第28卷第9期 光
子学报 V o 1. 28N o . 9
1999年9月 ACT A PHOT ONICA SINICA Septem ber 1999
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 ∶YVO 4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 ∶YVO 4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
5
1～4
808nm 的半导体激光器正合适泵浦Nd ∶YVO 4
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
增强谐振倍频、测量和控制Nd ∶YVO 4激光器、
系统构成. 实验装置如图1所示
.
. 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. 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 ∶YVO 4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 ∶YVO 4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, 现在, 小型大功率
*
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 ∶YVO 4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. M 1、M 2为平面反射镜. M 3为凹凸反射透射镜作为倍频聚焦及倍频光输出自准直, M 4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
8, 9
国家自然基金资助项目(69778012) 收稿日期:1999—06—29
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光子学报
28卷
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 =式中a c ・1l 110=00n 1/n
1l 2+l 311L 1/n 210
11l 41000n 2/n A C
D =
d c
a c
d
(1)
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. 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, 3
01-2/R 100n 1/n ・
1L 2/n 3
10
1
l 5
110n 3/n 0-2/R 2n 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
束腰半径 为
2
=( B / n ) [1-(
(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
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
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
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
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
参考文献
1 Go ldberg L , K liner D A V. T unable U V g eneration at 286nm by fr equency tr ipling of a hig h-pow er mo de -lo cked
semiconducto r laser. O pt L ett , 1995, 20(15) :1640～1642
2 Saya ma S , Ohtsu M . T unable U V cw genera tio n at 276nm w avelength by fr equency co nv ersio n o f laser dio des . Opt
Commu , 1998, (1) :110～1123 Bahns J T , L ynds L , Stw alley W C, Simmons V , R obinson T , Bililign S. Airbo rne-mer cur y detection by r esonant U V laser pumping. Opt L ett , 1997, 22(10) :727～729
4 K ung A H , Jr -I L ee , Chen Poe -jo u . A n efficient all -so lid -st ate ultr aviolet laser source . Appl P hys L ett , 1998, 72(13) :
1542～1544
5 F eugnet G, P ocholle J P. 8-mJ T EM 00diode-end-pumped fr equency -qua dr upled N d ∶Y A G laser. O pt L ett, 1998, 23
(1) :55～57
6 Per saud M A , T olchard J M , Fer guson A I . Efficient g ener ation of pico seco nd pulses at 243nm . I EEE J Q uant Elec ,
1990, 26(7) :1253～1258
7 Ro termund F , Pet ro v V. Gener atio n of t he four th harm onic o f a femt osecond T i ∶sapphir e laser. Opt Let t, 1998, 23
(13) :1040～1042
8 杜戈果, 王贤华, 陈国夫. L D 泵浦的高效掺钕钡酸钇(N d ∶YV O 4) 激光器. 光子学报, 1998, 27(7) :616～6189 何慧娟, 廖严, 陈冰瑶. 激光二极管泵浦Nd ∶Y V O 4晶体的高效内腔倍频绿光激光器研究. 光学学报, 1998, 18(3) :
277～280
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
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 .