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电阻 · 发表于 2004-2-11 01:17:00

一种微小型半导体激光二极管泵浦固体激光器的设计

阮志展黄德修

　　摘要：设计的微小型LD泵浦固体激光器采用新型的微片激光器结构: 把器件的全部元件固化为一个整体，并采用半导体致冷器对器件进行整体控温及把激光膜层直接做在晶体上的平平腔谐振腔结构等。这种全固体化LD泵浦微小型固体激光器体积小，重量轻，转换效率高、使用可靠和工作寿命长。在内腔倍频Nd:YVO4/KTP激光器的实验中，当泵浦功率为503mW时，532nm倍频绿光输功率为73.1mw，光光总体转换效率约14.5％。
关键词:　　二极管泵浦　　微小型　腔内倍频　多色薄膜

1. 引言
用半导体激光器作泵浦源是固体激光器小型化的一个重要发展方向。其优点是全固体化，因此体积小、重量轻、转换效率高、使用可靠和工作寿命长。
近几年，国际上制作小型固体激光器的构想很多，但成功研究开发的新产品不多。在新研制开发的小型固体激光器中，以专利号为97191329，专利名称为：《二倍频二极管泵激固体激光器》。创造性表现较为全面和突出，但是这种专利产品也存在以下不足之处：实际生产装配激光器的部件很多，很难实现微小型化；各部件有一定的独立性，激光工作物质间的调节和激光器工作物质与半导体激光二极管间的调节步骤繁多，装配整个激光器的生产线过长，生产效率较低，整个激光器结构复杂，生产成本高，不适合大批量生产，不能满足现有社会对可见光固体激光器微小型化的实际要求，有较大的使用局限性。
本文介绍这种结构紧凑简单、体积小、适合大批量生产且制作成本低的低功率可见光(特指绿光或蓝光)激光器。

2. 新型微片激光器结构
该微片激光器设计完善合理，结构紧凑简单、体积小、携带方便，能耗低、寿命长、安全可靠性好，能实现大批量生产且制作成本低。
现结合附图说明：

　　　　　　　

　　　图1 该微片激光器的外观结构图　　　　　　　　　　　　　　　图2．谐振腔所采用的独立固体激光工作物质的结构示意图。

　　该微片激光器主要是两部分：一个由半导体激光二极管(1)构成的泵浦激光源，一个两端镀有对特定几个波长起适当作用的多色薄膜(2)和(4)的固体激光工作物质(3)；此固体激光工作物质(3)具有激光增益和激光倍频两种功能，在微片激光器中作为一个独立的激光功能器件；固体激光物质(3)和半导体激光器二极管(1)上至少配置一个有良好导热性能的材料制成的套筒(5)。套筒(5)的作用在于：防止激光器中的半导体激光二极管(1)和固体激光工作物质(3)因激光电源提供工作电流维持半导体激光二极管(1)工作所产生的热损耗以及激光在固体激光工作物质(3)中往返振荡所产生的吸收、衍射和散射等损耗引起器件温度升高而影响激光器的激光转换效率和工作稳定性。

　　该微片激光器的固体激光工作物质(3)是：一块独立的激光功能器件，其特征在于：-种激光增益物质(7)和-种激光倍频物质(13)；两种激光物质中间由一个有良好导热性能的材料制成适当几何尺寸的空心的正方形或圆形垫圈(10)隔开，形成一定厚度的正方形或圆形空气腔(9)；两种激光物质与此空气腔(9)相接触的面上镀有对特定波长起适当作用的薄膜(8)和(12)，此空气腔(9)的外沿采用紫外光敏胶和(或)环氧胶(11)胶合等的方式结合成一个整体；

　　上面所述的激光增益物质可以是：Nd:YV04；Nd:YAG；Nd

SB或类似材料；激光倍频物质可以是：KTP；LBO；BBO；KNb03或类似材料.
该微片激光器的谐振腔由固体激光工作物质(3)两端的多色薄膜组成；多色膜中的任-种单色薄膜对特定波长起适当作用，此单色薄膜可以是镀一种材料的单层薄膜、可以是镀两种材料的双层薄膜、可以是镀两种材料以上的几层甚至几十层薄膜组成；采用腔内倍频的平平腔结构。

3. 具体设计例子及分析：
　　下面以激光二极管直接耦合泵浦的Nd:YVO4/KTP腔内倍频激光器为例, 说明这种微小型的工作原理.
整体结构:
　　其固体激光工作物质是-块独立的激光功能器件，它采用Nd：YVO4晶体作激光增益物质，采用KTP晶体作激光倍频物质； Nd：YV04晶体和KTP晶体两种激光物质中间由一个有良好导热性能的材料制成适当几何尺寸的空心的正方形或圆形垫圈隔开，形成一定厚度的正方形或圆形的空气腔；此垫圈的外沿采用紫外光敏胶和(或)环氧胶胶合等的方式结合成一个整体；KTP晶体采用第二类倍频方式同Nd：YVO4晶体实现相位匹配，KTP晶体的光轴和Nd：YVO4晶体的光轴在通光面上投影的夹角在40度至50度范围内。在Nd：YVO4，晶体的泵浦光输入端镀对波长1064nm高反射、波长808nm增透和波长532nm高反射的三色膜(6)；在Nd：YV04晶体的激光出端镀对波长1064nm增透的单色膜（8）；在KTP晶体的激光输入端镀对波长1064nm增透的单色膜（12）；在KTP晶体的激光输出端镀对波长1064nm高反射和532nm增透的双色膜(14).

工作原理:
具有上述结构的微片激光器,当激光工作电源产生的工作电流激发半导体激光二极管产生波长808nm泵浦光，泵浦光透过前述的三色膜(6)入射Nd:YV04晶体,Nd:YVO4晶体的增益作用将波长808nm泵浦光转换为波长1064nm激光；波长1064nm激光依次透过单色膜(8)、空气腔(9)和单色膜(12)，并入射KTP晶体,KTP晶体的倍频作用将波长1064nm激光转换为波长532nm绿光；波长5322nm绿光透过双色膜(14)输出。其中，在KTP晶体中未转换成波长532nm的波长1064nm激光被双色膜(14)反射回KTP晶体，KTP晶体的倍频作用将波长1064nm激光转换成为波长532nm绿光；波长532nm绿光透过单色膜(12)、空气腔(9),单色膜(8)和Nd：YVO4晶体，经三色膜(6)反射，依次透过单色膜(12),Nd：YV04,空气腔(9),单色膜(8)和Nd：YV04,经三色膜(6)反射,依次透过Nd：YV04,单色膜(15)、空气腔(9)、单色膜(12)和KTP晶体，再透过双色膜(14)输出,由于波长1064nm激光在谐振腔中的反射振荡、重复利用，增强波长532nm绿光的输出，从而提高激光器的转换效率.

详细设计:
a)套筒的设计依据：
半导体激光二极管的几何尺寸和固体激光工作物质的几何尺寸，以及半导体激光二极管与固体激光工作物质(3)实现激光耦合的距离。套筒与半导体激光二极管两者间可以采用过盈配合或采用间隙配合辅以有良好导热性能的紫外光敏胶和(或)环氧胶胶合来定位，固体激光器工作物质与套筒两者间采用有良好导热性能的紫外光敏胶和(或)环氧胶胶合来定位；套筒可以实现固体激光工作物质与半导体激光二极管的相对空间位置关系的调节，空间位置关系的调节是指上下、左右、前后、俯仰以及顺逆双向旋转等空间运动方式中的-种或多种。上述的空心的正方形或圆形垫圈应具有良好的导热性能和适当的弹性；上述的紫外光敏胶和(或)环氧胶(11)应具有良好的导热性能、适当的耐热性和粘结强度。
b) Nd:YVO4晶体和KTP晶体的几何尺寸设计：

　　通光面尺寸设计成能够实现激光器微小型,通光面尺寸不大于3.0x3.0mm,通光长度尺寸设计成能够实现激光器输出TEMoo模式激光,例如,Nd:YVO4晶体通光长度尺寸不大于1.5mm,KTP晶体通光长度尺寸不大于7.0mm.

c) 垫圈几何尺寸设计：
垫圈通光面的空心面积为固体激光工作物质通光面面积的50％至80％范围内；垫圈的厚度即空气腔的通光长度尺寸设计成能够实现对特定波长的激光起适当选模的作用，例如：空气腔的通光长度尺寸不大于3.0mm.

4. 实验及结果
　　激光晶体ND:YVO4的截面为3mm×3mm，厚度为1mm, σ切割，Nd浓度为1atl％。KTP晶体的尺寸为3mm×3mm×5mm，以II类室温角度匹配方式切割.

　　实验中所使用的激光二极管，其发光面尺寸约为1um×100um，输出光束呈扇面状，测得其半角发散角约为50°×10°。；输出激光为线偏振光，测得其偏振方向平行于发散角较小的方向。

　　输出激光束经过两个介质膜片分别滤掉残余的泵浦光和漏出腔外的1064nm基频光后，使用激光功率计测定532nm倍频绿光的输出功率。在室内温度为20°C时，在不同的驱动电流下，测量了绿光输出功率；将驱动电流对应为激光二极管的输出功率(即泵浦功率)，则得到绿光输出与泵浦功率的关系，结果如图3所示。图3中的实线是用最小二乘法以抛物线型拟合得到的。绿光的泵浦阀值功率为13mw；可见当泵浦功率为503mW时，532nm倍频绿光输功率为73.1mw。将输出绿光经中性衰减片衰减后，再采用针孔一维扫描的方法分别测量了光斑在相互垂直的两个方向上的远场强度分布,结果如图4所示:

图3　绿光输出与泵浦功率的关系
当泵浦功率为503mW时，532nm倍频绿光输功率为73.1mw，光光总体转换效率约14.5％。
图4　采用针孔一维扫描的方法分别测量了光斑在相互垂直的两个方向上的远场强度分布，针孔大小0.8mm, 扫描速度为0.4cm/sec.

显然其模式结构为基横模,光斑略扁。
功率稳定度：＜士2％；
光束方向稳定性：＜0.1mrad/hr和0.3mrad／24hrs。

5. 结论:
　　这种新型的微小型激光器紧凑简单、体积小、适合大批量生产且制作成本低，能够满足市场对低功率可见光(蓝光或绿光)激光器的需求，具有极大的经济价值。

电阻 · 发表于 2004-2-11 01:19:00

呀!我发现图片无法上贴呀,咋办呀!!!!

电阻 · 发表于 2004-2-11 01:29:00

总版主,我考虑使用532纳米的激光照射血液,进行血液净化治疗是否可行?以前我发现有使用红色的激光进行血液治疗,不知道绿色的如何?现在基本上都是使用低强度He-Ne激光血管内照射.

电阻 · 发表于 2004-2-11 01:31:00

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