104+W内腔倍频全固态NdYAG绿光激光器
笫24卷第7期 光 学 学 报 Vol-24，N。．7
2004年7月 ACTA OPTICA SINICA July，2004
文章编号：0253—2239(2004)07—925—4
104 W内腔倍频全固态Nd：YAG绿光激光器*
徐德刚 姚建铨 郭 丽 周 睿 张百钢 丁 欣 温午麒 王 鹏
(天津大学精仪学院激光与光电子研究所光电信息技术科学教育部重点实验室，天津300072)
摘要： 报道了一台高功率内腔倍频全固态Nd：YAG绿光激光器，针对KTP晶体热效应和激光热稳定腔，采取了
对KTP晶体进行低温冷却的优化措施，以便减少KTP晶体的热效应导致的相位失配，同时兼顾了Nd：YAG棒的
热致双折射效应和KTP晶体热透镜效应，设计了热稳定谐振腔；实验中采用80个20 w激光二极管阵列侧面抽运
Nd：YAG棒和Ⅱ类相位匹配KTP晶体(在27℃时相位匹配角为≠一23．6。；8—90。．尺寸为7 mm×7 mm×10 mm)
内腔倍频技术，谐振腔腔长为530 mm，KTP晶体的冷却温度为4．3℃，抽运电流为18．3 A时，实现平均功率达
104 W、脉冲宽度为130 as的532 am激光输出；其重复频率为20．7 kHz。光一光转换效率为10．2％。
关键词：激光器；Nd：YAG激光器；532 12m绿光；KTP晶体；内腔倍频；低温冷却
中图分类号：TN248．13 文献标识码：A
104 W Laser Diode-Pumped Intracavity Frequency-Doubled
Nd：YAG Green Light Laser
Xu Degang Yao Jianquan Guo Li Zhou Rui Zhang Baigang
Ding Xin Wen Wuqi Wang Peng
(Key Laboratory of Opto-Electronics Information and Teehnieal Science Ministry of Education，
Institute of Lasers and Optoelectronics，College of Precision Instrument and 0ptoeC8c￡ro忱ics
Engineering，Tianjuin University，Tianjin 300072)
(Received 2 July 2003；revised 2 December 2003)
Abstract： An average 104 W green beam operation by intracavity frequency doubling of Nd：YAG
laser，which is pumped by eighty 20 W high—power laser diodes is reported．A type II phase
matched KTP crystal(声=23．6。，0=90。under the condition of 27℃，its size iS 7 mm×7 mm x
10 mm)is applied for frequency doubling of Nd：YAG laser．The length of resonator is 530 mm．
The KTP crystal is placed in the special cooling device．Under the pumping current of 18．3 A，
KTP crystal iS cooled to 4．5℃．A maximum green power of 104 W was generated at 20．7 kHz
repetition rate and 132 ns pulse width when pumping current of laser diodes is 18．3 A，leading to
10．2％of optical～optical conversion efficiency．
Key words： lasers；Nd：YAG laser；green beam at 532 nm；KTP crystal；intracavity frequency
doubling；strong cooling
1 引 言
高功率绿光激光器在可调谐激光器的抽运源、
*国家863计划(2002AA311190)、教育部天津大学、南开
大学科技合作项目、天津市光电子联合科学研究中心项目
(013184011)资助课题。
E-mail：xudegang@eyou．corn
收稿日期：2003—07—02；收到修改稿日期：2003—12—02
流场显示、海洋探测、光电对抗、污染检测、大功率大
能量的激光加工以及军事应用(激光雷达，激光制导
等)等科研和工业领域中得到了广泛的应用。利用
激光二极管抽运Nd：YAG晶体棒内腔倍频技术是
获得高效高功率稳定绿光光源的重要途径之一。发
达国家在这方面已经进行了很多的研究H~5]，国内
由于国外高功率半导体激光器禁运、价格等条件限
制，一直落后于发达国家。近年来，随着国产半导体
926 光 学 学 报
激光器质量的提高以及国外半导体激光器价格的降
低，全固态高功率绿光光源的研究也有了极大的进
展，我们课题组曾实现双端输出40 w绿光光源叩]；
电子部1l所的姜东升等人采用两个激光二极管抽
运组件，中间加上90。旋转器，利用三镜L型腔实现
平均功率68 w的绿光输出[73；中国科学院物理研
究所采用同样的抽运结构，利用腔外倍频获得20 W
的绿光喁]。但由于倍频晶体KTP的热效应导致的
相位失配以及声光器件在高功率下难以关断等原
因，一直限制着高功率绿光激光的输出。
在高功率激光二极管抽运的内腔倍频激光器
中，由于谐振腔中基波的功率密度比较大，倍频晶体
吸收部分基波会产生热效应，导致晶体内部的温度
升高，而常温下晶体切割的相位匹配角会发生偏移，
引起倍频晶体的相位失配；另外，随着抽运功率的增
TO
加晶体的热透镜焦距也在发生变化，引起谐振腔的
不稳定，从而限制了倍频光输出功率的提高。本文
在以前工作的基础上，针对KTP晶体热效应和激
光热稳定腔，采取了对KTP晶体进行低温冷却的
优化措施，以便减少KTP晶体的热效应引起的相
位失配，同时在谐振腔设计中同时兼顾了Nd：YAG
棒的热致双折射效应和KTP晶体热透镜效应的补
偿，实验中利用80个20 w的高功率半导体激光器
侧面抽运单个Nd：YAG棒、平凹谐振腔结构、大尺
寸KTP晶体内腔倍频，实现平均功率达104 W、重
复频率为20．7 kHz、脉冲宽度130 rls、内腔倍频绿
光激光器的稳定运转，光一光转换效率为10．2％。
2 实 验
实验装置如图1。
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在实验中我们采用美国CEO公司生产的半导体
激光器组件，它由80个20 W二极管激光器组成，按
照五角形等间距侧面抽运Nd：YAG棒，其总抽运功率
为1600 W，激光介质的尺寸为j56．36 mlTl×146 ITIY[1，
侧面打毛，两端磨成平面。镀1064 n．m的增透膜。倍
频晶体采用Ⅱ类相位匹配的KTP晶体(声=23．6。，
口=90。)，其尺寸为7 mm×7 mm x 10 mm，两面镀
1064 nm和532 nm的增透膜；考虑到高功率下激光
介质Nd：YAG棒的热致双折射和倍频晶体的热透
镜等热效应因素，通过计算机数值分析，激光谐振腔
采用平一凹结构，合理选择倍频晶体和Nd：YAG棒在
谐振腔中的位置，实现在Nd：YAG棒中热致双折射
导致的径向偏振振荡光和切向偏振振荡光共同处在
一个稳区内，从而实现激光输出的稳定；另外，由于
倍频晶体的热透镜效应的存在，对谐振腔内的基波
模式分布有很大的影响，通过调整倍频晶体在谐振
腔中的位置，获得适当大小的热透镜焦距可以有效
的补偿Nd：YAG棒的热透镜效应。腔长为530 mm，
KTP晶体距离输出镜113 mm，平凹全反镜的曲率
半径为2 rn；谐波反射镜采用镀1064 nm高透和
532 nm高反膜层的石英镜片；采用Gooch&
Housego公司生产的Q开关器件，其中心频率为
27．12 MHz，驱动功率为100 W，调制频率为
1～100 kHz可调；利用美国Molectron公司生产的
功率计，测量在抽运电流为18．3 A时，532 nm最大
输出功率为104 W，脉冲宽度小于130 ns，重复频率
为20．7 kHz。
3结果与讨论
倍频晶体的相位配角度通常是根据室温条件下
计算出来的，但是在内腔倍频谐振腔中基波功率密
度比较集中，一部分基波功率被倍频晶体吸收在内
部产生热量沉积，从而导致倍频晶体的温升、相位匹
配角的漂移，而且倍频晶体的平均温度随着抽运功
率的变化而变化，所以很难确定晶体相位匹配角具
体数值，实验中需要对其进行调整。根据文献[93的
提供的计算公式，我们计算出相位匹配角随温度的
变化曲线，如图2所示。其中有效非线性系数主极
大的方向仍然位于X_Y面上，而拳角随温度的升高
而接近线性变化。变化率大致为每升高100℃，角
度增加1．2。。图中给出的数值是相对于27℃时的
7期 徐德刚等： 104 W内腔倍频全固态Nd：YAG绿光激光器 927
温度变化相对值。
Fig．2 The curve of phase matched angles≯versus
temperature of KTP crystal
在实验中将KTP倍频晶体放置在一个低温冷
却器中，使KTP的边界处于低温状态，这样既可以
减少晶体的热透镜效应，又可以增大晶体的热传导
系数，加快热传递，减少晶体内部的热沉积，在一定
程度上补偿晶体的相位失配。图3是在KTP晶体
不同冷却温度下绿光输出功率随抽运功率变化曲
线。从图中可以看出，在一定的抽运电流下，随着
KTP晶体的边界冷却温度的降低，绿光输出功率增
大。当冷却温度为15℃时，随着抽运功率的增大，绿
光输出功率在升高，但当增大到16 A时，输出功率开
始下降，这是因为此时晶体内部的温度开始升高，倍
频晶体的相位开始失配，导致倍频效率的降低。
Fig．3 The curve of output power versus pumping
current under different cooling temperature of the
KTP crystal
图4是在不同抽运电流的情况下，绿光的输出
功率和脉冲宽度随抽运电流的变化曲线。当抽运电
流为18．3 A，调制频率为20．7 kHz时，绿光最大输
出平均功率为104 W，脉冲宽度为130 128，此时
KTP晶体的冷却温度为4．3℃。从图中也可以看
出，脉冲宽度随抽运功率的增加而增大，这是因为随
着抽运功率的增加，谐振腔中的基波功率密度增强，
光束半径也随之增大，声光Q开关中声光场渡越光
束的时间增长，导致少量基波在谐振腔处于高损耗
状态下仍能谐振，从而展宽了脉冲宽度。
Fig．4 532 nm output power at different pumping
current of diode laser
图5是用美国Spiricon公司生产的LBA一
300PC光斑测试仪测量的最大允许抽运电流时
532 nm输出光束的空间强度分布，从图中可以看
出，绿光输出光束为近高斯光束。
Fig．5 Intensity distribution of 532 nm laser beam
at maximum input current
结论实验表明，在高功率内腔倍频激光器中，针对
倍频晶体热效应，采取的KTP倍频晶体低温冷却等
优化措施对于提高绿光输出功率是非常有效的。我
们课题组正在进行对倍频晶体热效应的进一步研究，
相信随着研究的进行，会实现更高功率的绿光输出。
参 考 文 献
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征 订 启 事
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第八届国际光电子和光通信学术会议于2003年10月13～16目在上海举行，会议论文集由《光学学报》编辑部以增刊形
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论文集共收录论文436篇，800多页，分上下两册。对该论文集OECC会议节目委员会的评价是：质量之高，可与国际上
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2004年4月
104 W内腔倍频全固态Nd:YAG绿光激光器
作者： 徐德刚， 姚建铨， 郭丽， 周睿， 张百钢， 丁欣， 温午麒， 王鹏
作者单位： 天津大学精仪学院激光与光电子研究所,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津,300072
刊名： 光学学报
英文刊名： ACTA OPTICA SINICA
年，卷(期)： 2004，24(7)
引用次数： 14次
参考文献(9条)
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得到的染料激光峰值波长.同时分析比较了Nd∶YAG绿光激光及其泵浦的染料激光器输出激光光束的空间和时间特性.
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器的被动调Q与锁模 -光学精密工程2006,14(4)
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射镜组成的对撞脉冲锁模(CPM)非稳腔Nd:YAG激光器.利用几何光学方法分析腔内球面波的特点,从提高输出能量和微扰稳定性、压缩脉宽的角度出了,选
择了较佳的几何参量因子.(2)研究输出耦合方式对CPM非稳腔Nd:YAG激光器输出光束空间质量的影响,采用从腔内反射输出和插入自滤波小孔,大大改善了
光束的空间质量.(3)在理论和实验上研究可饱和吸收染料溶液的浓度对激光器输出 能量、脉冲宽度、锁模几率、稳定性、序列中的脉冲个数的影响.在
较佳运转条件下,获得脉宽8ps、能量90mJ、光束发散角接近于2倍衍射极限的单脉冲序列.(4)提出可以利用掺铬 钇铝石榴石晶体对脉冲式Nd:YAG激光器
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随着激光医学的进步，Q开关Nd:YAG激光器在医学各个领域已经得到了广泛的应用，医用Q开关Nd:YAG激光技术也发展很快。Q开关Nd:YAG激光器美容
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9.会议论文 王志勇.张百钢.徐德刚.姚建铨 高功率LD泵浦Nd:YAG激光器的热效应研究 2002
本文对5×16的激光二极管阵列(最大输出功率1600W)侧面泵浦的高功率Nd:YAG激光器的热透镜焦距进行了测量并加以分析,得出冷却水温度变化对激
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10.期刊论文 李强.王志敏.王智勇.于振声.雷訇.郭江.李港.左铁钏 647W灯泵浦大功率连续Nd:YAG激光器 -强激光
与粒子束2004,16(9)
报道了一台灯泵浦大功率连续Nd:YAG激光器.对影响大功率固体激光器模块输出功率和光束质量的主要因素进行了理论分析,并提出提高激光器效率
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YAG晶体棒总体电光转换效率为4%,光束质量为22mm·mrad,输出功率647W.
引证文献(14条)
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14.徐德刚 百瓦级全固态绿光激光器及瓦级红绿蓝激光器的研究[学位论文]博士 2005
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