　０６４　ｎｍ高透；５３２　ｎｍ高反），　Ｍ３是５３２　ｎｍ倍频光输出镜，Ｑ是声光调制装置，ＬＤ是三个相隔１２０。对称放置的半导体激光器阵列，由　收稿日期：２００７－０６－１５　作者简介：王宏杰（１９５９一），男，天津人，高级工程师，主要从事光电子激光技术的教学和研究　维普资讯 http://www.cqvip.com ・６８・　南开大学学报（自然科学版）　第４１卷　此建立了腔内倍频实验系统，其结构如图１所示．　圃　｜＿【灯泵浦　（ａ）｜＿【灯泵浦装置　（ｂ）ＬＤ阵列泵浦装置　圈１实验装置　Ｆｉｇ．１　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｓｅｔｔｉｎｇｓ　１．２　１　０６４　ｎｍ基频光相对功率分布的测试　首先，分别对两种泵浦方式中基频光的相对功率分布进行了测试．在平行平面腔内，选取相同的谐振　腔腔长（约６－０　ｃｍ）的情况下，用中科院物科公司的ＬＰ一３Ｃ激光功率计对激光功率密度沿光斑径向的相对　分布进行了测试．使用的是一直径为１　ｍｍ的小孔固定在二维精密平移台上，每次平移０．１２５　ｍｍ，测出基　频光经扩束后光斑内相对功率密度分布．图２为氪灯泵浦时，基频光光斑内相对功率密度分布曲线，图３　为半导体激光器阵列对称式泵浦时，基频光光斑内相对功率密度分布曲线．　１．６　１．４　１．２　锯　＊　嚣　．ｏ　基ｏ．８　莨　宾０．６　Ｏ．４　莨　宾　Ｏ．２　０．０　——０．２　２０～１５—１Ｏ一５　０　—５　１０　１５　２０　一１Ｏ一８—６—４—２　０　２　４　６　８　１Ｏ　小孔相对位置　小孔相对位置　圈２氟灯泵浦时基频光测试结果　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｎ　Ｋｒｙｐｔｏｎ　ｐｕｍｐ　圈３　ＬＤ泵浦时基频光测试结果　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｎ　ＬＤ　ｐｕｍｐ　从图２和图３的分布曲线中可以看出，在外部条件近似相同的情况下，半导体激光器阵列泵浦比普通　氪灯泵浦时基频光的功率密度分布比较对称，并呈现出标准的高斯分布．同时，光斑直径明显小，激光功率　密度比较大，激光能量变得更集中在光斑中心，即有利于形成高亮度激光输出，这一实验结果与固体激光　器的泵浦理论分析一致［５］．定义激光功率密度分布曲线的半高峰处的密度为基频光光斑的平均直径．将氪　灯泵浦和ＬＤ泵的基频光光斑直径进行了对比测试，它们的平均直径分别为２．３３　ｍｍ和１．２２　ｍｍ．所以，　ＬＤ阵列泵浦更容易得到高亮度的基频光，这有利于提高倍频晶体的转换效率［６］．　１．３对称式ＬＤ泵浦时５３２　ｎｍ倍频光的测试结果　在本实验设计的腔内倍频系统中，选取了半导体激光器阵列对称式侧向泵浦的方式，装置如图１ｂ所　示．在工作电流２Ｏ　Ａ时，测到其输出调Ｑ的１　０６４　ｎｍ基频光平均功率为１１．２　Ｗ，经ＫＴＰ倍频后产生的　５３２　ｎｍ绿光输出的平均功率为５．１１　Ｗ，光一光转换效率达到４５．６　，这一结果远远超过了普通氪灯泵浦　的水平，极大地提高了倍频晶体转换效率．同时，采用ＬＤ阵列对称式侧向泵浦方式也克服了ＬＤ端面泵　浦方式中由于激光晶体热透镜效应影响而使得泵浦光功率受到限制的缺陷，可以成倍地提高泵浦功率，实　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期　王宏杰等：高转换效率绿光激光器的实验研究　１　・６９・　２　３　４　５　６现大功率绿光输出．　１．４基频光重复频率对倍频晶体转换效率的影响　为了充分地观测到基频光重复频率对倍频晶体转换　效率的影响，在图１ｂ的腔内倍频系统中，在阈值附近以上　同一泵浦电流（如１０Ａ），从１～１Ｏ　ｋＨｚ范围内选取了不同　的重复频率，并测试到５３２　ａｍ倍频光的输出功率，结果如乏　图４所示．　暮　从图４的曲线可以看出，设计的这套腔内倍频系统弼　中，当重复频率为３　ｋＨｚ时，倍频晶体转换效率达到了最　大．也就是说，在声光调制方式下，倍频晶体的转换效率存　在一个最佳值．因此，在选择ＫＴＰ晶体作为倍频器件时，　除了考虑其位相匹配和基频光泵浦方式的影响外，还要考　虑到重复频率对倍频晶体转换效率的影响．　图４转换效率与重复频率的关系　２　结　论　Ｆｉｇ．４　。　。　砒　蛐ｂ。‘ｗ。。“　。　。‘蛐　“ｄ　ｑｕｅｎｃｙ　半导体激光器泵浦方式与普通氪灯泵浦方式相比，无　论是在基频光光束质量改善方面，还是在提升激光输出功率方面都具有无法比拟的优势．本文中采用三个　半导体激光器阵列对称式侧向泵浦ＹＡＧ激光棒，得到了高亮度激光输出．相对普通氪灯泵浦方式而言，　使其倍频光的转换效率得到了极大提高．另外，采用本文中介绍的ＬＤ侧向泵浦方式也克服了端面泵浦方　式中，随着泵浦功率的加大，由于热透镜效应致使光一光转换效率明显下降的缺点［７叫］．　致谢：本论文的工作受到南开大学本科创新“百项工程”基金资助．另外，部分实验工作得到了武丁二博士　的大力支持和帮助．在此，一并表示衷心的感谢ｊ　参　考　文　献　刘均海，邵风兰，许心光．优质ＫＴＰ晶体腔内有效倍频效率及损耗的研究［－ｊ－］．光电子・激光，２０００，１１（６）：６１１—　６１４．　Ｌｅｎｎｙ　Ｍｉｇｌｉｏｒｅ．Ｌａｓｅｒ　ｔａｒｇｅｒｔ　ｇｌａｓｓ　ｍａｒｋｉｎｇ［Ｊ］．Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｓｐｅｃｔｒａ，２００３（７）：７２—７３．　王宏杰，郭文刚，董兆辉，等．激光刻蚀技术的应用．红外与激光工程［Ｊ］．２００４，３３（５）：４６９—４７２．　郭　丽，姚建铨，禹国俊．百瓦级全固态绿光激光器的实验研究［－ｊ－］．光子学报，２００４，３３（９）：１　Ｏ２７—１　０３０．　张光寅，焦志勇，颜彩繁，等．大功率高亮度固体激光腔的选择Ｉ－Ｊ，］．强激光与粒子束，２００３，１５（５）：４２４—４２６．　ＳｕｓｕｍｕＫｏｎｎｏ，Ｓｈｕｉｃｈｉｕｊｉｋａｗａ．Ｈｉｇｈｌｙ—ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ　１　３８　Ｗ　ｇｒｅｅｎ　ｌａｓｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｎ　ｉｎｔｒａ－ｃａｖｉｔｙ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｄｏｕｂｌｅｄ　ｄｉｏｄｅ　ｓｉｄｅ—ｐｕｍｐｅｄ　Ｑ—ｓｗｉｔｃｈｅｄ　Ｎｄ：ＹＡＧ　ｌａｓｅｒ［，Ｊ，］．Ｏｐｔ　Ｌｅｔｔ，２０００，２５（２）：１０５—１０７．　郑加安，赵圣之，张行愚．ＬＤ纵向泵浦固体激光器参数优化［Ｊ］．光电子・激光，２０００，１１（５）：４７６—４８０．　刘均海，卢建仁，吕军华．半导体激光器端面抽运高功率高效Ｎｄ：ＹＡＧ固体激光器［Ｊ］．中国激光，２０００，２７（２）：７　—１０．　李健，何京良，侯玮．大功率激光二极管抽运Ｎｄ：ＹＶＯ　激光器的特性研究［Ｊ］．光学学报，２０００，２０（４）：４８５—　４８８．　维普资讯 http://www.cqvip.com

・７０・　南开大学学报（自然科学版）　第４１卷　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｇｒｅｅｎ　Ｌａｓｅｒ　ｗｉｔｈ　Ｈｉｇｈ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　Ｗａｎｇ　Ｈｏｎｇｊｉｅ，Ｌｉ　Ｋｅｊｉａ，Ｙａｎ　Ｃａｉｆａｎ，Ｌｉｕ　Ｚｈｅ，Ｓｕｏ　Ｃｈａｏ，Ｍｅｎｇ　Ｘｉａｎｇｑｉａｎ，Ｌｕ　Ｆｕｙｕｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＰｈｙｓｉｃｓＳｃｉｅｎｃｅ，ＮａｎｋａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌａｓｔｅｒ　ｄｉｏｄｅ　ｂａｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｙｍｍｅｒｔｉｃａｌ　ｓｉｄｅ－ｐｕｍｐ　ｔｏ　Ｎｄ：ＹＡＧ　ｒｏｄ，　ｉｔｓ　ｅｆｆｅｃｔ　ｉｓ　ｒｅｍａｒｋａｂｌｅ　ｅｘｃｅｌ　ｔｏ　ｔｈｅ　ＬＤ　ｅｎｄ—ｐｕｍｐ　ｏｒ　ｔｈｅ　ｓｉｄｅ－ｐｕｍｐ　ｉｎ　ｏｒｄｉｎａｒｙ　ｋｒｙｐｔｏｎ．　Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｉｓ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｉｔ　ｗａｓ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｔｈａｔ　ａｖｅｒａｇｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｌｉｇｈｔ　ｉｓ　２．３３　ｍｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｏｆ　ｏｒｄｉｎａｒｙ　ｋｒｙｐｔｏｎ　ｐｕｍｐ，ｗｈｉｌｅ　ｉｎ　ｈｅ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌａｓｔｅｒ—　ｄｉｏｄｅ　ｂａｒ　Ｐｕｍｐ　ｔｈｅ　ａｖｅｒａｇｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｉｓ　ｏｎｌｙ　１．２５　ｍｍ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌａｔｅｒ　ａｌｓｏ　ｔｏｏｋ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　Ｇａｕｓｓｉａｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｆｏｒｍｅｄ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ　ｌａｓｅｒ　ｏｕｔｐｕｔ．Ｅｘ—　ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ　ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｎ　Ｎｄ：ＹＡＧ　Ｑ—ｓｗｉｔｃｈ　ｓｏｌｉｄ　ｌａｓｅｒ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｅｎｃｙ　ｏｆ　ＫＴＰ　ｃｒｙｓｔａ１．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ａｖｅｒａｇｅ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｌｉｇｈｔ　ｗａｓ　１１．２　Ｗ．Ｔｈｅ　５３２　ｎｍ　ｇｒｅｅｎ　ｏｕｔｐｕｔ　ｗａｓ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｗｉｔｈ　ＫＴＰ　ｆｒｅｑｎｅｎｃ—ｄｉｏｕｂｌｉｎｇ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｉｔｓ　ｐｏｗｅｒ　ｗａｓ　５．１１　Ｗ，ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ—ｌｉｇｈｔ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｗａｓ　４５．６　．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｕｍｐ　ｐａｔｔｅｒｎ；ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｌｉｇｈｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｄｏｕｂｌｉｎｇ　ｃｒｙｓｔａｌ