使用lbo晶体的激光器？

xiaolvzi · 发表于 2004-9-24 04:35:00

能说说使用lbo晶体的激光器的情况吗：是连续激光还是准连续激光？激光的平均功率（峰值功率）是多少？最高功率密度（峰值功率密度，平均功率密度）有多大？对lbo上薄膜的阈值要求多高？多谢！！！！

电阻 · 发表于 2004-9-24 16:28:00

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LD泵浦473nm全固态蓝光激光器的研究进展

郑权王军营薛庆华

1 引言众所周知,Nd:YAG 除了1064nm和1319nm的受激辐射跃迁外,还可以产生946nm波段的弱辐射,经腔内倍频,最终可获得波长为473nm的蓝色激光。1986年,T.Y.FAN和R.L.BYER提出用辐射波长为808nm的LD端面泵浦Nd:YAG棒,产生波长为946nm的激光,并建立了准三能级激光器的理论模型[1]。不久,他们用辐射波长为808nm的LD端面泵浦Nd：YAG棒,并得到了在室温下连续运行的946nm的激光 [2]。同时,W.P.Risk和W.Lenth用波长为808nm的LD端面泵浦Nd:YAG棒,并用LiIO3作腔内倍频晶体,得到了波长为473nm的100mW的蓝光激光,这是世界上第一台473nm全固态蓝光激光器[3]。蓝光激光器在高密度存储、打印、显示、荧光激发、拉曼光谱学等方面有广泛的应用。LD泵浦、腔内倍频的Nd:YAG蓝光激光器是一种有着很好前景的技术,已经是激光技术领域的研究热点之一,在此方面已有大量文章发表,其方案多是利用LD泵浦Nd:YAG,通过镀膜手段抑制1064nm和1319nm起振,从而获得Nd3+ 的946nm跃迁(F43/2→I9/2)的激光谱线,再用KNbO3晶体进行腔内倍频,最终获得波长为473nm的蓝色激光输出[4]。近年来,国内也开展了473nm全固态蓝光的研究。1999年,中国科学院长春光机所在国内首先报道了LD端面泵浦Nd:YAG晶体,LBO腔内倍频得到473nm蓝激光的实验结果,这也是国际上首次报道采用临界位相匹配LBO晶体实现946nm→473nm的倍频 [5]。经过优化,用2W的单管LD泵浦获得了大于120mW的蓝光输出,用12W的光纤耦合LDA泵浦获得了大于1.3W的蓝光输出[6]；采用腔内加入石英全波片还实现了低噪声和单纵模稳定运转[7]。本文将对这些研究成果做简要的介绍。 2.LD泵浦Nd:YAG/LBO蓝光激光器的高效率和大功率运转 2.1 基频946nm谱线的选择激光介质Nd:YAG存在三条激光谱线(1064nm,1319nm和946nm),其中前两条的发射截面都比946nm大。若想获得946nm的激光振荡,必须抑制1064nm和1319nm起振,这可以通过谐振腔对1064nm和1319nm的透射损耗来实现。计算得出,在系统对1064nm和1319nm的透过率大于70%时,可以确保946nm形成激光振荡。纵向泵浦全固态蓝光激光器的膜系可按图1设计。图1 纵向泵浦蓝光激光器的膜系设计 (A:808AR/946HR; B:946AR; C and D:946AR/473AR; E:946HR/473AR/1064AR; F:473AR/1064AR) 946nm高反膜的镀制一直是影响蓝光激光器输出效率的主要因素,由于946nm谱线的振荡阈值高,增益系数小,谐振腔元件对946nm的镀膜要求相当严格,以尽量减少基频光的损耗。另外,图1的A面既充当谐振腔的高反镜,又充当泵浦光的入射窗口,要求Nd:YAG的端面镀制同时满足946nm高反和808nm抗反的膜系,进一步增加了镀膜难度。 2.2 倍频晶体的选择当前,全固态蓝光激光器多为采用Nd:YAG/KN组合结构。人们选用KN晶体实现946nm倍频,原因是KN晶体的有效非线性系数很大,倍频效率高。但在实际应用中,KN晶体易潮解,而且目前KN晶体极化、定向和加工等工艺存在着难度,价格高,这些因素都制约着全固态蓝光激光器产业化的发展。为此,我们把目光转向了新型的BBO和LBO晶体。表1列出了在I类临界位相匹配条件下三种晶体对946 nm波段的倍频参数。表1 KN, BBO and LBO 晶体对946nm波段的倍频参数 LBO晶体的非线性有效系数约为BBO的2/3,但走离角只有LBO的1/5。根据由走离效应决定的倍频晶体中基频光与倍频光的最大相互作用长度(Lmax)公式： Lmax=1.16w /ρ (1) 其中,w为倍频晶体中基频光的光束半径,ρ为走离角。考虑到倍频光功率与有效非线性系数 deff和晶体长度L乘积的平方(deff×L)2成正比,可以通过增加LBO的长度使倍频效率提高。另外,在走离角ρ很小的情况下,适当减小ω仍有较大的Lmax值。而减小ω会增加基频光的功率密度,也会提高倍频效率。因此,我们可以选用较长的I类相位匹配LBO晶体和谐振腔设计较小的光腰来实现高效率的倍频蓝光输出。 2.3 2W单管LD泵浦下蓝光激光器的设计 2W单管LD泵浦的全固态蓝光激光器结构如图2所示。LD发出的808nm泵浦光经过耦合光学系统聚焦后注入到Nd:YAG晶体中；Nd:YAG的左端面镀808nmAR和946nmHR膜系作为谐振腔的全反镜,输出耦合镜OC除了要求对946nmHR和473nmAR外,还应满足对1064nm AR和1319nmAR的条件,以确保在较大泵浦下也只有946nm形成激光振荡；经I类临界位相匹配LBO晶体腔内倍频后可获得473nm的蓝光输出。LD、Nd:YAG和LBO分别用半导体制冷器TEC1,TEC2严格温控。图2 单管LD泵浦的Nd:YAG/LBO蓝光激光器需要注意的是,Nd:YAG的946nm激光谱线为准三能级系统,要求激光晶体工作在较低的温度环境下,因此需要对Nd:YAG强制冷。另一个值得注意的问题是Nd:YAG对946nm波段存在较为强烈的自吸收现象,因此Nd:YAG不宜太厚,在2W泵浦下一般要取1-2mm为宜(实验中取1.5mm)。考虑到946nm谱线增益较小,泵浦光斑较小时会降低激光阈值,实验中泵浦光斑直径为80μm。经过优化设计,取OC曲率半径为50mm,腔长为15cm时,用10mm的LBO晶体倍频,在2W的LD泵浦激励下,图2装置已经获得了大于120mW的蓝光输出,远远超过了国际上同等泵浦功率下的实验结果。应该指出的是,我国拥有LBO晶体的自主知识产权,LBO晶体在473nm全固态蓝光激光器中的出色表现无疑是激光技术领域的一个亮点,也为我国全固态蓝光激光器的产业化奠定了基础。 2.4 12W光纤耦合LDA泵浦下蓝光激光器的设计为了获得较大功率的蓝光输出,我们采用了输出功率12W的光纤耦合半导体激光器阵列(LDA)作为泵浦源。实验采用图3所示的短三镜折叠谐振腔结构[8]。泵浦光经准直聚焦系统会聚成400μm的泵浦光斑,注入到3mm厚的Nd:YAG中,Nd:YAG的左端镀808nm增透、946nm高反双色膜作为一个腔镜,与曲率半径为50mm的平凹折叠输出镜组成第一分臂；第二分臂的端镜为曲率半径为200mm平凹镜,凹面镀946nm/473nm双色高反膜。倍频晶体仍采用I类临界相位匹配LBO(长度12mm)。根据模式匹配条件,取第一分臂长72cm,第二分臂长29cm(放置LBO)。通过调节参数和对Nd:YAG采用双重强致冷,该结构已获得了大于1.3W的蓝光连续TEM00模输出,远远超过了国际上同等泵浦功率下的实验结果,而且并未采用国际通用的双胶合的激光工作物质散热结构(pure YAG+Nd:YAG+pure YAG)形式[6],降低了实验成本,易于产业化。图 3 光纤耦合LDA泵浦的Nd:YAG/LBO蓝光激光器 3 LD泵浦Nd:YAG/LBO蓝光激光器的低噪声和单纵模运转影响全固态蓝光激光器应用的一个主要问题是其瞬时的输出起伏很大[9],为此激光界起了一个专有名词,称之为“蓝光问题(Blue Problem)”。同LD泵浦的Nd:YVO4绿光激光器类似,蓝光激光器的噪声也主要缘于多纵模在倍频晶体内的合频效应[10],但考虑到各向同性的Nd:YAG晶体不具备Nd:YVO4的偏振发射特性,因此蓝光激光器谐振腔内还存在着非偏振激光的两个偏振分量的相互耦合[11],导致噪声行为更加明显。在不采取任何措施的情况下,蓝光激光器的噪声情况如图4所示,输出的倍频蓝光有大的功率起伏,等效噪声频率在MHz量级(起伏间隔在μm量级)。消除或减少激光器噪声的一个直接方法就是迫使激光器单纵模运转。已有研究表明,通过在谐振腔内插入一片四分之一波片(QWP),使QWP的主轴与倍频晶体KNbO3的e轴成45o角,可以获得稳定的直流输出[9]。但存在着波片加工精度高、对温度、敏感和不易调整的缺点。本文则通过对双折射滤光片技术[12] 的改进简便地实现了LD泵浦Nd:YAG/LBO结构蓝光激光器的低噪声和单纵模运转。 4.1 双折射滤光片技术的选频原理腔内含有双折射滤光片的激光器可用图5来表示,M1、M2 为谐振腔镜,BF为双折射滤光片,P为构成双折射滤光片的偏振器,W为构成双折射滤光片的双折射晶体,且设偏振器的偏振方向与双折射晶体的快轴成45°角。图5 含双折射滤光片的激光器结构示意图 (M1,M2 为谐振腔镜；BF为双折射滤光片；P为偏振器；W为双折射晶体) 由琼斯矩阵法分析图1的激光器得往返琼斯矩阵的本征值为： (2)

其中：T是偏振器中对有损耗的偏振方向光的单程强度透过率,是腔内双折射滤光片中的双折射晶体引起的光场往返位相差,Δn是双折射晶体的双折射,l是双折射晶体的几何长度,λ是基频光波长,由此可得到光场的往返透过率为λi2 i=(p,s) (p 、s 分别表示平行和垂直于入射面的偏振方向),而1-λi2 为相应偏振态的往返损耗。由公式(2)作出双折射滤光片的往返透过率与双折射晶体引起的位相差φ的关系曲线如图6所示。可以看出,不同的位相差对应着不同的透过率且透过率曲线以2π周期,即当φ为2π的整数倍的光波往返通过偏振器时光波的偏振态不变,损耗最小,而双折射晶体对光波的这种往返作用在物理光学中恰是全波片的作用,φ又是波长(频率)的函数,这样只有该频率的光波的损耗为零,其它频率的光波则由于位相差不是2π整数倍,偏振态由线偏振变成椭圆偏振,再次通过偏振器时而产生纵模间相对损耗被抑制掉,这即是双折射滤光片选频的选频原理。图6 双折射滤光片往返透过率与位相差的关系曲线 4.2 蓝光激光器的单纵模运转在实验中我们发现LD泵浦各向同性的工作物质Nd:YAG的基频光具有约3:1的偏振比,这被解释为LD偏振泵浦的结果[13]。而当Ⅰ类临界相位匹配倍频晶体LBO插入腔内时,基频光的偏振比大于400:1,且垂直于倍频光的偏振方向,这与Nd:YAG/KNⅠ类倍频蓝光激光器中偏振比高达1000:1相类似,并被定性地解释为腔内基频光两个偏振本征态的净增益的不同引起的[14]。总之,这时腔内有了起到偏振器的元件,并且Ⅰ类倍频晶体LBO起着主要的作用,可将其看成双折射滤光片中的偏振器,因此再在腔内引入一个起到全波片的双折射晶体就可与LBO组合构成双折射滤光片来选频。根据上面的分析,将厚度为l=0.4mm石英晶体全波片(946nm波长处的双折射为Δn=0.00881 )插入图2所示的实验装置中(石英晶片置于Nd:YAG和LBO之间),仔细调节它的光轴与LBO的o光偏振方向的相对位置,使Nd:YAG增益曲线中心频率的纵模偏振方向不变地往返通过等效为偏振器的LBO晶体,而其它频率的纵模由于通过石英晶体后的往返位相差φ不满足2π的整数倍,而变成椭圆偏振光,再次通过LBO晶体时由于纵模间的相对损耗被抑制掉。在1.2W的注入泵浦功率下,获得了35mW的低噪声和单纵模蓝光稳定输出。图7为低噪声运转情形,图8为利用F-P共焦扫描干涉仪观察的单纵模情况。图7 插入全波片时获得低噪声运转图8插入全波片时获得蓝光单纵模运转应该指出的是,文献报道的双折射滤光片结构都是在Ⅱ类临界相位匹配KTP晶体倍频的绿光激光器中加入偏振片实现的[14]。而本文提出了一种在Ⅰ类临界相位匹配腔内倍频激光器中实现双折射滤光片的组合结构,即Ⅰ类倍频晶体的偏振器作用与起位相延迟作用的全波片的组合,将双折射滤光片选频技术成功地推广到Ⅰ类匹配倍频激光器中,具有重要的理论和应用价值[15]。

maying · 发表于 2004-9-24 18:50:00

可以用在大功率的上面，也可用于小功率，

可以连续也可以脉冲

主要防潮解

annespring · 发表于 2004-11-26 18:09:00

LBO就是固体激光器中常用的倍频晶体。

使用lbo晶体的激光器？

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