LD脉冲侧面泵浦NdYAG电光调Q低重频窄脉宽紫外激光器.docx

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LD脉冲侧面泵浦NdYAG电光调Q低重频窄脉宽紫外激光器

第38卷第7期

2009年7月

光子学报

Vol.38No.7July2009

LD脉冲侧面泵浦NdBYAG电光调Q

*

低重频窄脉宽紫外激光器

白杨,刘沛沛,沈兆国,任兆玉,白晋涛

（西北大学光子学与光子技术研究所,陕西省全固态激光及应用工程技术研究中心,西安710069

摘要:

介绍了在1~20Hz电光调Q情况下,半导体脉冲激光侧面泵浦NdBYAG晶体腔外四倍频266nm紫外激光器的输出特性.实验采用直腔结构,在腔外分别利用KTP和BBO晶体产生532nm倍频绿光、266nm四倍频紫外激光.当泵浦电流为120A、重复率为1Hz时,266nm紫外激光最大单脉冲能量为15.4mJ、脉宽8ns,峰值功率高达1.93mW;重复率20Hz时,获得了最大平均功率为156.2mW的266nm紫外激光输出,四倍频的转换效率为10.63%.同时利用一组分光镜,获得了352mW的532nm脉冲绿光和423mW的1064nm脉冲红外光输出.关键词:

半导体激光脉冲侧面泵浦;四倍频;窄脉宽;高峰值功率;紫外激光器

中图分类号:

TN248.1文献标识码:

A文章编号:

100424213（2009072161724

0引言

紫外激光由于波长短、聚焦性能好、光点面积小、光子能量高、衍射效应小、分辨率高等优点,在精密材料加工、紫外固化、超高密度光驱、光刻、光印刷、医疗、光谱分析和科学研究等领域有着广泛的应用.与传统的准分子气体紫外激光器相比,半导体激光（LaserDiode,LD泵浦的固体紫外激光器具有转换效率高、结构紧凑、寿命长、维护方便、光束质量好等优点,已经成为国内外研究的热点[126].

目前,国内外对266nm紫外激光器的研究大多集中在连续或高重复率准连续紫外激光器上.但是这些研究仅关注于提高紫外激光的平均功率,峰值功率仅为千瓦至几十千瓦,而对半导体激光脉冲泵浦的窄脉宽（小于10ns、峰值功率达到兆瓦量级的266nm紫外脉冲激光器鲜为报道.本文主要研究了LD脉冲侧面泵浦的低重复频率电光调Q全固态紫外脉冲激光器,采用平2平直腔结构、腔外二倍频和四倍频方案,在重复率为1~20Hz范围内,获得了脉宽小于10ns,峰值功率达到兆瓦量级的266nm紫外脉冲激光输出.

[426]

功率标称为1200W,同时对中心处的NdBYAG晶体棒进行脉冲泵浦.增益介质NdBYAG棒尺寸为5

3mm@61mm,Nd离子掺杂浓度0.6%.为得到窄脉冲,选用了KD*P晶体电光调Q方案.半导体激光脉冲泵浦模块的触发和电光Q开关导通所需要的两组电流来自于同一个脉冲发生器,相互严格同步,重复率可调范围为1~20Hz.

图1实验装置

Fig.1Experimentalconfiguration

平面镜M1作为腔的端镜,在靠近电光晶体一侧镀有对1064nm的全反膜;平面镜M2为1064nm输出镜,通过实验,最佳透过率为T=67%;为了使Q开关能够有效地关断,从而获得窄脉宽,将电光晶体紧靠M1镜放置,激光晶体和电光晶体之间插入布氏镜.使用外部的闭路温控循环水对半导体激光脉冲泵浦模块、二倍频晶体及四倍频晶体实施水冷却,保证了模块在工作温度范围内稳定运行,降低棒的热透镜效应[728],有利于提高二倍频、四倍频效率及266nm紫外激光输出稳定性,温度控制准确度为?

0.1e.

实验选择不同腔长,对比1064nm动态脉冲输出时,发现在相同泵浦电流下,腔长越短,1064nm基频光脉冲能量越大、脉宽越窄.因此在满足元件尺

1实验装置

实验装置如图1.在最大泵浦电流为120A的808nm近红外半导体激光脉冲泵浦模块中,相互呈120b放置的3列激光二极管线阵总的最大泵浦平均

*

陕西省自然科学基金重点项目（SJ082ZD01资助

Tel:

029288303281Email:

by@nwu.edu.cn收稿日期:

2008212230修回日期:

2009202217

寸和方便调节的前提下,腔长选定为165mm.在整个实验过程中,使用美国相干公司的FieldMax2TOP型号功率计进行脉冲光功率测量,使用美国TektronixTDS620B型示波器测量激光脉冲宽度.利用公式E=Pav/f和Ppeak=E/tp（f为重复率,tp为脉冲宽度,可以计算出激光单脉冲的能量E和峰值功率Ppeak[9].

2实验结果及分析

2.11064nm基频光振荡实验

在KD*P晶体和半导体激光脉冲泵浦模块之间插入布儒斯特片,使得1064nm基频光在腔内只有p偏振方向起振[10]

.实验中,通过对触发脉冲发生器的延时、腔镜、偏振片等各元件反复细微调节,使808nm泵浦激光脉冲触发一段时间后,NdBYAG晶体棒的粒子反转达到极大值时,打开电光Q开关,从而获得脉宽最窄和峰值功率最高的调Q激光脉冲.

当输入电流I=120A,透过率为T=67%,半导体激光脉冲泵浦模块和电光Q开关重复频率同为20Hz时,获得了脉冲宽度40ns、最高平均功率为2.15W、单脉冲能量达到108mJ、峰值功率为2.7mW的线偏振1064nm脉冲基频光输出.2.2SHG与FHG实验

实验选用了具有较大有效非线性系数,大允许角、允许温度,小的走离角,不易潮解,高的破坏阈值等优点的II类临界相位匹配KTP晶体（H=90b,U=24.4b,通过腔外倍频来获得532nm绿光.晶体尺寸4@4@10mm3,两通光面镀制1064nm&532nm双色增透膜.

虽然BBO晶体四倍频的接收角较小且走离角大,但是它所具有高的有效非线性系数是其它非线性晶体所不具有的.考虑到价格问题,实验中选用了I类临界相位匹配的BBO晶体（H=47.6b,U=90b实施腔外四倍频.晶体尺寸4@4@10mm3

两通光面镀制1064nm&532nm&266nm三色增透膜.

为提高倍频效率,保证二倍频和四倍频同时满足相位匹配条件,非线性光学晶体的放置应符合光波的偏振匹配条件,KTP晶体和BBO晶体的放置如图2,其中KTP晶体的端面棱边与基频光的偏振方向成45b角,BBO晶体的端面棱边与基频光的偏振方向平行[11]

.

当泵浦电流为120A,半导体激光泵浦脉冲重复率和电光Q开关重复率同为20Hz、调Q电压为2810V时,获得了脉宽约为20ns、最高平均功率507mW、单脉冲能量25.4mJ、峰值功率达到1.27

mW

图2KTP晶体和BBO晶体中光束的偏振匹配情况

Fig.2KTPcrystalsandBBOcrystalpolarizationofthe

beamtomatchthesituationoutput

的532nm脉冲绿光输出.

由于NdBYAG上能级寿命大约为230Ls,与此时间尺度匹配的调Q重复频率为4.35kHz[12],在1~20Hz的低重复率范围内,脉冲之间有足够时间使激活介质NdBYAG激发上能级反转粒子数密度达到最大值,因此可以获得高单脉冲能量的266nm紫外激光.

图3为不同重复率时,266nm紫外光平均功率与泵浦电流的关系.在相同泵浦电流下,266nm紫外光平均输出功率与重复率成正比.在重复率为20Hz、泵浦电流为120A时,获得了最高平均功率156.4mW,波长为266nm紫外光输出.在此基础上,只移去BBO晶体和KTP晶体,测得1064nm基频光最高平均功率为1.45W,1064~266nm光光转换效率为10.

63%.

图3266nm紫外光平均功率随泵浦电流的关系Fig.3266nmaverageoutputpowerasafunction

ofpumpingcurrent

图4为不同重复率时,计算得到的266nm紫外光单脉冲能量[9]

与泵浦电流的关系.在相同的泵浦电流下,重复率越低,单脉冲能量越高.分析认为,这是由于重复率越低,808nm激光二极管阵列充放电时间越充分,808nm半导体激光转换效率越高,从而基频光、倍频光及四倍频光的转换效率也就越高.

图5为不同的调Q重复率下,脉宽随泵浦电流的变化关系.在重复率一定时,脉宽随泵浦电流的增加而减小,变化趋于缓慢;在同样的泵浦电流下,脉

宽随重复率的减小而减小.在重复率为1Hz、泵浦电流为120A时,获得了最短脉宽约为8ns、最大单脉冲能量15.4mJ,最高峰值功率达到1.93mW的266nm紫外脉冲激光输出.该输出脉冲波形如图

6.

图6重复率1Hz时,266nm紫外激光脉冲输出波形

Fig.6266nmultravioletlaserpulseoutputwaveform

attherepetitionrateof1Hz

图7是利用分光镜组过滤掉红外光和绿光之后用数码相机拍摄到的紫外光光斑情况.由于Ñ类临界相位匹配BBO晶体是负单轴晶体,存在走离角大的缺点[13],通过其四倍频获得的紫外光斑在平行于入射平面的方向上被/拉长0,呈近椭圆形分布

.

图7266nm紫外脉冲激光光斑照片

Fig.7266nmultravioletlaserspotphoto

利用M3、M4、M5和M6组成的分光镜组合代替通常使用的分光三棱镜,具有将红外光束、绿光束、紫外光束彼此长距离分离、平行输出、减小光斑像散等优点.当泵浦电流为120A、重复率为20Hz时,同时获得了最高平均功率156.2mW的266nm脉冲紫外光、352mW的532nm脉冲绿光及423mW的1064nm脉冲红外光输出.

3结论

实验表明,重复率是影响266nm紫外光脉冲宽度、单脉冲能量和峰值功率的最重要因素,低重复率容易得到短的脉冲宽度和高的峰值功率.本实验采用临界相位匹配的Ò类KTP晶体二倍频与I类

BBO四倍频晶体,在半导体激光泵浦脉冲重复率和电光调Q重复率同为1Hz时,获得了最短脉宽为8ns、最高单脉冲能量为15.4mJ,最高峰值功率为1.93mW的266nm窄脉宽紫外激光输出;在重复率为20Hz时,266nm紫外脉冲激光的最高平均功率达到156.2mW,并利用一组分光镜,同时获得了352mW的532nm脉冲绿光和423mW的1064nm脉冲红外光输出.

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LDpulseSide2pumpedE2OQ2switchedNdBYAGUVLaser

withShortPulseWidthatLowRepetitionRate

BAIYang,LIUPei2pei,SHENZhao2guo,RENZhao2yu,BAIJin2tao

（InstituteofPhotonics&Photon2technology,ShanxiEngineeringTechnologyResearchCenterforAllSolidStateLaserandApplication,NorthwestUniversity,Xican710069,China

Abstract:

UsingBBOsinglepassfourthharmonicgeneration,thecharacteristicofapulsedlaserdiode（LDside2pumpedNdBYAGcrystalelectro2opticQ2switchedwiththerepetitionratefrom1to20Hzultravioletlaserat266nmwaspresented.Intheexperiment,asimplestraightcavityadoptedKTPandBBOcrystalwereusedforthesecond2harmonicgenerationandthefourth2harmonicgenerationdifferently.Whentheincidentpumpingcurrentbeing120Aattherepetitionrateof1Hz,thelargestsinglepulseenergyof15.4mJwithpulsedurationofabout8ns,correspondingtothepeakpowerashighas1.93mWwasobtained.Attherepetitionrateof20Hzunderthesamepumpingcurrent,themaximumaveragepowerof156.2mW,correspondingtoaconversionof10.63%from1064nmto266nm.Meanwhile,532nmand1064nmlaseroutputwasobtainedbyusingavolumeofbeamsplittermirrorsandtheoutputpulsepowerofthemis352mWand423mWseparately.

Keywords:

LDpulseside2pumped;Fourthharmonicgeneration;Narrowwidth;Highpeakpower;Ultravioletlaser

BAIYangwasbornin1977.HeisstudyingforhisPh.D.degreeinNorthwestUniversity.

HisresearchinterestfocusonLDpumpedall2solid2statelasers.