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全固态紫外激光

第28卷第9期 光子学报 V o1.28N o.9 1999年9月 ACT A PHOT ONICA SINICA Septem ber1999 

全固态紫外激光器研究*

陈国夫 王贤华 杜戈果

(瞬态光学技术国家重点实验室,中国科学院西安光学精密机械研究所,西安710068)

摘 要 本文报道了具有增强谐振倍频腔的全固态紫外激光器研究.半导体激光二极管(LD)泵浦的Nd∶YVO4激光晶体产生波长为1064nm的近红外光,腔内倍频输出波长为532nm的绿光,再送入增强谐振腔进行四倍频,输出波长为266nm的深紫外激光.产生深紫外激光的基频绿光输入阈值可低到2.5mW.据我们所知,这是国内首次报道的全固态紫外激光器.

关键词 半导体激光二极管泵浦;Nd∶YVO4激光器;增强谐振倍频;紫外激光

0 引言

固体激光器的激光波长一般在可见光和近红外波段.近年来国际上科学工作者努力研究紫外激光器,这是因为紫外激光器在高分辨光谱学(只需功率几微瓦)、大气探测、微电子学、医学诊断、高密度光数字存储、光化学、光生物学、激光诱发的物质原子荧光和紫外吸收(如Si原子的荧光诱发、冷冻和控制)、空间光通讯、机械成型、紫外器件的研究等领域有着广泛的应用1~4.通常紫外激光器有激发物激光器、氮激光器和四倍频固体激光器5.而LD泵浦的四倍频全固态激光器是首选的有前途的紫外激光源,那是因为这种激光器具有稳定可靠,寿命长,光束质量好,可调谐,小型紧奏,重量轻,结构简单,操作简单,价格低等实用化的优点6.所以近年来,美、英、日、法、德已在开展四倍频全固态紫外激光器的工作1,5,7.多数是用LD泵浦惯用的Nd∶YAG晶体,再进行倍频.本文报道用波长808nm小型半导体激光二极管LD泵浦Nd∶YVO4激光晶体产生1064nm的近红外光,腔内倍频输出波长为532nm的绿光,再送入增强谐振腔进行四倍频,输出波长为266nm 的深紫外激光.与N d∶YAG比较,Nd∶YVO4激光晶体具有更大的增益截面,是N d∶YAG的4倍;吸收系数大,是Nd∶YAG的5倍,偏振输出,激光阈值低等优点8,9,现在,小型大功率808nm的半导体激光器正合适泵浦Nd∶YVO4激光器带来新的生机10.在小功率泵浦的条件下,利用短腔谐振倍频技术,已成功获得紫外激光输出,这些实验结果国内还未见报道.

1 实验装置和实验结果

全固态紫外激光器由双端泵浦源、二倍频Nd∶YVO4激光器、增强谐振倍频、测量和控制系统构成.实验装置如图1所示

全固态紫外激光

.

图1 全固体紫外激光器实验装置

F ig.1 Ex perimental setup of the ultra vio la at la ser

腔内倍频半导体激光二极管泵浦的Nd∶YVO4的谐振腔采用的是折叠式驻波腔.腔内倍频结构是输出为自准直的聚焦腔.M1、M2为平面反射镜.M3为凹凸反射透射镜作为倍频聚焦及倍频光输出自准直,M4是凹面回光反射镜,用以形成折叠式驻波腔结构.在腔体设计时考虑到尽

*国家自然基金资助项目(69778012)收稿日期:1999—06—29

可能减少腔内元件以提高工作稳定性,在折叠腔内未引入象散补偿玻片.通过选择最佳入射角,减小由聚焦凹面镜引起的象散.激光腔的光束传输矩阵为

M =A B C

D =

d b c

a

a b c

d

(1)

式中a b c d =1l 101100n 1/n

全固态紫外激光

21L 1/n 20

1100n 2/n 1

?1l 2+l 30110-2/R 111l 401

100n 1/n 3?

1L 2/n 3

110

0n 3/n 11

l 5

0110

-2/R 21

n 1为空气折射率,n 2为Nd ∶YVO 4晶体折射

率,n 3为KT P 晶体折射率.

根据矩阵光学,稳定腔的条件是 A +D /2<1.

束腰半径 为

2

=( B / n )[1-

全固态紫外激光

((A +D )/2)2]1/2

(3)当入射角 =5°,在输出光镜M 3上光束半径 随l 2+l 3的变化如图2.当l 2+l 3=50m m 时,在

图2 输出镜M 3上的光斑尺寸随l 2+l 3

全固态紫外激光

的变化F ig.2 Spo t size on M 3v s l 2+l 3

输出镜M 3上的光斑直径随入射角 的变化,如图3,从总体考虑l 2+l 3=50mm , =5°,M 3的曲

图3 输出镜M 3上的光斑尺寸随入射角 的变化F ig.3 Spo t size on M 3v s

率半径R =100mm ,M 4的曲率半径R =150mm.在这种腔体结构下在输出镜M 3上的子午面和弧矢面上的光斑尺寸相对误差不超过0.3%,输出光束为高斯光束.为了提高倍频效率采用聚焦共轭腔结构.

Nd ∶YVO 4激光晶体两端的泵浦源均由波长可温控、光纤输出的半导体激光器LD 和耦合器组成3

.LD 的最大功率可达15W ,波长在808nm 附近可调谐,功率通过直径为1.16mm 的光纤束输出,自己研制了小型的准直聚集耦合器,将光纤输出端面、准直系统、聚焦透镜都封闭在一个小型的系统中,使用中免调,还避免了环境中的灰尘污染,耦合器的出口处是焦距为3.3cm 的透镜,调节耦合器和激光晶体Nd ∶YVO 4的相对位置,使泵浦达到最佳状态.

如图1所示,N d ∶YVO 4激光晶体、KT P 倍频晶体和腔镜M 1、M 2、M 3、M 4构成腔内二倍频激光器,532nm 的绿光由自准直凹凸透镜M 3输出.Nd ∶YVO 4激光晶体是福建物质结构所生产的,几何尺寸为8(3×3×5)mm.二倍频晶体KTP 是山东大学晶体研究所生产的,二类相位匹配,双面对1064nm 和532nm 波长处镀双增透膜.M 1、M 2为平面腔镜,在1064nm 波长,反射率R >95.5%.在800~810nm,透过率T >90.5%.腔内倍频结构采用聚焦共轭结构以提高倍频效率,自准直凹凸透镜M 3,曲率半径为100m m,在1064nm 波长,反射率R ≥99.6%,在532nm 波长,透过率T ≥94%.凹面镜M 4,曲率半径为150m m ,在1064nm 和532nm 波长,都有反射率R >99.9%.当每端LD 的泵浦功率均为6W 时,输出绿光为1.5W .效率为11%.

四倍频晶体BBO 和M 5、M 6、M 7、M 8构成增强谐振倍频腔,M 5是平面镜,在532nm 波长,透过率T =12%,M 6也是平面镜,反射率R =99.4%.M 6安装在PZT 驱动器上,凹面镜M 7的曲率半径为150mm ,在532nm 波长,反射率为99.4%.凹面镜M 8的曲率半径也是150mm ,在532nm 波长,R =99.8%,在266nm 波长,透过率T =84%,四倍频晶体BBO 的几何尺寸为(5×5×6)mm ,位于M 7和M 8的共同焦点上,谐振腔的腔长尽量与Nd ∶YOV 4的腔长匹配.紫外光由腔镜M 8输出.

石英棱镜将紫外光分离出来,由接收器测量.接收到的紫外信号送入计算机接口还可同时输入

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光子学报

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示波器,以便实时监测,再控制PZT,使紫外光输

出最大.

在现在的结构和冷却条件下,由M 4透过的1064nm 的光估计,在无KT P 时Nd ∶YVO 4腔内

功率大于80W ,放入KTP 二倍频晶体,绿光输出最大为1.5W .图4(a )、(b )分别为1064nm 和532nm 的光谱曲线,绿光在谐振倍频腔中的损耗约为12%.接收器接收的紫外光最大为

全固态紫外激光

5V.

(a) (b)

图4 腔内倍频传N d ∶YV O 4激光器的光谱曲线.(a )1064nm ,(b)532nm F ig .4 Spectr um o f N d ∶Y V O 4laser of intr acavity fr equency doubling

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10 尹红兵,吴光照,罗山.可望实用化的几种新型激光晶体.激光与电子学进展,1997,(7):6~9

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9期陈国夫等.全固态紫外激光器研究

ALL -SOLID -STATE ULTRAVIOLET LASER

Chen Guofu,Wang Xianhua,Du Geg uo

State K ey laboratory of T r ansient Op tics T echnology ,X i ′an I nstitute of Op tics &p recision M echanics ,X i ′an 710068

R eceived date :1999-06-29

Abstract All -so lid -state ultr av iolet laser w ith a r esonant enhanccement cavity is reported .A frequen-cy -quadrupled Nd ∶YVO 4laser pumped by LD is described.The Nd ∶YVO 4laser with intracav ity fre-qency-do ubled g enerate g reen laser and deliv er into a enhancement resonant cavity for frequency-quadrupled .The laser has generated ultravoilet lig ht at 266nm w ith low threshold .

Keywords LD pum pe ;Nd ∶YVO 4laser ;Enhancement resonant fr equency -doube ;Ultrav oilet laser Professor Chen Guofu w as g raduated fro m Beijing U niv ersity in 1966.He

is the head of the State Key Lab .of Transient Optics T echno log y ,Xi ′an

Institute o f Optics and Precision M echanics,Academ ia Sinica.He had w orked at Imperial Co lleg e and St.Andr ew s Univ er sity as a visiting schol-ar from 1984~1987.His research involves ultrashort light generation ,measurement and fs no nlinear optics .

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