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LD泵浦全固态608.1nm和频激光器

付喜宏

付喜宏. LD泵浦全固态608.1nm和频激光器[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 794-799. doi: 10.3788/CO.20150805.0794
引用本文: 付喜宏. LD泵浦全固态608.1nm和频激光器[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 794-799. doi: 10.3788/CO.20150805.0794
FU Xi-hong. Diode-pumped all-solid-state sum-frequency mixing laser at 608.1 nm[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 794-799. doi: 10.3788/CO.20150805.0794
Citation: FU Xi-hong. Diode-pumped all-solid-state sum-frequency mixing laser at 608.1 nm[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 794-799. doi: 10.3788/CO.20150805.0794

LD泵浦全固态608.1nm和频激光器

doi: 10.3788/CO.20150805.0794
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(No.61405190)
详细信息
    通讯作者: 付喜宏(1980—),男,内蒙古人,博士,副研究员,硕士生导师,2008年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事激光技术方面的研究。E-mail:fuxh@ciomp.ac.cn
  • 中图分类号: TN248.1

Diode-pumped all-solid-state sum-frequency mixing laser at 608.1 nm

  • 摘要: 本文报道了一种全固态腔内和频608.1 nm激光器。在激光谐振腔两个分臂中,两支激光二极管分别泵浦Nd: YVO4和Nd: YAG晶体,分别选择1 342 nm波长(Nd: YVO4晶体的4F3/2-4I13/2谱线)与1 112 nm波长(Nd: YAG晶体的4F3/2-4I11/2谱线)振荡并进行腔内和频。通过优化谐振腔设计,腔内两个波长获得了较好的模式匹配。在两个分臂的交叠部分,利用LBO I类相位匹配进行和频,获得和频608.1 nm激光输出。实验表明,当Nd: YVO4与Nd: YAG晶体泵浦功率分别为600和740 mW时,获得了功率为23.8 mW、波长为608.1 nm激光输出,激光输出稳定、噪声低。利用本文提出的和频结构是获得608.1 nm激光输出较为有效的方法。
  • 图  1  实验装置

    Figure  1.  Experimental setup

    图  2  折叠臂中光斑直径变化(以M3镜为起点)

    Figure  2.  Variation of beam diameters in the folded arm(from M3)

    图  3  608.1 nm和频光功率随泵浦功率的变化

    Figure  3.  Output power of sum-frequency laser as a function of the pump power at 608.1 nm

    图  4  和频光光谱

    Figure  4.  Spectrum of the sum-frequency light

    图  5  608.1 nm输出的噪声情况

    Figure  5.  Characteristic of the output noise at 608.1 nm

    表  1  BIBO,LBO和KTP在1 112和1 342 nm和频时的参量

    Table  1.   Parameters of BIBO,LBO and KTP for SFM at 1 112 nm and 1 342 nm

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出版历程
  • 收稿日期:  2015-06-25
  • 录用日期:  2015-09-08
  • 刊出日期:  2015-01-25

LD泵浦全固态608.1nm和频激光器

doi: 10.3788/CO.20150805.0794
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(No.61405190)
    通讯作者: 付喜宏(1980—),男,内蒙古人,博士,副研究员,硕士生导师,2008年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事激光技术方面的研究。E-mail:fuxh@ciomp.ac.cn
  • 中图分类号: TN248.1

摘要: 本文报道了一种全固态腔内和频608.1 nm激光器。在激光谐振腔两个分臂中,两支激光二极管分别泵浦Nd: YVO4和Nd: YAG晶体,分别选择1 342 nm波长(Nd: YVO4晶体的4F3/2-4I13/2谱线)与1 112 nm波长(Nd: YAG晶体的4F3/2-4I11/2谱线)振荡并进行腔内和频。通过优化谐振腔设计,腔内两个波长获得了较好的模式匹配。在两个分臂的交叠部分,利用LBO I类相位匹配进行和频,获得和频608.1 nm激光输出。实验表明,当Nd: YVO4与Nd: YAG晶体泵浦功率分别为600和740 mW时,获得了功率为23.8 mW、波长为608.1 nm激光输出,激光输出稳定、噪声低。利用本文提出的和频结构是获得608.1 nm激光输出较为有效的方法。

English Abstract

付喜宏. LD泵浦全固态608.1nm和频激光器[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 794-799. doi: 10.3788/CO.20150805.0794
引用本文: 付喜宏. LD泵浦全固态608.1nm和频激光器[J]. 中国光学, 2015, 8(5): 794-799. doi: 10.3788/CO.20150805.0794
FU Xi-hong. Diode-pumped all-solid-state sum-frequency mixing laser at 608.1 nm[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 794-799. doi: 10.3788/CO.20150805.0794
Citation: FU Xi-hong. Diode-pumped all-solid-state sum-frequency mixing laser at 608.1 nm[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5): 794-799. doi: 10.3788/CO.20150805.0794
    • 半导体激光器泵浦的全固态激光器由于具有结构紧凑、电光效率高、寿命长、光束质量好等优点而成为激光技术领域研究的热点[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]。对于全固态激光器,利用非线性倍频技术可获得新的激光波长,但常用激光晶体仅有有限个数的发射谱线,通过倍频仅可获得与其对应的倍频光输出。这样,实际应用领域需求的某些波段,由于缺少相应的基频光而不能通过倍频方式获得,如580~620 nm波段激光在生物、医疗、显示等领域有着特殊用途。近年来,研究人员开始关注600~610 nm波段激光在皮肤色素性病变治疗中的应用[9, 10, 11]。目前,实际应用的600~610 nm波段激光器主要是染料激光器,它们通常具有体积大、液体处理系统复杂、转换效率较低等缺点。因而,采用全固态激光器实现600~610 nm激光输出引起了人们的广泛关注。

      近几年,国内外一些研究小组开始报道利用波长为440~480 nm的蓝光半导体激光器[12]泵浦掺Pr3+晶体实现600~610 nm波段激光输出[13, 14, 15, 16, 17]。2011年,法国研究人员利用444 nm GaN激光二极管泵浦Pr∶BYF晶体,获得功率为78 mW、波长为607 nm激光输出[13]。2014年,中国研究人员利用443.8 nm InGaN激光二极管泵浦Pr∶YLF晶体,获得功率为200 mW、波长为607 nm激光输出[17]。2014年,法国Western Bolaos等人利用479.2 nm光泵半导体蓝光激光器泵浦Pr∶YLF晶体,获得功率为150 mW、波长为604 nm激光输出[15]。然而,上述研究中采用蓝光半导体激光器作为泵浦源,目前直接输出蓝光的半导体激光器输出功率最高仅到瓦级,这使得利用该方法在提升600~610 nm激光输出功率方面受到很大限制。对于全固态激光,实现600~610 nm激光输出的另一种方法是采用非线性和频技术,如利用Nd∶YAG晶体与Nd∶YVO4晶体分别获得1 112 nm与1 342 nm激光振荡,之后通过非线性和频实现608.1 nm激光输出。相比于蓝光激光器泵浦方式,非线性和频方式采用目前非常成熟的808 nm半导体激光器作为泵浦源,因而在激光输出功率及性能提升方面具有更大的优势。

      本文首次报道了采用非线性和频技术实现608.1 nm激光输出。激光谐振腔由两个分臂构成,在谐振腔的两个分臂中,激光二极管分别泵浦Nd∶YAG晶体及Nd∶YVO4晶体,产生1 112 nm与1 342 nm激光振荡,在谐振腔的交叠区域,利用LBO进行腔内和频。通过谐振腔的优化设计,在泵浦功率分别为600 mW(泵浦Nd∶YVO4晶体)与740 mW(泵浦Nd∶YAG晶体)时,获得了功率为23.8 mW、波长为608.1 nm激光输出。激光输出光束质量好,噪声低。

    • 实验装置如图1所示,1 112 nm激光谐振腔由Nd∶YAG晶体、平面镜M1、平凹镜M2及M3组成;1 342 nm激光谐振腔由Nd∶YVO4晶体、平凹镜M2及M3组成。两个谐振腔通过M1实现光路重合,在光路重合部分加入非线性晶体进行和频。Nd∶YAG晶体(尺寸3 mm×3 mm×4 mm,Nd3+掺杂浓度:1.0at.%),泵浦光吸收系数:7.1 cm-1,一端镀膜使其对1 112 nm高反、808 nm增透、1 064 nm增透,作为1 112 nm谐振腔的一个腔镜;另一端镀1 112 nm增透膜以减少1 112 nm谱线的腔内损耗。Nd∶YVO4晶体(尺寸3 mm×3 mm×2 mm,Nd3+掺杂浓度:1.0at.%),泵浦光吸收系数:31.2 cm-1,左端镀膜使其对1 342 nm高反、808 nm增透、1 064 nm增透,作为1 342 nm谐振腔的一个腔镜,右端镀膜使其对1 342 nm增透以减少1 342 nm谱线在腔内的损耗。两支808 nm激光二极管(LD)作为泵浦源,LD出射的光经整形耦合系统[18]聚焦为半径约为110 μm的泵浦光入射到晶体中。平面镜M1右端面镀膜使其对15°入射p偏振1 112 nm高反(R>99.9%)、p偏振1 342 nm增透(T>99%);左端面镀膜使其对15°入射1 342 nm增透(T>99%);平凹镜M2曲率半径为50 mm,凹面镀膜使其对1 112 nm/1 342 nm两波长高反(R>99.9%)、608 nm增透(T>95%),平面镀膜使其对608 nm增透(T>95%),作为和频光输出镜。平凹镜M3曲率半径为100 mm,凹面镀膜使其对1 112 nm/1 342 nm/608 nm三个波长高反。为减少色散带来的影响,折叠臂的折叠角尽量小(<10°)。由于Nd∶YAG晶体的1 112、1 116、1 123 nm三条谱线间隔较小,很难通过镀膜抑制1 116及1 123 nm谱线振荡。实验中,采用插入0.7 mm厚熔石英标准具并精密调节其偏转角度来获得单一1 112 nm激光振荡[19]

      图  1  实验装置

      Figure 1.  Experimental setup

      采用上述结构,参与和频的两基频光分别在两个谐振腔中振荡,避免了参与和频的两束光相互影响。同时,采用折叠腔结构,在谐振腔内可获得2个束腰,分别放置激光晶体与非线性和频晶体,可提高泵浦效率及和频转换效率。采用这种结构,和频光从折叠镜输出,不再经过激光晶体,也避免了激光晶体对和频光的吸收。

      谐振腔中各部分长度通过ABCD矩阵计算确定,计算中兼顾泵浦光及振荡光的模式匹配。通过计算,取L1=37 cm、L2=47 cm、L3=32 cm。此时,两激光晶体中,1 112与1 342 nm的束腰分别为113与119 μm,略大于泵浦光斑半径,满足模式匹配条件[20]图2为折叠臂(M2~M3部分)中两光束光斑直径的变化情况(以腔镜M3为起点),可见,通过腔参数的选择,在和频晶体内(即束腰位置)两基频光实现了较好的交叠。

      图  2  折叠臂中光斑直径变化(以M3镜为起点)

      Figure 2.  Variation of beam diameters in the folded arm(from M3)

    • 实验选用2 mm×2 mm×10 mm LBO(LiB3O5,三硼酸锂)作为和频晶体。LBO晶体是一种性能优异的非线性光学晶体,透光波段范围宽(160~2 600 nm)、光学均匀性好、损伤域值高(1.3 ns脉宽的1 053 nm激光可达10 GW/cm2)、接收角度宽,离散角度小,用于非线性频率变换时,可获得高的倍频及和频转换效率。利用SNLO软件计算获得的LBO晶体在1 342与1 112 nm两波长和频时的各项参数列于表1,表中也给出了目前较为常用的KTP(KTiOPO4,磷酸钛氧钾)及LIBO(LiB3O5,硼酸锂)晶体相应的和频参数。将表中数据对比可以看出:KTP晶体有效非线性系数(deff)最大,但其走离角(Walkoff angle)也最大,输出光斑质量较差;LIBO晶体的有效非线性系数较大,走离角是KTP晶体的1/2,但其接 受角较窄。相比之下,LBO晶体虽然有效非线性 系数较小,但其走离角小,接受角宽,在使用较长长度进行非线性和频时,可以在保证较好的光斑质量下同样获得较高的和频转换效率。

      表 1  BIBO,LBO和KTP在1 112和1 342 nm和频时的参量

      Table 1.  Parameters of BIBO,LBO and KTP for SFM at 1 112 nm and 1 342 nm

      对于非线性和频(ω123)过程,满足相位匹配情况下,和频光功率P3

      式中,γSFM为和频参量,取决于材料的非线性性质、参与和频的两束激光的频率以及腔内光束参数。如果确定了谐振腔结构,γSFM是一个定值,所以,当参与和频的一束激光的功率P1固定,而另一束激光功率P2改变,所产生的和频光功率将随P2线性变化。

      对于1 112与1 342 nm激光和频产生608.1 nm激光的和频过程,1个1 112 nm光子与1个1 342 nm光子作用产生1个608.1 nm光子。因此,高效率的和频要求谐振腔内1 112与1 342 nm的光子数密度之比达到1∶1。本实验中,Nd∶YAG晶体及Nd∶YVO4晶体分别由两个LD泵浦,通过调节LD的电流可实现对1 112及1 342 nm激光增益的单独调节,使腔内光子数密度之比达到1∶1,提高和频转换效率。

      实验中,首先在注入泵浦功率较小且不加LBO晶体时,调节好谐振腔;之后加入LBO晶体,通过仔细调节,可得到608.1 nm橙黄光输出。图3为608.1 nm激光输出功率随注入到两块晶体上的泵浦功率的变化曲线。当两块晶体上的泵浦功率分别为600和740 mW时,获得了功率为23.8 mW、波长为608.1 nm和频光输出。图3中,曲线1是当Nd∶YAG晶体的泵浦功率(PNd∶YAG)为740 mW时,波长为608.1 nm激光输出功率随Nd∶YVO4晶体泵浦功率的变化;曲线2是当Nd∶YVO4晶体的泵浦功率(PNd∶YVO4)为600 mW时,波长为608.1 nm激光输出功率随Nd∶YAG晶体泵浦功率的变化。可以看出,输出曲线整体比较平缓,接近线性。值得注意的是,固定Nd∶YVO4晶体的泵浦功率为600 mW,当Nd∶YAG晶体的泵浦功率增大到740 mW时,608.1 nm输出功率为23.8 mW。继续增大泵浦功率,608.1 nm输出功率不再有明显增加,呈现饱和甚至功率下降的趋势。出现上述情况的主要原因是当Nd∶YVO4晶体的泵浦功率一定时,谐振腔内振荡的1 342 nm的光子数密度保持一定数量;当Nd∶YAG晶体的泵浦功率增加时,腔内1 112 nm的光子数密度不断增加,由于非线性和频的过程,腔内的1 342 nm光子被不断消耗;当Nd∶YAG晶体的泵浦功率增加到740 mW时,和频过程使谐振腔内1 342 nm激光的光子被最大限度利用;进一步增大Nd∶YAG晶体的泵浦功率时,虽然谐振腔内的1 112 nm光子增加,但由于缺少1 342 nm光子,和频过程无法进行,608.1 nm和频光输出功率不再增加,同时,在非线性晶体LBO内,新增的1 112 nm光子会与608.1 nm和频光光子相互作用进行差频过程(ω608.1-ω1112=ω1342),导致和频608.1 nm激光输出功率降低。此时,若想提高608.1 nm和频光的输出功率,须同时增大Nd∶YVO4晶体的泵浦功率。

      图  3  608.1 nm和频光功率随泵浦功率的变化

      Figure 3.  Output power of sum-frequency laser as a function of the pump power at 608.1 nm

      采用Ocean Optics公司光谱仪对输出和频激光光谱进行测量,光谱如图4所示,输出激光中心 波长为608.1 nm。

      图  4  和频光光谱

      Figure 4.  Spectrum of the sum-frequency light

      采用快速硅光电二极管接收,并送入高速示波器观察,608.1 nm激光噪声情况如图5所示。经计算,输出的RMS噪声为0.75%。

      图  5  608.1 nm输出的噪声情况

      Figure 5.  Characteristic of the output noise at 608.1 nm

    • 本文采用腔内和频方式获得608.1 nm激光输出。当泵浦功率为600 mW (对Nd∶YVO4晶体)及740 mW(对Nd∶YAG晶体)时,获得了功率为23.8 mW、波长为608.1 nm激光输出。输出激光光束质量好,噪声低。结果表明,采取腔内和频是有效获得608.1 nm激光输出的实用方法。

参考文献 (1)

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