全固态高效率473nm蓝光激光器

　　由于蓝光激光在显示、光谱学、信息存储、水下通信等诸多领域的应用十分广泛，而使其成为近几年来的研究热点，利用 LD 泵浦 Nd : YAG 实现946nm 谱线的运转并利用倍频技术来获得 473nm 蓝光激光是当前获得蓝光激光颇为流行的手段。但由于 Nd : YAG 中的 946nm 谱线属于准三能级结构存在重吸收效应[1]，并且 946nm 谱线的受激截面也比较小，所以激光器的总体效率比较低，一般在10%以内[3-5]。而通过对系统的优化，在注入泵浦功率为 12.3W 时，获得了 1.3W 的 TEM00 模的473nm 蓝光激光，光-光转化率高达 10.6%，实现了高转换率的蓝光。

　　1 实验设计

　　由激光二极管激光端面泵浦Nd:YAG且处于稳态时的速率方程出发可以推导出[2]：

光腰斑半径和激光腰斑半径。由（3）式可以绘制出激光器阈值与激光晶体长度的关系，选取 =1%，T=5%，如图 1 所示。

　　由图可以看出为使激光器的阈值最低，晶体的长度应该取在 3~4mm之间，但是由(1)式可知当晶体取 3~4mm 左右时不能使激光器的效率最高。利用(1)式取 L=1%，T =5%时，得到在不同泵浦功率下，激光晶体的长度与输出功率的关系如图 2所示。

　　可见在泵浦功率为12W、10W、8W的情况下，为了使激光器的输出功率最高晶体的长度应分别为5.5mm、5mm、4.5mm 左右，并兼顾阈值与效率实验中选择的 Nd:YAG 晶体规格为 3×4mm，晶体用铟箔包裹放在紫铜热沉中。实验装置如图 3 所示。

　　图 3 中，为 LD列阵光纤耦合输出、V 型腔结构，Nd:YAG 晶体上的泵浦光斑半径为 200 m 左右，设 M1M2的长度为1，M2M3的长度为2，Nd:YAG 晶体端面直接镀 808nm@AR，946nm@HR，1064nm@AR，1319nm@AR 做为 M1，晶体的另一面镀 1064@AR，1319@AR，946@AR 膜，M2的曲率半径2=50mm 镀 1064nm@AR，1319nm@AR，946nm@HR，473nm@AR 膜，M3的曲率半径3=200mm 镀946nm@HR，473nm@HR，LBO两面镀 946nm@AR，473nm@AR，由 ABCD 定律有：

　　可见理论值与实验值还是有一定差距，但总体趋势还是吻合的比较好，取L1=66mm 时由(1)-(7)得，由热透镜焦距与V形腔的短臂构成的稳区图如图 5 所示，短臂取 30mm~48mm 谐振腔都在稳区内，本文取短臂为 36mm得出热透镜焦距与各分臂上的光腰的关系如图 6 所示。

　　由图 4、图 5 和图 6 可以看出，在泵浦功率为为 12W 时热透镜焦距为 50mm 左右，处在该谐振腔的稳区内W01和W02在随热焦距的变化还是非常平稳的，且W01约为 150 m 满足模式匹配的要求，W02约为 50 m 满足高倍频效率的要求[6]。

　　蓝光激光器常用的倍频晶体由 LBO、BBO、BIBO 等，BBO 和 BIBO 虽然有效非线性系数大，但这两种晶体的走离角也比较大，很难获得高光束质量的蓝光，本实验选择LBO作为倍频晶体，LBO虽然有效非线性系数较小，但走离角也很小，所以可以通过增加晶体的长度和紧聚焦的方法来获得高的倍频效率，实验中选择 LBO 晶体的规格为3×3×15 mmmm。Nd:YAG、LD 和 LBO 晶体分别用TEC 冷却，严格控温，仔细调整光路使系统的状态达到最佳。实验中利用格兰棱镜测量了 LD 发光的偏振比，大约为水平偏振与垂直偏振之比约为 3：1 左右，946nm 激光的偏振比与 LD 的偏振比和偏振方向基本相同，采用 Coherent 公司的 Fiel-dMasterGS 功率计对 473nm 激光的输出功率进行测量，得到了 473nm蓝光激光器的输出特性曲线如图7 所示，在泵浦功率为 12.3W 时输出功率最高为1.3W，继续增加泵浦功率蓝光的输出功率急剧下降，由图 4 和图 5 可以看出，由于在高泵浦功率下热透镜焦距很小严重影响了谐振腔的稳定性，使谐振腔跑出稳区之外，由原来的稳定腔变成了非稳腔。对蓝光激光的偏振进行测量，测量结果为垂直偏振与水平偏振之比约为100:1，基本为线偏振光。图8为蓝光远场光斑，由图可以看出该光斑为TEM00模结构，但略成椭圆，这是由于V型腔存在象散和LBO 的走离效应所致。