波長ロック914nm半導体レーザ
要約：我々は、イントラキャビティ効率的な緑色レーザ励起帯域内波長ロックされた914 nmのレーザーダイオードを報告し、我々の実験では、波ロック914 nmレーザーダイオードを励起光源として使用し、ポンプ均一とポンプ効率を改善すると還元 レーザの熱的効果、したがって、高いビーム品質の５３２ｎｍレーザ出力が得られる。 ポンプパワーが１８Ｗであり、再描画率が１３０ｋＨｚであるとき、６．７Ｗの緑色レーザ出力が得られ、１８Ｗの励起パワーに対して変換効率は３７．２％であり、これは吸収された場合の変換効率６０％に対応する。 ポンピング。
キーワード：波長同期、Nd：YVO 4、帯域内励起、周波数二倍化、532 nm
1.前書き
熱効果は、固体レーザの性能のさらなる向上を妨げる最も重要な要因の1つです。深刻な熱的影響は、レーザーのビーム品質の劣化、熱飽和、さらには結晶の熱クラックの原因にもなります[1]。近年、人々はレーザーの熱効果を減らす方法を探しています。現在のところ、最も効果的な方法は、共鳴励起技術であるインバンド励起を使用することである。これは、より高い励起状態への励起の代わりに、基底状態原子をレーザーの上位レベルに直接励起する特定波長の励起光を使用する。共鳴ポンピング法は、励起状態からレーザの上準位への非輻射遷移を排除し、ポンプを効果的に減少させる。発振光は発熱を減らし、量子効率を改善します。それは根本的にレーザーの熱効果を解決することができ、それによりレーザーの性能を効果的に向上させる。 Nd：YVO 4レーザー共振ポンプPuでは、880nm、888nm、914nmの3つのポンプ波長に主に集中し[2-7]、共振ポンピング技術が高出力、高ビーム品質のレーザー出力を達成できることを理論的および実験的に証明した。まだ多くの欠点があります。第一に、これらの波長に対する結晶の吸収速度は、特に914nmの吸収速度に対して比較的低い。低、これは全体的な光 – 光変換率の向上にはつながらない。第二に、Ｎｄ：ＹＶＯ ４結晶はこれらの波長に対して狭い吸収線幅を有し、そして半導体レーザーは温度と共に発光スペクトルをシフトさせるであろう、そしてそれはレーザーを助長しない。周囲温度の変化に適応するこれらの欠点を克服するために、共鳴ポンピングの欠点を効果的に克服し、さらに共鳴ポンピングの利点を活用することができる波長ロック共鳴ポンピング技術を採用した。いわゆるロック波長共鳴ポンピング技術は、ポンプ光源の放射波長を体積ブラッグ格子（ＶＢＧ）でロックすることであり、その結果、その放射波長は安定する傾向があり、外部環境温度の変化はほとんど影響を及ぼさない。その発光スペクトル同時に、ポンプPuyuanの発光スペクトルは、作用物質の吸収スペクトルに対応して、より狭くより正確になります。上記の態様と組み合わせて、ロック波長共鳴ポンピング技術は、通常の共鳴ポンピング技術に対して明らかな利点を有する。
現在、914nm共振ポンピング技術に関する研究はあまり多くなく、基本的には励起光源として非ロック波長半導体レーザーまたは固体レーザーによって生成された914nmレーザーを使用しています。 2009年に、Damien Sanglaらは914nm励起Ndを使用することを報告した。 ：YVO 4結晶レーザー、14.8 Wの励起光パワーを吸収する場合、11.5 Wの1064 nmレーザー入力を得る
吸収された励起光の対応する光 – 光変換率は78.7％であり、スロープ効率は80.7％である[8]。 2013年に、Chen等。再生負荷を低減し、高性能を実現するために再生アンプのポンプ源として914nmを使用しています。再生アンプの性能、1nJ、パルス幅5.7ps、周波数42.7MHzのシード再生増幅、そして最終的に100kHz、21.2Wの再生増幅出力[9]、同じ年Ding Xin et al。レーザーは、Nd：YVO 4を励起するための励起光源として使用されます。利得媒体として長さ20mm、ドープ2％Nd：YVO 4を使用し、6.9Wの注入ポンピングパワーで3.92W 1064nmのレーザー出力が得られます。 – 光変換効率は56.9％です[10]。 2016年に、Tanant Waritanantら。 914nm励起Nd：YVO 4を使用してモード同期レーザー出力を達成し、ポンプ光の吸収に対応する6.7W、87MHzモード同期レーザー出力を得た。スロープ効率は77.1％、光 – 光変換効率は60.7％である[11]。上記の研究はすべて、励起光源として通常の半導体レーザーまたは非ロック波長を有する固体レーザーを使用しており、それらはすべて基本周波数光の研究用である。励起光源としての半導体レーザの場合、半導体レーザの輝線幅が広く、発光波長が温度と共にシフトするため、Ｎｄ：ＹＶＯ ４ 〜９１４ｎｍの励起光の吸収効率は低く、全体の光をもたらす。 。光変換効率は高くなく、伝統的な808nmポンピング方法よりはるかに低く、そしてポンピング光源として914nmソリッドステートレーザーの使用はシステムに複雑さとコストを追加する。
914nm共鳴ポンピングの欠点を克服し、914nm共鳴ポンピング技術を利用するために、本論文は、中心波長としてポンプ光源を用いて、Nd：YVO4キャビティ内周波数二倍化レーザにロック波長914nm共鳴ポンピング技術を最初に適用した。
変調器として音響光学Qスイッチを使用し、高周波数用の周波数2倍結晶としてクラスIの臨界位相整合LBOを使用した、線幅0.3nmの913.9nmロック波長ファイバ結合出力半導体レーザ 周波数、ハイビーム入射ポンプパワーが18W、変調周波数が130kHzのときの532nmレーザ出力の質量で、最高6.7Wの532nm緑色光出力が得られ、全体の光 – 光変換率は37.2％です。 吸収されたポンプ光の光 – 光変換効率に対応する。 60％のパルス幅と52nsで、実験結果は全体の光 – 光変換効率は伝統的な808nmポンピング法と比較することができ、そしてこの方法はレーザの熱効果を効果的に低減しビーム品質を改善できることを示した。 出力レーザーの。
2. 実験装置
図1に示す実験装置は、最大出力電力20W、線幅0.3nmの914nm波長ロックファイバ結合半導体レーザです。この狭い線幅は、結晶の吸収帯域幅とよく一致させることができます。共鳴ポンプは吸収帯が狭いという欠点を有し、ポンプ源は良好な温度安定性を有する。ヒートシンク温度が１０℃から４０℃に変化すると、発光の中心波長は０．６ｎｍだけ移動し、線幅は基本的に維持される。これは変化しないので、極めて高い温度安定性を有するポンプ光源として半導体レーザを使用する。伝送ファイバは４００μｍの直径と０．２２の開口数を有する。カプラは光結合システムです。カップリングシステムの後、ポンプスポットの直径は約〜700μm、M1は1064nmの高反射膜でメッキされ、レーザーの結晶サイズは3×3×20mmです3,1。 ％ドープした結晶をインジウム箔で包み、銅製のヒートシンクに入れる。 M2は914nmの反射防止と1064nmの高反応フィルムシステムでめっきされ、M3は532nmの反射防止と1064nmの高反応フィルムシステムでめっきされ、1064nmと532nmでめっきされたM4
高反応フィルムシステム、AOは音響光学Qスイッチ、その超音波周波数は80MHz、RFパワーは20W、両面は1064nmの反射防止フィルムでコーティング、LBOは3x3x15mm、クラスI臨界位相整合法、カット角はθ= 90°、φ= 11.2°、両端に1064nmおよび532nmの反射防止コーティングが施された、温度制御精度±0.03°Cの高精度温度制御ボックス、および右端からの距離M1からNd：YVO4までの距離は100mm、M2からNd：YVO4の左端までの距離は20mm、M2からM3までの距離は80mmです。
M3からM4までの距離は40 mmで、M1、M2、M3、およびM4は平面ミラーです。
図1波長ロックレーザダイオードインバンド励起Nd：YVO 4 / LBO緑色レーザの構成と光路
図２は、キャビティ内のスポットサイズ分布を示している。 計算結果から、Nd：YVO 4結晶上の基本モードスポット径は624μmであり、これは700μmポンプ光と良いパターンマッチングを持つことが分かった。 また大きいです。 ポンプスポットは、高ドープＮｄ：ＹＶＯ ４結晶のアップコンバージョン効果を低減しながら、熱効果をさらに低減することができる
図2キャビティ内のスポット分布
3. 結果分析
まず、Nd：YVO 4による励起光の吸収を調べた。水晶ヒートシンク温度が25℃のとき、1％ドーピング、
長さ20mmのNd：YVO 4は914nmのポンプ光の62％を吸収します。図３は、異なる変調周波数における出力５３２ｎｍレーザ出力と入射ポンプ出力との間の関係を示す。実験結果から、ポンプパワーが１８Ｗで変調周波数が１３０ｋＨｚの場合、入射ポンプ光の光 – 光変換率に対応して、最大６．７Ｗの５３２ｎｍレーザ出力が得られることが分かる。 。
３７．２％、吸収された励起光に対応する光 – 光変換率は６０％、変調周波数は１７０ｋＨｚであり、５．７Ｗの緑色光出力が得られ、そして、に対応する光 – 光変換効率が得られた。周波数が130 kHzから徐々に増加するとき、入射ポンプ光は31.7％です。出力が低下すると、出力電力と変換効率は徐々に低下します。変調度がそれぞれ90 kHz、50 kHz、20 kHzの場合、最大ゲインは5.8 Wです。
５．２Ｗおよび３．２Ｗのレーザー出力、対応する光および光変換効率は、それぞれ３２．２％、２６％および１７．７％である。 ９１４ｎｍで励起されたＮｄ：ＹＶＯ ４キャビティ内周波数逓倍レーザは、高い繰り返し率で動作することができることが分かる。比較的高い変換効率が得られる。繰り返し周波数が比較的低い場合、特に２０ｋＨｚの周波数では、出力電力はポンプ電力が増加するにつれて同様の熱飽和効果を有する。ポンプの出力が14 Wを超えると、出力は次のようになります。スロープは明らかに減少しています。私たちの分析は、アップコンバージョン率がΓ∆n2と書くことができるため、インバータが低周波数で動作しているときに高ドーピング濃度の結晶がより深刻であることが主な理由です。
ここで、はアップコンバージョン係数で、∆nは逆粒子数密度です[12-16]。ここから、アップコンバージョン率は逆粒子数密度の2乗に比例することがわかります。ドーピング濃度結晶は低い周波数で動作し、ポンプパワーは高く、反転粒子の数密度はこの時点で高く、アップコンバージョン効果および蛍光消光効果はさらに高められている。光変換率は著しく低下します。
図4ポンプ出力18W時の出力電力、効率、繰り返し周波数の関係
図4は、18 Wポンプパワーの出力パワー、光 – 光変換効率（吸収されたポンプパワーに対応）、および繰り返し周波数を示しています。
実験結果から、繰り返し周波数が４０ｋＨｚから１３０ｋＨｚまで徐々に増加すると、出力パワーも増加し、光 – 光変換効率もゆっくり増加することが実験結果から分かる。繰り返し周波数が130kHzの場合、出力電力は最大6.7Wです。130kHzから170kHzまで周波数が徐々に増加すると、出力電力は減少します。変調周波数が170kHzの場合、出力電力は5.7Wに低下しますが、上記2つのプロセスの出力電力と光 – 光変換効率はゆっくり変化しますが、繰り返し周波数が30kHzから15kHzに低下した場合出力パワーと光 – 光変換効率の両方が急激に低下する。実験結果はこれを示した。
914nmの共鳴励起高ドープNd：YVO 4レーザは、高い繰り返し周波数での動作により適しています。繰り返し周波数が低すぎると、高ドープ結晶は短い上限エネルギー準位寿命および高いアップコンバージョン係数を有し、これは強い自然放出をもたらす。そしてアップコンバージョン損失。
実験的測定は、パルス幅が１３０ｋＨｚのパルス幅で５２ｎｓであり、対応するピーク電力が１ｋＷであることを示している。レーザーのビーム品質をナイフエッジ（90/10）で測定し、緑色光のX方向とY方向のビーム品質係数を求めます。結果はそれぞれ1.3と1.2です。測定結果を図5に示します。より良いビーム品質の出力が得られる理由は主に次のとおりです。第一に、914nmポンプは量子損失によって発生する熱を減らし、それによって熱レンズ効果を減らす。ビーム品質が向上します。第二に、合理的なパターンマッチングも良好なビーム品質を得るための重要な理由です。
図5ビーム品質係数測定結果
- 結論
初めて、914nm共振ポンピング技術が音響光学Qスイッチキャビティ内周波数逓倍レーザーに適用されます。実験では、Nd：YVO 4を利得媒質として使用し、クラスI臨界位相整合LBOを周波数逓倍クリスタルとして使用します。高繰り返し率、高ビーム品質の532nmレーザー出力。レーザは高い繰り返し周波数で良好な性能を有する。繰り返し周波数が低い（＜３０ｋＨｚ）とき、特に高出力ポンピングがアップコンバートされて自然放出が比較されるとき、Ｎｄ：ＹＶＯ ４のドーピング濃度は高い。深刻な、それは光と光変換効率の大幅な低下につながります。励起パワーが１８Ｗ、繰り返し周波数が１３０ｋＨｚの場合、最大６．７Ｗの乗数光出力が得られ、入射励起光に対応する光 – 光変換率は３７．２％、光 – 光変換率は３７．７％となる。吸収されたポンプ光に対応する変換率は６０％である。変換効率は伝統的な808nmポンピング法と比較してレベルに達することができて、そして良い応用展望を持っている。