哈激光二極管側(cè)抽運(yùn)雙棒串接準(zhǔn)連續(xù)Nd_YAG高功率綠光激光器

1、第28卷第8期光學(xué)學(xué)報(bào)Vol.28,No.82008年8月ACTA OP TICA SINICAAugust ,2008文章編號(hào):025322239(20080821543204激光二極管側(cè)抽運(yùn)雙棒串接準(zhǔn)連續(xù)N d YA G 高功率綠光激光器馮忠耀1李成榮2李修3汪俊4白晉濤31西北大學(xué)物理學(xué)系,陜西西安710069;2榆林學(xué)院物理與電氣工程系,陜西榆林7190003西北大學(xué)光子學(xué)與光子技術(shù)研究所暨陜西省光電子省級(jí)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,陜西西安7100694西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,陜西西安710069摘要研制一臺(tái)激光二極管(LD 側(cè)面抽運(yùn)雙棒串接準(zhǔn)連續(xù)Nd YA G 折疊腔高功率綠光激光器,理論

2、分析了熱致雙折射效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響,并對(duì)用石英旋轉(zhuǎn)片補(bǔ)償前后的情況進(jìn)行模擬對(duì)比。在考慮了補(bǔ)償后的情況下設(shè)計(jì)了熱穩(wěn)定諧振腔。實(shí)驗(yàn)中采用兩個(gè)串接的由30個(gè)20W 的LD 陣列側(cè)面抽運(yùn)的Nd YA G 棒和類臨界相位匹配H GTR 2KTP 晶體,在抽運(yùn)電流均為21.6A ,重復(fù)頻率為27.2k Hz 時(shí),獲得了最大平均輸出功率為164W ,脈沖寬度為130ns 的532nm 綠光輸出,光2光轉(zhuǎn)換效率為13.7%,測(cè)得光束質(zhì)量因子為M 2x =9.52,M 2y =9.86,不穩(wěn)定度為2.3%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,經(jīng)補(bǔ)償后的激光系統(tǒng)能在寬的穩(wěn)區(qū)范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。關(guān)鍵詞激光器;高功率;熱致雙折射效應(yīng);532nm

3、 綠光中圖分類號(hào)TN248.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A doi :10.3788/AOS20082808.1543L as e r 2Di ode S i de 2P u mp ed Tw o Rods Q u as i 2Co nt i n uo us 2Wa veN d YA G Gree n L as e rFeng Zhongyao 1Li Chengrong 2Li Xiu 3Wang J un 4Bai J intao 31Dep a r t me nt of Physics ,Nor t hwest U niversit y ,Xi a n ,S ha a n xi 710069,Chi n

4、 a2Physics a n d Elect rical Engi neeri ng Dep a r t me nt ,Yuli n U niversit y ,Yuli n ,S ha a n xi 719000,Chi n a3I nstit ute of Photonics a n d Photo 2Tech nology a n d Provi nci al K ey L abor ator y of Photoelect ronic Tech nology ,Nor t hwest U niversit y ,Xi a n ,S ha a nxi 710069,Chi n a4Sch

5、ool of I nf or m a tion Science a n d Tech nology ,Nor t hwest U niversit y ,Xi a n ,S ha a nxi 710069,Chi n aAbs t r act A laser diode (LD side 2pumped two rods quasi 2continuous 2wave (QCW Nd Y AG green laser has been demonst rated.The influence of thermal biref ringence effect is analyzed.Conside

6、ring the compensation ,a heat 2stablized cavity is designed.In the experiment ,two sequent Nd Y AG rods side 2p umped by 3020W laser diodes array and type 2critical phase 2matched HA TR 2KTP crystal are used.The spot sizes on rod B as a f unction of pumping current before and after compensation are

7、simulated.The green laser output power of 164W has been measured at single laser diode p umping current 21.6A ,with the repetition rate of 27.2kHz ,pulse width of 130ns ,optical 2to 2optical conversion efficiency of 13.7%,beam quality factors of M 2x =9.52,M 2y =9.86,and output power fluctuation of

8、2.3%.The results show that the system can work at wide stable range after the compensation of the thermal biref ringence effect.Key w or ds lasers ;high power ;thermal biref ringence effect ;532nm green laser收稿日期:2007212207;收到修改稿日期:2008204202基金項(xiàng)目:陜西省科技創(chuàng)新重大項(xiàng)目(2006156資助課題。1引言激光二極管(LD 抽運(yùn)的調(diào)Q 全固態(tài)綠光激光器具有功

9、率高、體積小、壽命長(zhǎng)、使用方便等特點(diǎn)而成為其他類型的綠光激光器的替代產(chǎn)品,在科研、醫(yī)療、通信、國(guó)防等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景15。為了獲得更大功率激光輸出,通常采用激光二極管陣光學(xué)學(xué)報(bào)28卷列側(cè)面抽運(yùn)多棒串接工作物質(zhì)的方式,此時(shí)抽運(yùn)功率較強(qiáng),大量的抽運(yùn)功率轉(zhuǎn)化為熱功率,直接導(dǎo)致激光晶體橫截面內(nèi)的溫度呈不均勻分布,從而導(dǎo)致熱應(yīng)力、熱應(yīng)力雙折射、激光晶體端面變形等多種熱效應(yīng)。當(dāng)激光器高功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),激光晶體的熱效應(yīng)是激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化時(shí)首要考慮的因素之一6。在激光工作物質(zhì)的熱效應(yīng)中由溫度梯度引起的熱透鏡效應(yīng)起主要作用,其次是由熱致應(yīng)力雙折射引起的熱效應(yīng),而端面效應(yīng)引起的熱透鏡效應(yīng)最低7。近幾年來(lái),隨著

10、高功率固體激光器的不斷問世,研究晶體的熱致雙折射效應(yīng)問題,已成為全固態(tài)激光器研究的一個(gè)熱點(diǎn)811。對(duì)熱致雙折射的理論探討和數(shù)值計(jì)算也就顯得尤為重要。本文對(duì)用石英旋轉(zhuǎn)片補(bǔ)償前后的情況進(jìn)行了理論分析與模擬對(duì)比,采用LD側(cè)面抽運(yùn)NdYA G、雙棒串接、H GTR2KTP晶體腔內(nèi)倍頻、雙聲光調(diào)Q 技術(shù)以及三鏡V型腔結(jié)構(gòu),并利用大功率抽運(yùn)條件下激光晶體中的熱效應(yīng)優(yōu)化諧振腔結(jié)構(gòu),在兩個(gè)激光半導(dǎo)體模塊抽運(yùn)電流均為21.6A時(shí),獲得了164W 準(zhǔn)連續(xù)綠光激光輸出,脈沖寬度為130ns,光2光轉(zhuǎn)換效率為13.7%。2理論分析應(yīng)力產(chǎn)生熱應(yīng)變,而熱應(yīng)變通過光彈效應(yīng)將改變介質(zhì)折射率。通過光彈效應(yīng)理論,由熱引入的應(yīng)力將

11、會(huì)使棒的折射率產(chǎn)生特殊的變化,這時(shí)激光晶體則可看作在徑向(r和切向(兩個(gè)方向上有不同焦距值的薄透鏡,這就是雙折射效應(yīng)。同樣地,諧振腔內(nèi)光斑模式也將分成沿徑向偏振和切向偏振兩個(gè)部分。熱致雙折射將顯著地改變激光光束質(zhì)量,并且會(huì)使輸出功率下降。補(bǔ)償熱致應(yīng)力雙折射的技術(shù)有:1對(duì)于含有單棒的諧振腔,可以在激光晶體和反射腔鏡之間插入45法拉第旋轉(zhuǎn)器。光在每次往返中都要經(jīng)過45法拉第旋轉(zhuǎn)器,因此偏振平面旋轉(zhuǎn)了90,這樣可以實(shí)現(xiàn)雙折射補(bǔ)償。2采用兩個(gè)被動(dòng)光學(xué)元件,如波羅(Porro棱鏡和波片,使光線往返通過熱像差棒,也能夠?qū)崿F(xiàn)雙折射補(bǔ)償。3對(duì)于含有兩個(gè)激光晶體的系統(tǒng),在兩棒之間插入90石英旋轉(zhuǎn)片也是一種典型的

12、補(bǔ)償方法。采用這種方法,徑向和切向兩個(gè)偏振方向在兩個(gè)激光晶體之間將發(fā)生改變,從而使偏振得到補(bǔ)償。4在偏振片上設(shè)置光學(xué)成像系統(tǒng)從而補(bǔ)償雙折射和雙焦點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中采用第三種補(bǔ)償方法。在高功率腔內(nèi)倍頻NdYA G激光系統(tǒng)中,激光晶體由于吸收大量抽運(yùn)能量而被看作類透鏡介質(zhì),切向熱焦距與徑向熱焦距分別用f r與f表示,類透鏡介質(zhì)的傳輸矩陣為M=cos(r,l(n0r,-1sin(r,l -n0r,sin(r,lco s(r,l, (1式中r,為引入f r 和f的類透鏡系數(shù),l為激光晶體長(zhǎng)度,n0為折射率。圖1諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Schematic drawing of the resonator co

13、nfiguration圖2補(bǔ)償前(a、后(b激光棒B上基頻光斑隨抽運(yùn)電流的變化關(guān)系Fig.2Fundamental f requency spot size on rod B as af unction of pumping current before(aand after(bbiref ringence compensation如圖1所示,選擇合適的諧振腔參數(shù),以激光棒B的主平面為參考面,采用A B CD光學(xué)傳輸矩陣和光斑半徑的表達(dá)式,我們分別模擬了加入石英旋轉(zhuǎn)片前后激光棒B上的光斑半徑隨抽運(yùn)功率的變化情況,如圖2(a、圖2(b所示。由圖2(a可知,當(dāng)不加石英旋轉(zhuǎn)片時(shí),徑向和切向兩個(gè)偏振方

14、向上的光斑半徑重合度不高,且穩(wěn)區(qū)范圍差距較大,而系統(tǒng)44518期激光二極管側(cè)抽運(yùn)雙棒串接準(zhǔn)連續(xù)NdYA G高功率綠光激光器的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)域是兩個(gè)偏振方向上穩(wěn)區(qū)重合的公共部分,這就使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)區(qū)范圍很窄;加入石英旋轉(zhuǎn)片后圖2(b,徑向和切向光斑重合度變高,且系統(tǒng)穩(wěn)區(qū)范圍比不加石英旋轉(zhuǎn)片時(shí)下更寬,說明雙折射效應(yīng)得到了補(bǔ)償。3實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,將兩個(gè)型號(hào)相同的半導(dǎo)體激光抽運(yùn)組件(美國(guó)CEO串接,同步驅(qū)動(dòng)。每個(gè)組件由30個(gè)20W的LD組成,按照五角形等間距側(cè)面抽運(yùn)NdYA G晶體棒,總抽運(yùn)功率1200W。NdYA G棒的尺寸均為5.0mm105mm。利用具有抗灰線特性的H GTR2KTP作為倍

15、頻晶體(5mm5mm15mm,以色列RA ICLO Crystals 公司,采用II類臨界相位匹配方式(=23.8,= 90,并實(shí)施恒溫控制,不但減小了倍頻晶體的熱透鏡效應(yīng),而且在一定程度上補(bǔ)償了因熱效應(yīng)引發(fā)的倍頻晶體相位失配,提高了倍頻效率。調(diào)Q方式采用正交放置、同步驅(qū)動(dòng)的雙聲光調(diào)Q模塊,中心頻率為27k Hz,調(diào)制頻率在1100k Hz可調(diào),以實(shí)現(xiàn)在高功率激光運(yùn)轉(zhuǎn)下聲光調(diào)Q所具有的較高的關(guān)斷能力,增大基波脈沖的峰值功率,減少倍頻晶體的熱效應(yīng),提高倍頻效率。平凹鏡M1凹面鍍1064nm高反與532nm增透的雙色膜,平面鍍532nm增透膜;平凹鏡M2凹面鍍1064nm與532nm雙色高反膜;平

16、面鏡M3內(nèi)表面鍍1064nm與532nm雙色高反膜。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3是532nm綠光輸出功率隨抽運(yùn)電流的變化關(guān)系。由圖可知隨抽運(yùn)電流的增大,綠光輸出功率逐漸升高,當(dāng)兩塊半導(dǎo)體激光模塊抽運(yùn)電流均為I=21.6A,重復(fù)頻率為27.2k Hz時(shí),獲得了532nm 綠光最大平均輸出功率為164W,脈沖寬度為130ns,光2光轉(zhuǎn)換效率為13.7%。整個(gè)過程中,激光系統(tǒng)都在穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。在輸出功率164W時(shí),使用美國(guó)Spiricon公司生產(chǎn)的LBA2200光斑測(cè)試儀,測(cè)得光束質(zhì)量因子M2x=9.52,M2y=9.86。激光器連續(xù)工作2h以上,每隔15s測(cè)量一次輸出功率,輸出功率不穩(wěn)定度為2.3%。圖4為綠

17、光激光輸出164W時(shí)距輸出鏡70cm處激光輸出橫向相對(duì)功率分布圖(圖中只給出了一維方向上的分布,它表明激光輸出的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑近似具有TEM00模的空間分布,圖中實(shí)線代表理論值,圓點(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)值。圖5為激光輸出最大功率下綠光的脈沖寬度圖 。圖3不同抽運(yùn)電流下綠光輸出功率Fig.3532nm output power at different pumping currentsof laser diode圖4激光輸出橫向相對(duì)光強(qiáng)分布Fig.4Horizontal relative intensity distribution of theoutput laser beam圖5綠光脈寬圖Fig.5Pulse

18、 width of green laser5結(jié)論用石英旋轉(zhuǎn)片補(bǔ)償熱致雙折射,理論分析和實(shí)驗(yàn)研究表明,這種補(bǔ)償方法能使徑向和切向偏振方向上的光斑重復(fù)度變高,使激光二極管陣列側(cè)面抽運(yùn)雙棒串接準(zhǔn)連續(xù)NdYA G綠光激光器在較寬的穩(wěn)區(qū)范圍內(nèi)工作,為研究全固態(tài)綠光激光器提供了一條新的技術(shù)途徑。5451光學(xué)學(xué)報(bào)28卷參考文獻(xiàn)2Ji Jianghua,Qi Yunfeng,Zhu Xiaolei et al.High2power quasi2 continuous2wave NdYA G ceramic laserJ.Acta Optica S inica, 2006,26(3:415418紀(jì)江華,漆云鳳,

19、朱小磊等.大功率準(zhǔn)連續(xù)NdYA G陶瓷激光器研究J.光學(xué)學(xué)報(bào),2006,26(3:4154183Wang Nuanrang,Wang Canzhao,Yuan Ligang et al.138W narrow pulse2widt h solid2state green laser operationJ.Chin.J.Lasers,2006,33(8:10171020王暖讓,王燦召,苑利鋼等.138W窄脈寬全固態(tài)綠光激光器J.中國(guó)激光,2006,33(8:101710204Qi Yunfeng,Lou Qihong,Dong Jingxing et al.10.5W continuous2wa

20、ve output from YbY2O3ceramic disk laserJ.Acta Optica S inica,2006,26(5:797798漆云鳳,樓祺洪,董景星等.YbY2O3陶瓷薄片激光器獲得10.5 W連續(xù)激光輸出J.光學(xué)學(xué)報(bào),2006,26(5:7977985Bi Y ong,Sun Zhipei,Li Ruining et al.High power blue NdYA G laser by int racavity summing frequencyJ.Optics and Precision Engineering,2005,13(1:1621畢勇,孫志培,李瑞寧等.高平均功率腔內(nèi)和頻藍(lán)光NdYA G 激光器J.光學(xué)精密工程,2005,13(1:1621scaling fiber2coupled laser2diode end2pumped lasers to higher power:influence of t hermal effect sJ.I E E E Qua