LD泵浦Nd_GdVO_4蓝光激光器动态热稳定腔设计

dω = 0
(2)
df
当谐振腔在某一状态下满足热不灵敏条件，ω便不会随着 f 的稍稍变化而大幅改变，ω的基本稳定又会 使 f 基本稳定在某一数值上，因此便能达到一种动态稳定的状态，从而提高激光的输出功率稳定度。
针对图 2 所示的直腔型谐振腔结构，容易得到其 ABCD 传播矩阵：
⎡A B⎤
⎢⎣C D⎥⎦ = M L1 × M h1 × M f × M h2 × M L2 × M R2 × M L2 × M h2 × M f × M h1 × M L1 × M R1
根据上述数据及式(1)，当其它参量确
1 400
定后，热透镜焦距与泵浦光功率将成反比
1 200
Theory value
关系。利用 MATLAB 软件即可得出热透
1 000
镜焦距与泵浦光功率的关系曲线图。为了
800
更好的了解上述理论模拟的正确性，我们 采用了谐振腔稳定性法[8-9]对 Nd:GdVO4 晶体的热焦距进行了测量。从测量结果来 看，与理论计算值基本相符，热透镜焦距 与泵浦光功率两者关系如图 3 所示。
(h1=h2=L0/2n，L0 is the length of the crystal，n is the refractive of the crystal)
由于只是泵浦光的功率较高，泵浦光聚焦在激光晶体上会产生明显的热透镜效应，而经过激光晶体后， 产生的激光以及剩余的泵浦光能量并不算大，所以可以忽略 KTP 晶体及 LBO 晶体的热透镜效应，我们可 以将图 1 的结构等效为图 2。
收稿日期：2010-06-18；收到修改稿日期：2010-08-17 基金项目：广东省科技特派员专项(2009B090600040)；省院产学研合作项目(2009B091300072) 作者简介：朱思祁(1985-)，男(汉族)，广东广州人。硕士，主要从事激光技术研究工作。E-mail: zhusiqi677@。 通信作者：陈振强(1965-)，男(汉族)，河南人。博士，研究员，博士生导师，主要从事激光技术与激光器件研究。E-mail:tzqchen@。
晶体的泵浦光功率超过 10 W，其热透镜焦
距将迅速减小，热透镜效应相当明显，因此高泵浦功率的情况下不能忽略热透镜效应对激光的影响。
3 基模动态热稳定腔设计
根据前面的热效应分析，我们假设产生激光后腔内基频基模光束聚焦在 Nd:GdVO4 晶体热透镜主平面 上的光斑大小为ω，而热透镜的焦距为 f，我们要实现动态热稳定事实上就是要使 f 在某一区域内变化时， ω不会发生明显变化，也就是说要ω对热不灵敏。Steffen 等人提出的基模动态稳定腔的相关理论将热不灵敏 条件定义为
第 37 卷第 11 期 2010 年 11 月
光电工程
Opto-Electronic Engineering
Vol.37, No.11 Nov, 2010
文章编号：1003-501X(2010)11-0043-05
LD 泵浦 Nd:GdVO4 蓝光激光器 动态热稳定腔设计
朱思祁 1，付乔克 1，李安明 1，陈振强 1,2
0引言
固体蓝光激光器在激光显示、高密度存储、激光制冷、海底通信及探测方面均有重要的应用。当蓝光 激光器作为检测或者通信设备时，要求其输出功率有相对较高的稳定性，但常用的蓝光激光器中作产生基 频激光的 Nd:YVO4 晶体、Nd:YAP 晶体及 Nd:GdVO4 晶体其热传导率均较小[1]，在高功率泵浦的情况下容 易产生热透镜效应，热透镜的形成将改变腔内的光束情况，导致激光晶体上的基模激光光斑的大小发生变 化，从而使得激光输出功率的不稳定。
(1. College of Science and Engineering, Jinan University, Guangzhou 510632, China; 2. Key Laboratory of Optoelectronic Information and Sensing Technologies,
R1、R2、h1、h2 这几个参数有关。 由于晶体尺寸是确定的，因此 h1、h2 也随之确定下来，要设计出动态热稳定的谐振腔，便是要选择适
44
光电工程
2010 年 11 月
早在 1972 年，Steffen 等便提出了基模动态稳定腔(DSRs)的概念[2]，并由 Magni 等[3-4]提出了动态稳定 凹凸腔的设计方法。随着计算机技术的发展以及各种专业软件的问世，使 DSRs 的设计更具灵活性及可调
节性。本文根据基模动态稳定腔的基本原理，利用计算机软件的辅助，改进了设计方法，使其设计不再局
4.7×10-6
Size of crystal/mm 4×4×6
第 37 卷第 11 期
朱思祁 等：LD 泵浦 Nd:GdVO4 蓝光激光器动态热稳定腔设计
45
实验中经耦合透镜聚焦到激光晶体上的泵浦光光斑大小约为ωp=0.25 mm，采用的 Nd:GdVO4 晶体规格 和参数如表 1 所示。
Thermal lens focus/mm
限于凹凸腔，而且不再需要事先设定谐振腔长度与及热稳定工作点的基模光斑半径。
1 直腔型三倍频激光器结构
直腔式结构是激光谐振腔设计中常用结构方式之一。本实验室已成功开发了一款直腔型三倍频蓝光激 光器并已申请专利[5]，而据资料显示，现在已有关于利用直腔型谐振腔设计并实现脉冲峰值功率达 800 W 的三倍频调 Q 蓝光激光器[6]，典型的直腔型三倍频激光器结构如图 1 所示。
2 热透镜效应分析
根据 Innocenzi 等[7]提出的 LD 端面泵浦的固体激光器中热透镜的理论模型，给出了热透镜与泵浦功率
之间的关系如下：
f = thermal
πK
Cω
2 p
dn
1
(1)
Pph
(
dt
)[ 1
−
exp(−ατ
)
]
如果设耦合到激光晶体上的泵浦光功率为 Pin，泵浦波长为λp，激光波长为λ，则泵浦光中转换为介质 的热载荷的功率 Pph = (1 − λp/λ) × Pin 。对于 Nd:GdVO4 而言，用λp=808 nm 的半导体激光器进行泵浦时，产 生λ=1 341.9 nm 的激光，则有 Pph=0.4Pin，式(1)中ωp 为泵浦光的光斑半径，dn/dt 为晶体的光热系数，τ为晶 体长度，α为激光晶体的吸收系数。
LD
Nd:GdVO4
SHG
THG
L1
L2
M1
M2
M1
L0
M2
h1
h2
图 1 直腔型三倍频蓝光激光器
图 2 直腔型三倍频蓝光激光器谐振腔等效图
Fig.1 Linear cavity third harmonic generation blue laser
Fig.2 Linear third harmonic blue laser cavity equivalent diagram
当泵浦光功率较小的时候，Nd:GdVO4 晶体的热透镜效应并不明显，但当耦合到6Fra bibliotek0400
200
Experimental value
0 0 10 20 30 40 50 60
Pump power/W
图 3 热透镜焦距与泵浦光功率关系
Fig.3 Relationship between focal length of thermal lens and power of pump
( 1. 暨南大学 理工学院，广州 510632; 2. 光电信息与传感技术广东普通高校重点实验室(暨南大学)，广州 510632 )
摘要：为了提高 Nd:GdVO4 晶体直腔式蓝光激光器的热稳定性，本文在分析了端面泵浦情况下 Nd:GdVO4(钒酸钆) 晶体的热透镜效应，着重讨论了 447 nm 蓝光激光器的输出功率波动与热透镜焦距之间的关系。与此为依据，在
采用热传导率相对较高的 Nd:GdVO4 晶体作为激光晶体，其热传导率约为 11.7 W/m⋅K，倍频晶体及三 倍频晶体分别采用 KTP 及 LBO，采用端面泵浦方式，泵浦光源为 808 nm 半导体激光器，输入镜 M1 高透 808 nm 光波，高反 1 341.9 nm、670 nm 及 447 nm 光波，输出镜 M2 高透 447 nm 光波且高反 670 nm 及 1 341.9 nm 光波。
传统基模动态稳定腔设计方法基础上加以改进，借助 MATLAB 数学软件及 Matrix Laser 谐振腔设计软件，通过对
谐振腔腔长、输入和输出镜曲率半径及腔内各个元件所处位置等参数进行优化。通过模拟及实验结果证明按此方
法所设计的谐振腔具有良好的动态热稳定性。
关键词：热透镜效应；动态热稳腔；蓝光激光器；钒酸钆晶体
(3)
式中：
⎡1 M L1 = ⎢⎣0
L1 ⎤
1
⎥ ⎦
；
M h1
=
⎡1 ⎢⎣0
h1 1
⎤ ⎥ ⎦
；
M
f
⎡1 = ⎢−1
⎢⎣ f
0⎤ 1⎥⎥⎦
； M h2
=
⎡1 ⎢⎣0
h2 1
⎤ ⎥ ⎦
；
⎡1 M L2 = ⎢⎣0
L2 ⎤
1
⎥ ⎦
；
M R1
=
⎡1 ⎢− 2 ⎢⎣ R1
0⎤
⎡1
1⎥⎥ ； M R2
⎦
= ⎢−2 ⎢⎣ R2
中图分类号：O436；TN248
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2010.11.008
Design of LD Pump Nd:GdVO4 Blue Laser Dynamic Stable Resonator
ZHU Si-qi1，FU Qiao-ke1，LI An-ming1，CHEN Zhen-qiang1,2