新型钠信标激光器研究进展
发布时间：2021-12-10 02:49
自适应光学技术广泛应用于大型地基光学望远镜,以校正大气扰动造成的波前畸变,使望远镜达到近衍射极限分辨率,实现对观测目标的清晰成像。激光钠导引星作为自适应光学校正的信标源,是自适应光学望远镜的核心技术之一。介绍了589nm光抽运垂直外腔面发射半导体钠导引星激光器和掺Dy3+晶体作为增益介质直接发射589nm激光的固体激光器的最新研究进展。这些方案因其具有体积小、效率高、可靠性高、成本低、易维护等优势,被认为是新一代钠导引星激光器有潜力的发展方向。
【文章来源】：激光技术. 2020,44(04)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
OP-VECSEL装置示意图
半导体激光器具有体积小、效率高、质量轻、易集成、波长范围广、可靠性高等优点[16],因而,自20世纪70年代初实现室温连续运转以来,半导体激光器成为了光电子技术领域的重要器件。但半导体激光器也存在一些不足:边发射型半导体激光器可提供较大发射功率,但其输出光斑为椭圆形,光斑的纵横比最差时可达100∶1,快轴发散角约50°～60°,慢轴发散角约8°～10°,在一些应用中须附加光束整形系统。20世纪80年代,垂直腔面发射半导体激光器(vertical cavity semiconductor emitting laser,VCSEL)的出现引起了人们极大的兴趣,与传统的边发射激光器不同,其激光出射方向垂直于衬底表面[17],可获得圆形光斑,阈值低、容易实现2维阵列等优点,在光通信、光互连、光存储、医疗激光显示和科学研究等领域有广泛应用。虽然VCSEL具有理想的圆形光束,但在单横模下工作很难达到大功率。因此,为克服上述缺点,进一步提高半导体激光器的性能一直是激光研究领域重要的课题之一。1997年,KUZETSOV[18]首次提出了光抽运垂直外腔面发射激光器的想法,它综合了高光束质量的VCSEL和高功率激光二极管抽运的固体激光器的优势,可同时获得高功率和高光束质量的激光输出,覆盖从可见光到近红外波段的广阔波段,并且由于其外腔的存在,还可方便地实现高效率的激光腔内频率转换,是一种新型实用的半导体激光光源。尤其是腔内倍频的OP-VECSEL技术,近几年发展迅速,成为新型钠信标激光器件研究领域的和热点,其典型的实验装置示意图如图2所示。包括1178nm增益芯片、 抽运源、高反镜、耦合输出镜、倍频晶体(LBO等非线性晶体)以及用以选波长和压窄线宽的法布里-珀罗(F-P)标准具和双折射滤波片。为了方便进行比较,表1中提供了该方法目前的研究情况,报告了激光系统中相应的研究结果。表1 589nm VECSEL的发展情况 年份 作者 研究结果 参考文献 2003 GERSTER 抽运光功率:P805nm=2.1W输出功率:P589nm=15mWCW, TEM00模式 [19] 2007 MOLONEY 输出功率:P1178nm=7W转换效率:η=31%光束质量:M2=1.43 [20] 2008 FAN 基频光光谱:λ=1147nm～1197nm输出光光谱:λ= 575nm～595nm输出功率:P585nm-589nm=2.5W光光转换效率:η=15% [21] 2008 FALLAHI 基频光光谱:λ=1147nm～1197nm输出光光谱:λ=575nm～595nm输出功率:P1175nm=8.6W(M2≈1.5)P585nm & 589nm=5W [22] 2009 KANEDA 输出功率:P589nm=2W谱线宽度:<5MHz [23] 2010 LEINONEN 输出功率:P589nm=1.7W谱线宽度:20MHz [24] 输出功率:P589nm=2.1W谱线宽度:43MHz [25] 2012 HESSENIUS 输出功率:P589nm=4W转换效率: η=16%谱线宽度:10MHz [26] 2012 LEINONEN 输出功率:P589nm=1.7W谱线宽度:20MHz [27] 2012 BERGER 输出功率:P589nm=22W转换效率: η=24%光束质量:M2≈1.01 [28] 2013 ALFORD 基频光功率:P1178nm=11W输出功率:P589nm=3W谱线宽度:50MHzTEM00 模式 [29] 2014 KANTOLA 输出功率:P588nm=20W输出功率:P589nm=10W光束质量:M2<1.01输出功率:P589nm=81mW(570ns)输出功率:P589nm=149mW(1080ns) [30]
由于Dy3+离子特殊的电子结构,Dy3+的4f电子层受到其外面5s2和5p6电子层的屏蔽,其受外界电磁场或配位场的影响较小,因而化合物中的Dy3+与自由状态的Dy3+的吸收光谱相似,均为线状光谱。图3所示是Dy3+离子的能级示意图。包括一组能级6HJ(J=15/2到5/2)和6FJ(J=11/2到1/2),波数范围延续到14000cm-1;而后是波数宽度达21000cm-1的能隙,能隙上方是紧密排布的另一组能级,包括4F,4I,4G,4M,4K,4D等能级,一直延续到紫外光区域,其最下方为亚稳态的4F9/2。二组能级之间的宽带隙使得能级4F9/2不能够发生多声子弛豫,当Dy3+的浓度较低时,其荧光寿命达到其辐射寿命,为毫秒级别。能级4F9/2可以发射不同波长的光,主要包括黄色光(向6H13/2跃迁)、蓝色光(向6H15/2跃迁)和红色光(向6H11/2跃迁)。2.2 掺Dy3+晶体的研究现状
【参考文献】：
期刊论文
[1]可调谐垂直腔面发射激光器[J]. 李保志,邹永刚. 激光技术. 2018(04)
[2]光泵浦垂直外腔面发射激光器特性及研究进展[J]. 华玲玲,杨阳. 材料导报. 2013(11)
[3]Mixed heavy metal effect on emission properties of Er3+-doped borosilicate glasses[J]. 杨建虎,戴世勋,温磊,戴能利,胡丽丽,姜中宏. Chinese Optics Letters. 2003(05)
本文编号：3531769
【文章来源】：激光技术. 2020,44(04)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
OP-VECSEL装置示意图
半导体激光器具有体积小、效率高、质量轻、易集成、波长范围广、可靠性高等优点[16],因而,自20世纪70年代初实现室温连续运转以来,半导体激光器成为了光电子技术领域的重要器件。但半导体激光器也存在一些不足:边发射型半导体激光器可提供较大发射功率,但其输出光斑为椭圆形,光斑的纵横比最差时可达100∶1,快轴发散角约50°～60°,慢轴发散角约8°～10°,在一些应用中须附加光束整形系统。20世纪80年代,垂直腔面发射半导体激光器(vertical cavity semiconductor emitting laser,VCSEL)的出现引起了人们极大的兴趣,与传统的边发射激光器不同,其激光出射方向垂直于衬底表面[17],可获得圆形光斑,阈值低、容易实现2维阵列等优点,在光通信、光互连、光存储、医疗激光显示和科学研究等领域有广泛应用。虽然VCSEL具有理想的圆形光束,但在单横模下工作很难达到大功率。因此,为克服上述缺点,进一步提高半导体激光器的性能一直是激光研究领域重要的课题之一。1997年,KUZETSOV[18]首次提出了光抽运垂直外腔面发射激光器的想法,它综合了高光束质量的VCSEL和高功率激光二极管抽运的固体激光器的优势,可同时获得高功率和高光束质量的激光输出,覆盖从可见光到近红外波段的广阔波段,并且由于其外腔的存在,还可方便地实现高效率的激光腔内频率转换,是一种新型实用的半导体激光光源。尤其是腔内倍频的OP-VECSEL技术,近几年发展迅速,成为新型钠信标激光器件研究领域的和热点,其典型的实验装置示意图如图2所示。包括1178nm增益芯片、 抽运源、高反镜、耦合输出镜、倍频晶体(LBO等非线性晶体)以及用以选波长和压窄线宽的法布里-珀罗(F-P)标准具和双折射滤波片。为了方便进行比较,表1中提供了该方法目前的研究情况,报告了激光系统中相应的研究结果。表1 589nm VECSEL的发展情况 年份 作者 研究结果 参考文献 2003 GERSTER 抽运光功率:P805nm=2.1W输出功率:P589nm=15mWCW, TEM00模式 [19] 2007 MOLONEY 输出功率:P1178nm=7W转换效率:η=31%光束质量:M2=1.43 [20] 2008 FAN 基频光光谱:λ=1147nm～1197nm输出光光谱:λ= 575nm～595nm输出功率:P585nm-589nm=2.5W光光转换效率:η=15% [21] 2008 FALLAHI 基频光光谱:λ=1147nm～1197nm输出光光谱:λ=575nm～595nm输出功率:P1175nm=8.6W(M2≈1.5)P585nm & 589nm=5W [22] 2009 KANEDA 输出功率:P589nm=2W谱线宽度:<5MHz [23] 2010 LEINONEN 输出功率:P589nm=1.7W谱线宽度:20MHz [24] 输出功率:P589nm=2.1W谱线宽度:43MHz [25] 2012 HESSENIUS 输出功率:P589nm=4W转换效率: η=16%谱线宽度:10MHz [26] 2012 LEINONEN 输出功率:P589nm=1.7W谱线宽度:20MHz [27] 2012 BERGER 输出功率:P589nm=22W转换效率: η=24%光束质量:M2≈1.01 [28] 2013 ALFORD 基频光功率:P1178nm=11W输出功率:P589nm=3W谱线宽度:50MHzTEM00 模式 [29] 2014 KANTOLA 输出功率:P588nm=20W输出功率:P589nm=10W光束质量:M2<1.01输出功率:P589nm=81mW(570ns)输出功率:P589nm=149mW(1080ns) [30]
由于Dy3+离子特殊的电子结构,Dy3+的4f电子层受到其外面5s2和5p6电子层的屏蔽,其受外界电磁场或配位场的影响较小,因而化合物中的Dy3+与自由状态的Dy3+的吸收光谱相似,均为线状光谱。图3所示是Dy3+离子的能级示意图。包括一组能级6HJ(J=15/2到5/2)和6FJ(J=11/2到1/2),波数范围延续到14000cm-1;而后是波数宽度达21000cm-1的能隙,能隙上方是紧密排布的另一组能级,包括4F,4I,4G,4M,4K,4D等能级,一直延续到紫外光区域,其最下方为亚稳态的4F9/2。二组能级之间的宽带隙使得能级4F9/2不能够发生多声子弛豫,当Dy3+的浓度较低时,其荧光寿命达到其辐射寿命,为毫秒级别。能级4F9/2可以发射不同波长的光,主要包括黄色光(向6H13/2跃迁)、蓝色光(向6H15/2跃迁)和红色光(向6H11/2跃迁)。2.2 掺Dy3+晶体的研究现状
【参考文献】：
期刊论文
[1]可调谐垂直腔面发射激光器[J]. 李保志,邹永刚. 激光技术. 2018(04)
[2]光泵浦垂直外腔面发射激光器特性及研究进展[J]. 华玲玲,杨阳. 材料导报. 2013(11)
[3]Mixed heavy metal effect on emission properties of Er3+-doped borosilicate glasses[J]. 杨建虎,戴世勋,温磊,戴能利,胡丽丽,姜中宏. Chinese Optics Letters. 2003(05)
本文编号：3531769
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