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        V型腔激光器倍頻晶體長(zhǎng)度分析和實(shí)驗(yàn)研究

        2010-03-16 01:18:50石夢(mèng)靜陳巧玲郭紹忠林文碩
        裝備制造技術(shù) 2010年11期
        關(guān)鍵詞:綠光倍頻基頻

        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(wèn)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.

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