激光二极管端泵微片固体激光器的研究.pdf

1996 年 12 月 18 日收到激光二极管端泵微片固体激光器的研究黄元庆(厦门大学新技术研究所, 厦门 361005)摘 要本文介绍了一种用波长为 809nm的激光二极管 (LD) 端面泵浦厚度为 1mm的微片 N d YVO4全固化固体激光器. 器件结构上采用了一种独特的光学系统, 该系统由分别用于LD激光束的耦合和聚焦的两部分组成. 由Nd YVO4的一个平面与一个曲率半径为 21mm 的球面镜组成半共焦腔, 以获得高的转换效率. 文中详细讨论了单横模运转时的泵浦光与 激光腔模之间的匹配问题. 当泵浦光功率为 400mW 时, 获得 152mW 的 1064 nm 波长的 T EM00模激光输出. 器件阈值功率为 48. 3mW, 总的光 - 光转换效率为 38 % , 斜效率为 43 % .关键词 LD, 泵浦, 微片 N d YVO4, 激光1 引 言激光二极管 ( LD) 泵浦固体激光器, 简称为 DPL器件, 是 80 年代中期兴起的一种新器件.DPL 器件完全实现了激光器件的全固化. 目前, 大多数的 DPL 器件是采用Nd YAG晶体作激光晶体. 这主要是由于Nd YAG晶体比较容易获得优质材料, 性能较稳定, 价格也相对低. 不过它与一种新型的激光晶体— N d YVO4相比较, 在受激发射截面及对泵浦光的吸收带宽等特性方面, 明显不如后者优越. Nd YVO4(掺钕钒酸钇 ) 晶体为四方晶系, 是单轴晶体. 其受激发射截面为 25 × 10- 19cm2, 约是 N d YAG (约为 6 . 8× 10- 19cm2)的四倍; 在 809 nm 中心吸收波长附近的吸收带宽为 21 nm, 大约是 Nd YAG(为 10 nm ) 的二倍. 故很容易获得高的光— 光转换效率. 在小功率激光器件方面, 可用Nd YVO4晶体做成微片激光器. 本文讨论的就是 LD端面泵浦微片N d YVO4激光器件.2 器件结构与分析图 1 为 LD泵浦微片 N d YVO4激光器件结构示意图.LD器件采用国产的 GaA lA s量子阱半导体激光器, 出射的激光光斑为 240μ m× 1 μ m, 发散角为θ⊥≤ 40 ° , θ∥≤ 10 ° , 发射中心波长为 809 nm, 谱线宽度约 2 nm; 微片 Nd YVO4晶体尺寸为 3mm× 3mm× 1mm, 掺钕浓度为 2 at % , 采用 a轴向切割, 可实现 c 型偏振, 获得对 809 nm 波长光能的 最大吸收系数 T = 72 . 4 cm- 1.为尽可能减少光能损失、 降低激光阈值、 提高转换效率, 对器件中的各光学元件镀了特殊要求的膜层. 其中 L1、 L2、 L3和 L4球面透镜双面均镀 809 nm 波长增透膜; Nd 第 18 卷 第 3 期1997 年 9 月发 光 学 报 CHINESE JOU RNA L OF LUM INESCEN CEV o . l18 N o.3 Sept. ,1997 1- LD 2- op tical coup ling system 3- Nd YVO4 4- outpu tm irror图 1 激光二极管泵浦微片N d YVO4激光器结构示意图F ig.1 Sche m atic diagram o f the structure ofLD end-pumpedm icro ichip Nd YVO4laser .YVO4晶体入射面镀 809 nm 波长增透、 1064 nm 波长全反的双色膜, 出 射面镀 809 nm 全反、 1064 nm 增透的双色膜; 输出镜的入射面 (凹面 )镀1064 nm 波长透射率 T= 10% 的单 色膜, 其出射面 (平面 ) 镀对 1064nm波长增透膜.端面泵浦结构的激光器, 其激光阈值功率 Pth的大小可由下式求出[1]:Pth=c hνpW 2 ecZpf(w20+ w2p)( 1)式中 h 为 plank常数, νp为泵浦光频率, W 为激光器的总损耗, 它包括光子往返一次的腔损耗、 散射和吸收损耗等; ec是有效受激辐射截面; Zp为泵浦效率; f 为激光上能级寿命; w0是基横模光束腰斑半径; wp是泵浦光束在腔内的光斑半径.由公式 ( 1) 可知, 纵向泵浦的微片 Nd YVO4固体激光器, 在不考虑损耗因素影响时, 其激光阈值功率主要由 w0和 wp两个激光参数所决定. 小的光斑半径, 有小的激光阈值, 但大的 w0和 wp有高的输出功率和转换效率. 从激光谐振腔结构理论可知, 半共心腔具有最小的 w0, 从而具有最低的激光阈值, 但为了获取高的转换效率和高的功率输出, 谐振腔结构采用半共焦腔, 因为半共焦腔具有最大的腔内 TEM00模腰斑半径 k0, 其值大小为[2]:w0=(λ c) [L (R - L ) ]1/2( 2)式中, λ 为激光波长, λ = 1064 nm; R 为凹面镜的曲率半径, 这里取 R= 20 . 9mm; L 为 等效谐振腔长度, L= d /n+ L0, d是晶体厚度, d=1mm, L0是微片晶体出射面到凹面镜的距离, L0= 10mm; n为晶体折射率, n= 2 . 1652 , 把有关数值代入公式 ( 2) 可得 w0= 60μ m.为获得激光器的 TEM00模输出和高的转换效率, 必须满足腔内泵浦光束的模式与腔模式的匹配条件: wp≈w0. 这意味着泵浦光与谐振腔之间必须有个相应的良好的光学耦合系统, 使进入腔内的泵浦光能最大限度地激发 Nd YVO4基横模的腔体积. 由于国产的 LD出射光束光斑 2 w′p最大约为 240μ m, 大于 2 w0值. 为满足 wp≤w0这个条件, 目前普遍采用短焦距的非球面透镜聚焦. 非球面镜难加工且价格高, 短焦距透镜对泵浦光束的急剧聚焦, 虽能获取小的光斑尺寸, 但其会聚孔径角大于腔内基横模的发散角, 极易形成高阶横模输出. 同时由于泵浦光束在腔内过大的发散角, 使其在晶体内传输时, 光功率密度也急剧变小, 不能有效地激活单位体积内的钕离子, 反而使转换效率变低、 输出功率减小. 因此本器件中采用了一种独特的光学系统. 该系统由四个普通的球面透镜 组成:L1和 L2组成横向放大倍率为 0 . 5 的耦合系统, L3和 L4组成横向放大倍率为 1 的聚焦系统. 通过理论计算与实验, 其焦距分别取 F1= 9mm, F2= 4 . 5mm, F3= 15mm, F4=213第 3 期黄元庆: 激光二极管端泵微片固体激光器的研究 15mm 是比较理想的值. 泵浦光束经该系统耦合聚焦后, 在Nd YVO4晶体内形成新的束腰半径 wp= 59μ m, 略小于 w0值, 故满足了模匹配条件, 确保器件处于 T EM00模状态运行.在基横模情况下, 微片 N d YVO4激光器极容易实现单纵模运转. 根据激光理论可 知, 激光器谐振腔的振荡纵模数 m 可由下式给出:m =Δ ν c 2nL( 3)式中c 2nL为纵模间隔,c为真空光速, n为折射率, L 为腔长, Δν 为中心谱线宽度. 从该式可知, 窄的谱线宽度、 短的谐振腔长度, 能实现激光器处于单纵模运行状态. 掺杂钕浓度为 2 at%的 N d YVO4晶体对 809 nm 波长能实现强烈的短程吸收. 换句话说, 该晶体的增益区很薄, 可认为 809 nm 波长的光在经过该增益区后, 能全部被吸收转换为 1064nm 波长的光. 因此在这里把微片晶体厚度 d当作腔长 L 处理, 此时公式 ( 3) 变为:m =Δ ν c 2nd( 4)当 d= 1mm,1064 nm 中心谱线宽度 Δν = 257GH z代入公式 ( 4), 可得 m= 3 . 7 . 根据驻波理论可知, 对于端面泵浦机制的激光器, 所有的腔纵模在谐振腔反射镜上都有相同的 节点, 当泵浦光被短程吸收时, 则在此范围内所有纵模接近相同的反转粒子数, 具有最高受激发射截面的模式首先起振, 并抑制了其他模式的起振, 从而可获得单纵模输出.因此本器件虽然容许 3 . 7 个纵模振荡, 但由于中心谱线 1064 nm 具有最大的吸收系数和最高的发射截面 (ec= 25 × 10- 19c m2), 故仍可获得 1064 nm 波长的单纵模输出.图 2 输出功率与泵浦光功率关系F ig.2 O utput pow er vs pump pow er.3 实验结果图 2 为输出镜不同透射率 T 值时, 激光输出功率与泵浦光功率的关系曲线图. 从图中可看出 T= 10 % 具有最高的光 - 光转换效率和斜效率. 当泵浦光功率为 400mW 时, 获得 152mW 的 1064 nm 波长的 T EM00模激光输出, 其总的光— 光转换效率 Z0= 38 % ,斜效率 Zs= 43 %.T= 10 %时, 激光器总的损耗 W ≈ 0 . 20 , 同时端泵时, 泵浦量子效率 Zp≈ 0 . 86 ,Nd的掺杂浓度为 2 at %时, 激光上能级寿命f = 50μs . 把这些数值及其他有关数值代入 公式 ( 1), 可得激光阈值功率为 47 . 8mW,实验测得激光阈值为 48 . 3mW, 基本相符. 两者相差 0 . 5mW, 这主要有两个方面的原214 发 光 学 报第 18 卷因:( 1) 光学耦合系统的光能损耗未考虑在内;( 2) 由于 LD是矩形光束横截面, 采用普通球面镜无法对泵浦光束整形, 经光学耦合系统出射后的泵浦光斑是椭圆光斑,而腔模体积是近似圆锥体, 两者不能实现完美的模体积匹配. 若把球面镜, 改用柱面镜, 效果显然会更好.在泵浦功率为 400mW 时, 实验中用 F- P标准具和示波器仍可观察到激光器处于单纵模运行状态.4 结束语全固化微型高转换效率激光器件, 是未来发展的一种趋势, 而 Nd YVO4在中小功率范围内是实现这类器件较理想的激光晶体. 因此, LD泵浦微片 N d YVO4激光器件有着很好的应用前景, 同时也是产生微型倍频绿光激光器的理想的基频光源.参考文献[ 1 ] Fan T Y, Byer R L.IEEE J Q E,1988 ,24 ( 6): 905 .[ 2 ] Q ranio Evelto. P rinciplies of Lasers , A D ivision of P lenum P ublishing Copo ration, N ew Y ork ,1982 ,129 .STUDY OF DI ODE-LASER END-PUM PED M ICROCHIP S OLID-STATE LASERHuang Yuanqing( Institute of N ew T echno iogy, X iam en U niversity, X iamen 361005)AbstractT he diode-laser end-pum ped m icrochip crystal laser is presented in this paper . Anovel structure of the all so lid-state laser is designed .T he m icrochip Nd YVO4crystalis used as a laserm edium,and its thickness is 1mm. T he LD atw ave-length of 809nmis used as a pum p source.It is em phasized that a unique optical coupling systemisdesigned. T his system consits of bo th the coupling system and the focusing system forth。