LD端面抽运15W单频稳频绿光激光器.docx
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LD端面抽运15W单频稳频绿光激光器
文章编号:
0258
-7025（200202-0119-04LD端面抽运1.5W单频稳频绿光激光器
王海波,马艳,翟泽辉,郜江瑞,彭
墀
（量子光学与光量子器件国家重点实验室,山西大学光电研究所,山西太原030006
提要光纤耦合激光二极管（LD抽运NdBYVO4激光晶体,采用KTP晶体腔内倍频,在输入抽运功率为11W时,获得115W稳定单频绿光输出,光-光转换效率1316%。
通过边带锁频系统将基频激光频率锁定在F-P共焦参考腔的中心频率上,输出的倍频光频率稳定性优于620kHz,功率稳定性优于?
115%。
关键词LD端面抽运,NdBYVO4晶体,频率稳定性,功率稳定性中图分类号TN24811文献标识码A
1.5WcwFrequency-stabilizedandIntracavityFrequency-doubled
RingLaserEnd-pumpedbyDiodeLaser
WANGHa-ibo,MAYan,ZHAIZe-hui,GAOJiang-rui,PENGKun-chi
（StateKeyLaboratoryofQuantumOpticsandQuantumOpticsDevices,Inst.ofOpto-electronics,ShanxiUniversity,Taiyuan030006
AbstractAcwfrequency-stabilityandintracavityfrequency-doubledringNdBYVO4PKTPend-pumpedbyalaserdiodethroughfiber-couplingisdesignedandexperimentallydemonstrated.Usingtheside-bandfrequency-lockingtechnique,upto1.5Wgreenoutputwiththefrequency-stabilitybetterthan620kHzisachievedbythepumppowerof11W.Theconversionefficiencyfromlighttolightis13.6%andthefluctuationofoutputpowerislessthan?
1.5%.KeywordsLDend-pumped,NdBYVO4crystal,frequencystability,powerstability
收稿日期:
2000-11-06;收到修改稿日期:
2001-01-09
基金项目:
国家自然科学基金（批准号:
69778015,69978013和山西省青年带头人基金资助项目。
作者简介:
王海波（1974,男,山西大学光电研究所在读博士生,主要从事激光技术与量子光学研究。
E-mail:
obian@263.net
1引言
激光二极管（LD抽运的固体激光器光谱重叠
度高、结构紧凑,受到人们的广泛关注。
进入20世纪80年代以来,由于量子阱结构的提出及晶体生长工艺的发展,高效率、高功率激光二极管及其阵列取得了很大成就,推动LD抽运的固体激光器的发展
达到了实用水平[1]
。
采用LD抽运四镜及三镜折叠腔获得高达5W内腔倍频绿光输出[2,3]
。
单频稳频
内腔倍频激光器是非线性光学及量子光学的重要光
源,我们于1993
[4]
年到1995[5]
年研究了灯抽运内腔
倍频单频稳频激光器,采用6镜腔双KTP反向串接内腔倍频获得115W单频稳频绿光,在倍频输出功率650mW的情况下频率稳定性优于5MHz。
由于
灯抽运固体激光器本质上效率低、热效应严重,热与机械稳定性相对较差,功率与频率稳定性的进一步提高受到限制;此外,激光器及外围设备体积庞大、复杂,使其应用与发展受到限制。
本文报道LD抽运的4镜环行腔单KTP内腔倍频激光器。
2实验装置
实验装置如图1所示。
抽运源为Coherent公
司生产的FAPTM
系统,通过直径为800Lm,数值孔径为0120的光纤耦合输出,输出波长可由温度调节,808nm最大输出功率为16W。
耦合系统由准直透镜和聚焦透镜组成,耦合效率约为85%。
NdBYVO4晶体尺寸为3mm@3mm@5mm,A切割,通
第29卷第2期2002年2月
中国激光
CHINESEJOURNALOFLASERS
Vol.A29,No.2
February,2002
光长度为5mm,Nd离子掺杂浓度为015%,两个通光面镀11064Lm和01532Lm双增透介质膜。
采用KTP腔内倍频,晶体尺寸为5mm@5mm@5mm,以Ò类角度匹配方式切割,两个通光面镀11064Lm和01532Lm双增透介质膜,以降低腔内损耗。
6为输入耦合镜,对11064Lm高反,808nm
减反,R11064Lm>9915%,R808nm<5%;9,11为凹面镜,对11064Lm和01532Lm双高反,R11064Lm>9915%,R01532Lm>9915%,曲率半径为50mm;输出耦合镜对绿光增透,红外全反,R11064Lm>9915%,R01532Lm<5%;激光器红外谐振,
绿光单次通过。
图1实验装置图
1:
激光二极管;2:
光纤;3:
聚焦系统;4:
NdBYVO4晶体;5:
TGG晶体;6:
输入耦合镜;7:
半波片;8:
输出耦合镜;9,11:
凹面镜;10:
KTP晶体;12:
双色镜（HR@532nm&1064nm;13:
双色镜（HR@532nm,AR@1064nm;14:
高频信号源;15:
快速响应探测器（ETX-500;16:
PID积分P微分电路;17:
放大器;18:
混频器;EOM:
电光调制器
Fig.1Schematicoftheexperimentalsetup
1:
pumpinglaser;2:
fiber;3:
focusingoptics;4:
NdBYVO4crystal;5:
TGG;6:
inputcoupler;7:
KP2plate;8:
outputcoupler;9,11:
concavemirror;10:
KTPcrystal;12:
dichroicmirror（HR@532nm&1064nm;13:
dichroicmirror（HR@532nm,AR@1064nm;14:
signalgenerator;15:
ETX-500;16:
PIDsystem;17:
amplifier;18:
mixer;EOM:
electro-optic
modulator
图2激光器参数随两凹面镜间距离（L1Pmm的变化关系
（a稳定性参数随L1的变化;（b倍频晶体中腰斑w0随L1及NdBYVO4晶体热焦距（Ft的变化
Fig.2Functionoflaserparametersversusthedistancebetweentwoconcavemirrors（L1Pmm
（aforthestabilityparameter（A+DP2;（bforthespotsizesofwaistsw0atdifferentthermalfocallength（Ft
1:
Ft=];2:
Ft=1000mm;3:
Ft=800mm;4:
Ft=600mm;5:
Ft=500mm
激光腔采用/]0字环行腔,消除空间烧孔效应,腔内插入由KP2波片和放在磁场中的TGG晶体（使激光偏振方向转动7b构成单向器,使激光器单向运转。
激光器结构设计主要考虑抽运光的光束质量因子
[6]
热不灵敏条件
[7,8]
dw
dft
=0]A+D=0用标准的ABCD矩阵法计算分析激光器运转特性,L1器运行的稳定性及腰斑影响较大,选取L1=53mm,激光器稳区图及不同热焦距情况下KTP体中腰斑变化如图2所示。
谐振腔采用两个曲率半径为
50mm的平凹镜及两个平面镜组成,KTP晶体内基频光腰斑半径约为30Lm。
3实验结果与分析
120中国激光29卷
分为两路,使用LP-3B型激光功率计测定532nm倍频绿光的输出功率,基频光由另一路进入锁频反
馈系统,对激光器频率锁定。
用F-P1腔监视基频激光输出模式,F-P1腔自由光谱范围FSP=750MHz,精细常数F=100;用F-P2腔监视绿光输出模式,如图3
所示。
图3扫描共焦腔的透射曲线
Fig.3Transmissionfromscannedconfocal
cavity
图4绿光输出功率波动（<3%
Fig.4Intensityfluctuationofgreenoutput（<3%
当激光二极管工作电流I=20100A时（为最大驱动电流的80%,激光二极管输出功率为11W左右,耦合系统传输效率85%,有效抽运功率为914W,此时测得最大单频绿光输出为115W,光-光转换效率为1519%。
使用CoherentModemaster光束传输分析仪测量倍频绿光输出质量,输出绿光水平方向质量因子为1109,竖直方向质量因子为1105,接近衍射极限,水平方向质量因子相对较差,这是由于/]0字环行腔凹面镜非轴向入射引入像散所致,因元件及腔长限制进一步减小折叠角实验上较难实现。
水平-竖直腰斑对称度为11035,远场发散角对称度为01972。
图4为实验测定的激光器绿光的功率稳定
性1实验对基频光频率锁定以稳定倍频输出。
采用F-P1腔作稳频基准,F-P1腔使用殷钢框架结构,
腔体密封,减小气流及震动影响,以提高稳频精度。
使用电光调制晶体对基频光加一频率为27MHz的振幅调制信号,探测F-P1腔反射信号,经混频检波得到误差信号（如图5所示放大反馈至激光器压电陶瓷上,控制腔长,稳定激光器频率。
激光器锁定以后的倍频绿光频率波动如图6所示（F-P2腔所测,对应的频率波动小于620kHz。
图5参考腔1扫描时所得的误差信号Fig.5Errorsignalfromscannedreferencecavity
图6激光器锁定后参考腔2的透射曲线,透射峰的
抖动对应频率的波动
Fig.6Transmissionfromreferencecavitywithlaserlocked
在激光器腔型设计中考虑了激光晶体的热焦距
及激光腔的热不灵敏条件,在抽运功率为11W的条件下,通过理论计算设计腔型,选取参数。
由于激光系统是对11W抽运功率优化设计的,所以激光器在这一功率水平能很好地单频稳定工作,但在抽运功率改变较大时,激光输出模式变得不稳,功率有所下降,激光腔不能在抽运功率大范围变化情况下稳定运转。
引起这个问题的主要原因有:
1NdB
1212期王海波等:
LD端面抽运1.5W单频稳频绿光激光器
YVO4晶体的热传导系数较小,热焦距效应比较明
显,使激光器偏离最稳区,造成激光输出不稳;2激光器稳定运转时,NdBYVO4晶体的受激发射中心（或增益曲线中心与腔内某一振荡纵模重合,这时纵模有最大的受激发射截面,与相邻的纵模有最大的增益差,抽运功率的改变造成NdBYVO4晶体局部折射率改变使该纵模偏离发射中心,与相邻腔纵模的增益差减小,增大了多模振荡的可能。
此外,NdBYVO4晶体及KTP晶体温度稳定性对激光器长期稳定运转影响较大,NdBYVO4晶体发射截面随晶体温度的升高而减小,可导致激光器输出功率下降;KTP是双折射晶体,采用二类角度匹配方式切割,温度的改变引起KTP对基波的退偏,导致腔内损耗加大,激光器功率下降。
实验必须对NdBYVO4及KTP晶体精确控温,我们设计了一套控温系统,控温精度达到0101b,满足了实验要求。
4结论
采用光纤耦合输出的激光二极管作为抽运源,NdBYVO4PKTP腔内倍频,在输入功率为11W的情况下,获得115W稳定单频绿光输出,光-光转换效率为1316%。
通过边带锁频系统将基频激光频率锁定在F-P共焦参考腔的中心频率上,输出的倍频光频率稳定性优于620kHz,功率稳定性优于?
115%。
参考文献
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8ZhangJing,ZhangKuanshou,WangRunlinetal..Al-l
solid-stateNdBYVO
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ringlaserwithsingle-frequencyoperation[J].ChineseJ.Lasers（中国激光,2000,A27（8:
694~696（inChinese
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