激光二極管抽運(yùn)共軸雙晶體黃光激光器*

李 斌 姚建銓 丁 欣 王 鵬 張 帆

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，激光與光電子研究所，

光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

(2010年1月11日收到;2010年4月13日收到修改稿)

激光二極管抽運(yùn)共軸雙晶體黃光激光器*

李 斌?姚建銓 丁 欣 王 鵬 張 帆

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，激光與光電子研究所，

光電信息技術(shù)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

(2010年1月11日收到;2010年4月13日收到修改稿)

提出一種全新的單抽運(yùn)源、共軸雙晶體實(shí)現(xiàn)黃光激光的方法，并對其進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究.利用該方法在抽運(yùn)功率為1.5 W時(shí)，獲得了54 mW的黃光激光輸出，激光不穩(wěn)定度為5%，光-光轉(zhuǎn)換率為3.6%，而利用對1064 nm損耗的方法在相同條件下只獲得15 mW的黃光輸出.該方法結(jié)構(gòu)簡單、靈活多樣，可以應(yīng)用到很多弱增益譜線與強(qiáng)增益譜線和頻的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)諸如491，488，593.5，555和500.8 nm的激光輸出.

黃光激光器，單抽運(yùn)源，雙晶體，和頻

PACS:42.55.Xi，42.60.－ v，42.65.－k

1.引 言

黃光波段的激光在生物醫(yī)學(xué)(與人體血紅素的吸收譜線重合)［1］、玻色-愛因斯坦凝聚體［2］、大氣測量等領(lǐng)域［3］都有著廣泛而迫切的需要.Nd∶YAG晶體的1064和1319 nm譜線通過和頻能夠產(chǎn)生589 nm黃光，而且二極管抽運(yùn)的 Nd∶YAG全固態(tài)激光器與染料激光器相比，具有高效率、高平均功率、長壽命等優(yōu)點(diǎn)，因此成為國際上黃光激光器技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一.目前國際上已經(jīng)開展了大量的研究，使得全固態(tài)黃光激光技術(shù)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)研究階段［4，5］并逐步向應(yīng)用靠近.例如，麻省理工學(xué)院Lincoln實(shí)驗(yàn)室采用兩臺分別產(chǎn)生1064和1319 nm的 Nd∶YAG調(diào)Q加鎖模激光器和頻的方法，在實(shí)驗(yàn)室獲得平均功率為8—10 W，589 nm 激光輸出［6，7］，美國芝加哥大學(xué)用該激光器做了實(shí)驗(yàn)，使用的功率為1.1 W，產(chǎn)生的激光導(dǎo)引星亮度是 9.5等星［8］.Air Force Research實(shí)驗(yàn)室采用種子注入鎖定外腔和頻的方法，得到了20 W，589 nm的激光輸出［9］.本文報(bào)道了一種全新的單抽運(yùn)共軸雙晶體實(shí)現(xiàn)黃光激光的新方法，并對該方法進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，在抽運(yùn)功率為1.5 W時(shí)獲得了54 mW的黃光激光輸出，實(shí)驗(yàn)表明，該方法結(jié)構(gòu)簡單、靈活多樣，可以應(yīng)用到很多弱增益譜線與強(qiáng)增益譜線和頻的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)諸如491，488，555和500.8 nm等波長的激光輸出.

2.理論分析及實(shí)驗(yàn)

589 nm黃光激光器主要通過Nd:YAG中的1064和1319 nm譜線進(jìn)行和頻得到，但1319 nm譜線的受激截面很小，只有1064 nm的五分之一，這種強(qiáng)譜線和弱譜線的和頻方式獲得黃光激光主要有兩種方式，一種是利用單個(gè)增益介質(zhì)同時(shí)雙波長振蕩，然后利用非線性晶體進(jìn)行和頻［10，11］，另一種是利用兩個(gè)增益介質(zhì)兩個(gè)抽運(yùn)源構(gòu)成兩個(gè)具有交疊區(qū)的諧振裝置，然后將非線性晶體放在交疊區(qū)內(nèi)進(jìn)行和頻獲得黃光激光輸出［12］.但這兩種方法都存在一定的弊端，第一種方法要實(shí)現(xiàn)雙波長在同一個(gè)諧振腔同時(shí)振蕩就要對增益較強(qiáng)的1064 nm譜線進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿p耗，通常的做法是將輸出鏡鍍對1064 nm具有一定透射率的膜系，而對1342或1319 nm全反，這樣通過對強(qiáng)增益譜線的損耗來使兩譜線的腔內(nèi)光子數(shù)之比達(dá)到1∶1.這種方式的效率比較低，如利用25 W的抽運(yùn)功率抽運(yùn)Nd:YVO4晶體可得到800 mW左右的黃光，但1064 nm激光的輸出高達(dá)2.5 W左右，這部分能量沒有參與和頻而白白浪費(fèi)掉了，影響了和頻效率.而第二種方法要求兩套抽運(yùn)源，諧振腔的結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜，光路難于調(diào)整，穩(wěn)定性差，不利于產(chǎn)品化和實(shí)用化.針對以上裝置的缺點(diǎn)，我們提出一種單抽運(yùn)源抽運(yùn)共軸雙晶體的新方法來產(chǎn)生黃光激光，該方法結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠，并且此方法靈活多樣，可以應(yīng)用到各種和頻裝置中(實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示).

激光二極管(LD)為Nlight公司生產(chǎn)，輸出功率為1.5 W，中心波長為808.7 nm;Nd:YAG1的1面鍍有1064 nm高透，808 nm高透，1319 nm高反;2面鍍1319 nm增透，808 nm增透;Nd∶YAG2的3面鍍808 nm增透，1319 nm增透，1064 nm高反;4面鍍1064 nm增透和1319 nm增透.這樣鍍膜的目的是使1319 nm的激光晶體長度為Nd:YAG1+Nd:YAG2，而1064 nm激光晶體長度為 Nd:YAG2，這里我們是通過調(diào)整激光晶體的長度來達(dá)到兩譜線的閾值相等，從而不需要對1064 nm進(jìn)行損耗就可以使1064和1319 nm同時(shí)起振，這種方式有利于效率的提高，并且很容易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用上也極其靈活.選用三硼酸鋰(LBO)作為589 nm和頻晶體，雙面鍍1064，1319和589 nm增透膜，OC為平凹鏡曲率半徑為50 mm，鍍1064和1319 nm高反，589 nm高透.整個(gè)系統(tǒng)采用熱電制冷器(TEC)精確控溫，溫度設(shè)定為20℃，由雙波長運(yùn)轉(zhuǎn)的閾值條件

其中σ1064為1064 nm譜線的受激截面，σ1319為1319 nm譜線的受激截面，ηp1064為1064 nm的量子效率，ηp1319為1319 nm的量子效率，ηa1064和ηa1319分別為產(chǎn)生1064 nm激光和1319 nm激光的Nd:YAG對808 nm的吸收率.τ為Nd:YAG激光上能級壽命.L1064和L1319分別為1064和1319 nm的腔損耗，ωl和ωp分別為Nd:YAG晶體上的光斑半徑.以上參數(shù)分別取 σ1064=2.8 × 10－19cm2，σ1319=0.56 × 10－20cm2，ηa1319=1 － exp［－ α × (lNd∶YAG1+lNd∶YAG2)］，ηa1064=exp［－ α × lNd∶YAG1］－ exp［－ α × (lNd∶YAG1+lNd∶YAG2)］，其中α為Nd:YAG的吸收系數(shù)，摻雜1%的 Nd:YAG，一般取 α =5，當(dāng) Pth1064=Pth1319時(shí)分別取 L1064=0.01 和 L1319=0.01，0.02，0.03，0.04.lNd:YAG1和lNd:YAG2的關(guān)系如圖2所示.

圖2 Nd:YAG1與Nd:YAG2的長度關(guān)系

由圖2可以看出，在1064 nm腔損耗一定的情況下，1319 nm的損耗越大則Nd:YAG2的長度就要求越短，Nd:YAG1的長度就要求越長，這是因?yàn)?319 nm損耗比較大時(shí)就要提高Nd:YAG1對抽運(yùn)光的吸收來降低1319 nm的閾值，而對于1064 nm就要減小其吸收長度從而使1064與1319 nm的閾值相等，達(dá)到同時(shí)起振的目的，我們用閾值法測量了1064和1319 nm的損耗分別為0.012和0.02左右，由圖 2 可得到當(dāng) lNd∶YAG1為 3 mm 時(shí) lNd∶YAG2的長度為1.318 mm，此時(shí)1064與1319 nm的閾值相等，在實(shí)驗(yàn)中我們?nèi)?lNd∶YAG1為 3 mm，lNd∶YAG2為 1.5 mm，晶體規(guī)格為3 mm×3 mm×3 mm和3 mm×3 mm×1.5 mm，用銦箔包裹放在紫銅熱沉中并且使兩塊晶體盡量靠近，熱沉用TEC嚴(yán)格控溫，LBO為3 mm×3 mm×10 mm，采用非臨界相位匹配方式，切割角為θ=90度，φ =3°，腔長為25 mm，仔細(xì)調(diào)整光路得到抽運(yùn)功率與輸出功率的關(guān)系如圖3所示.

圖3 輸出功率與抽運(yùn)功率的關(guān)系

當(dāng)取不同的lNd∶YAG1的長度時(shí)，激光器的輸出功率特性差別比較大，其中 lNd∶YAG1=3 mm時(shí)獲得了最高的功率，當(dāng)抽運(yùn)功率為1.5 W時(shí)獲得了54 mW的黃光激光輸出，用二倍擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后發(fā)散角為1.5 m·rad.當(dāng)lNd∶YAG1=4 mm時(shí)獲得最高的斜率效率，但閾值較高，如果進(jìn)一步提高抽運(yùn)功率會(huì)得到更高的黃光輸出，這是由于我們以上的計(jì)算結(jié)果是從雙波長運(yùn)轉(zhuǎn)的閾值條件出發(fā)，而不是從等光子數(shù)密度的條件出發(fā)的，所以在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中可以看到在較小的抽運(yùn)功率下可以從閾值的角度考慮雙波長運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)得到好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但在大抽運(yùn)功率下應(yīng)該從等光子數(shù)條件出發(fā)會(huì)得到更好的效果.

圖4 黃光激光遠(yuǎn)場光斑

圖4為黃光激光輸出的遠(yuǎn)場光斑，激光器的長期不穩(wěn)定度小于5%，激光器的穩(wěn)定性對溫度變化很敏感，這是由于Nd:YAG的吸收峰較窄，并且雙波長運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)出現(xiàn)模式競爭，所以影響了激光器的穩(wěn)定性.

我們又采用了傳統(tǒng)方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用晶體為Nd:YAG，規(guī)格為3 mm×3 mm×3 mm，輸出鏡采用平凹鏡，曲率半徑R=50 mm，鍍1064 nm反射率為98%的膜系，1319 nm高反，采用相同的抽運(yùn)源和LBO晶體，得到的輸出功率與抽運(yùn)功率的關(guān)系如圖5所示.

圖5 黃光激光輸出功率

在抽運(yùn)功率為1.5 W時(shí)最高獲得15 mW的589 nm黃光激光輸出，而未參與和頻由輸出鏡輸出的1064 nm的功率達(dá)61 mW，由此可以看出采用共軸雙晶體的方法比采用傳統(tǒng)的方法會(huì)得到更高的轉(zhuǎn)換率.

3.結(jié) 論

提出了一種單抽運(yùn)源、共軸雙晶體和頻的新方法，并對其進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以實(shí)現(xiàn)較高的和頻效率，在抽運(yùn)功率為1.5 W時(shí)最高獲得54 mW的589 nm黃光激光輸出，激光不穩(wěn)定度為5%，而傳統(tǒng)方法在相同的抽運(yùn)功率相同的結(jié)構(gòu)時(shí)只獲得15 mW的激光輸出，該方法亦可廣泛用于如593.5，491，500.8和488 nm，等等一系列弱增益譜線與強(qiáng)增益譜線的和頻當(dāng)中，具有結(jié)構(gòu)簡單、靈活多樣，易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn).

［1］Hanno M K，F(xiàn)rank H，Günter H，Thórsteinn H 1997Opt.Lett.22 1461

［2］Davis K B，Mewes O M，Andrews R M，Druten N J，Durfee S D，Kurn D M，Ketterle W 1995Phys.Rev.Lett.75 3969

［3］Davis J 1993Laser Focus World29 111

［4］Chiu P H，Magana A，Davis J 1994Opt.Lett.19 2116

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［6］Jeys T H，Brailove A A，Mooradian A 1989Appl.Opt.28 2588

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［12］Geng A C，Bo Y，Bi Y，Sun Z P，Yang X D，Lu Y F，Chen Y H，Guo L，Wang G L，Cui D F，Xu Z Y 2006Acta Phys.Sin.55 5227(in Chinese)［耿愛叢、薄 勇、畢 勇、孫志培、楊曉冬、魯遠(yuǎn)甫、陳亞輝、郭 林、王桂玲、崔大復(fù)、許祖彥 2006物理學(xué)報(bào)55 5227］

PACS:42.55.Xi，42.60.－ v，42.65.－k

Laser diode-pumped coaxial double crystals yellow laser*

Li Bin?Yao Jian-Quan Ding Xin Wang Peng Zhang Fan
(Key Laboratory of Optoelectric Information Science and Technology of Ministry of Education，Institute of Laser and Optoelectronics，College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)
(Received 11 January 2010;revised manuscript received 13 April 2010)

A new configuration of 589 nm yellow laser with a single LD pump source and coaxial double crystal was proposed.When the incidence pump power was 1.5 W，54 mW yellow laser at 589 nm was obtained，the optical to optical conversion efficiency was 3.6%，and the laser instability was about 5%.A conventional method for 589 nm laser was also tested under the same conditions，only 15 mW yellow laser was obtain.The configuration of single pump source and coaxial double crystals is compact and flexible，which can be used in many sum frequency lasers，such as the 491，488，593.5，555 and 500.8 nm laser，and so on.

yellow laser，single pump source，double crystals，sum frequency

*高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(批準(zhǔn)號:20070056086)、中國博士后科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:20090450760)、國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:60978021)和國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(批準(zhǔn)號:2007AA06Z420)資助的課題.

*Project supported by the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China(Grant No.20070056086)，China Postdoctoral Science Foundation(Grant No.20090450760)，the National Natural Science Foundation of China(Grant No.60978021)，and the National High Technology Research and Development Program of China(Grant No.2007AA06Z420).