哈激光二极管侧抽运双棒串接准连续NdYAG高功率绿光激光器精

第28卷第8期光学学报Vol. 28, No. 82008 年 8 月ACTAOP TICA SINICAAugust , 2008文章编号：025322239(2008 0821543204激光二极管侧抽运双棒串接准连续 N d : YA G高功率绿光激光器冯忠耀1 李成荣2 李修3 汪 俊4 白晋涛31西北大学物理学系,陕西西安710069;2,3,4摘要 (YA G折叠腔高功率绿光激光器，理论分析了热致，。在考虑了补偿 后的情况下设计了热30个20W的LD阵列侧面抽运的Nd ： YA G棒和II类临界 相位匹配H GTR 2KTP ,在抽运电流均为21.6A ,重复频率为27. 2k Hz时,获得了最大 平均输出功率为164W ,脉冲宽度为130ns的532nm绿光输出,光2光转换效率为13. 7%,测得光束质量因子 为M 2x =9. 52, M 2y =9. 86,不稳定度 为2. 3%。实验结果显示,经补偿后的激光系 统能在宽的稳区范围内稳定运转。关键词 激光器；高功率；热致双折射效应； 532nm绿光中图分类号 TN248. 1文献标识码Adoi :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 Zhon gyao 1 Li Chengrong 2 Li Xiu 3 Wang J un 4 Bai J in tao 3S ha a n xi 710061Dep a r t me nt of Physics , Nor t hwest U ni versit y , Xi a n ,Chi n a2Physics a n d Elect rical Engi n eeri ng Dep a r t me nt , Yuli n U ni versit y , Yuli n , S ha a n xi 719000, Chi n a3I n stit ute of Phot onics a n d Photo 2Tech no logy a n d Provi nci al K ey L abor ator y of Photoelect ronic Tech no logy ,Nor t hwest U niversit y , Xi a n , S ha a nxi 710069, Chi n a4School of I nf or m a tion Scie nce a n d Tech no logy , Nor t hwest U niv esit y , Xi a n , S ha a nxi 710069, Chi n aAbs t r act A laser diode (LD side 2pumped two rods quasi 2con ti nu ous 2wave (QCW Nd : Y AG gree n laser has bee n dem onst rated. The in flue nce of thermal biref ringence effect is analyzed. Considering the compensation , a heat 2stablized cavity is designed. In the experiment , two sequent Nd： Y AG rods side 2p umped by 30 20W x laser diodes array and type 2 critical phase 2matched HA TR 2KTP crystal are used.The spot sizes on rod B as a f un cti on of pump ing curre nt before and after compe nsati on are simulated. The gree n laser output power of 164W has bee n measured at sin gle 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 2. 3%.The results show that the system can work at wide stable range after the compe nsati on of the thermal biref ringence effect.Key w or ds lasers ; high power ; thermal biref ringence effect ; 532nm gree n laser收稿日期:2007212207;收到修改稿日期:2008204202基金项目：陕西省科技创新重大项目（2006156资助课题。作者简介：冯忠耀（1975-,男，讲师，主要从事激光器件及信息光学等方面的研究。E 2mail :fzhy3039550163. com1引 言激光二极管（LD抽运的调Q全固态绿光激光器具有功率高、体积小、寿命 长、使用方便等特点而成为其他类型的绿光激光器的替代产品，在科研、医疗、通信、国防等领域有着广阔的应用前景15。为了获得更大功率激光 输出，通常采用激光二极管阵1992009Journal Electronic Publkhing HouChiiw Acatkmkhttp /www. ciLAl Irevived,列侧面抽运多棒串接工作物质的方式，此时抽运功 率较强，大量的抽运功率转 化为热功率，直接导致激 光晶体横截面内的温度呈不均匀分布，从而导致热 应 力、热应力双折射、激光晶体端面变形等多种热效 应。当激光器高功率运转时 激光晶体的热效应是 激光系统设计、优化时首要考虑的因素之一 。在激光工 作物质的热效应中由温度梯度引起的热透镜效应起主要作用，其次是由热致应力双折射引起的热效应，而端面效应引起的热透镜效应最 低7。近几年来，世，8。论分析与模拟对比,采用LD侧面抽运Nd : YA G、双棒串接、H GTR 2KTP晶体腔内倍频、双声光调Q技术以及三镜V型腔结构，并利用大功率抽运 条件下激光晶体中的热效应优化谐振腔结构，在两个激光半导体模块抽运电流均 为21.6A时,获得了 164W准连续绿光激光输出，脉冲宽度为130ns ,光2光转换 效率为13. 7%。2 理论分析应力产生热应变，而热应变通过光弹效应将改变介质折射率。通过光弹效应 理论，由热引入的应 力将会使棒的折射率产生特殊的变化，这时激光晶 体则可看作 在径向（r和切向（B两个方向上有不同 焦距值的薄透镜，这就是双折射效应。同样 地，谐振腔内光斑模式也将分成沿径向偏振和切向偏振两个部分。热致双折射将显著地改变激光光束质量，并且会使输出功率下降。补偿热致应力双折射的技术有:1对于含有单棒的谐振腔，可以在激光晶体和 反射腔镜之间插入45法拉第旋转器。光在每次往返中都要经过45法拉第旋转 器，因此偏振平面旋转了 90 ,这样可以实 现双折射补偿。2采用两个被动光学元 件，如波罗（Porro棱镜和波片，使光线往返通过热像差棒，也能够实现双折射补 偿。3对于含有两个激光晶体的 系统，在两棒之间插入90石英旋转片也是一种典 型的补偿方法。采用这种方法，径向和切向两个偏 振方向在两个激光晶体之间将 发生改变，从而使偏 振得到补偿。4在偏振片上设置光学成像系统从而 补偿双折 射和双焦点。实验中采用第三种补偿方法。在高功率腔内倍 频Nd : YA G激光系统中，激光晶体由于吸收大量抽 运能量而被看作类透镜介质，切向热焦距与径向热焦 距分 别用f r与f表示,类透镜介质的传输矩阵为cos ( B r ,0 l (n 01si0(r , B r Q0l-n 0 B r ,0 sin ( B r ,0 l co s ( B r ,0 lJMtb：1 Ml|1JCMUAC耳Cpim Mcsqnif坨 O,(1式中B r ,0为引入f r和f 0为激光晶 体长度,n 0为折射率图1谐振腔结构示意图Fig.Schematic draw ing of the res on ator con figuratio n图2补偿前(a、后(b激光棒B上基频光斑随抽运电 流的变化关系Fig. 2Fun dame ntal f reque ncy spot size on rod B as a f un cti on of pump ing curre nt before (a and after(b biref ringence compe nsati on如图1所示，选择合适的谐振腔参数，以激光棒B的主平面为参考面，采用A BCD光学传输矩阵和 光斑半径的表达式，我们分别模拟了加入石英旋转 片前后激 光棒B上的光斑半径随抽运功率的变化 情况,如图2(a、图JgIM2(b所示。由图2(a可知，当不加石英旋转片时，径向和切向两个偏振万向上 的光斑半径重合度不高，且稳区范围差距较大，而系统4451的稳定运转区域是两个偏振方向上稳区重合的公共 部分，这就使整个系统稳区 范围很窄；加入石英旋转片后图2(b ,径向和切向光斑重合度变高，且系统稳区 范围比不加石英旋转片时下更宽，说明双折射效应得到了补偿。3 实验装置实验装置如图1所示，将两个型号相同的半导 体激光抽运组件(美国CEO串 接,同步驱动。每个组件由30个20W的LD组成,侧面抽运Nd : YA G , 1200 Nd : YA G利用 具有抗 灰线H 2KTP作为倍 频晶体(5mm 5mm 15mm ,以色列RA ICLO Crystals公司,采用II类临界相位匹 配方式(=23. 8 ,0 = 90实施恒温控制，不但减小了倍频晶体的热透 镜效应,而 且在一定程度上补偿了因热效应引发的倍频晶体相位失配，提高了倍频效率。调 Q方式采用正交放置、同步驱动的双声光调Q模块,中心频率为27k Hz ,调制频 率在1100k Hz可调,以实现在高 功率激光运转下声光调 Q所具有的较高的关断 能力，增大基波脉冲的峰值功率，减少倍频晶体的热效 应,提高倍频效率。平凹镜 M 1凹面镀1064nm高反与532nm增透的双色膜,平面镀532nm增透 膜；平凹镜 M 2凹面镀1064nm与532nm双色高反 膜；平面镜M 3内表面镀1064nm与532nm 双色高反膜。4 实验结果图3是532nm绿光输出功率随抽运电流的变 化关系。由图可知随抽运电流的 增大，绿光输出功 率逐渐升高，当两块半导体激光模块抽运电流均为I =21.6A ,重 复频率为27. 2k Hz时,获得了 532nm绿光最大平均输出功率为164W ,脉冲宽度为 130ns，光2光转换效率为13. 7%。整个过程中,激光系统 都在稳定状态下运转。 在输出功率164W时,使用美国Spiricon公司生产的LBA 2200光斑测试仪,测得 光束质量因子M 2x =9. 52, M 2y =9. 86。激光器连 续工作2h以上,每隔15s测量 一次输出功率,输出功率不稳定度为2. 3%。图4为绿光激光输出164W时 距输出镜70cm处激光输出横向相对功率 分布图（图中只给出了一维方向上的分布 它表明激光输出的远场光斑近似具有 TEM 00模的空间分 布，图中实线代表理论 值，圆点表示实验值。图5为激光输出最大功率下绿光的脉冲宽度图YonuHf pfcciUDUic 叭那呼慮和 UJ|f XC3QLM暫图3不同抽运电流下绿光输出功率Fig. 3532nm output power at differe nt pump ing curre nts of laserimmq 中邸回眦 pip妙冲it A條h p 出mpiKV| UKLAcqr rddt-KMMQjriBV ynqeiinEdiode图4激光输出横向相对光强分布Fig. 4Horiz on tai relative in ten sity distribute n of the output laserionurff| fixiuiukiconicpEibgAMMrcDinwY| irftpv? W3cu&gp rwiood (jnn i/esqeiwcObeam图5绿光脉宽图Fig. 5Pulse width of gree n laser5 结 论用石英旋转片补偿热致双折射，理论分析和实 验研究表明，这种补偿方法能使 径向和切向偏振方 向上的光斑重复度变高，使激光二极管阵列侧面抽 运双棒串接 准连续Nd ： YA G绿光激光器在较宽的稳区范围内工作，为研究全固态绿光激光 器提供了 一条新的技术途径。1参考文献1Sui Chen , Wenxiong Lin , Fei Shi et al. . Energy reduction :a technique for seed 2injection locking of single 2axial 2mode Q 2 switched Nd : YA G laserJ.Chin. Opt. Lett. , 2007, 5(4 :223 2252Ji Jia nghua , Qi Yunfeng , Zhu Xiaolei et al. . High 2power quasi 2 continu ous 2wave Nd : YA G ceramic laserJ.Acta Optica S inica , 2006, 26(3 :415418纪江华，漆云凤，朱小磊等.大功率准连续Nd ： YA G陶瓷激光器研究J. 光学学报,2006, 26(3 :4154183Wang Nuanrang , Wang Can zhao , Yua n Liga ng et al. . 138W n arrow pulse 2widt h solid 2state green laser operationJ.Chin. J. Lasers , 2006, 33(8 :10171020王暖让，王灿召，苑利钢等.138WJ.中国激光，2006, 33(8 :10174Qi Yunfen g , Lou , . W contin uous 2O 3J . Acta Optica , :798漆云凤，等.丫 2O 3陶瓷薄片激光器获得10. 5 W连续激光输出.光学学报，2006, 26(5 :7977985Bi Y ong , Sun Zhipei , Li Ruining et al. . 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