V型腔激光器倍頻晶體長(zhǎng)度分析和實(shí)驗(yàn)研究

石夢(mèng)靜，陳巧玲，郭紹忠，林文碩

（福建工程學(xué)院數(shù)理系，福建 福州 350000）

激光二極管泵浦全固態(tài)激光器具有效率高、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)[1~2]，被廣泛應(yīng)用于激光醫(yī)學(xué)、信息存儲(chǔ)、水下通信、彩色打印、激光電視等科學(xué)研究中[3~4]，已成為國(guó)際激光領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。由于KTP晶體具有良好的物理機(jī)械性能和光學(xué)特性，被作為倍頻晶體廣泛應(yīng)用在各類激光產(chǎn)品中。但是在高功率密度激光的長(zhǎng)時(shí)間作用下，KTP晶體組分中的Ti4+離子會(huì)得到一個(gè)電子變成Ti3+，出現(xiàn)所謂的“灰線（gray tracks）”問題，導(dǎo)致激光輸出功率下降。本文研究了LD端面泵浦V型腔連續(xù)綠光激光器倍頻光的功率密度，分別計(jì)算了以Nd：YVO4和Nd：YAG為激光晶體，腔內(nèi)損耗為5％時(shí)KTP晶體的最佳長(zhǎng)度，得到較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所得結(jié)論對(duì)相關(guān)研究具有參考價(jià)值。

其中，為基頻光在倍頻晶體和增益介質(zhì)中的功率密度比，即

由式（1）可得I（ω），代入式（3），則得到倍頻光的功率密度為

式中，

1 理論分析

因此，I（2ω）是（）因子的遞減函數(shù)。

倍頻晶體的長(zhǎng)度，對(duì)輸出功率有較大影響，下面對(duì)KTP晶體的最佳長(zhǎng)度進(jìn)行分析。激光腔內(nèi)倍頻的穩(wěn)態(tài)條件：激光往返飽和增益等于線性損耗與非線性損耗之和[5]，即

其中，

g0為非飽和增益系數(shù)；

l*為增益介質(zhì)長(zhǎng)度；

I為基波在增益介質(zhì)中的功率密度；

δ為基波的線性損耗；

Is為增益介質(zhì)的飽和功率密度；

fa和fb分別為上下能級(jí)中起作用的粒子數(shù)分?jǐn)?shù)；

σ為受激發(fā)射截面；

τ為上能級(jí)壽命；

K'I是由倍頻引起的非線性損耗，非線性耦合系數(shù)K'定義為[6]

由式（7）可以看出，倍頻晶體的最佳長(zhǎng)度與激光晶體的受激發(fā)射截面、腔內(nèi)損耗、基頻光頻率及倍頻晶體的非線性系數(shù)等因素有關(guān)，而與腔內(nèi)非飽和增益無(wú)關(guān)。如果倍頻晶體過(guò)短，則只有少量基頻光產(chǎn)生非線性效應(yīng)；如果倍頻晶體太長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致基頻光功率密度的減小，從而降低倍頻光的功率密度。

圖1 腔內(nèi)損耗與晶體長(zhǎng)度關(guān)系圖

根據(jù)式（7）得到倍頻晶體的最佳長(zhǎng)度與腔內(nèi)損耗間的關(guān)系，如圖1所示。從圖上可以看出，腔內(nèi)損耗越大，對(duì)應(yīng)的最佳倍頻晶體長(zhǎng)度越長(zhǎng)；在同一腔內(nèi)損耗的情況下，當(dāng)采用Nd：YVO4為激光晶體時(shí)，倍頻晶體的最佳長(zhǎng)度較長(zhǎng)。當(dāng)腔內(nèi)損耗為5％時(shí)，采用Nd：YVO4為激光晶體所對(duì)應(yīng)的KTP最佳長(zhǎng)度為10.3 mm；采用Nd：YAG為激光晶體所對(duì)應(yīng)的KTP最佳長(zhǎng)度為6.6 mm。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖3 Nd：YVO4/10 mmKTP綠光輸出功率與泵浦功率關(guān)系

圖4 Nd：YAG/6 mmKTP綠光輸出功率關(guān)系

2 LD泵浦綠光激光器實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，泵浦光經(jīng)準(zhǔn)直和聚焦后入射到激光晶體，其左端面作為輸入鏡M1，對(duì)1 064 nm和532 nm全反，右端面對(duì)1 064 nm和532 nm高透；輸出鏡M為平凹鏡，曲率半徑50 mm，對(duì)1 064 nm全反，532 nm高透；反射鏡M2為平凹鏡，曲率半徑200 mm，對(duì)1 064 nm和532 nm全反。倍頻晶體為KTP，使用TEC制冷。

分別采用10 mm Nd：YAG和Nd：YVO4進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖3為采用Nd：YVO4/10 mm KTP實(shí)驗(yàn)時(shí)泵浦功率與綠光輸出功率圖。Nd：YVO4具有較高的發(fā)射截面，閾值較低，獲得較高的綠光輸出，最高功率為3.41W。當(dāng)泵浦光為15 W時(shí)，獲得了2.67 W綠光輸出和較高的光-光轉(zhuǎn)換效率17.8％。圖4為采用Nd：YAG/6 mm KTP實(shí)驗(yàn)時(shí)泵浦功率與綠光輸出功率圖。由于倍頻晶體偏短，當(dāng)泵浦功率大于15 W后，對(duì)基頻光吸收不

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)倍頻光轉(zhuǎn)換效率公式和腔內(nèi)倍頻的穩(wěn)態(tài)條件，得到倍頻光功率密度的最大值，分別計(jì)算了以Nd：YVO4和Nd：YAG為激光晶體，腔內(nèi)損耗為5％時(shí)KTP晶體的最佳長(zhǎng)度。分別采用10mmNd：YAG和Nd：YVO4為激光晶體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在Nd：YVO4/10mmKTP實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)泵浦光為15 W時(shí)，獲得了2.67 W綠光輸出，光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)17.8％。

[1]FAN T Y，BYER R L.Diode Laser pumped solid-state laser[J].IEEE J QuantumElectron，1988，24（6）：895-912.

[2]Bai Jin-tao，Chen Guo-fu.Continuous-wave diode-laser end-pumped Nd：YVO4/KTP high-power solid-state green laser[J].Optic＆Laser Technology，2002，34（4）：333-336.

[3]M.Tsunekane，N.Taguchi，and H.Inaba.High-power efficient low-noise continuous-wave all-solid-state Ti：sapphire laser[J].Opt. Lett，1996，21（23）：1912-1914.

[4]徐海萍.LD側(cè)泵全固態(tài)Nd：YAG/KTP高功率連續(xù)綠光激光器的研究[D].西安：西北大學(xué)，2007.

[5]N Bloembergen.Nonlinear optics[M].Singapore：World Scientific，1996.

[6]J.E.Geusic，H.J.Levinstein，S.Singh，et al.Continuous 0.532 μ solid-state source using Ba2NaNb5O15[J].Appl.Phys.Lett，1968，12（9）：306-308.