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【摘要】利用准相位匹配周期极化掺杂氧化镁（MgO）的铌酸锂（PPMgLN）晶体作为倍频晶体，在晶体最佳工作温度（25℃）时，当作为泵浦源的激光二极管的泵浦激光功率达到4.8W，输出得到了456nm的连续蓝光，最大输出功率为240mW，光光转换效率为5%。倍频晶体PPMgLN的尺寸为3×3×3mm3，极化周期为4.2μm。在此实验的基础上，制成了一台小型全固态456nm连续蓝光激光器。
【关键词】蓝光激光器；周期极化；PPMgLN；准相位匹配；倍频
1.引言
中小功率的全固态蓝光激光器和相对成熟的红绿激光器一起，可以作为彩色显示的三基色光源。这种新型的光源，由于其结构紧凑、稳定性高、寿命长等优点成为近年来激光显示领域的热点研究领域。目前，获得蓝色激光的主要方式有以下几种：1）半导体材料直接发射蓝光；2）由激光二极管输出激光的倍频；3）蓝色波导激光器；4）以上转换材料为增益介质的蓝光激光器；5）利用倍频、和频、光参量振荡等非线性光学手段产生蓝光[1]。近年来，随着工艺的提高，利用准相位匹配QPM（Quasi-Phase Matching）的周期极化晶体的工艺也已逐渐成熟，准相位匹配技术[2-5]大大拓宽了非线性晶体的应用范围。周期极化LiNbO3晶体（PPLN），具有较高的电光效应、非线性光学和光折变效应及其他的许多优良的特性[6]，尤其是掺杂MgO之后，其矫顽场降低，光折变损伤阈值得到了提高。高兰兰等报道过使用BBO倍频晶体得到了蓝色激光[7]，楼祺洪等报道过利用PPMgLN波导倍频蓝光，得到了20mW的连续激光输出[8]，但波导式PPMgLN与本文所指的体PPMgLN相比，制作工艺复杂，价格昂贵，不适合应用于消费类工业产品中。本文利用体PPMgLN晶体作为倍频晶体，在4.8W泵浦光作用下，输出得到了456nm的连续蓝光，最大输出功率为240mW，并在此实验的基础上，制成了一台小型全固态456nm连续蓝光激光器。
2.蓝光激光器实验
实验采用某公司提供的激光二极管（LD）作为泵浦源，其中心波长大致为808nm，满足激光晶体Nd：GdVO4的最佳吸收波长值。实验采用掺杂4.9mol%氧化镁的铌酸锂基片进行极化，获得了倍频晶体PPMgLN。掺杂氧化镁的PPMgLN倍频晶体除了具有PPLN晶体的优点外，还提高了抗光折变折变损伤能量，增加了损失阈值，降低了矫顽场，更容易获得高品质的电场极化晶体。根据掺镁铌酸锂晶体的性质，对基片施加0.8kV的脉冲电压，周期为50ms。极化后，将样品放入到氢氟酸中进行腐蚀。在显微镜下观察其极化效果如图1所示。
实验采用半导体激光二极管泵浦的腔内倍频Nd：GdVO4/PPMgLN连续输出456nm蓝光激光器，实验装置图如图2所示。在温度25℃时，LD的中心发射波长为808nm，泵浦功率为4.8W。激光二极管发出的激光光斑经过耦合透镜之后在激光晶体Nd：GdVO4上的大小为200μm。使用的激光晶体Nd：GdVO4大小为3×3×3mm3（厚×宽×长），Nd3+的掺杂浓度为0.5%at.%。PPMgLN作为倍频晶体，尺寸为0.5×2×2mm3，掺杂氧化镁的浓度为4.9mol%。在倍频晶体的两个端面都镀上912nm和456nm的高透膜，并由半导体制冷器TEC来进行温度控制。激光谐振腔的左端面是Nd：GdVO4激光晶体，在它左端面镀上912nm的高反膜和808nm的高透膜，右端面镀上912nm谱线的高透膜和456nm谱线的高反膜。实验中Nd：GdVO4的右端面镀上倍频光456nm的高反膜，主要目的是为让腔内往返两个方向产生的倍频蓝光能够从一个方向输出，同时避免倍频蓝光在Nd：GdVO4晶体内的吸收损耗。激光谐振腔的右端面是曲率半径为50mm的平凹输出镜，用于反射基频光，同时输出二次谐波，在这个端面上，我们镀了对912nm谱线的高反膜和456nm谱线的高透膜，用于减少腔内损耗。整个激光谐振腔的长度是35mm。
3.实验结果分析
在808nm激光二极管（LD）连续泵浦Nd：GdVO4/PPMgLN情况下，456nm蓝光激光的输出功率如图3所示。
输出功率随泵浦功率变化曲线
通过改变激光二极管LD的输入电流，得到上述实验数据。当泵浦功率增加至4.8W时，蓝光激光的输出功率为240mW，由此计算出蓝光激光器的光-光转换效率为5%。可以看出：连续泵浦Nd：GdVO4/PPMgLN的蓝光激光器光-光转换效率较低，造成这种情况的原因是因为倍频晶体PPMgLN的极化反转畴占空比不均匀，没有达到50%的理想条件。蓝光波段PPMgLN极化周期理论计算为4.2μm，反转畴的条宽为周期的二分之一（2.1μm）。由于PPMgLN晶体在极化时存在反转中畴的相互作用导致扩张、合并等问题，因此在极化PPMgLN中控制2.1μm的畴反转，反转畴深度达到500μm-1000μm，而且保证晶体材料不击穿、铁电畴横向扩展可控有很大的技术难度。同时，由于畴反转的不均匀带来散射损耗的增加以及极化残余应力导致的腔内损耗，使得Nd：GdVO4/PPMgLN蓝光激光器总体转换效率降低。下一实验阶段的重点将放在解决PPMgLN晶体畴反转均匀性问题的基础上，优化极化与退火条件，消除不利因素，提高Nd：GdVO4/PPMgLN蓝光激光器的电光转换效率。
参考文献
[1]赵业权，徐衍岭，徐悟生，等.KLN晶体的生长及其结构性能的研究[J].压电与声光，2000，22（6）：389-391.
[2]姚建铨.非线性光学频率变换及准相位匹配技术[J].人工晶体学报，2002，31（3）：201-207.
[3]梁晓燕，侯玮，吕军华，等.低阈值宽调谐PPLN光参量振荡[J].中国激光，2002，29（1）：10-12.
[4]朱晓峥，周军，楼祺洪，等.准连续双包层光纤激光在周期性极化铌酸锂晶体中倍频产生59mW绿光[J].中国激光，2004，31（7）：777-779.
[5]GUO Xiao-ping，CHEN Meng，LI Gang，et al.Diode-pumped 1123-nm Nd：YAG laser[J].Chinese Optics Letters，2004，2（7）：402-404.
[6]王义杰，莫阳，刘威，等.激光波长对镁钌铁铌酸锂的全息存储性能影响[J].压电与声光，2011，33（5）：784-787.
[7]高兰兰，檀慧明，陈颖新.双BBO腔内倍频消除走离效应对激光器的影响[J].激光技术，2003，6（3）：245-247.
[8]楼祺洪，叶震寰，董景星，等.紧凑型连续波半导体激光倍频的488nm蓝光激光器[J].激光与光电子学进展，2005，42（12）：4-4.
作者简介：柴燕（1985—），女，四川遂宁人，碩士，助教，现供职于四川文理学院物理与工程技术系，主要从事非线性光学，固体激光器及激光显示方面的研究。
【关键词】蓝光激光器；周期极化；PPMgLN；准相位匹配；倍频
1.引言
中小功率的全固态蓝光激光器和相对成熟的红绿激光器一起，可以作为彩色显示的三基色光源。这种新型的光源，由于其结构紧凑、稳定性高、寿命长等优点成为近年来激光显示领域的热点研究领域。目前，获得蓝色激光的主要方式有以下几种：1）半导体材料直接发射蓝光；2）由激光二极管输出激光的倍频；3）蓝色波导激光器；4）以上转换材料为增益介质的蓝光激光器；5）利用倍频、和频、光参量振荡等非线性光学手段产生蓝光[1]。近年来，随着工艺的提高，利用准相位匹配QPM（Quasi-Phase Matching）的周期极化晶体的工艺也已逐渐成熟，准相位匹配技术[2-5]大大拓宽了非线性晶体的应用范围。周期极化LiNbO3晶体（PPLN），具有较高的电光效应、非线性光学和光折变效应及其他的许多优良的特性[6]，尤其是掺杂MgO之后，其矫顽场降低，光折变损伤阈值得到了提高。高兰兰等报道过使用BBO倍频晶体得到了蓝色激光[7]，楼祺洪等报道过利用PPMgLN波导倍频蓝光，得到了20mW的连续激光输出[8]，但波导式PPMgLN与本文所指的体PPMgLN相比，制作工艺复杂，价格昂贵，不适合应用于消费类工业产品中。本文利用体PPMgLN晶体作为倍频晶体，在4.8W泵浦光作用下，输出得到了456nm的连续蓝光，最大输出功率为240mW，并在此实验的基础上，制成了一台小型全固态456nm连续蓝光激光器。
2.蓝光激光器实验
实验采用某公司提供的激光二极管（LD）作为泵浦源，其中心波长大致为808nm，满足激光晶体Nd：GdVO4的最佳吸收波长值。实验采用掺杂4.9mol%氧化镁的铌酸锂基片进行极化，获得了倍频晶体PPMgLN。掺杂氧化镁的PPMgLN倍频晶体除了具有PPLN晶体的优点外，还提高了抗光折变折变损伤能量，增加了损失阈值，降低了矫顽场，更容易获得高品质的电场极化晶体。根据掺镁铌酸锂晶体的性质，对基片施加0.8kV的脉冲电压，周期为50ms。极化后，将样品放入到氢氟酸中进行腐蚀。在显微镜下观察其极化效果如图1所示。
实验采用半导体激光二极管泵浦的腔内倍频Nd：GdVO4/PPMgLN连续输出456nm蓝光激光器，实验装置图如图2所示。在温度25℃时，LD的中心发射波长为808nm，泵浦功率为4.8W。激光二极管发出的激光光斑经过耦合透镜之后在激光晶体Nd：GdVO4上的大小为200μm。使用的激光晶体Nd：GdVO4大小为3×3×3mm3（厚×宽×长），Nd3+的掺杂浓度为0.5%at.%。PPMgLN作为倍频晶体，尺寸为0.5×2×2mm3，掺杂氧化镁的浓度为4.9mol%。在倍频晶体的两个端面都镀上912nm和456nm的高透膜，并由半导体制冷器TEC来进行温度控制。激光谐振腔的左端面是Nd：GdVO4激光晶体，在它左端面镀上912nm的高反膜和808nm的高透膜，右端面镀上912nm谱线的高透膜和456nm谱线的高反膜。实验中Nd：GdVO4的右端面镀上倍频光456nm的高反膜，主要目的是为让腔内往返两个方向产生的倍频蓝光能够从一个方向输出，同时避免倍频蓝光在Nd：GdVO4晶体内的吸收损耗。激光谐振腔的右端面是曲率半径为50mm的平凹输出镜，用于反射基频光，同时输出二次谐波，在这个端面上，我们镀了对912nm谱线的高反膜和456nm谱线的高透膜，用于减少腔内损耗。整个激光谐振腔的长度是35mm。
3.实验结果分析
在808nm激光二极管（LD）连续泵浦Nd：GdVO4/PPMgLN情况下，456nm蓝光激光的输出功率如图3所示。
输出功率随泵浦功率变化曲线
通过改变激光二极管LD的输入电流，得到上述实验数据。当泵浦功率增加至4.8W时，蓝光激光的输出功率为240mW，由此计算出蓝光激光器的光-光转换效率为5%。可以看出：连续泵浦Nd：GdVO4/PPMgLN的蓝光激光器光-光转换效率较低，造成这种情况的原因是因为倍频晶体PPMgLN的极化反转畴占空比不均匀，没有达到50%的理想条件。蓝光波段PPMgLN极化周期理论计算为4.2μm，反转畴的条宽为周期的二分之一（2.1μm）。由于PPMgLN晶体在极化时存在反转中畴的相互作用导致扩张、合并等问题，因此在极化PPMgLN中控制2.1μm的畴反转，反转畴深度达到500μm-1000μm，而且保证晶体材料不击穿、铁电畴横向扩展可控有很大的技术难度。同时，由于畴反转的不均匀带来散射损耗的增加以及极化残余应力导致的腔内损耗，使得Nd：GdVO4/PPMgLN蓝光激光器总体转换效率降低。下一实验阶段的重点将放在解决PPMgLN晶体畴反转均匀性问题的基础上，优化极化与退火条件，消除不利因素，提高Nd：GdVO4/PPMgLN蓝光激光器的电光转换效率。
参考文献
[1]赵业权，徐衍岭，徐悟生，等.KLN晶体的生长及其结构性能的研究[J].压电与声光，2000，22（6）：389-391.
[2]姚建铨.非线性光学频率变换及准相位匹配技术[J].人工晶体学报，2002，31（3）：201-207.
[3]梁晓燕，侯玮，吕军华，等.低阈值宽调谐PPLN光参量振荡[J].中国激光，2002，29（1）：10-12.
[4]朱晓峥，周军，楼祺洪，等.准连续双包层光纤激光在周期性极化铌酸锂晶体中倍频产生59mW绿光[J].中国激光，2004，31（7）：777-779.
[5]GUO Xiao-ping，CHEN Meng，LI Gang，et al.Diode-pumped 1123-nm Nd：YAG laser[J].Chinese Optics Letters，2004，2（7）：402-404.
[6]王义杰，莫阳，刘威，等.激光波长对镁钌铁铌酸锂的全息存储性能影响[J].压电与声光，2011，33（5）：784-787.
[7]高兰兰，檀慧明，陈颖新.双BBO腔内倍频消除走离效应对激光器的影响[J].激光技术，2003，6（3）：245-247.
[8]楼祺洪，叶震寰，董景星，等.紧凑型连续波半导体激光倍频的488nm蓝光激光器[J].激光与光电子学进展，2005，42（12）：4-4.
作者简介：柴燕（1985—），女，四川遂宁人，碩士，助教，现供职于四川文理学院物理与工程技术系，主要从事非线性光学，固体激光器及激光显示方面的研究。