激光二极管抽运共轴双晶体黄光激光器*

李 斌 姚建铨 丁 欣 王 鹏 张 帆

(天津大学精密仪器与光电子工程学院，激光与光电子研究所，

光电信息技术科学教育部重点实验室，天津 300072)

(2010年1月11日收到;2010年4月13日收到修改稿)

激光二极管抽运共轴双晶体黄光激光器*

李 斌†姚建铨 丁 欣 王 鹏 张 帆

(天津大学精密仪器与光电子工程学院，激光与光电子研究所，

光电信息技术科学教育部重点实验室，天津 300072)

(2010年1月11日收到;2010年4月13日收到修改稿)

提出一种全新的单抽运源、共轴双晶体实现黄光激光的方法，并对其进行了理论分析和实验研究.利用该方法在抽运功率为1.5 W时，获得了54 mW的黄光激光输出，激光不稳定度为5%，光-光转换率为3.6%，而利用对1064 nm损耗的方法在相同条件下只获得15 mW的黄光输出.该方法结构简单、灵活多样，可以应用到很多弱增益谱线与强增益谱线和频的结构当中，实现诸如491，488，593.5，555和500.8 nm的激光输出.

黄光激光器，单抽运源，双晶体，和频

PACS:42.55.Xi，42.60.－ v，42.65.－k

1.引 言

黄光波段的激光在生物医学(与人体血红素的吸收谱线重合)［1］、玻色-爱因斯坦凝聚体［2］、大气测量等领域［3］都有着广泛而迫切的需要.Nd∶YAG晶体的1064和1319 nm谱线通过和频能够产生589 nm黄光，而且二极管抽运的 Nd∶YAG全固态激光器与染料激光器相比，具有高效率、高平均功率、长寿命等优点，因此成为国际上黄光激光器技术研究的热点之一.目前国际上已经开展了大量的研究，使得全固态黄光激光技术进入实验研究阶段［4，5］并逐步向应用靠近.例如，麻省理工学院Lincoln实验室采用两台分别产生1064和1319 nm的 Nd∶YAG调Q加锁模激光器和频的方法，在实验室获得平均功率为8—10 W，589 nm 激光输出［6，7］，美国芝加哥大学用该激光器做了实验，使用的功率为1.1 W，产生的激光导引星亮度是 9.5等星［8］.Air Force Research实验室采用种子注入锁定外腔和频的方法，得到了20 W，589 nm的激光输出［9］.本文报道了一种全新的单抽运共轴双晶体实现黄光激光的新方法，并对该方法进行了理论分析和实验研究，在抽运功率为1.5 W时获得了54 mW的黄光激光输出，实验表明，该方法结构简单、灵活多样，可以应用到很多弱增益谱线与强增益谱线和频的结构当中，实现诸如491，488，555和500.8 nm等波长的激光输出.

2.理论分析及实验

589 nm黄光激光器主要通过Nd:YAG中的1064和1319 nm谱线进行和频得到，但1319 nm谱线的受激截面很小，只有1064 nm的五分之一，这种强谱线和弱谱线的和频方式获得黄光激光主要有两种方式，一种是利用单个增益介质同时双波长振荡，然后利用非线性晶体进行和频［10，11］，另一种是利用两个增益介质两个抽运源构成两个具有交叠区的谐振装置，然后将非线性晶体放在交叠区内进行和频获得黄光激光输出［12］.但这两种方法都存在一定的弊端，第一种方法要实现双波长在同一个谐振腔同时振荡就要对增益较强的1064 nm谱线进行适当的损耗，通常的做法是将输出镜镀对1064 nm具有一定透射率的膜系，而对1342或1319 nm全反，这样通过对强增益谱线的损耗来使两谱线的腔内光子数之比达到1∶1.这种方式的效率比较低，如利用25 W的抽运功率抽运Nd:YVO4晶体可得到800 mW左右的黄光，但1064 nm激光的输出高达2.5 W左右，这部分能量没有参与和频而白白浪费掉了，影响了和频效率.而第二种方法要求两套抽运源，谐振腔的结构也相对复杂，光路难于调整，稳定性差，不利于产品化和实用化.针对以上装置的缺点，我们提出一种单抽运源抽运共轴双晶体的新方法来产生黄光激光，该方法结构简单、稳定可靠，并且此方法灵活多样，可以应用到各种和频装置中(实验装置如图1所示).

激光二极管(LD)为Nlight公司生产，输出功率为1.5 W，中心波长为808.7 nm;Nd:YAG1的1面镀有1064 nm高透，808 nm高透，1319 nm高反;2面镀1319 nm增透，808 nm增透;Nd∶YAG2的3面镀808 nm增透，1319 nm增透，1064 nm高反;4面镀1064 nm增透和1319 nm增透.这样镀膜的目的是使1319 nm的激光晶体长度为Nd:YAG1+Nd:YAG2，而1064 nm激光晶体长度为 Nd:YAG2，这里我们是通过调整激光晶体的长度来达到两谱线的阈值相等，从而不需要对1064 nm进行损耗就可以使1064和1319 nm同时起振，这种方式有利于效率的提高，并且很容易实现，应用上也极其灵活.选用三硼酸锂(LBO)作为589 nm和频晶体，双面镀1064，1319和589 nm增透膜，OC为平凹镜曲率半径为50 mm，镀1064和1319 nm高反，589 nm高透.整个系统采用热电制冷器(TEC)精确控温，温度设定为20℃，由双波长运转的阈值条件

其中σ1064为1064 nm谱线的受激截面，σ1319为1319 nm谱线的受激截面，ηp1064为1064 nm的量子效率，ηp1319为1319 nm的量子效率，ηa1064和ηa1319分别为产生1064 nm激光和1319 nm激光的Nd:YAG对808 nm的吸收率.τ为Nd:YAG激光上能级寿命.L1064和L1319分别为1064和1319 nm的腔损耗，ωl和ωp分别为Nd:YAG晶体上的光斑半径.以上参数分别取 σ1064=2.8 × 10－19cm2，σ1319=0.56 × 10－20cm2，ηa1319=1 － exp［－ α × (lNd∶YAG1+lNd∶YAG2)］，ηa1064=exp［－ α × lNd∶YAG1］－ exp［－ α × (lNd∶YAG1+lNd∶YAG2)］，其中α为Nd:YAG的吸收系数，掺杂1%的 Nd:YAG，一般取 α =5，当 Pth1064=Pth1319时分别取 L1064=0.01 和 L1319=0.01，0.02，0.03，0.04.lNd:YAG1和lNd:YAG2的关系如图2所示.

图2 Nd:YAG1与Nd:YAG2的长度关系

由图2可以看出，在1064 nm腔损耗一定的情况下，1319 nm的损耗越大则Nd:YAG2的长度就要求越短，Nd:YAG1的长度就要求越长，这是因为1319 nm损耗比较大时就要提高Nd:YAG1对抽运光的吸收来降低1319 nm的阈值，而对于1064 nm就要减小其吸收长度从而使1064与1319 nm的阈值相等，达到同时起振的目的，我们用阈值法测量了1064和1319 nm的损耗分别为0.012和0.02左右，由图 2 可得到当 lNd∶YAG1为 3 mm 时 lNd∶YAG2的长度为1.318 mm，此时1064与1319 nm的阈值相等，在实验中我们取 lNd∶YAG1为 3 mm，lNd∶YAG2为 1.5 mm，晶体规格为3 mm×3 mm×3 mm和3 mm×3 mm×1.5 mm，用铟箔包裹放在紫铜热沉中并且使两块晶体尽量靠近，热沉用TEC严格控温，LBO为3 mm×3 mm×10 mm，采用非临界相位匹配方式，切割角为θ=90度，φ =3°，腔长为25 mm，仔细调整光路得到抽运功率与输出功率的关系如图3所示.

图3 输出功率与抽运功率的关系

当取不同的lNd∶YAG1的长度时，激光器的输出功率特性差别比较大，其中 lNd∶YAG1=3 mm时获得了最高的功率，当抽运功率为1.5 W时获得了54 mW的黄光激光输出，用二倍扩束镜扩束后发散角为1.5 m·rad.当lNd∶YAG1=4 mm时获得最高的斜率效率，但阈值较高，如果进一步提高抽运功率会得到更高的黄光输出，这是由于我们以上的计算结果是从双波长运转的阈值条件出发，而不是从等光子数密度的条件出发的，所以在实际的实验当中可以看到在较小的抽运功率下可以从阈值的角度考虑双波长运转会得到好的实验结果，但在大抽运功率下应该从等光子数条件出发会得到更好的效果.

图4 黄光激光远场光斑

图4为黄光激光输出的远场光斑，激光器的长期不稳定度小于5%，激光器的稳定性对温度变化很敏感，这是由于Nd:YAG的吸收峰较窄，并且双波长运转会出现模式竞争，所以影响了激光器的稳定性.

我们又采用了传统方法进行了实验，实验采用晶体为Nd:YAG，规格为3 mm×3 mm×3 mm，输出镜采用平凹镜，曲率半径R=50 mm，镀1064 nm反射率为98%的膜系，1319 nm高反，采用相同的抽运源和LBO晶体，得到的输出功率与抽运功率的关系如图5所示.

图5 黄光激光输出功率

在抽运功率为1.5 W时最高获得15 mW的589 nm黄光激光输出，而未参与和频由输出镜输出的1064 nm的功率达61 mW，由此可以看出采用共轴双晶体的方法比采用传统的方法会得到更高的转换率.

3.结 论

提出了一种单抽运源、共轴双晶体和频的新方法，并对其进行了理论分析和实验研究.实验结果表明，该方法可以实现较高的和频效率，在抽运功率为1.5 W时最高获得54 mW的589 nm黄光激光输出，激光不稳定度为5%，而传统方法在相同的抽运功率相同的结构时只获得15 mW的激光输出，该方法亦可广泛用于如593.5，491，500.8和488 nm，等等一系列弱增益谱线与强增益谱线的和频当中，具有结构简单、灵活多样，易于实现的优点.

［1］Hanno M K，Frank H，Günter H，Thórsteinn H 1997Opt.Lett.22 1461

［2］Davis K B，Mewes O M，Andrews R M，Druten N J，Durfee S D，Kurn D M，Ketterle W 1995Phys.Rev.Lett.75 3969

［3］Davis J 1993Laser Focus World29 111

［4］Chiu P H，Magana A，Davis J 1994Opt.Lett.19 2116

［5］Farley R W，Dao P D 1995Appl.Opt.34 4269

［6］Jeys T H，Brailove A A，Mooradian A 1989Appl.Opt.28 2588

［7］Jian G 1998Proc.SPIE3353 242

［8］Kibblewhite E J，Shi F 1998Proc.SPIE3353 300

［9］Joshua C B 2003Opt.Lett.28 2219

［10］Chen Y F 2000Appl.Phys.B 70 475

［11］Chen Y F，Tsai W S，Wang C S，Huang C Y，Lin C T，Wong B C 2002Opt.Lett.27 20 1809

［12］Geng A C，Bo Y，Bi Y，Sun Z P，Yang X D，Lu Y F，Chen Y H，Guo L，Wang G L，Cui D F，Xu Z Y 2006Acta Phys.Sin.55 5227(in Chinese)［耿爱丛、薄 勇、毕 勇、孙志培、杨晓冬、鲁远甫、陈亚辉、郭 林、王桂玲、崔大复、许祖彦 2006物理学报55 5227］

PACS:42.55.Xi，42.60.－ v，42.65.－k

Laser diode-pumped coaxial double crystals yellow laser*

Li Bin†Yao Jian-Quan Ding Xin Wang Peng Zhang Fan
(Key Laboratory of Optoelectric Information Science and Technology of Ministry of Education，Institute of Laser and Optoelectronics，College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)
(Received 11 January 2010;revised manuscript received 13 April 2010)

A new configuration of 589 nm yellow laser with a single LD pump source and coaxial double crystal was proposed.When the incidence pump power was 1.5 W，54 mW yellow laser at 589 nm was obtained，the optical to optical conversion efficiency was 3.6%，and the laser instability was about 5%.A conventional method for 589 nm laser was also tested under the same conditions，only 15 mW yellow laser was obtain.The configuration of single pump source and coaxial double crystals is compact and flexible，which can be used in many sum frequency lasers，such as the 491，488，593.5，555 and 500.8 nm laser，and so on.

yellow laser，single pump source，double crystals，sum frequency

*高等学校博士学科点专项科研基金(批准号:20070056086)、中国博士后科学基金(批准号:20090450760)、国家自然科学基金(批准号:60978021)和国家高技术研究发展计划(批准号:2007AA06Z420)资助的课题.

*Project supported by the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China(Grant No.20070056086)，China Postdoctoral Science Foundation(Grant No.20090450760)，the National Natural Science Foundation of China(Grant No.60978021)，and the National High Technology Research and Development Program of China(Grant No.2007AA06Z420).