本文介绍了一种新型微型全固化绿光激光器。采用激光二极管端面泵浦nd：yVO4激光晶体，用kTP作为非线性倍频晶体，当泵浦光功率为360MW时，获得530nM波长、93MW的基横模绿光输出，总的光-光转换效率为24%

叶艺文

梅荣华

黄元庆

Xiamen University Institutional Repository

#论   文#全固化 Nd: YVO4绿光激光器黄元庆  叶艺文  梅荣华(厦门大学新技术开发研究所, 厦门  361005)提要: 本文介绍了一种新型微型全固化绿光激光器。采用激光二极管端面泵浦 Nd: YVO4 激光晶体, 用 KT P作为非线性倍频晶体,当泵浦光功率为 360mW 时,获得 530nm 波长、913mW 的基横模绿光输出, 总的光- 光转换效率为 21 4%。关键词: LD, Nd: YVO4, 倍频,绿光激光器All solid- state green Nd:YVO4 laserHuang Yuanqing  Ye Y iwen  Mei Ronghua( Institute of New T echnolog y, Xiamen University, X iamen  361005)Abstract: In this paper , it is presented for a new structure of all solid- state micro- laser. Nd: YVO4 cr ystal is end-pumped by laser diode, and KTP crystal is used as a frequency doubler. T he output pow er of 9. 3mW of TEMoo mode laserat 532nm has been obtained for pumping power of 360mW, and t he total optical to optical efficiency is 2. 4% .Key words:LD, Nd: YVO4 , frequency- doubling , gr een laser* 1  引言LD(激光二极管) 泵浦固体激光器, 是 80年代中期兴起的新技术, 近些年来发展极为迅速。这种全固化结构的激光器与传统的灯泵浦固体激光器相比,激光二极管发射光谱范围窄,发射中心波长可实现与固体激光晶体的吸收光谱完全匹配,光- 光转换效率可提高 0~ 50倍;激光晶体无或极小的热透镜效应, 无需特殊的冷却装置,减少了激光器件的机械噪声;工作寿命可超过 5000小时。因此,该器件是一种高转换效率、高频率稳定性、窄谱线、微型、长寿命的相干光源。Nd: YVO4(掺钕钒酸钇)晶体为四方晶体,是单轴晶体,与 Nd: YAG相比具有许多突出优点。如, 在 1064nm 处的受激发射截面, Nd:YVO4 为 25 @ 10- 19 cm- 2, Nd: YAG 为 618 @10- 19cm2, 前者约为后者的四倍; 在 809nm 中心吸收波长附近的吸收带宽, Nd: YVO4 约为21nm, Nd: YAG约为 10nm, 前者约为后者的二倍。此外, Nd: YVO4 是双折射晶体,能输出偏振光。但 Nd: YVO4 与 Nd: YAG相比, 其热传导系数较低, 因此, Nd: YVO4 较适合做成微片激光器。由于 KTP 对 1064nm 具有高倍频效率及好的机械强度, 尤其是能实现 Ò 类非临界相位匹配。因此,本器件用 KTP 作倍频晶体。2  实验与理论分析图 1为 LD泵浦 Nd: YVO4 倍频绿光激光器结构示意图。该器件 LD与 Nd: YVO4晶体之间无耦合光学系统, 而是采用面对面紧凑型1 5激光杂志61997年第 18 卷第 5 期        LASER JOURNAL ( Vol1 18, No 51 1997)   * 1996年 12月 26日收稿 图 1 全固化 Nd: YVO4 绿光激光器结构示意图1- LD, 2- Nd: YVO4, 3- KTP, 4- 输出镜直接耦合结构,这能使激光晶体最大限度地吸收 LD光能量, 并使器件微型化和简单化。LD采用国产 GaA1As单量子阱半导体激光器, 光斑为 240 @ 1Lm, 发散角 HL [ 40b, H11 [ 10b, 中心波长为 809nm , 谱线宽度约 2nm; Nd: YVO4尺寸为 3 @ 3 @ 1mm 3,掺 Nd浓度为 2at% ,采用a轴向切割, 实现 P型偏振,获得对 809nm 波长光能最大吸收系数A= 7214cm- 1; KT P 晶体尺寸为 3 @ 3 @ 5mm3。为了减少器件的光能量损失, 降低激光阈值,提高转换效率, 一方面使 LD、Nd: YVO4 及KT P三者之间尽可能靠近,并使间隔均控制在011mm ;另一方面, 对各元件镀了特殊要求的膜层。其中 Nd: YVO4晶体入射面镀对 809nm增透、1064nm 全反的双色膜, 出射面镀对809nm 全反、1064nm 增透的双色膜; KTP 入射面镀对 1064nm 增透、532nm 全反的双色膜, 出射面镀对 1064nm、532nm 均增透膜; 输出镜的入射面镀 1064nm 全反、532nm 增透的双色膜,出射面镀 532nm 增透单色膜。该器件的工作原理是,由 LD 出射的 809nm 半导体激光束泵浦 Nd: YVO4 微片晶体 2, 出射的 1064nm 激光,经 KTP 晶体 3倍频,转换成 532nm 绿光激光,最后由输出镜 4输出。倍频,即二次谐波的产生( SHG)是针对单频波而言,如果出现一个以上纵模,将产生相位失匹配及模式竞争, 从而导致倍频效率降低。因此,必须确保基频光是处于单纵模运行状态。对于纵向泵浦的固体激光器单纵模运转的原因是短程吸收, 而与腔长短无关112, 因此可把微片晶体厚度 d当作谐振腔长度 L 处理。Nd:YVO4 晶体对 809nm 波长光有强烈的吸收,其增益区很簿, 对掺杂 Nd浓度为 2at% 时, 其谐振中心谱线 1064nm 的谱线宽度为 257GHZ122,当晶体厚度 d= 013mm 时可获得单纵模运转。当 d= 1mm 时, 其振荡的纵模 m 可由下式给出:m = $T c2nd(1)  式中 c2nd为纵模间隔, $T为中心谱线宽度, c 为真空光速, 折射率 n= 21165。把有关数值代入得 m = 317。根据驻波理论可知, 对于端面泵浦机制的激光器, 在输入面镀有耦合镜的激光介质时, 所有腔模在镜面上有相同的节点,当泵浦光被短程吸收时,则在此范围内所有纵模接近相同的反转粒子数,具有最高受激发射截面的模式首先起振, 抑制了其他模式的起振,从而可获得单纵模输出。因此本器件结构虽容许 317 个纵模振荡, 但由于中心谱线1064nm具有最大的吸收系数和最高的发射截面( R= 25 @ 10- 19 cm- 2 ) , 仍可获得 1064nm 波长的单纵模输出。图 2  基横模 SHG 输出功率与泵浦功率关系图要获得高转换效率的倍频,除了要求基频光为单频外,还必须使基频光为基横模,且实现基频光基横模与腔的基横模匹配,即要求这两个基横模大小近似相等。虽然半共焦腔具有最(下转 14页)2  5激光杂志61997年第 18 卷第 5 期        LASER JOURNAL ( Vol1 18, No 51 1997)   蜃景效应测得的结果基本一致,但也存在着差表 1  纳米二氧化钛热扩散率的拟合结果方 法编 号厚度( mm)退火温度( e )激光光热技术方式热扩散率( cm/ s2)拟合误差Q%蜃景效应1521 11 23 0振幅 7126@ 10- 3 11 74位相 7118@ 10- 3 11 94718 @ 10- 32 11 12 200振幅 5171@ 10- 3 21 33位相 5159@ 10- 3 11 68515 @ 10- 33 11 18 400振幅 4147@ 10- 311 56位相 4125@ 10- 3 11 64413 @ 10- 34 11 20 600振幅 4107@ 10- 3 11 28位相 3195@ 10- 3 01 89318 @ 10- 3别。而利用光热信号的振幅与位相拟合所得的结果是一致的,同时也看到二者的拟合误差都非常小,这说明光热信号法比蜃景效应的精确度更高些, 同时由于振幅与位相同时对频率进行拟合,这样对所测得的结果可进行比较,提高了数据的可靠性。虽然利用光热信号曲线拟合法与蜃景效应法所得的结果有差别,但纳米二氧化钛的热扩散率随退火温度的变化规律是一致的, 即热扩散率随退火温度的升高而减小152,这说明两方法所测得的结果都是正确的,只是在精确度上稍有差别而已。4  结论利用激光光热技术的光热信号拟合法对纳米二氧化钛的热扩散率进行了测量, 结果表明该方法比蜃景效应具有较高的精确度, 并增加了结果的可靠性, 表明激光光热技术在检测新型纳米材料中是一种十分有效的手段。参 考 文 献112  A. C. Boccar a, D. Fournier , and J. Badoz. Appl.phys. Lett, 36( 2) , 130, 1980122  J, C, Murphy and L. C. Aamodt . J. Appl. phys. 51( 9) , 4580, 1980132  P. K , Kuo, M . J. L in, C. B. Reyes, L . D. Fav ro, R.L . T homas, D. S. K in, and Shu-yi Zhang. Can. J.phys. 64, 1168, 1986142 A. Sa lazar, A . Sanchez- Lavega, and J. Fernandez.T . Appl. phys, 65( 11) , 4150, 1989152  王培吉,范素华, 应用光学, 17( 1) , 23, 1996  作者简介: 王培吉, 男, 讲师, 1995年毕业于同济大学,现在山东建材学院物理系工作。(上接 2页)低的激光阈值,但由于本器件采用面对面的直接耦合倍频, 为满足基频光斑与腔模光斑大小的匹配,采用了普通的平凹腔体结构。该器件腔长 L = 20mm, 输出凹面镜曲率半径 R =225mm。图 2是 SHG绿光输出功率与泵浦光功率的关系曲线图。当半导体激光器出射的泵浦光为 360mW 时, 获得 532nm 波长 913mW基横模的绿光激光输出,整个系统总的光- 光转换效率为 214%。在实验中发现, 若继续增大泵浦光功率, 输出激光功率也随之增大。但当泵浦光功率超过380mW 时,输出激光呈多横模, 同时也出现了多纵,这是由于基频光的基横模遭到破坏的结果。这说明,要获得单纵模倍频光输出,基频光为基横模是一个必备条件。3  结束语中小功率的微片绿光激光器,用途十分广泛,在光存储、显示、医院、准直及娱乐等等方面都能得到不同程度的应用。本器件主要是为激光舞台灯而研制的。参 考 文 献112 G. J. K intz, T . Bear, IEEE J. Quant. Electr . , QE-26( a) : 1457- 1459, 1990122  Takunori Taira, Akira Mukai, et . al. , Optics Let-ters, Vol. 16, No. 24, 1955- 1957, 199114  5激光杂志61997年第 18 卷第 5 期        LASER JOURNAL ( Vol1 18, No 51 1997)   

全固化Nd:YVO_4绿光激光器

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