第29卷第6期2003年11月 光学技术
OPT ICAL T ECHN IQ UE
Vol.29No.6
N ov. 2003
文章编号:1002 1582(2003)06 0675
02二极管泵浦1064nm 单频Nd YVO 4激光器的研究 郑权，赵岭
(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130022)
摘 要：报道了一种用国产激光二极管泵浦的1064nm 单频Nd YV O 4红外激光器的设计。利用布氏片和石英晶体组合构成的双折射滤光片技术，在泵浦功率为800mW 时，实现了功率为360mW 的1064nm 红外单频输出。测量结果表明，偏振比超过了1000 1，功率稳定性优于0 5%，振幅噪声小于0 1%。 关
键
词:LD 泵浦;Nd Y VO 4；单频激光器
中图分类号:T N248.3+4 文献标识码:A
Study of a diode pumped single frequency Nd YVO 4laser at 1064nm
白洋淀死鱼
ZHEN G Quan,ZH AO Ling
(Changchun Institute of Optics,Fine M echanics and Physics,Changchun 130022,China)
Abstract:A design of LD pumped single frequency Nd Y VO 4laser at 1064nm i s presented.Using the bir efringent filter formed by the combinatio n of a Brewster plate and quartz crystal,mode selection i s per for med.With 800mW incident pump laser,360mW sing le fr equency infrared laser at 1064nm is obtained.M easurements show that the polar ization r ate is mo re than 1000 1,stability in 4hours is better than 0.5%,and amplitude noise is less than 0.1%.
Key words:L D pumped;N d Y VO 4;sing le frequency laser
1 引 言
对于常见的驻波腔激光器来说，腔内振荡的纵模在空间上具有完全确定的驻波图样，光强沿腔轴方向并不是均匀分布的。因此随着腔轴上各点的反转粒子数的不同，增益也就不同。在某个纵模达到阈值并开始振荡后，随着激发的增强，在驻波波腹处图1 多纵模的形成 的反转粒子数因被该纵模大量消耗，其值变为最小，而在波节处则最大。因而增益沿腔轴呈周期
性变化，这种现象称为空
间烧孔效应[1]。由于空间烧孔效应的存在，所以在满足驻波振荡条件下的各纵模就会利用空间不同部分的反转粒子数产生振荡，出现多纵模(图1)。在未采取选频措施时，驻波腔激光器通常为多纵模运转。多纵模运转会引起很多问题，如使激光输出频带加宽、激光时间和空间相干性变差、纵模竞争导致输出功率不稳等。尤其是在腔内插入非线性光学元件时，不同的纵模之间还会在极化物质中相互耦合，产生随机的和频、差频等现象，使输出激光
的质量进一步下降[2]。
近几年来，国内外学者在理论和实验上对单频激光器进行了大量的研究，提出了诸如短腔、行波腔、短程吸收、标准具和复合腔等诸多方案。文献[3]报道了一种在腔内插入布氏片，使它与KTP 晶体结合形成双折射滤光片来实现单频输出的方法。本文用LD 泵浦5m m 长、掺杂1 1at%的Nd YAG 晶体，在泵浦功率为350mW 时，获得了3 1mW 的单频绿光。
因为双折射滤光片技术结构简单，引入的损耗小，因此有希望成为实现中低功率全固态激光器单频运转的优选方案[4]。本文在一台LD 泵浦的Nd YVO 4激光器中插入由布氏片和石英晶体构成的双折射滤光片，实现了1064nm 红外激光的单频稳定输出。
2 双折射滤光片技术
腔内含有双折射滤光片的激光器谐振腔如图2所示。图中M 1、M 2为谐振腔镜,BF 为双折射滤光片,P 为构成双折射滤光片的偏振器,W 为构成双折射滤光片的双折射晶体，且设偏振器的偏振方向
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收稿日期:2003 04 22；收到修改稿日期:2003 05 12
基金项目：国家高技术研究发展计划资助项目(2002AA311141)；吉林省科技发展计划资助项目(20020607)
作者简介：郑权(1973 )，男，中国科学院长春光学机械研究所博士，博士后，主要从事高性能及大功率全固态激光器的研究。E mail:zhengquanok @163
与双折射晶体的快轴成45 角。
用琼斯矩阵法分析图1的激光器所得到的往返琼斯矩阵的本征值为
[5]
p ,s =12(
1+T )cos 2!(1+T )2cos 2
2
-4T (1)
图2 含双折射滤光
片的激光器谐振腔
式中,T 是偏振器中含有损耗的偏振方向光的单程强度透过率; =4 !nl/ 是由腔内双折射滤光片中的双折射晶体引起的光场往
返位相差，其中!n 是双折
射晶体的双折射,l 是双折射晶体的几何长度, 是
基频光波长。由此可得到光场的往返透过率为 2
i (i北戴河281医院
=p ,s)，而p 、s 分别表示平行和垂直于入射面的偏振方向。1- 2
i 为相应偏振态的往返损耗。
图3 双折射滤光片的往返透过率与位相差的关系
用公式(1)作出的双折射滤光片的往返透过率与双折射晶体引起的位相差 的关系曲线如图3所示。从图3可以看出，不同的位相差对应不同的
透过率，且透过率曲线以2 为周期，即当 为2 整数倍的光波往返通过偏振器时光波的偏振态不变，损
耗最小，而双折射晶体对光波的这种往返作用在物理光学中恰恰是全波片的作用, 又是波长(频率)的函数。这样只有该频率的光波的损耗为零，其它频率的光波则由于位相差不是2 的整数倍，偏振态由线偏振变成椭圆偏振，当再次通过偏振器时所产生的纵模间的相对损耗被抑制掉，这就是双折射滤光片选频的原理。
3 实验与结果
下面来分析如图4所示的含双折射滤光片的Nd YVO 4激光器的选频机制。构成BF 的偏振器为布氏角放置的平板玻璃，构成BF 的双折射晶体选用的是石英晶体。石英晶体的光轴与晶面平行，并与入射基频光的偏振方向成45 角。
Nd YVO 4发出的光为线偏振光。由Fresnel 定律可知，只有当其偏振方向与布氏片BP 的p 偏振面重合时损耗才为零。对光轴与晶面平行，并与入射基频光的偏振方向成45 角的石英晶体来说，当基频线偏振光通过时会分解为o 光和e 光，位相差∀为
∀=2 d
n o -n e
(2)
式中,d 为石英晶体的长度;n o 和n e 分别是由不同
纵模分解的o 光和e 光在石英中的折射率; 为不同纵模在真空中的波长。根据上面的分析，只有∀=m ，也就是说返回到BP 片上的偏振方向与原方向具有相同的纵模，布氏片对其损耗才为零。对其它纵模来说，则存在不同的损耗。
可见，腔内的布氏片有两个作用：一是不同的纵模其布氏角是不同的。当某一纵模为布氏角时，其它纵模的p 分量有一定的反射损耗。二是当不同纵模往返经过石英时，其偏振方向会发生偏转，布氏片对存在s 分量的纵模会产生较大的反射损耗。显然后者是主要的。在激光器中，有时百分之几的损耗就可以完全抑制该纵模的形成。
图4 由布氏片和石英晶体构成的双折射滤光片
HR ∀全反镜;BP ∀布氏片;
M ∀输出镜。
设计了如图5所示的实验装置。LD 是中国科学院半导体研究所生产的，最大功率为1W，在25#下中心发射波长为808.3nm,
图5 单频激光器结构示意图
LD ∀激光二极管;BP ∀布氏片;
M ∀输出镜
发散角为7.9 ∃33.2 。LD 发出的光经过耦合系统后聚焦入射到厚 2.0mm 、掺杂浓度为
1at%的Nd YVO 4晶体中。Nd YVO 4的左端面镀808nm 增透膜和1064nm 高反射膜，右端面镀1064nm 增透膜；输出平凹镜M 的左凹面曲率半径为50mm ，镀1064nm 部分反射膜(透过率T =5%)；布氏片采用厚度为0.3mm 的K9玻璃，并经严格抛光；石英晶体长约3mm，两端镀1064nm 增透膜，放置在半导体制冷器上，通过严格的温控、微调长度和折射率，使它对所选的纵模形成全波片。
显然，单频激光器的理想运转情况为：所选取的纵模是增益曲线中心频率纵模；中心频率纵模的光波偏振方向应与BP 片p 偏振面重合；振荡纵模偏振方向应与石英晶体光轴呈45 角；石英晶体的长度和折射率应满足(2)式。只有这样才会获得具有最大增益的单频输出。同时还应该使用浓度较低的激光晶体和缩短谐振腔长度来减少纵模数量和增加纵模间隔，为选频创造良好的前提。
(下转第679页)
676
光 学 技 术
意外妊娠看法第29卷
长%的总体质量高的优势，使得整个视频的平滑度和整体质量能同时达到最优。
4 实验结果和分析
表1中的滑动窗口为10,60,200，滑动步长为10,60,1。若!W<TH1，则取n=10,s=10；若TH1&!W<TH2，则取n=60,s=60；若!W∋TH2，则取n=120,s=1。Y_PSNR、U_PSNR和V_ PSNR分别表示重构视频序列亮度分量和度分量的PSNR平均值，波动值用重构视频序列所有帧亮度分量PSNR值的方差来表示，其值越小，表示重构视频序列质量越平滑；其值越大，表示重构视频序列的质量波动越大。
表1 动态带宽分配方法和质量加权
比特分配方法的性能比较
方法窗口大小滑动步长Y
_
PSNR U_PSNR V_PSNR波动值
质量加权码率分配6037.16941.69442.4423.587 12037.20841.83142.48521.165
动态带宽分配方法120,120,120120,60,139.18843.03843.81620.312 120,120,12030,20,1038.77242.81343.54618.952 80,100,12080,80,8039.16742.99643.77519.95
从上面的实验结果可以看出：本文提出的动态带宽分配方法可以根据当前网络的波动程度实时调整滑动窗口和滑动步长的大小，从而就可以高度灵活地适应网络的实时变化。这样不仅可以大大减小相邻帧的质量波动，而且可以提高整个序列的总体质量。
5 结 论
本文利用MPEG 4精细可分级编码技术(FGS)构建了一个视频流式传输系统，并重点研究了速率控制问题。速率控制模块采用了一个适合视频流式传输的动态带宽分配方法，它可以根据当前网络的波动程度灵活地调整滑动窗口和滑动步长的大小，从而就可以高度适应网络的实时变化。实验结果证明，与质量加权码率分配方法相比，本文提出的动态带宽分配方法不仅可以减小相邻帧间的质量波动，而且可以提高整个视频序列的总体质量。此方法非常适合视频流式传输。
参考文献:
[
1]Li W eiping.Overview of fine granularity scalability in M PEG 4
video s tandard[J].IEEE Transactions on Circui ts and Systems for
Video Technology,2001,11(3):301∀317.
[2]C hen Zhibo,He Yun.Quality weighted bit allocation for smooth er
s treaming of stored FGS Video[A].IEEE Pacific Rim Conference
on M ultimedia[C].USA:IEEE,2001.
[3]W ang Qi,Xiong Zi xiang,Wu Feng,et al.Optimal rate allocation
for progressive fine granularity s calable video codi ng[J].IEE E
Transactions on S i gnal Processi ng Letter,2002,9(2):33∀39. (上接第676页)
图6 加入双折射滤光
片前后的纵模情况
(a)三纵模频率运转(436mW);
索尼机芯(b)单纵模运转(360mW)
仔细调节布氏
片的角度和石英晶
体的温度，在800
mW的注入泵浦功
率下，获得了360
mW的单频1064nm
的激光输出。图6
是用中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研
制的F P共焦扫描干涉仪(基本参数:1064nm的反
射率R=98%，镜片间距h=5mm)观察到的激光
器在加入双折射滤光片前后的纵模运转情况。加入
双折射滤光片前，激光器输出功率为436mW，存在
3个纵模频率；加入双折射滤光片后，激光器输出功
率为360mW，单纵模稳定运转。用格兰棱镜测量表
明，输出的单频激光束具有良好的线偏振性，偏振比
超过1000:1，这是由Nd YVO4晶体的线偏振光发
射特性和BP片起偏特性共同作用的结果。通过用
Coherent公司的LabMaster Ultima P540量子功率
计进行功率稳定性和振幅噪声的全自动测量和统计
计算，结果表明在单频激光输出状态下,4h功率稳
定性优于0.5%，振幅噪声小于0.1%(均方根值)。
4 结 论
本文通过在一台LD泵浦的Nd YVO4激光器
中插入由布氏片和石英晶体构成的双折射滤光片,
实现了1064nm激光的单频输出。在泵浦功率为
800mW时,1064nm单频输出达到了360mW，偏振
比超过了1000 1,4h功率稳定性优于0.5%，振幅
噪声小于0.1%。
鉴于双折射滤光片技术具有结构简单、调节方
便、引入损耗小等优点，因此是实现LD泵浦的中低
功率全固态激光器单频运转的优选方案。
参考文献:
[1]Zayhowski J J.The effects of spatial hole burning and energy diffu
sion on the single mode operation of standing w ave lasers[J].IEEE
T ransactions on Quant Electr,1990,26(12):2052∀2057.
[2]Baer T.Large ampli tude fluctuations due to longitudinal mode cou
pling in diode pumped intracavity doubled Nd YAG lasers[J].J
Opt Soc Am B,1986,3(9):1175∀1180.gis在物流中的应用
[3]Nagai H.Low noise operati on of a diode pumped intracavity dou
bled Nd YAG laser using a Brewster plate[J].IEEE Trasactions on
Quant Electr,1992,28(6)1164∀1168.
[4]郑权，檀慧明.用布氏片实现有效连续和脉冲单纵模绿光输出
[J].中国激光,2002,29(A9):769∀772.
[5]Fan T Y.Single Axial mode,intracavity double Nd YAG laser[J]
.IEEE T ransactions on Quant Electr,1991,27(9):2091∀3093.宫体诗
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第6期董海燕，等: 基于M PEG 4的视频流式传输系统及动态带宽分配方法
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