| 多功能大功率全固态蓝光激光器的研究 |
| 新闻出处：电子生产设备资讯网 发布时间：2007-11-15 |
大功率蓝光激光器在水下通信和探测、激光投影电视、激光医疗、材料分析、环境检测、微细加工、广告娱乐等国民经济和国防建设中的许多领域有重要应用。用半导体激光器（LD）泵浦的大功率蓝光全固态激光器由于具有效率高、维护简单、体积小、使用方便等优点而成为原有大功率蓝光激光器的换代产品。研制并开发大功率蓝光激光器不仅有重要的理论意义，而且可以创造很大的社会效益和经济效益，因而成为各国竞相研究开发的重要光电子器件。
国外已经研制并开发出多种用LD泵浦的大功率蓝光全固态激光器商品。日本报道了用LD泵浦的输出功率为2W的473nm蓝光激光器，，和输出功率为500mW的473nm单纵模蓝光激光器；美国相干公司推出了高性能的400mW单模457.5nm蓝光激光器商品,韩国推出了输出功率达到1.7W的456nm蓝光激光器。另一方面，已见报道的全固态蓝光激光器都有一个不足：这些蓝光激光器都不具有既可连续工作，又可脉冲工作，还可准连续工作的多功能。而这种可以一台多用的大功率蓝光激光器正是许多用户所需要的，比如在市场巨大的医疗、激光显示等领域中急需它们。大功率蓝光激光器的相对高的价格使得这种需要更加迫切。本文报道我们进行多功能大功率全固态蓝光激光器的研究的最新结果。
1．实现LD泵浦蓝光激光器的基本考虑
一种常用的LD泵浦的大功率蓝光激光器的基本结构如图一所示。激光谐振腔由泵浦端反射镜、输出角反射镜和后反射镜组成。由LD发出的激光光束由聚焦系统聚焦、透过泵浦端反射镜后入射到激光晶体内，使其产生近红外(使用Nd:YAG晶体作为激光介质时的波长为946nm；使用Nd:YVO4晶体时的波长为915nm)基频光。使用倍频晶体（一般为LBO或BBO晶体）作为腔内倍频器，把基频光转化为蓝色倍频光。所产生的蓝色倍频光经由输出角反射镜输出。
蓝光激光器的制作难度是比较大的，必须优化其方案才能得到高性能器件。
首先是由于此类蓝激光器是工作在三能级系统，它们达到激光能级的粒子数反转需要较强的泵浦，并且对所产生的基频光有较强的再吸收，因此产生激光振荡的阈值比较高。所以为了得到较强的基频光振荡，需要采用大功率LD作为泵浦光源，同时需要采用良好的聚焦系统以提高泵浦效率。
其次，由于激光晶体工作时的温度升高，使其激光下能级的粒子数增加很快，导致激光介质的增益下降，限制了输出功率的提高。为了提高输出功率，必须对激光介质进行良好的散热，降低其工作温度。相对工作于4能级系统的激光器而言，三能级系统激光器的散热是更加重要的。
再有，对于目前最常使用的Nd3＋激光介质的蓝光激光器，由于Nd3＋产生的工作于4能级系统的1.06 μm和1.3μm激光的增益，远远大于用于产生蓝激光的、工作于3能级系统的946nm和915nm激光的增益，因此必须采取措施抑制前两种波长激光的产生，才能得到所需三能级波长的激光振荡。目前，这种抑制主要采用谐振腔反射镜膜系的设计方法实现，并且此法已经得到很好的结果。
由于这些蓝光激光器工作在3能级系统，对所产生的946nm和915nm基频光有较强的吸收。在激光晶体内部的强泵浦区，激光介质对激光的放大作用强于对激光的吸收，导致激光的产生；但在激光晶体内的弱泵浦区和未被泵浦的区域，激光介质对激光的吸收强于对激光的放大作用，形成损耗。因此，为了得到946nm和915nm激光振荡和提高输出功率，必须采用适当的泵浦光束直径。
另外，在图一所示的例子中，采用腔内倍频是为了利用腔内基频光的光强大的优点提高倍频效率；采用平凹输出角反射镜是为了缩小基频光在倍频晶体内的光束直径以提高倍频效率；同时采用较小的V型腔双臂夹角以减小像差，提高输出光束的质量。
在本文报道的多功能大功率蓝光激光器中充分注意了这些关键技术。
2．实现多功能蓝光激光器的方案
本文报道的的大功率多功能蓝光激光器可以同时连续、准连续和脉冲三种方式运转。为了方便使用，并提高稳定性，本实验不采用借助机械方法移动激光器内部元件等方法实现在三种工作方式之间的切换，而是采用固定激光器内所有元件的位置、采用电子线路控制的方法实现它们。具体实现的方法如图二所示：激光头采用声光调Q腔内倍频激光器的基本结构；通过使LD连续工作，得到连续蓝激光输出；通过使LD连续工作，并配合使用腔内声光Q开关，实现高重复频率高功率窄脉冲蓝光输出；通过把泵浦光源LD的工作电流调制为所需要的ms级脉冲电流，获得ms级准连续蓝激光输出。在激光器运转过程中，激光头内没有任何元件需要进行调整，因此保证了激光器工作的稳定性。
3．实验装置
本文所用的试验装置采用光纤耦合的半导体激光器作为泵浦光源。光纤芯径200μm，数值孔径为0.22。用半导体控温仪控制LD工作温度，使其输出激光波长为0.809μm，以和Nd:YAG晶体的吸收峰重合。从光纤出射的激光经过聚焦系统到达Nd:YAG晶体内部，计算所得焦点处光斑直径为250μm。Nd:YAG晶体直径4mm、长3mm的平行平面圆柱体，Nd3＋离子的掺杂浓度为1.1 at%。两个通光面均镀有对946nm的增透膜，每个面的剩余反射率<0.25％。声光Q开关在通光方向的长度为50mm，工作频率为40MHz，对946nm的衍射效率>60％，两个通光面镀有对946nm的增透膜，每面的剩余反射率<0.25%，用用半导体致冷器冷却。选用不潮解的LBO作腔内倍频器以保证使用寿命。其尺寸为3×3×10mm3。它的两个通光面镀有同时对946nm和473nm的增透膜，每面的剩余反射率也是<0.25%。采用直角折叠腔型，把I类相位匹配的LBO倍频器置于对于473nm倍频光是高反射的后反射镜附近，以把基频光双向经过LBO倍频器所产生的473nm双向倍频光合并在同一个方向输出。采用一个凹球面泵浦端反射镜、平面输出角反射镜和平面后反射镜组成夹角为90°角的双臂折叠腔，以减小LBO倍频器内946nm光束直径、提高泵浦效率，同时尽量减小腔镜引起的像散，提高输出光束质量。为了抑制增益更高的1064nm及1320nm激光振荡，采用特殊设计的反射镜。即：泵浦端反射镜的球面镀制对809nm高透射（T>>95%）、对946nm高反射（R>>99.8%）、对473nm高透射(T>95%)、对1064nm高透射（T>40%），其背面镀制对809nm的增透膜(剩余反射率<0.25%); 输出角反射镜的正面镀制入射角为45°的、对946nm高反射（R>>99.8%）、对1064nm高透射（T>40%），对1320nm高透射（T>30%）的反射镜，其背面镀制对473nm的增透膜（剩余反射率<0.25%）；后反射镜的正面镀制对946nm高反射（R>>99.8%）、对1064nm高透射（T>40%），对1320nm高透射（T>30%）的反射镜。这组腔镜抑制了对1064nm和1320nm的激光振荡，保证了946nm激光的产生。激光器内的全部元件都固定在一个底座上。输出激光光束经过滤波器滤除946nm光后，用LP－3C型（北京物科光电技术公司）功率计测量蓝激光功率，用54622A型（Agilent公司）示波器测量激光脉冲宽度、重复频率及峰值功率。
4．实验结果
利用上述实验装置，在连续工作模式下，得到473nm蓝激光输出的阈值功率为3.8W，在LD功率为20W时，473nm激光最大连续输出功率达1.6W；在准连续工作模式下，激光脉冲宽度为0.1 ~ 5ms，重复频率为0－100Hz连续可调，最大峰值功率和连续工作模式几乎相同；在脉冲工作模式下，脉冲重复频率为0 ~ 150kHz，最窄脉冲宽度为15ns，最大平均输出功率达2.5W（10kHz时）。有关激光器性能的详细结果将在另文发表。
5．结束语
本文首次报道了多功能大功率蓝光激光器，它可以在连续、准连续和脉冲三种模式下稳定工作。使用20W光纤耦合LD泵浦，得到1.6W的473nm蓝激光连续输出；利用对泵浦LD功率的直接调制，得到脉冲宽度为1－5 ms的473nm准连续激光输出，峰值功率稍大于连续工作模式的输出功率；利用声光调Q，得到最窄脉冲宽度为15ns、重复频率为0 ~ 150kHz的473nm脉冲激光输出，最大平均功率达2.5W。对元件质量、腔形设计和温度控制等进行改进，将使器件性能得到进一步提高。相信这种多功能大功率蓝光激光器将得到广泛的应用。
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