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LD泵浦的全固态内腔倍频单模绿光激光器的研究

LD泵浦的全固态内腔倍频单模绿光激光器的研究

第 34 卷 第 2 期 Vol.34 No.2

















2005 年 4 月 April 2005

JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

文章 编号:1007-2373 (2005) 02-0005-04

LD 泵浦的全固态内腔倍频单模绿光激光器的研究
孙孝冬 1,刘 敏 2,张 勇 3,4,姚建铨 4

( 1. 河北职工 医学院 物理 教研室, 河北 保定 071000;2. 唐山 学院 基础课部 ,河北 唐山 063000;3. 河 北工业大 学 理 学 院,天津 300130;4. 天津 大学 精 仪学院, 天津 300072 )

摘要:研究了激光二极管(LD)端面泵浦的全固态内腔倍频的单模运转的 532nm 绿光激光器的腔型设计,以及 获得最大输出功率的简单理论.并用 LD 泵浦的 Nd: YAG 内腔倍频激光器从实验上进行了验证.为进一步进行 自混合干涉实验奠定了基础. 关 键 词:LD 端面泵浦;单模;全固态内腔倍频;自混合干涉 中图分类号:TN248.1 文献标识码:A

Study on LD Pumped All-solid-state Inner Cavity Frequency-doubled Single-mode Green Laser
SUN Xiao-dong1,LIU Min2,ZHANG Yong3,4,YAO Jian-quan4
( 1. Physics Teaching Section, Hebei Medical College for Continuing Education, Hebei Baoding 071000, China; 2. Department of Foundational Teaching, Tangshan College, Hebei Tangshan 063000, China; 3. School of Science , Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 4. College of Precision Instrument and Opto-Electronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China )

Abstract:Based on rate equations, we designed the cavity of LD pumped all-solid-state inner cavity frequency-doubled single-mode green laser (532nm). Educed the basic theory of obtaining the maximal output power of the laser. And validated using LD pumped Nd: YAG inner cavity frequency-doubled laser experimentally. The conclusions and the sample laser provided an experimental basic for self-mixing interference effect in LD pumped single-mode green laser. Key words:LD side-pumped;single-mode;all-solid-state inner-cavity frequency-doubled;self-mixing interference

0

引言
小型化,全固态,高效率的单模连续运转的中小功率的蓝,绿激光器在光学数据存储,相干光通讯

以及新型的测量系统等领域有着广泛的应用前景.尤其是 LD 泵浦的内腔倍频蓝,绿激光器更是以其结 构紧凑,鲁棒,性能稳定而倍受青睐.近几年关于这方面的研究很多
[1-6]

,主要限于实验现象观察,但

是在理论上对最大泵浦功率等物理量的定量研究尚不多见.本文从速率方程出发, 导出了单模运转时最 大泵浦功率和腔参数之间的函数关系,并能对前人的工作进行定量分析.

1

LD 泵浦的 LD 泵浦的内腔倍频激光器单模连续运转的理论分析
对于连续运转的内腔倍频激光器,考虑到泵浦光与腔内激光强度在增益介质中随空间位置的 变化,

假定只有第 i 个纵模起振,内腔倍频激光器,对于理想的四能级系统,速率方程可写成如下形式 [7]: d , , , d = , , , , , , , , , , (1)

收 稿日期:2004-04-06 基 金项目: 国家自然 科学基 金资助项 目 (60278001) 作 者简介: 孙孝冬 (1971-) 男 (汉族) , ,讲师 .

6

















第 34 卷

d = d 其中: , , , 为有源区反转粒子数密度; , ,

, , , ,

, ,

d

(2)

为单位时间抽运到激光上能级的粒子数密度, 为第 个纵模腔内振荡

也就是单位体积的泵浦速率;

为第 个纵模的光子数密度,积分后

光子总数; 为激光介质的荧光寿命;

为有源区折射率; 为的受激发射截面; 为光在腔内往返一 归一化;泵浦光全部落在振荡

次所需时间; 为第 个纵模的往返损耗; 为真空中的光速. 为简单起见,假设:光子数密度的横向场分布可以用等效模截面 内第 个纵模的光子数密度可写成 , , 激光器 TEM00 模运转时, =
2

模体积内;泵浦光及振荡光均为平面简谐波.则谐振腔内的光子数密度只是纵坐标 的函数,激光介质

=

1

cos 2

+

(3) 是由边界条件

/ 2 ,L 为腔的光学长度, 为第 i 个纵模的波矢, = 0 ,于是式 ( 3) 可化简为 cos 2

决定的初位相,由边界条件,在腔镜处光场为零,所以 , , 将式 (4) 代入式 (1) 和式 (2) ,从而得到 d d d d =
0

=

1

(4)

, ,

=

, ,

, ,

, ,

1 d d

cos 2

(5) (6)

, ,

1

cos 2

这里,S 表示对腔的横截面积分. 对于激光光斑为圆形光斑的激光器,设长度为 l 的增益介质对泵浦光的吸收系数为 为 Q,则速率方程组 (5) ,( 6) 可改写为: d d = d d 其中 = , , d 1 =
0

,总泵浦速率

exp exp 1 cos 2

1 d d

cos 2

(7) (8) 的形式 (9) = ,则 ( 7 ) ,

为反转粒子数的线密度.将 = , 并记作 =

表示成腔内光强 =

2

1

exp

式中

为进入谐振腔的泵浦光功率.腔内的反转粒子数密度以 J/m 3 为单位

( 8 ) 两式可简化为: d d = exp 1
0

2

1 d

cos 2

(10) (11)

d 2 = d 因此,第 i 个纵模的增益为 = 2 1 = 其中
,

cos 2

cos 2
,

d ,又根据速率方程可得单频运转的泵浦阈值为 (12) d d = d = 0 ,由 ( 1 0 ) , ( 11 ) 两式得: d

2

1

exp

=

为饱和光强.在泵浦功率一定且稳定运转时,

第2期

孙孝冬, LD 泵浦的全固态内腔倍频单模绿光激光器的研究 等:

7

= 2

1 +1

*

exp 1 cos 2 1 cos 2 d
,

(13)

= 式 ( 13 ) 中
*

(14) ,则反转粒子数 可近似表达为: (13a)

0

=
,

为归一化强度.采用非线性近似,假设 = exp 1 2
*

1

cos 2

实现单模运转时,除第 i 个纵模的增益大于损耗外,其余任何纵模的增益都小于损耗,所以有: cos 2
0

cos 2

d

2

2

(15)

假定纵模序数 ,

1 ,把式 (13a) 代入式 (15),得到
1 *

2 令 =

1
0

exp

cos 2

d ,所以 = 1+

(16)
2 h a lf

,对于均匀加宽的激光介质,假定激光腔内没有其它选模元件,

只是受激发射截面的函数,其中

为第 i 个纵模与可能起振的第 j 个纵模的波长差,

为线型的半宽

度(FW HM) .利用式 ( 12 ) 及,式 ( 16 ) 可简化为 < 1+ 3 其中, = exp
0

1 /2 1

(17)

cos 2

d .式 ( 17) 就是连续激光器单模运转的理论判据.

2

实验验证

实验中,用布氏板实现了 LD 泵浦的 Nd:YAG/KT P 内腔倍频激光器的单模运转,实验装置如图 1 所示.从式 ( 17 ) 可看出,对各向同性激光介质,靠改变损耗就很容易实现单模运转.布氏板与 KT P 一起构成 L oyt 滤光器以实现损耗调制.

图1

用布氏 板实现 LD 泵浦的 Nd:YAG/KTP 内腔 倍频激光 器单模 运转的实 验装置 图

Fig. 1 Experimental setup for LD pumped Nd:YAG/KTP intra-cavity double frequency single mode green laser using Brewster plate

以激光器输入端为参考面,倍频效率最高时,腔内往返琼斯矩阵为 =

=

2 , 为布氏板的折射率, 为倍频晶体产生的相位延迟. 的本征值为 ± = 2 +1 ± 2 布氏板对起振偏振模产生的损耗为 = 1 ,由此可知某一纵模满足 为

cos 2 sin 4 1+ ±

4

sin ,其中 cos 1= 4 2 cos2 4 4 , 2 的整数倍时,p 方向的

2

本征偏振态的损耗为零,优先起振.假定 Nd:YAG/KT P 内腔倍频激光器的几何长度为 25 mm,布氏

8

















第 34 卷

板折射率 n= 1.45 ,板厚 0. 5 mm ,Nd:YAG 晶体长 3 mm ,吸收系数和荧光寿命分别为 4.9 c m -1 和 230 s ,KT P 晶体长 5 mm,则谐振腔的光学长度为 L = 33.4 mm,振荡纵模与相邻可能起振的纵模之 间的相位延迟由 损耗差为 =1
±

=
2

决定. 式中



分别为 KTP 的双折射率和长度, 可算得

= 0. 427 r a d,

= 0.0 14.取 KTP 晶体产生的线性损耗为 0. 095,腔内其它损耗为 0. 06,利用上述 <4 .8 . 实验中用扫描干涉仪和功率计分别对激光

激光器参数获得该激光器单模运转的泵浦功率为

输出进行了模式和功率测量,单模输出时,由于泵浦功率较低,因此获得的单模绿光输出功率很低,仅 为豪瓦级.但对于自混合干涉已经足够了,而且对环境温度,机械结构稳定性要求不高,容易实现单模 运转.下表中给出不同泵浦电流下,绿光输出功率. LD 工作电流不超过 1 安培. 表1 Tab. 1 不同泵浦电流下的输出功率 Output power under different pumped current
绿光输 出功率 / mW 1 5 10 13

泵浦电 流 / A 0.610 0.732 0.882 1.000

参考文献:
[1] Kintz G J,Beer T.Single-frequency operation in solid-state laser materials with short absorption depths [J].IEEE J Q E,1990,QE-26(9) : 1 457-1 459. [2] Oka M,Kubota S.Stable intracavity doubling of orthogonal linearlly polarized modes in diode-pumped Nd:YAG laser [J].Opt Lett,1988,13 (4) :805-807. [3] Harrison J,Finch A.Broad-band rapid tuning of a single-frequency diode-pumped neodymium laser [J]. IEEE J Q E,1992,QE-28(4) : 1 123-1 130. [4] Fan T Y. Single-axial mode intracavity doubled Nd:YAG laser [J].IEEE J Q E ,1991, QE-27(9) 091-2 093. :2 [5] Draegert D.Efficient single-longitudinal-mode Nd:YAG laser [J].IEEE J Q E,1972, QE-8(1) :235-239. [6] Nagai H,Kume M.Low-noise operation of a diode-pumped intracavity-doubled Nd:YAG laser using a Brewster plate [J].IEEE J Q E,1992, QE-28(4) 164-1 168. :1 [7] Fan T Y,Byer R L.Diode laser-pumped solid-state lasers [J].IEEE J Q E,1988 QE-24(6) :895-912.


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