36W侧面抽运腔内倍频NdYAGKTP连续绿光激光器讲解文档格式.docx
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PACC:
4255R,4260B
3国家自然科学基金面上项目(批准号:
60671036,山东科技大学春蕾计划项目(批准号:
2008AZZ094资助的课题.E-mail:
zhangyuping1976@yahoo.com.cn
11引言
半导体抽运内腔倍频高功率全固态绿光激光器
具有有效率高、体积小、稳定性好和寿命长等优点[1—3],在医疗卫生、潜卫通讯、激光彩色显示、激光加工、数据存储和科研等领域有重要的应用前景.因此,半导体抽运全固态连续绿光激光器成为国际上
近年来的研究热点[4—10]
.其中,半导体侧面抽运的内腔倍频激光器是实现高功率、高稳定且低成本连续绿光激光器的有效方法.近年来,高平均功率侧面抽运腔内倍频声光调Q绿光激光器有了很大进展,调
Q绿光平均功率超过100W[11—13]
.而连续绿光却难以实现高稳定和高功率.迄今为止报道的侧面抽运内腔倍频绿光激光器的最高功率为Mukhopadhyay
等实现的3015W[9].但其光束质量因子M2
值为~20,这在一定程度上限制了其应用范围.Kojima等人[10]
报道了侧面抽运内腔倍频连续Nd:
YAG激光器,最大绿光输出功率27W,对应的光束质量因子M2
=8,光光转换效率812%;
当输出为基模时,输出
功率为16W,对应的光束质量因子M2
=112,光—
光转换效率418%.但他们使用了两个抽运源串接,这在一定程度上使系统的复杂性和成本增加,且不利于产品化.我们用不同的模块分别实现了18W和2217
W连续绿光输出,光束质量因子小于7[14,15]
.
本文中实现了36W侧面抽运腔内倍频连续绿光输出,功率不稳定度为0127%,光—光转换效率
约8171%,光束质量因子M2
值小于8.本文采用的是Nd:
YAG晶体单棒三镜折叠腔方案,为了同时获得高平均功率与高光束质量的全固态连续绿光输出,我们采取了以下几种技术:
一是利用低掺杂浓度的Nd:
YAG晶体实现较均匀的抽运增益分布;
二是设计了三镜折叠腔,并对所设计的腔的像散补偿特性进行了模拟,以提高激光器的光束质量;
三是考虑了所设计的谐振腔的失调灵敏性,以提高激光器的稳定性和可靠性;
四是同时考虑了基频光的模体积增大和倍频光的功率密度增大,以提高激光器的输出功率.我们在实验装置中抽运源仅使用单模块,使系统复杂性降低,利于产品化;
相对文献[9],我们的
光束质量因子有了较大改善;
相比以前的工作[14,15]
我们对激光器腔参数等的优化又进行了较深入的研究,使激光器输出功率、功率稳定性等有了很大提
第58卷第7期2009年7月100023290Π2009Π58(07Π4647205
物 理 学 报
ACTAPHYSICASINICA
Vol.58,No.7,July,2009
ν2009Chin.Phys.Soc.
高.据我们所知,这是目前报道的侧面抽运内腔倍频
绿光激光器最高功率输出.
21实验装置
实验采用三镜V形腔结构,装置如图1所示.
抽运源为北京国科世纪激光公司的GKPM2150型侧
面抽运模块,其测试腔1064nm激光大于150W.整个组件采用三个等间距的抽运激光二极管阵列,按照三角形等间距排列抽运棒状Nd:
YAG晶体,晶体棒的尺寸为<
4×
97,掺杂浓度018at%,每一列抽运激光二极管阵列额定功率200W,由四个单二极管条组成.用循环水冷却模块和YAG棒,冷却水的温度为2216±
011℃
图1 激光谐振腔示意图
倍频晶体为普通的KTP晶体,Π类相位匹配切
割,θ=90°
φ=2315°
尺寸为4mm×
4mm×
10mm,
双面镀1064nm,532nm增透膜.KTP晶体用铟片包
裹置于紫铜热沉中,以保持良好的热接触.紫铜热沉
用循环水冷却,冷却温度设置为1914±
011℃.
M1为平平镜,面向腔内的一面对1064nm激光
镀全反膜,反射率大于9919%;
M
为平凹镜,凹面
镀1064nm高反、532nm增透膜,对1064nm反射率
大于9918%,对532nm透过率大于90%,凸面镀
532nm增透膜,透过率大于9919%;
M3为平面镜,
面向腔内的一面对1064nm和532nm激光镀双色全
反膜,对1064nm反射率大于9917%,对532nm反
射率大于95%,折叠半角约为10°
抽运模块置于M
1镜与M2镜之间,KTP置于
M2与M3之间.
倍频激光经M
2耦合输出,输出激光再经滤波
镜以滤掉其中的基频光成分.用OPHIR公司NovaⅡ
功率计(探头为1Z01550测量绿激光输出功率.
31理论分析
三镜折叠腔具有以下优点:
模参数调整灵活、腔
内模体积大,在倍频晶体所在的折叠臂可以获得较
小的光腰半径,从而获得较大的基频光功率密度和
倍频转换效率,提高激光器对抽运光的利用率;
将基
频光和倍频光分开,减少了激光晶体对倍频光的吸
收.因此我们使用三镜折叠腔.
谐振腔的结构及参数直接影响激光器的输出功率、功率稳定性及输出激光的光束特性.在确定全固态连续绿光激光器的谐振腔时,我们主要考虑实现以下三个要求:
1进行像散补偿;
2将谐振腔设计为热稳腔,既有大的基模体积,又在宽的抽运功率范围内维持热稳定,并具有低的失调灵敏性;
3由倍频效率公式η=kI(ω(k为与非线性晶体有关的转换因子可知[16],倍频效率与基频光强成正比,因此为了提高转换效率,应该在倍频晶体处获得较高的基波功率密度.
图2 Nd:
YAG晶体和KTP晶体在理想面、子午面和弧矢面上的光斑大小
根据以上设计原则和要求,我们对三镜折叠腔进行数值模拟.图2是Nd:
YAG晶体和KTP晶体在理想面、子午面和弧矢面上的光斑大小.由图可知,8464物 理 学 报58卷
高抽运功率时,两晶体上子午面和弧矢面上光斑非
常接近,说明在高功率时像散补偿的效果比较好.
图3是激光谐振腔失调灵敏度和棒的光焦度D的关系图,经过精心选择腔参数,我们得到了较低的失调灵敏度,使激光器更稳定并适于产品化
图3 激光谐振腔失调灵敏度和棒的光焦度D的关系图
图4是高抽运功率下基模在腔内分布图,结合图2可知,Nd:
YAG晶体上的光斑半径是KTP晶体上光斑半径的3倍左右.因此,既能在YAG晶体上得到大的模体积,充分利用抽运能量,又能在KTP晶体上得到高的功率密度,以提高倍频效率
图4 基模在腔内分布图
41实验结果及分析
根据以上理论模拟,同时在实验中进行适当调整,取以下参数时得到了较好的实验结果:
M2凹面曲率半径R为250mm,M1到抽运模块之间的距离
L11为125mm,抽运模块与M2之间的距离L12为
116mm,M2与KTP晶体之间的距离L21为116mm,KTP晶体与M3之间的距离为9mm.
图5为LD抽运电流与输出绿光功率关系图.在抽运功率在36A时得到最高3616W的激光输出功率,对应的光—光转换效率约为8171%,抽运功率再升高时,输出功率下降.由于抽运功率最高可以升到45A,因此,该激光器仍有较大的继续优化和
提高绿光输出功率的潜力.
图5 LD抽运电流与输出绿光功率关系图
图6为我们在33W附近测量的532nm激光功率稳定性,每隔1min从功率计上读取一个数据,共
测量30组数.015h内其输出功率不稳定度为
ΔP—ΠP—
=
n
i=1
Pi-Pn
1
Π2
P
—
≈0127%<
1%.
图6 输出功率33W附近时的功率稳定性
在抽运电流为34A,输出功率是33W时,我们用刀口法测量了的光束的光斑半径分布,如图7所
示,经计算得M2
值约为713.
9
4647期张玉萍等:
YAGΠKTP连续绿光激光器
图7 光束的光斑半径分布图51结 论
本文采用一个600W的808nm侧面抽运模块作抽运源,侧面抽运Nd:
YAG晶体,Π类相位匹配KTP晶体腔内倍频,通过合理的腔型设计及参数选择,获得了高效率、高功率、高稳定的532nm绿光连续波输出.在LD抽运电流为36A的情况下,激光器绿光稳定输出3616W,
81%.
8.
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0564物 理 学 报58卷
A36Wintracavity2frequency2doubleddiode2side2pumpedNd:
YAGΠKTPcontinuouswavegreenlaser3
ZhangYu2Ping1
ZhangHui2Yun1
HeZhi2Hong32 WangPeng2 LiXi2Fu2 YaoJian2Quan2
1(CollegeofScience,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao 266510,China
2(InstituteofLaserandOptoelectronics,CollegeofPrecisionInstrumentandOptoelectronicsEngineering,TianjinUniversity,Tianjin 300072,China
3(DepartmentofElectronicEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Zhongshan,
Zhongshan,Guangzhou ,China(Received16October2008;
revised
High2powerandhasbeenrealizedbyoptimizingtheplane2concave2planeresonatorofside2pumpedconfigurationandKTPofⅡ2typephase2matchingforfrequencydoubling.A3616Wcontinuouswave532nmgreenlaserisobtainedatpumpingcurrentof36A,correspondingtooptical2to2opticalconversionefficiencyof8171%.Thepowerstabilityofthelaserismeasuredatoutputpowerof33W.Duringahalfhourmeasurementtime,theoutputpowerinstabilityis0127%.Thebeamtransferfactorislessthan8measuredbyknife2edgemethodatoutputpowerof33W.Astigmatismcompensation,misalignmentsensitivityandmodeprofileinsideresonatorofthreemirrorfoldedresonatorarealsonumericallysimulatedunderhighpumppower.Keywords:
diode2side2pumping,intracavity2frequency2doubling,CWPACC:
3ProjectsupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(GrantNo.60671036andtheSpringBudProjectofShandongUniversityofScience
andTechnology(GrantNo.2008AZZ094.
E-mail:
5647期张玉萍等:
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