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BIBO晶体腔内倍频高效率473nm蓝光激光器
文章编号:
0258-7025(200409-1030-03
BIBO晶体腔内倍频高效率473nm
蓝光激光器
郑 权1,赵 岭1,董胜明
2
1
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130022
2
山东大学晶体材料国家重点实验室,山东济南250100
摘要 BIBO(BiB3O6晶体是一种新型的非线性光学晶体,物化性能稳定、光损伤阈值高,并且具有相当大的非线性光学系数,可以制作成频率变换器件,获得高效的倍频激光输出。
报道了用BIBO晶体对一台运转于946nm激光谱线的激光二极管(LD抽运NdYAG激光器进行腔内倍频获得高效率的473nm蓝光输出的实验结果。
用国产的激光二极管端面抽运厚2.2mm,掺杂浓度1.0at.-%的NdYAG激光晶体,在注入抽运光功率为1.6W时,用5mm长的Ⅰ类临界位相匹配BIBO晶体获得的TEM00模蓝光输出达183mW,相应的腔内倍频转换效率为11.4%,比同样工作条件下10mm长Ⅰ类LBO晶体的倍频效率高45%以上。
关键词 激光技术;BIBO晶体;激光二极管;蓝光激光器中图分类号 TN248.1 文献标识码 A
HighEfficientBlueLaserGenerationat473nmbyBIBOCrystal
ZHENGQuan1,ZHAOLing1,DONGSheng-ming
2
1
ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,
TheChineseAcademyofSciences,Changchun,Jilin130022,China
2
TheStateKeyLaboratoryofCrystalMaterial,ShandongUniversity,Jinan,Shandong250100,China
Abstract BIBO(BiB3O6crystalisanovelnonlinearcrystal,whichhasstablephysicalandchemicalproperties,highdestroythreshold,andbignonlineareffectivecoefficient,soBIBOcrystalcanbeusedasfrequencyconversiondevicetoobtainefficientsecondharmonicwavegeneration.Inthispaper,highefficientbluelaserat473nmwasgeneratedbyBIBOcrystalinsertedinadiode-pumpedNdYAG(Y3Al5O12laserat946nmforintra-cavityfrequencydoubling.Ahomemadelaserdiodewasusedtoendpumpapieceof2.2mmlongNdYAGcrystal
doppedwith1.0at.-%.With1.6Wpumpedlaser,183mWTEM00modestablebluelaseroutputwasobtainedbya5mmlongⅠtypedBIBOcrystal,conversionefficiencyupto11.4%,whichwasabout45%higherthana10mmlongⅠtypedLBO(LiB2O3crystal.
Keywords lasertechnique;BIBOcrystal;laserdiode;bluelaser
收稿日期:
2003-06-02;收到修改稿日期:
2003-08-04 基金项目:
国家863计划(No.2002AA311141资助项目。
作者简介:
郑 权(1973—,男,黑龙江省人,理学博士,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所副研究员,主要研究1 引 言
由于蓝激光在荧光激发,拉曼光谱,DNA排序
等领域有广泛的应用,激光二极管(LD抽运的473nm全固态蓝光激光器近年来引起了人们的广泛关
注。
利用NdYAG晶体中Nd3+在946nm波段的受激辐射跃迁,经非线性晶体倍频,最终可获得波长为473nm的蓝色激光[1]
。
对于473nm全固态蓝光激光器,已有大量文献报道[2,3]。
其中,多为采用KN晶体倍频,原因是KN晶体的有效非线性系数很大,倍
第31卷 第9期2004年9月
中 国 激 光
CHINESEJOURNALOFLASERS
Vol.31,No.9
September,2004
频效率高。
但在实际应用中,KN晶体易潮解,而且目前KN晶体极化、定向和加工等工艺存在着难度,价格高,这些因素都制约着全固态蓝光激光器产业化的发展,因此有必要寻找新的晶体。
BIBO(BiB3O6晶体是一种新型的非线性光学晶体,物化性能稳定、不潮解、光损伤阈值高,并且具有相当大的非线性光学系数,因此是很有应用潜力的新材料[4],有望制作成频率变换器件,获得高效的倍频激光输出。
山东大学的王正平等已经报道了用BIBO晶体腔外倍频实现946nm倍频蓝光输出的初步实验结果[5]
得到了28.5mW的473nm蓝光输出,相应的倍频转换效率仅为5.2%。
本文采用Ⅰ类临界位相匹配的BIBO晶体进行腔内倍频,获得了高效率蓝激光输出。
2 BIBO晶体的倍频特性
用SNLO软件计算了BIBO晶体的946nm→473nm倍频参数。
为了便于比较,表1列出了包括KN,LBO和BIBO三种晶体在Ⅰ类临界位相匹配条件下对946nm波段的倍频参数。
由表1可以看出,BIBO晶体的有效非线性系数约是LBO晶体的3倍,因此可以获得很高的946nm倍频转换效率。
需要说明的是,由于BIBO晶体在=90°的主平面的第二像限(90°<<180°的有效非线性系数大于第一像限(0°<<90°的值[6]
因此BIBO晶体选择了沿(161.7°,90°的Ⅰ类相位匹配方向切割加工。
表1KN,LBO和BIBO晶体对946nm波段的倍频特性
Table1PropertiesofKN,LBO,andBIBOforfrequencydoublingat946nm
Crystals
KN
LBO
BIBO
Phasematching(Ⅰ-typed946.0(o+946.0(o
=473.0(e
946.0(o+946.0(o
=473.0(e
946.0(e+946.0(e
=473.0(o
At
/deg.90.0,60.090.0,19.418.3,90.0deff/(pm/V
10.20.812-2.31Angletolerance/(mrad・cm0.452.610.65Temperaturerange/(K・cm0.497.29*
Acceptedangle/(mrad・cm
0.89,0.895.21,5.211.29,1.29Acceptedbandwidth3.67,3.6745.86,45.8613.21,13.21Walk-offangle/mrad
0.00,0.00,46.7
0.00,0.00,11.3
40.7,40.7,0.00
3
实验装置
图1实验装置
实验装置如图1所示。
采用中国科学院半导体所生产的连续输出功率为2W的LD作为抽运源;采用中国科学院上海光学精密机械研究生长的NdYAG作为激光介质;采用山东大学晶体材料国家重点实验室提供的BIBO晶体作为倍频器;采用长春新产业公司生产的高稳定性驱动电源对LD提供稳定的电流,并对LD,NdYAG和BIBO等元件进行精密的温度控制。
LD在25℃下中心发射波长为808.3nm,其发散角为7.9deg×33.6deg。
考虑到946nm谱线增益较小,抽运光斑较小时会降低激光阈值。
LD发出的光经过耦合光学系统聚焦成为束腰半径约80m的抽运光入射到NdYAG晶体上。
激光晶体NdYAG(厚2.2mm,掺杂浓度1.0at.-%左端面镀808nm增透,946nm高反,473nm高反膜(R808nm<5%,R946nm>99.8%,R473nm>95%,右端面镀946nm增透膜(R946nm<0.02%;倍频晶体BIBO(3mm×3mm×5mm,Ⅰ类临界相位匹配两端均镀946nm和473nm增透膜(R946nm<0.02%,R473nm<1%。
输出平凹耦合镜(OC左凹面(曲率半径50mm镀946nm高反膜(R946nm>99.8%和473nm,1064nm,1319nm增透膜(R473nm<1%,R1064nm<30%,R1319nm<20%,右平面镀473nm,
1064nm,1319nm增透膜(R473nm<1%,R1064nm<1031
9期 郑 权等:
BIBO晶体腔内倍频高效率473nm蓝光激光器
实验中使用的腔长约为20mm,此时谐振腔内光腰约85m,略大于抽运光斑,满足纵向抽运全固态激光器谐振腔设计的模式匹配条件[7]。
LD,NdYAG和BIBO分别用半导体制冷器(TEC1,TEC2严格温控,确保LD发光波长与NdYAG吸收峰重合,消除NdYAG晶体的热效应,并使BIBO处于最佳位相匹配状态。
4 实验结果
采用美国Coherent公司功率计(误差<3%测量不同注入抽运功率下蓝光的输出功率。
图2给出了两者的关系曲线。
激光抽运阈值约130mW。
当抽运功率1.6W时,得到183mW的单横模(TEM00蓝光输出,光-光转换效率达11.4%,未出现饱和。
采用旋转格兰棱镜法测定蓝光偏振方向和偏振比。
经测量,当808nm的二极管抽运源为水平偏振方向注入到激光晶体时,946nm的基频光为水平偏振,473nm的倍频光为垂直偏振,偏振比超过1501
。
图2473nm蓝光输出随注入抽运功率的变化Fig.2473nmoutputasafunctionofincidentpo
wer
图3BIBO倍频的蓝光远场光斑Fig.3Far-fieldspotofbluelaser
文献[3]曾报道了采用Ⅰ类临界位相匹配的LBO晶体替代KN晶体实现946nm的腔内频率转换,mm长的LBO晶体倍频时,获得了126mW的蓝光输出(见图2。
可见5mm长的BIBO晶体的倍频效率比10mm长的LBO约高出45%,但由于走离角大的原因(BIBO的走离角约为LBO的4倍,其远场光斑比LBO倍频时的要差一些。
图3给出了BIBO倍频蓝光的远场光斑照片。
5 结 论
由实验结果证明,采用BIBO晶体进行946nm的腔内倍频,可以获得很高效率的473nm蓝光输出。
当注入抽运光功率为1.6W时,用5mm长的Ⅰ类临界位相匹配BIBO晶体获得的TEM00模蓝光输出达183mW,相应的腔内倍频转换效率达到11.4%,比同样工作条件下10mm长Ⅰ类LBO晶体的倍频效率高45%以上,因此具有重要的应用价值。
虽然目前BIBO晶体的生长研究仍然处在早期阶段,并有许多问题需要解决(主要的问题是籽晶制备的困难、很低的晶体生长速率和严重的极性生长等,但其作为全固态蓝光激光器腔内倍频器件的产业化前景已相当可观。
参
考
文
献
1 V.Pruneri,R.Koch,P.G.Kazanskyetal..49mWofcw
bluelightgeneratedbyfirst-orderquasi-phase-matchedfrequencydoublingofadiode-pumped946-nmNdYAGlaser[J].Opt.Lett.,1995,20(23:
2375~2377
2 DavidG.Matthews,RichardS.Conroy,BruceD.Sinclair.BluemicrochiplaserfabricatedfromNdYAGandKNbO3[J].Opt.Lett.,1996,21(3:
198~200
3 ZhengQuan,ZhaoLing,ShaoYonghongetal..CrYAGpassivelyQ-switchedall-solid-statebluelaserat473nm[J].ChineseJ.Lasers,2003,30(8:
673~676
郑 权,赵 岭,邵永红等.CrYAG被动调Q全固态473nm蓝光激光器[J].中国激光,2003,30(8:
673~676
4 TengBing,WangJiyang,WangZhengpingetal..Thegrowthandpropertiesofnewtypenonlinearcrystal-BiB3O6[J].ScienceLetter,2001,46(12:
987~989
滕 冰,王继扬,王正平等.新型非线性晶体硼酸铋(BiB3O6的晶体生长和性能[J].科学通报,2001,46(12:
987~989
5 WangZhengping,DuChenlin,XuXinguangetal..Bluelasergenerationat946nmbyaBiB3O6crystal[J].ChineseJ.Lasers,2003,30(2:
104
王正平,杜晨林,许心光等.BiB3O6晶体946nm倍频蓝光输出[J].中国激光,2003,30(2:
104
6 ZhengpingWang,BingTeng,KunFuetal..EfficientsecondharmonicgenerationofpulsedlaserradiationinBiB3O6(BIBOcrystalwithdifferentphasematchingdirections[J].Opt.Commun.,2002,20(2:
217~220
7 P.Laporta,M.Brussard.Designcriteriaformodesizeoptimizationindiode-pumpedsolid-statelasers[J].IEEEJ..,(~1032
中 国 激 光 31卷
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