《1 引言》

1 引言

0.53μm绿光激光器由于其具有波长短、光子能量高、在水中传输距离远和对人眼敏感等优点, 在科学研究、国防建设和国民经济的许多领域有重要的应用, 因而成为各国研究的重点[1,2]。LD泵浦的调Q全固态绿光激光器具有光束质量好、能量转换效率高、体积小、寿命长、使用方便等优点, 因而成为其它种类的绿光激光器的换代产品。国外已经有类似商品出售, 但其价格、体积、光束质量及光束方向稳定性方面仍需改进。研制高性能的微型调Q绿光激光器, 降低成本, 提高器件性能是努力的方向之一。

本文报道了一种新型的LD泵浦Nd∶YVO4-KTP微型调Q绿光激光器。采用纵向同轴泵浦方式、独特的整体控温技术和小焦距非球面聚焦透镜, 并把全部元件固化为一个整体, 从而提高了激光的输出功率和光束方向稳定性。其中KTP晶体既作为电光调Q开关, 又同时作为倍频晶体, 降低成本, 减少腔内损耗, 提高器件的效率。

《2 KTP同时倍频调Q的理论分析》

2 KTP同时倍频调Q的理论分析

KTP作为一种高效非线性晶体在各种频率转换的领域中起着越来越重要的作用。这主要是因为KTP晶体有高非线性系数、大匹配角度、高损坏阈值和相位匹配的热稳定性等, 同时又具有大的线性电光系数、不易潮解、不受压电效应的影响、透过波长范围宽等优点, 这使得KTP晶体在电光方面的应用也有很广阔的前景[3]。

在一般情况下, KTP作为1.06μm红外光的倍频晶体时, 是沿θ=90°、φ=23.6°角度切割, 光波沿这个方向传播时倍频效率最高。晶体切割如图1所示。

《2.1 1/4波电压Vπ/2的计算[4]》

2.1 1/4波电压Vπ/2的计算[4]

当在KTP晶体的z方向上加电压Vz=Ezd (Ez为z方向的电场强度) , KTP对于1.06μm基频光沿x、y、z方向的折射率与Vz有关。通过菲涅耳方程, 可求得快轴和慢轴的基频折射率n′ωf和n′ωs。快轴和慢轴的相位延迟为

\(\Gamma=\frac{2 \pi}{\lambda}\left(n_{\omega f}^{\prime}-n^{\prime}{ }_{\omega s}\right) \cdot l\)   （1）

将基频光波长图的参数代入上式, 可计算出当快轴和慢轴的相位延迟Γ=π/2时, 加在KTP晶体z方向上的1/4波电压Vπ/2 (Vz) =647 V。

《图1》

图1 KTP晶体切割方向θ=90°, φ=23.6°, d=2 mm, l=10 mm, b=4 mm Fig.1 The orientation in KTP crystal

图1 KTP晶体切割方向θ=90°, φ=23.6°, d=2 mm, l=10 mm, b=4 mm

Fig.1 The orientation in KTP crystal

《2.2 1/4波电压对倍频效率的影响[4]》

2.2 1/4波电压对倍频效率的影响[4]

加上电压Vz后KTP对于0.53μm倍频光的快轴与慢轴的折射率n′2ωf和n′2ωs发生了变化, 二次谐波的相位将偏离相位匹配条件, 失配角为

将θ=90°, φ=23.6°, d=2 mm, l=10mm, b=4 mm, λ=1.06μm代入式 (1) 和式 (2) 中, 可以得出相位延迟Γ和相位失配角δs随电压Vz的变化曲线, 如图2。从图中可以看出当外加电压Vz与Vπ/2=647 V时二次谐波的失配角δs约为π/5, 仍在相位匹配的范围之内, 倍频效率的变化不大。上述计算结果说明, 在不影响倍频效率的情况下, 可以用单块KTP晶体同时实现腔内倍频和电光调Q。

《3 实验装置与实验结果》

3 实验装置与实验结果

实验装置采用半导体激光二极管LD纵向同轴泵浦Nd∶YVO4晶体得到1.06μm近红外激光, 再用KTP晶体进行腔内倍频和电光调Q得到0.53μm的绿激光脉冲序列, 并把全部元件固化为一个整体, 构成了高性能微型全固化激光器。其中采用:连续输出功率为1 W的、波长为808.5 nm的LD作为泵浦光源;Nd∶YVO4激光晶体;KTP晶体作腔内倍频晶体和调Q开关的双功能器件;自行研制的聚焦系统和控温系统以提高激光器的性能。

实验装置如图3。由于所用的LD的输出功率较小, 因此提高器件的光-光转换效率是提高激光器性能的关键。使用半导体制冷器作为温度控制元件, 对LD的温度进行控制, 以使其工作波长和Nd∶YVO4激光晶体的吸收波长峰准确重合, 提高激光晶体对泵浦光的吸收效率。

《图2》图2 基波相位延迟和二次谐波失配角随电压变化Fig.2 Phase retardation of fundamental wave and phase matching angle variation as the function of voltage

图2 基波相位延迟和二次谐波失配角随电压变化

Fig.2 Phase retardation of fundamental wave and phase matching angle variation as the function of voltage

《图3》

图3 同时倍频和调Q的实验装置Fig.3 Experiment setup for LD pumped Q-switched intracavity SHG Nd∶YVO4laser

图3 同时倍频和调Q的实验装置

Fig.3 Experiment setup for LD pumped Q-switched intracavity SHG Nd∶YVO4laser

实验中把LD的工作波长调整到808.5 nm。采用通光方向长度为1 mm的、掺杂浓度为3at%的、c轴向切割的Nd∶YVO4激光晶体作为工作介质。入射到此晶体内部的泵浦光约有95%被吸收。采用端面同轴泵浦方式使的泵浦光束沿激光器光轴方向入射到激光晶体内部, 和所产生的1.06μm激光光束在空间上能很好地匹配, 提高它们的空间耦合率。采用等效焦距为3 mm的微型非球面透镜收集LD的激光, 把它聚焦成为光腰直径为120μm的细光束, 使其光腰处于Nd∶YVO4晶体的内部。因此, 采用平凹型谐振腔, 泵浦端的谐振腔反射镜为球面镜, 输出端为平面反射镜。此球面镜是直接镀制在Nd∶YVO4晶体的一个端面上的介质膜反射镜, 对泵浦光是高透射 (T>90%) 、对1.06μm振荡激光是全反射 (R>99.8%) 、对0.53μm倍频光是高反射 (R>99%) 。Nd∶YVO4晶体的另一个通光表面上镀有同时对1.06μm的基频光和0.53μm倍频光高透射膜 (剩余反射率R<0.5%) 。使用平面反射镜作为谐振腔的输出端反射镜, 它对振荡基频光是全反射的、对倍频光是高透射的。KTP晶体放在振荡激光的光腰处, 晶体的正轴方向与基频光的偏振方向成为45°。由于在Nd∶YVO4晶体中Nd3+离子的跃迁具有很强的偏振性, π方向 (平行于c轴) 的发射截面是σ方向 (垂直于c轴) 发射截面的4.2倍, 即所产生的激光在π方向的增益比σ方向大得多, 这表明Nd∶YVO4晶体可同时作为一有效的偏振器件, 而无需另加电光调Q时所必需的腔内偏振器[5,6]。

将1/4波电压Vπ/2加在KTP晶体两端的电极上, 细调使快轴与慢轴的静态相位延迟Γ=0。当泵浦功率为1 W时, 测得输出连续绿光的最大功率为54 mW。把电压降为零, 腔内的损耗大于增益, 不能产生激光振荡。当在晶体两端加上Vπ/2的高压脉冲, 则出现调Q的脉冲光。实验中采用高性能雪崩晶体管串来驱动Q开关, 雪崩晶体管的脉冲前沿可达到1～2 ns, 且抖动小, 可以达到较高的调Q频率, 是一种理想的电光调Q驱动器。在调Q的频率为1 kHz时, 测得绿光的峰值功率随LD泵浦功率的变化曲线如图4所示, 此时的最大峰值功率为762 W, 脉宽为12 ns。光脉冲的波形如图5所示。

使半导体激光器的倍频晶体处于稳定的特定温度, 对提高输出功率并保持其稳定是十分重要的。采用半导体致冷器对器件进行整体控温, 保证LD辐射光波长与Nd∶YVO4激光晶体的吸收峰值波长重合, 并保证了KTP的相位匹配条件和激光谐振腔的稳定。采用整体控温的另一个明显优点是减化了控温装置减小了器件体积便于使用激光器的结构如图6所示。器件的整个体积为25 mm×30 mm, 只有半个彩色胶卷大小。

《图4》

图4 绿光峰值功率与LD泵浦功率关系Fig.4 Peak green laser output power as the function of LD output power

图4 绿光峰值功率与LD泵浦功率关系

Fig.4 Peak green laser output power as the function of LD output power

《图5》

图5 光脉冲波形Fig.5 Laser pulse shape

图5 光脉冲波形

Fig.5 Laser pulse shape

《图6》

图6 激光器结构图Fig.6 The configuration of Q-switched green laser

图6 激光器结构图

Fig.6 The configuration of Q-switched green laser

激光器输出的激光束经滤波器滤除808 nm泵浦光和1.06μm基频光后, 在1 KHz的重复频率和1 W的泵浦功率下, 测得的数据结果为:

激光波长0.523μm,

激光横模TEM00,

脉冲宽度12 ns,

峰值功率762 W,

输出功率稳定度<±2%,

光束方向稳定性<0.01 mard/h。

《4 结束语》

4 结束语

详细分析KTP晶体内外加电压与倍频效率之间的相互作用和计算表明, 在不影响倍频效率的情况下, 单块KTP晶体可以同时实现腔内倍频和电光调Q。采用吸收谱线宽、吸收系数大的Nd∶YVO4晶体和倍频晶体与调Q开关共用的KTP, 研制出全固化高性能的微型电光调Q绿光激光器。

该系列器件性能可靠, 体积小 (25 mm×30mm) , 质量轻, 使用方便。在输出功率-体积比、性能价格比光束方向稳定性等多方面优于国际同类产品具有很强的市场竞争力。