全固态绿光激光器的噪声特性研究精.docx

1、全固态绿光激光器的噪声特性研究精第 33卷 第 1期 激 光 与 红 外 Vol. 33,No. 1 2003年 2月 LASER & INFRARED February ,2003 文章编号 :100125078(2003 0120040203全固态绿光激光器的噪声特性研究郑 权 1, 张秋松 2, 刘天虹 1, 薛庆华 1, 钱龙生 1(1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 , 吉林 长春 130022;2. 中海油田服务公司测井事业部 , 北京 101149摘 要 :观察了用 LD 泵浦 Nd Y VO 4晶体 , 用 类临界位相匹配 KTP绿光激光器的噪声特性 , 。分别采 用

2、谐振腔内插入布氏片和采用 类位相匹配 BBO ,稳定输出 。关键词 :LD泵浦 ; 绿光激光器 ; 噪声中图分类号 :TN248. 1Ch aracteristics of A ll 2solid 2state G reen LaserZHEN G Quan 1, ZHAN G Qiu 2song 2, L IU Tian 2hong 1, XU E Qing 2hua 1, Q IAN Long 2sheng 1 (1. Changchun institute of Optics , Fine Mechanics and Physics , CAS , Changchun 130022,Ch

3、ina ;2. Well 2measureing Department , Zhonghai oil service company , Beijing 101149, China Abstract :The noise characteristics of LD 2pumped Nd Y VO 4/KTP ( 2typed green lasers were observed in this pa 2 per. It shows the noise has arisen from the cou pling of different longitude modes in the freque

4、ncy doubler KTP. At last , two effective methods to eliminate green noise , including inserting a Brewster plate in the resonator of a Nd YVO 4/KTP laser , and using type 2 phase matching BBO as the frequency doubler , were introduced , res pectively.K ey w ords :LD 2pumped ; green laser ; noise1 引

5、言激光器的噪声特性是衡量激光器性能的重要指 标之一 。 激光器的噪声低 , 意味着激光器输出功率 稳定性好 , 这在激光加工 、 彩色印刷 、 分析仪器以及 科学实验等很多实际应用中都有严格的要求 。同 时 , 对激光器自身来说 , 噪声低意味着激光输出光强 没有瞬间的尖峰出现 , 不会对腔内光学元件 (如激光 晶体 、 倍频晶体 、 介质膜系 、 调制元件等 造成损伤 , 从而延长激光器的工作寿命 。对常见的 Nd Y VO 4/KTP (或 Nd Y A G/KTP 结 构的全固态绿光激光器 , 在 KTP 晶体实现基波倍频 的过程中 , 腔内各振荡纵模相互耦合 , 加之激光晶体 的空间烧

6、孔效应引起的各纵模交叉饱和现象 , 共同 导致激光能量在各个纵模间不断地转换 , 产生绿光 输出功率的波动 , 出现噪声 , 即人们常说的所谓 “绿 光问题 (green problem ” 1。已经有大量文献指出 , 消除或减少激光器输出 噪声的直接方法就是迫使激光器单纵模运转 2。 但迫使激光器单纵模运转需要较好的选频技术 , 并 且常常是以牺牲激光器效率为代价的 。 我们通过大 量的实验观察和研究发现 , 非单纵模运转的全固态 基金项目 :国家高技术发展计划资助项目 (8632302213202 作者简介 :郑权 (1973- , 男 , 理学博士 , 现在中国科学院长春光 机所应用光学

7、国家重点实验室从事博士后研究 , 主要研究方向为高 性能及大功率全固态蓝绿光激光器 , 迄今已经在国内外发表学术论 文 50余篇。收稿日期 :2002204222绿光激光器在一定条件下也可以处于稳定的低噪声 状态 。本文的研究旨在通过观察全固态绿光激光器运 转的噪声特性和规律 , 找到几种简单有效的方案 , 以 实现中低功率全固态绿光激光器的高效率低噪声输 出 。2 绿光噪声的观察用图 1所示的装置来观察绿光激光器的噪声产 生过程及所对应的纵模变化 。 一台绿光激光器发出 的光经分光板分成功率相等的两路 (两种光程相 同 。 一路用功率计接收 , 功率计上的光电池将接收 到的光信号转换为电信号

8、 , 并输入到示波器 1中 , 通 过示波器 1直接观察激光噪声的相对大小 , 计算出噪声信号的频率 ; -P 描干涉仪中 , 接 收 ,PIN , 输入到 示波器 2中 , 的能量分布 。图 1 分析噪声产生原因的实验装置通过对两路光在示波图 1和 2 上形成的图像进 行观察 , 可以知道激光器不同噪声特性下对应的腔 内纵模变化及耦合情况 。 图 2给出了由两个示波器 观察到的有代表性的三组图像 。其中 ,a 和 b 是激 光器低噪声运转情形 , 可以看出单个纵模时 , 激光器 处于极低的噪声状态 (理论上 , 仍然存在量子噪声和 热噪声等 ; 当有多个纵模同时存在时 , 只要各纵模 能量和

9、频率保持相对稳定 , 激光器噪声就很低 ;c 是 激光器噪声很大的情况 。由示波器观察 , 产生噪声时激光器的纵模变化 主要有三种情况 :一是当某些纵模时而出现 , 时而消 失时 , 激光输出有噪声 ; 二是当各纵模振幅不断起 伏 , 出现能量相互转移时 , 激光输出有噪声 ; 三是当 各纵模相互耦合 , 出现不同纵模的振幅随机叠加时 , 激光器输出功率有瞬间尖峰 , 噪声更大 。前两种情 况主要是由空间烧孔效应 、 激光器机械或热不稳定性造成的 ; 而最后一种则是由于多纵模在倍频晶体 中相互耦合而形成的 。 在未采取选频措施的绿光激 光器中 , 纵模数量较多 , 耦合现象相当显著 。a. 单

10、纵模低噪声状态b. 多纵模低噪声状态c. 多纵模耦合产生噪声图 2 激光器纵模形态与噪声特性3 绿光噪声的消除根据上面的观察和分析 , 我们知道 , 要想实现全 固态绿光激光器的低噪声输出 , 并非一定要求激光器单纵模振荡 , 还有更加简单易行的手段 :一种是减 少纵模数量 , 如激光器只有 23个纵模时 , 通过调 节腔长 、 控制频率等手段 , 使激光器的纵模数量 、 振 幅 、 频率保持相对稳定 , 获得几个纵模状态下激光器 的低噪声运转 ; 另一种是减少纵模耦合 , 通过选用合 适的倍频晶体和匹配类型来减少纵模之间的耦合 , 也可以获得绿光的低噪声输出 。 3. 1 减少纵模数量在较大

11、功率的激光器中 , 纵模数量大 , 相互间耦 合相当复杂 , 这时可以利用纵模选择的方法 , 抑制掉 除中心频率外尽可能多的纵模 , 同时通过调节腔长 、 控制频率等手段 , 使激光器的纵模数量 、 振幅 、 频率 保持相对稳定 , 从而获得激光器的低噪声运转 。作 者 所 在 课 题 组 曾 报 道 了 在 LD 泵 浦 Nd Y VO 4/KTP 结构绿光激光器谐振腔内插入布氏片实现选频的方法 3。由于充分利用了 Nd Y VO 4晶 体的偏振发射和 KTP 晶体的双折射性质 , 该方法在 腔内引入的损耗很小 , 是实现中低功率全固态倍频14第 1期 激 光 与 红 外激光器单频运转的优选

12、方案 。进一步的研究表明 , 虽然布氏片的选频能力有限 , 但在较高泵浦和输出 功率下 Nd Y VO 4/KTP 绿光激光器仍可以保持低噪 声运转 。含布氏片的谐振腔如图 3所示 , 腔内插入布氏 片有两个作用 :一是对不同频率纵模布氏角略有不 同 , 当对某一纵模为布氏角时 , 对其它纵模的 p 分 量则有一定的反射损耗 ; 二是不同频率纵模往返经 过 KTP 时偏振方向会发生偏转 , 布氏片对存在 s 分 量的纵模也会引起一定的反射损耗 。在激光器中 , 有时百分之几的损耗就可以完全抑制某些纵模形成 了 , 布氏片恰通过对各纵模的选择性损耗减少了激 光器的纵模数目 。图 3用 2W 的

13、LD 泵浦 , 通过腔内插入布氏片 , 我们 获得了 200mW 以上的低噪声绿光输出 , 此时纵模 数目为 3个 , 相对稳定 , 不发生耦合现象 。图 2b 即 是激光器输出 150mW , 有 2个纵模的情形 。 3. 2 减少纵模耦合前面已经提到 , 噪声主要来自不同纵模间的相 互耦合 。 根据耦合波理论 4, 可以得出两条有价值 的结论 :一是两纵模的间隔越小 , 发生耦合的可能性 越大 ; 二是垂直两纵模的耦合几率大于两相互平行 纵模 。 下面我们分析图 4的情形 。图 4 绿光激光器的谐振腔在图 4中 , 根据驻波腔理论 , 光腔内第 q 个纵 模的频率 q 可以表示为 5: q

14、 =qc/2(nL (1其中 , n 和 L 分别为腔内各光学元件的折射率和几何长度 。当倍频器为 类 KTP 时 , 其三波作用过程为 :o (1064 +e (1064e (532(2 KTP 是双轴晶体 , 即属于双折射晶体 , 因此基频 o (1064 光和 e (1064 光分别对应着不同的折射 率 n o 和 n e , 由 (1 式知 o 光和 e 光对应的纵模频率 会有一定差异 , 这就增加了腔内纵模的数量 , 并且 o 光和 e 光相互垂直 , 进一步增加了倍频耦合的可能 。鉴于此 , 我们可以通过选用 类匹配的倍频晶 体代替 类 KTP 实现绿光激光器的低噪声输出 。 类匹

15、配三波作用过程有两种情形 : o (1064 +o (1064 e (532 (3 或 e (1064 +e (1064(4n 0或 n e 一 , 类匹配过程腔内存在 , , 进一 。我们使用 类 BBO 晶体 进行了腔内倍频实验 , 用 4W 的 LD 泵浦 , 在输出绿 光为 460mW 时 , 激光器仍处于低噪声运转状态 。4 结 论通过对 LD 泵浦 Nd Y VO 4晶体 , 用 类临界位 相匹配 KTP 晶体腔内倍频的绿光激光器噪声特性 的大量观察 , 指出绿光噪声主要来自于不同纵模的 相互耦合 , 从而指出了实现低噪声输出的有效途径 。 分别采用谐振腔内插入布氏片和采用 类位相匹配 晶体腔内倍频 , 实现了连续绿光的低噪声输出 。 参考文献 :1 T Baer. Large 2amplitude fluctuations due to longitudinalmode coupling in diode 2pumped intracavity 2doubled Nd Y A G lasers J.J. Opt. S oc. Am. B , 1986, 3(9 :1175