高光束质量、高功率稳定性激光器的设计及实验研究

高光束质量、高功率稳定性激光器在激光加工、激光测量等领域具有广泛的用途.为了实现激光器腔内光斑聚焦同时减少色散和体积,人们常常将曲面反射镜用在激光谐振腔中,但光束倾斜入射到曲面反射镜往往会引起像散,从而导致光斑质量恶化,并降低激光器的性能.另一方面,在高功率激光器或超短脉冲激光器中,激光增益介质热透镜焦距的起伏,是导致激光输出功率波动的主要原因之一.针对激光器的像散和功率波动这两个问题,本文提出了一套简单高效的解决方案,在考虑像散补偿和热透镜效应的基础上,基于传播变换圆理论,首次提出一种可实现高光束质量、高功率稳定性激光器谐振腔的设计方法,并对采用该方法所设计出的超短脉冲激光器进行理论与实验研究.研究结果表明,利用该方法设计的激光谐振腔,两端臂像散能够完全被补偿,实验上实现了基模高斯光束输出;当激光晶体热透镜焦距改变时,该方法所设计出的激光谐振腔内各关键位置光斑半径的变化,显著地小于普通谐振腔,在相同外界条件下,其输出激光功率稳定性明显优于普通激光器.     

高能量高转换效率355 nm紫外激光器

为了得到一种三倍频效率高达60%的355 nm脉冲激光器,采用曲率半径分别为2 m的凹凸高斯镜和9 m的平凹全反镜组合作为谐振腔,加以电光调Q,得到1 064 nm高光束质量激光输出,再将其进行行波放大,获得重复频率10 Hz、脉宽7.3 ns、单脉冲能量1.01 J的1 064 nm基频光输出。利用Ⅰ类相位匹配LBO晶体进行二倍频、Ⅱ类相位匹配LBO晶体进行三倍频以得到波长为355 nm的紫外光输出。通过二倍频和三倍频输出特性和非线性晶体参数的分析和实验调试,最终获得了单脉冲能量为608 mJ、脉宽为5.7 ns、线宽为2 nm的紫外激光输出。通过优化二倍频的转换效率,可使1 064 nm基频光到三倍频得到的355 nm紫外光的转换效率达60%。     

LD泵浦Cr∶YAG被动调Q 556nm黄光激光器

通过对谐振腔镜镀制合理的激光薄膜，成功实现了LD泵浦Nd∶YAG 1.111 μm激光谱线的运转.利用LBO腔内倍频Nd∶YAG/Cr∶YAG结构获得了高重复频率被动调Q556 nm全固态黄光激光器，在注入泵浦功率为1.6 W时，得到平均功率51 mW，脉冲宽度48 ns,重复频率8.9 kHz,峰值功率高达119 W的脉冲黄光输出.     

LD泵浦Cr∶YAG被动调Q556nm黄光激光器

通过对谐振腔镜镀制合理的激光薄膜,成功实现了LD泵浦Nd∶YAG1.112μm激光谱线的运转.利用LBO腔内倍频Nd∶YAG/Cr∶YAG结构获得了高重复频率被动调Q556nm全固态黄光激光器,在注入泵浦功率为1.6W时,得到平均功率51mW,脉冲宽度48ns,重复频率8.9kHz,峰值功率高达119W的脉冲黄光输出.     

高功率1060 nm锥形激光器

为提高1060 nm锥形激光器的输出性能,对1060 nm锥形激光器的脊形波导区和锥形增益区长度进行了优化。当保持总腔长3 mm不变时,设置脊形波导区长度为500,750,1000μm。在输出功率为2 W时,对三种情况所需的输入电流、功率-电流曲线斜率效率、电光转换效率、输出光谱及远场特性进行了对比。研究结果表明,当脊形波导区长度为750μm,锥形增益区长度为2250μm时,1060 nm锥形激光器的输出性能最优。当输出功率为2 W时,所需输入电流为3.95 A,斜率效率为0.61 W/A,转换效率为33.9%,光谱宽度(半峰全宽)为0.3 nm,远场近似高斯分布且95%能量处的水平发散角约为14°。     

光电负反馈下1550nm垂直腔表面发射激光器的动力学特性

基于激光输出的时间序列、功率谱以及相图,对1 550 nm垂直腔表面发射激光器(1 550 nmVCSELs)在光电负反馈作用下的动力学特性进行了研究.结果表明:固定偏置电流,在不同反馈强度下,光电负反馈1 550 nm VCSEL可呈现规则脉冲态、准周期态、混沌脉冲态等非线性动力学态;固定反馈强度,偏置电流取不同值时.1 550 nm-VCSEL也可呈现脉冲态、准周期态、混沌脉冲态等不同的非线性动力学状态.给出了1 550 nm VCSEL非线性动力学状态在偏置电流和反馈强度构成的参量空间分布.分析了激光器的动态演化路径,结果表明:在较小偏置电流和弱光电反馈下,激光器主要工作在稳态:随着偏置电流增加,激光器输出的动力学态通常随反馈强度的增加以规则脉冲态-准周期态-规则脉冲态的方式循环演化到混沌脉冲态;当偏置电流增加到一定值后,激光器输出的动力学态随反馈强度的增加主要以规则脉冲态准周期态混沌脉冲态的方式循环演化.     

用于低噪声DPL激光器的高稳定性LD驱动源的研制

根据高稳定性、低噪声半导体泵浦激光器(DPL激光器)对于激光电源的要求,研制了一台工作电流可达7A、集电流慢启动和过流保护等多重保护于一体的高稳定性LD驱动源,分析了其高稳定性电源的工作原理和影响电流稳定度的主要因素,得到了电流稳定度为2.0×10-4的高稳定性电流输出。以此激光电源作为高稳定性DPL激光器的LD驱动源,获得了3.5h内功率稳定性小于4‰的激光输出。     

光学非线性LB膜的时间稳定性与光致漂白效应的关系

用光学二次谐波产生（ＳＨＧ），拉曼散射和紫外－可见吸收光谱等方法研究了偶氮，苯腙及半花菁三种有机染料Ｚ型Ｌａｎｇｍｕｉｒ－Ｂｌｏｄｇｅｔｔ（ＬＢ）多层膜的时间稳定性问题，发现：随着放置时间的推延，其中ＬＢ膜的二次谐波产生信号强度下降，然后逐渐达到稳定；在高压汞灯光照射下，粉末样品中Ｎ＝Ｎ（偶氮），Ｃ＝Ｎ（苯腙），Ｃ＝Ｃ（半花菁）键伸缩振动所对应的拉曼峰强度以及这三类染样在ＬＢ膜样品中对所应的生色团     

60 W yellow laser at 561 nm by intracavity frequency doubling of a diode-pumped Q-switched Nd:YAG laser

A high-power yellow laser was achieved by intracavity frequency doubling of a diode-pumped Nd:YAG rod laser. A solid etalon was inserted into the resonator to implement efficient operation of the low-gain single line at 1123 nm transition. By using a LBO crystal inside the cavity as the frequency doubler, the maximum output power of the 561 nm yellow laser was obtained to be as high as 60.3 W with a pulse repetition frequency of 6 kHz, corresponding to an optical-to-optical conversion efficiency of about 6.1%. The output power fluctuation of the yellow laser was measured to be better than 3% in half an hour.     

All-solid-state low noise Yb:YAG/LBO green laser at 515 nm

We report the efficient compact green laser at 515 nm generation by intracavity frequency doubling of a continuous wave (CW) laser operation of a diode-pumped Yb:YAG laser on the transition at 1030 nm. An LBO crystal, cut for critical type I phase matching at room temperature is used for second harmonic generation (SHG) of the laser. With the incident pump power of 10 W, 270 mW of CW output power at 515 nm is achieved with 15-mm-long LBO. The optical-to-optical conversion efficiency is 2.7%, and the power stability in 8 h is better than 2.36% with low noise.     

6.2 W外腔和频589 nm黄光激光器

 报道了一台800 Hz,6.2 W外腔和频的589 nm黄光激光器。基频激光器均采用双棒串接平平对称腔,增益介质为Nd：YAG晶体,采用声光调Q方式分别获得11.1 W的1 064 nm激光和12.6 W的1 319 nm激光。和频晶体采用三硼酸锂（LBO）,尺寸为4 mm×4 mm×30 mm,采用Ⅰ类非临界相位匹配。将两束激光通过分光镜合束,聚集后注入LBO晶体,获得589 nm黄光最大输出功率为6.2 W,脉宽为50 ns,和频效率26.2%。x方向和y方向的光束质量平方因子分别为3.20和3.61。     

All-solid-state Nd:YAG-LBO yellow laser at 572 nm

We report for the first time a continuous-wave (CW) yellow laser emission by sum-frequency mixing in Nd:YAG crystal. Using type-I critical phase-matching LBO crystal, a yellow laser at 572 nm is obtained by 1444 and 946 nm intracavity sum-frequency mixing. The maximum laser output power of 178 mW is obtained when an incident pump laser of 18.2 W is used. At the output power level of 178 mW, the output stability is better than 4.2%.     

6.2 W外腔和频589 nm黄光激光器

报道了一台800 Hz,6.2 W外腔和频的589 nm黄光激光器。基频激光器均采用双棒串接平平对称腔,增益介质为Nd：YAG晶体,采用声光调Q方式分别获得11.1 W的1 064 nm激光和12.6 W的1 319 nm激光。和频晶体采用三硼酸锂（LBO）,尺寸为4 mm×4 mm×30 mm,采用Ⅰ类非临界相位匹配。将两束激光通过分光镜合束,聚集后注入LBO晶体,获得589 nm黄光最大输出功率为6.2 W,脉宽为50 ns,和频效率26.2%。x方向和y方向的光束质量平方因子分别为3.20和3.61。     

宽带高增益低噪声放大器

采用AnsoftHFSS高频软件设计及优化,解决了Ka波段波导-微带的宽带过渡问题,设计出Ka波段宽带高增益低噪声放大器。     

LD-pumped Nd:YAG/LBO 556 nm yellow laser

A new laser transition at 1112 nm was obtained after analyzing the parameters of the main laser transitions in Nd:YAG and calculating the transmission loss of the cavity at 1064, 1319, and 946 nm. The maximum output power of the fundamental wavelength was 610 mW, the fundamental wavelength light-to-light conversion efficiency was 38.1%, the maximum output at 556 nm was 109 mW intra-cavity frequency doubled by LBO, the SHG conversion efficiency was 17.8%, and the overall light-to-light efficiency was 6.8% for the pump power of 1.6 W.     

激光二极管侧面泵浦高功率266 nm紫外激光器

 报道了一种半导体激光列阵侧面泵浦Nd：YAG四倍频266 nm全固态紫外激光器,采用Z型腔结构,Ⅰ类临界相位匹配LBO和BBO晶体分别作为二倍频晶体和四倍频晶体。在调制频率为5 kHz时,最终获得了2.1 W的266 nm紫外激光输出,单脉冲能量420 μJ, 绿光到紫外激光的转换率为13.13%,在相同的泵浦功率下利用V型腔结构仅获得305 mW的266 nm紫外激光输出。     

激光二极管侧面泵浦高功率266 nm紫外激光器

报道了一种半导体激光列阵侧面泵浦Nd：YAG四倍频266 nm全固态紫外激光器,采用Z型腔结构,Ⅰ类临界相位匹配LBO和BBO晶体分别作为二倍频晶体和四倍频晶体。在调制频率为5 kHz时,最终获得了2.1 W的266 nm紫外激光输出,单脉冲能量420 μJ, 绿光到紫外激光的转换率为13.13%,在相同的泵浦功率下利用V型腔结构仅获得305 mW的266 nm紫外激光输出。