准连续Nd_YAG倍频高功率绿光激光器的研究

DOI:10.16136/j.joel.2002.06.008

　　　　　　　　　　　　　　　　　JournalofOptoelectronics·

　　　　　　光电子·激光　第13卷　第6期　2002年6月

Laser　Vol.13　No.6　Jun.2002

准连续Nd:YAG倍频高功率绿光激光器的研究

王　涛1,2,3,姚建铨1,李喜福1,郭　玲2,陈　进1,于意仲1,王志勇1,3,王　鹏1

(1.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;2.河北工业大学机械学院,天津300130;3.华中科技大学激光技术国家重点实验室,武汉430074)

　　　　　　　　摘要:研制了高功率Nd:YAG倍频绿光激光器,用类高斯光束分析了腔长对激光功率的影响,采用新型

径向调整式光学镜片调整架,优化腔长为390nm,KTP晶体内腔倍频,并设置声光Q开关,获得532nm

绿光输出20W。

关键词:绿光532nm激光器;KTP晶体;内腔倍频

中图分类号:TN248.1　　文献标识码:A　　文章编号:1005-0086(2002)06-0575-03

TheStudyonQuasi-CWNd:YAGIntracavityFrequency-doubledGreenLasers

1,2,3

,YAOJian-quan1,LIXi-fu1,GUOLing2,CHENJin1,YUYi-zhong1,WANGTao

1,31

WANGZhi-yong,WANGPeng

(1.OptoelectronicsInformationScienceandTechnologyLab,InstituteofLasersandOptoelectronics,CollegeofPrecisionInstrumentandOptoelectronicsEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.CollegeofMechanismEngineering,HebeiIndustryUniversity,Tianjin300130,China;3.StateKeyLaboratoryofLaserTechnology,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Abstract:AhighpowerNd:YAGintracavityfrequencydoubledgreenlaserwasmade.Weusedanovelopticalmirrorbracket,KTPcrystalintracavityfrequencydoubled,AOQ-switch,andthenobtained20Woutputpowerat532nmwithoptimized390nmcavitylength.RelationshipbetweenthelasercavitylengthanditsoutputpowerwasanalyzedbyusingGaussian-likebeam.Keywords:532nmgreenlaser;KTPcrystal;Intracavityfrequencydoubled

1　引　言

　　多年来对倍频YAG绿光输出激光器的研究已

有很多,而对其实用优化、工程化却鲜为报道。本文介绍准连续Nd:YAG倍频高功率绿光激光器的实用优化设计与研究。所优化的激光器为平-平腔结构,腔长390mm,双灯泵浦,在泵浦电压为240V、电流26A和重复频率为10.5kHz时,532nm绿光激光输出功率为20W,性能稳定,光束质量好。

波长1064nm的增透膜。

　　KTP晶体具有大的非线性系数及大的允许角、允许温度及小的走离角,还具有破坏阈值较高、不潮解等优点[1]。利用KTP晶体内腔倍频,是获得532nm绿光输出的有效方法之一。根据KTP晶体的相位匹配曲线,波长1064nm倍频获得532nm的最佳相位匹配的晶体角度为θ=90°;H=23.6°。为尽可能

[2]

获得大的模体积并与YAG棒模式匹配,并充分利用晶体材料和系统能量[3],系统选用8mm×8mm×8mm的KTP晶体,两端面镀波长1064nm和532nm的增透膜。2.2　腔型选定

　　基于获得较大的模体积、较好的光束质量及有效

2　系统及元件参数的选定

2.1　Nd:YAG晶体棒及KTP晶体

　　选用H6×110nm的Nd:YAG晶体,两端面镀

收稿日期:2002-01-14　修订日期:2002-03-08　*

:

·576·

的发挥声光Q开关的作用等综合因素,系统选用平-平腔结构。

　　首先优化谐振腔。在主要器件不变的情况下,合理的缩短腔长,可以提高激光输出功率。实验表明,多数固体激光器可以近似为对称共焦球面腔[4],当菲舍尔数N→∞时,其自再现模的拉盖尔-高斯函数为Vmn(r,h)=Cmn(

mm)Ln(2)exp(-)×ooskkooskoos)(1)exp(-imh

2

2

2

光电子·激光　　2002年　第13卷　

　　　　km,02=

2

(1-d1/f1)2+(πkmn/λf1k2)2

其中,km,01、km,02分别为混合模在2个镜面上的光斑半径;L为腔长(应为实际腔长减去Nd:YAG棒长)。

本系统设定为对称腔,故d1=d2=L/2,又由于谐振

m,01=km,02=km,0。可进一步由腔内光束的自洽,有k(4)式得出

2

　　　　(1-d1/f1)2+(πkm,0/λf1k2)2=1

式中,(r,h)为镜面上的极坐标;Cmn为归一化常数;

oos=k

或

km,0

　　　　k=4　　　　θ=

L(f1-4)π

m,0

2

Lλ/π,为基模在镜面上的光斑半径;L为共焦

(5)

=

m,0

腔长。

　　经理论推导及计算,得到混合模光束在任意位置

的光斑半径、曲率半径及远场发散角的公式为

z24

　　　　kmn,z=kmn,01+()K

mn,22

πkmn,0　　　　Rmn,z=Z1+(2)

λZK4

　　　　θ=()K2

πkmn,0

2mn,0

　　　　Z

λ

其中,K为多模系数[4],是表征混合模中所含低阶模

2

f11-(1-d21/f1)(2f1-d1)d1

为获得较大的模体积,在原有泵浦条件一定时,f1为一常数;km,0/k应对应一个极大值,从而接近基模运

转状态,而它对应有最佳腔长。对于一般混模高功率输出时,f1通常要大于d1。实验表明,在结构允许的情况下,缩短腔长可以提高激光输出的功率,与理论计算相符合。腔长为39cm、输入电流为25A时,绿光532nm输出功率为22W。2.3　镜片镀膜及镜片支撑调整架

　　为形成波长1064nm基频,全反镜镀对1064nm高反射率膜。输出镜镀对532nm高透射率,对1064nm高反射率膜。腔内设置镀1064nm高透射率、532nm高反射率膜的谐波反射镜。

　　为缩短腔长,全反镜、谐波反射镜、输出镜及倍频晶体的支撑调整架全部采用径向调整式光学镜片调整架[5]。

2.4　泵浦灯及激光电源

　　激光器为双Kr灯泵浦。激光电源为580C型双灯泵浦连续激光电源,额定电流26A,额定电压360V,最高电流30A,最高电压400V。

　　改进泵浦灯电极的连接方式,变横向连接为竖向连接,最大限度地缩短了聚光腔的空间长度。实验证明,此举,很有效地提高了激光输出功率。

2.5　声光Q开关及系统冷却　　声光Q开关,重复频率为0～20kHz连续可调,最高功率输出为125W。其晶体端面相应镀膜。　　聚光腔、YAG晶体棒、KTP晶体及声光Q开关

程度的综合参数,可表示为

　　　　K=kmn,0/k00,

0,K=kmn,z/k00,z(3)因此,可以把低阶混合模的光束看成是基模高斯光束半径增加K倍的类高斯光束。对于本系统,把具有热透镜效应的工作物质Nd:YAG视为热焦距为f的薄透镜,如图1所示。

图1　激光腔示意图Fig.1　Schematicoflasercavity

集中采用水循环冷却。制冷机的制冷功率5kW,循

环水流量3m2,出水温度10°～30°可调,冷却效果很好,激光器可长时间稳定工作。

(4)

2.6　激光器系统光路

()Nd:[2]

　　由(2)式推导得出

22

1m,012212111

　　　　d2=f111(π

　第6期　　王　涛等:准连续Nd:YAG倍频高功率绿光激光器的研究

·577·

器光路图如图2所示

。

器,系统的实用优化设计方案合理可行,绿光532nm

输出功率20W,功率及光束稳定,冷却效果好,可长时间稳定地工作。

　　合理地缩短激光腔的腔长,可以提高激光输出功率,实践结论与理论计算吻合。

1.HRMirror　2.Q-switch　3.LasercavityandNd:YAG4.SecondHarmonicReflector　5.KTP　6.OutputMirror

　　径向调整式光学镜支撑架可有效地缩短了腔长,提高了激光输出功率。

　　声光Q开关对绿光532nm输出功率的影响很大,在重复频率为10.5kHz时输出功率为最高。参　考　文　献:

[1]　姚建铨.非线性光学频率变换技术及激光调谐技术

[M].北京:科学出版社,1995.15-139.

[2]　姚建铨,等.准连续泵浦KTP内腔倍频YAG激光器

及热效应分析[J].光学学报,1986,4:326-329.[3]　王　涛,等.径向调整式的激光光学镜片支撑架[P].中

国专利:ZL00264981.0,2001-10-24.

[4]　YAOJian-quan.Nearly-noncriticalphasematchingin

MgO:LiNbO3opticalparametricOscillators[J].Chi-1216.nesePhysicsLetters,2001,9:1214-[5]　CHENYi-hong,ZHAOBing,etal.ResearchonHigh

PowerDiode-pumpedSolid-stateLasers[J].J.ofOp-toelectronics·Laser(光电子·激光),2001,12(12):1234-1235.(inChinese)

[6]　WANGYun-ping,HUANGJian-yu,etal.AMethod

forEvaluatingHighEnergyLaserBeamQualiy[J].J.ofOptoelectronics·Laser(光电子·激光),2001,12

(10):1029-1033.(inChinese)[7]　LIZong-jian,HUWen-hua,etal.ACompactHigh-ef-ficiencyAir-cooledQ-switchedNd:Ce:YAGLaser[J].J.ofOptoelectronics·Laser(光电子·激光),

2001,12(4):382-384.(inChinese)

图2　绿光(532nm)准连续Nd:YAG

内腔倍频激光器光路图

Fig.2　SchematicofQuasi-CWintracavity

frequency-doubledgreenlaser

3　系统运行及结果分析

　　腔内设置谐波反射镜,与声光Q开关、KTP晶

体、聚光腔及Nd:YAG晶体棒共同构成谐振腔。激光电源双灯泵浦,供电电流为26A,电压250V,声光Q开关重复频率为10.5kHz、输出功率为50W。此时,获得绿光532nm输出功率20W,激光器工作稳定[6]。在距输出镜200mm处,测得光束直径为6mm。

　　通过观测得知,激光器属多模运转,其模斑中心区域是光强的峰值区域[7]。

　　当供电电流为28.5A、声光Q开关重复频率为11kHz时,输出功率可高至22W,但不稳定。

　　换置532nm输出镜为1064nm透射率10%的输出镜,移出KTP晶体,测得1064nm输出为76W,估计腔内基频功率与绿光532nm输出功率的转换效率为26%。

　　还观察到,声光Q开关对绿光532nm输出功率的影响很大,在重复频率为10.5kHz时,绿光532nm输出功率的转换效率为最高。

4　结　论

作者简介:

　　绿光532nm准连续Nd:YAG内腔倍频激光

王　涛　(1963-),副教授,天津大学在读博士生.