LD端面泵浦內(nèi)腔倍頻全固態(tài)綠光激光器研究進(jìn)展

曾灝憲 郭鵬 賀慶

1.中原工學(xué)院理學(xué)院 450007

2.鄭州大學(xué)河南省激光與光電信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 450051

LD端面泵浦內(nèi)腔倍頻全固態(tài)綠光激光器研究進(jìn)展

曾灝憲1，2郭鵬1賀慶1

1.中原工學(xué)院理學(xué)院 450007

2.鄭州大學(xué)河南省激光與光電信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 450051

1、引 言

solid state green lasers. It has more advantages for balancing the lasing performance while using method of intracavity frequency-doubling to produce green laser. After analyzing the researching history of LD end-pumped intracavity frequency-doubling green lasers,we can conclude that the goal of most researches is making a breakthrough in one or two aspects or achieving an optimization balance between several aspects of laser performance. It's important and has some benefits to make a comparison of relevant researches worldwidely for upcoming researches on green lasers and demarcate the current researching level. At the present time, it's true that certain one-sided performance of LD end-pumped intracavity frequency-doubling green laser has reached a very high level, and most of the achievements are contributed by domestic researchers. The current study should focus on how to take better way to make most of the performance indicators more prominent simultaneously.

Lasers; review; intracavity frequency doubling; endpumped; performance indicators

隨著高功率LD和非線性材料的發(fā)展，非線性光學(xué)頻率變換技術(shù)與DPL技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)從深紫外到遠(yuǎn)紅外，包括可見(jiàn)光三原色紅、綠、藍(lán)等各種波長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)具有很高的轉(zhuǎn)換效率，使得LD泵浦的固體激光器在新的應(yīng)用中更受歡迎，成為目前DPL研究的熱點(diǎn)之一。激光二極管泵浦的內(nèi)腔倍頻全固態(tài)綠光激光器發(fā)展迅速，已經(jīng)在通訊、醫(yī)療、激光顯示和科學(xué)研究等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。作為三原色光源之一，綠光激光器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在激光醫(yī)療、舞臺(tái)表演、城市景觀、精密加工、激光顯示、國(guó)防軍事、科學(xué)研究等領(lǐng)域，其研究一直是人們關(guān)注的重要方面。

2、內(nèi)腔倍頻激光器的發(fā)展歷史綜述

激光二極管泵浦的內(nèi)腔倍頻全固態(tài)綠光激光器發(fā)展迅速，已經(jīng)在通訊、醫(yī)療、激光顯示和科學(xué)研究等領(lǐng)域得到了較為廣泛地應(yīng)用。研究高效率、高功率、高光束質(zhì)量和/或高穩(wěn)定性的全固態(tài)綠光激光器仍是當(dāng)前研究的主要內(nèi)容。以?xún)?nèi)腔倍頻的方式產(chǎn)生綠光激光，對(duì)于平衡這幾個(gè)方面的激光性能有較大優(yōu)勢(shì)。通過(guò)分析總結(jié)LD端面泵浦內(nèi)腔倍頻綠光激光器的研究歷史可以看出，人們?cè)谘芯烤G光激光器的過(guò)程中始終以突破其中某一項(xiàng)性能指標(biāo)或者平衡部分指標(biāo)來(lái)優(yōu)化性能為目標(biāo)。對(duì)世界范圍內(nèi)的相關(guān)研究進(jìn)行對(duì)比，標(biāo)定目前所達(dá)到的研究水平，對(duì)于即將開(kāi)展相關(guān)研究的科研工作者是一份有益的參考。目前來(lái)看，LD端面泵浦內(nèi)腔倍頻綠光激光器某些單方面的性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，并且很多是國(guó)內(nèi)的研究者率先達(dá)到的。目前研究的重點(diǎn)應(yīng)該是如何采取更好的方法使得激光器各方面突出的性能指標(biāo)集于一體。

激光器；綜述；內(nèi)腔倍頻；端面泵浦；性能指標(biāo)

Laser diode end-pumped solid state green lasers are developing fast, and have been widely applied in communication, medical, laser display and scientific researching and other fields. The main research contents are still focused on high efficient, high power, high beam quality and/or high stability all

在激光出現(xiàn)之后沒(méi)幾年，內(nèi)腔倍頻激光器就已經(jīng)出現(xiàn)。早期基于閃光燈泵浦的內(nèi)腔倍頻激光器就顯示出較高的效率。但是腔內(nèi)存在非線性倍頻晶體時(shí)，這些激光器件變得不太穩(wěn)定。并且，這些激光器經(jīng)常在1061nm和1074nm運(yùn)轉(zhuǎn)，而不是1064nm。這一時(shí)期，器件穩(wěn)定性、晶體熱效應(yīng)和其它的材料方面的問(wèn)題限制了內(nèi)腔倍頻激光器的發(fā)展。到20世紀(jì)80年代，KTP等非線性材料的出現(xiàn)和LD泵浦技術(shù)的應(yīng)用，使得內(nèi)腔倍頻激光器開(kāi)始煥發(fā)生命力，但是由于存在穩(wěn)定性問(wèn)題，綠光激光器的發(fā)展仍然緩慢。

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，內(nèi)腔倍頻，特別是內(nèi)腔倍頻綠光激光器的技術(shù)日漸成熟。此后，內(nèi)腔倍頻激光器開(kāi)始向四個(gè)主要方向發(fā)展：高輸出功率[1-7]、高光束質(zhì)量[8-10]、高轉(zhuǎn)換效率[8;10-13]和/或輸出功率的高穩(wěn)定性[5;8;14]。

2.1 高輸出功率

得益于1μm波長(zhǎng)附近的紅外激光器的快速發(fā)展和KTP等高效率非線性介質(zhì)的出現(xiàn)，二次諧波倍頻得到綠光輸出的激光器發(fā)展最早，并且發(fā)展迅速。目前高功率內(nèi)腔倍頻激光器多是綠光激光器?，F(xiàn)在，有關(guān)輸出功率大于100W的綠光激光器的報(bào)道[1;2;15]已經(jīng)有許多。目前，平均輸出功率最高的是Chang等人[7]1998年報(bào)道的LD泵浦Nd:YAG獲得脈沖315W倍頻綠光激光器。

國(guó)內(nèi)中科院理化技術(shù)研究所在高功率內(nèi)腔倍頻方面取得了很好的研究進(jìn)展。2005年，該所激光物理與技術(shù)研究中心的薄勇、耿愛(ài)叢等[4]在重復(fù)頻率為10kHz時(shí)得到平均功率140W的綠光輸出，脈寬110ns。輸出為124W時(shí)的M 2參數(shù)小于11。2006年，他們進(jìn)一步的研究[5]得到輸出為120W時(shí)的M 2參數(shù)為6.2，光-光效率15.2%，4小時(shí)內(nèi)輸出穩(wěn)定性?xún)?yōu)于0.9%。2008年，薄勇等人[6]又報(bào)道了平均功率218W的綠光輸出，M 2參數(shù)為20.2。

倍頻連續(xù)綠光輸出也能達(dá)到20W以上的功率。2009年，中科院物理所光物理實(shí)驗(yàn)室的程賢坤、周勇等人[16]報(bào)道了連續(xù)輸出23.2W 532nm綠光的內(nèi)腔倍頻激光器，20.9W時(shí)M 2參數(shù)為4.1，一小時(shí)內(nèi)不穩(wěn)定度低于1.4%。

可以看出，高功率內(nèi)腔倍頻激光器一般有以下技術(shù)特征：1）采用大功率激光二極管陣列（LDA）作為泵浦源；2）采用側(cè)面泵浦方式以利于泵浦光耦合進(jìn)晶體；3）調(diào)Q脈沖輸出。目前，高功率內(nèi)腔倍頻激光器主要存在兩個(gè)方面的問(wèn)題，分別是：1）輸出光束質(zhì)量較差，百瓦級(jí)的內(nèi)腔倍頻綠光激光器光束的M 2參數(shù)在6以上，有的高達(dá)50；2）光-光效率較低。

2.2 高光束質(zhì)量

光束質(zhì)量可衡量激光器將能量傳送到目標(biāo)上的效率，在通信傳輸和激光加工等方面有重要意義。

2005年，新加坡南洋理工大學(xué)的Peng等人[8]使用Nd:YLF進(jìn)行內(nèi)腔倍頻獲得527nm綠光輸出，在60W泵浦功率下二次諧波輸出20.5W，光-光效率達(dá)34.2%，而且光束模式很好，M2=1.2，綠光功率不穩(wěn)定性小于±1% RMS。2007年，北京理工大學(xué)的張恒利等人[9]使用激光二極管面陣端面泵浦板條Nd:YAG，并應(yīng)用電光調(diào)Q技術(shù)獲得近衍射極限內(nèi)腔倍頻綠光輸出，M2=1.3，重復(fù)頻率1kHz，脈寬16.7ns，單脈沖能量18mJ，光-光效率10.7%，脈沖能量穩(wěn)定性約為0.8%。

而高功率下的高光束質(zhì)量輸出也慢慢成為可能。2008年，清華大學(xué)的朱鵬、劉代軍[10]等人使用端面泵浦板條Nd:YAG激光器進(jìn)行內(nèi)腔倍頻，獲得了平均功率93W的綠光輸出，M2達(dá)到1.5，二次諧波轉(zhuǎn)換效率達(dá)到57%。但是兼顧輸出功率和光束質(zhì)量仍然是一個(gè)難題。

2.3 高轉(zhuǎn)換效率

因?yàn)槎沃C波轉(zhuǎn)換的效率普遍偏低，導(dǎo)致泵浦光到諧波輸出的光-光效率不高。很多科研工作者開(kāi)始將提高倍頻激光器的光-光效率作為一個(gè)研究重點(diǎn)。

1997年，Y. F. Chen等人[11]采用緊湊的諧振腔實(shí)現(xiàn)激光器的單模振蕩，得到的光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到26.8%，而該論文中也曾提到，此前報(bào)道的有關(guān)轉(zhuǎn)換效率都低于10%。2005年，Peng等人[8]內(nèi)腔倍頻527nm綠光輸出的光-光效率達(dá)34.2%。2006年，Louis McDonagh等人[12]報(bào)道了使用LBO倍頻晶體采用腔倒空技術(shù)得到31W綠光輸出，二次諧波轉(zhuǎn)換效率達(dá)到70%。而2008年朱鵬等人[10]在綠光平均輸出功率93W，M2=1.5時(shí)的二次諧波轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到57%。

連續(xù)光輸出的內(nèi)腔倍頻激光器的二次諧波轉(zhuǎn)換效率因?yàn)榍粌?nèi)功率密度相對(duì)較低等原因一般較低。一般來(lái)說(shuō)，要得到高的轉(zhuǎn)換效率，模式匹配和腔內(nèi)功率密度等因素是很關(guān)鍵的，通常采用端面泵浦方式較容易得到高的轉(zhuǎn)換效率，但是卻不容易獲得高功率輸出。

2.4 高穩(wěn)定性

實(shí)際應(yīng)用中，尤其是長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作的情況下，激光輸出的穩(wěn)定性是很重要的。穩(wěn)定性是衡量激光器能否實(shí)用的一個(gè)關(guān)鍵因素。2005年，Peng等人[8]報(bào)道的內(nèi)腔倍頻激光器，其穩(wěn)定性達(dá)到±1% RMS。2006年，薄勇、耿愛(ài)叢等[4]在輸出為120W時(shí)，連續(xù)工作4小時(shí)的輸出穩(wěn)定性?xún)?yōu)于0.9%。

目前最高的穩(wěn)定性由國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)首先達(dá)到。2007年，天津大學(xué)徐德剛等人[14]報(bào)道的穩(wěn)定性?xún)?yōu)于0.2%。

3、研究現(xiàn)狀

采用端面泵浦的內(nèi)腔倍頻激光器可以獲得較高的泵浦耦合效率和高的輸出光束質(zhì)量，是LD泵浦固體激光器中一個(gè)很重要的研究方向。近年來(lái)高功率二極管陣列（LDA）的發(fā)光面積加大，同時(shí)數(shù)值孔徑也大，給端面泵浦帶來(lái)了一定困難，不過(guò)在追求高光束質(zhì)量的應(yīng)用方面，端面泵浦仍是一種有優(yōu)勢(shì)的方案。

二十世紀(jì)九十年代，國(guó)內(nèi)外二極管端面泵浦內(nèi)腔倍頻固體激光器的研究進(jìn)展迅速[17-25]。1991 年，Shannon 等人[17]使用10W線陣激光二極管泵浦Nd:YAG晶體，獲得平均功率750mW的綠光輸出，重復(fù)頻率10kHZ，非線性轉(zhuǎn)換效率達(dá)到47%。

國(guó)際上一些大公司的研究成果比較突出。1998年，Hardman等人[20]報(bào)道了內(nèi)腔倍頻YLF連續(xù)526.5 nm激光器，采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，腔內(nèi)插入TGG法拉第旋轉(zhuǎn)器，利用2臺(tái)20W線陣激光二極管雙端泵浦，在吸收25.6W泵浦光的情況下得到6.2W單頻偏振光輸出，M2參數(shù)小于1.2。他們同時(shí)得出結(jié)論，認(rèn)為Nd:YLF比Nd:YVO4有更小的熱透鏡效應(yīng)，而自然雙折射特性比Nd:YAG好，但是高功率時(shí)的損傷特性不好。同年，日本的Shen等人[23]使用簡(jiǎn)單的平凹腔結(jié)構(gòu)，利用Nd:YVO4/KTP在LD泵浦功率為881.4mW時(shí)得到286.5mW連續(xù)綠光輸出，光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到32.5%。

進(jìn)入21世紀(jì)后，國(guó)外關(guān)于內(nèi)腔倍頻綠光激光器的研究主要集中在使用大功率激光二極管陣列側(cè)面泵浦通過(guò)調(diào)Q獲得高平均功率方面，端面泵浦的報(bào)道較少。

由于國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體激光器輸出功率低，而進(jìn)口大功率半導(dǎo)體激光器受禁運(yùn)及價(jià)格高等因素制約，國(guó)內(nèi)全固態(tài)激光器大都集中在中小功率方面。全固態(tài)內(nèi)腔倍頻綠光激光器的研究在國(guó)內(nèi)大陸雖然起步較晚，但十分活躍，在端面泵浦內(nèi)腔倍頻方面取得了很多成果。

從光-光效率上來(lái)看，主要體現(xiàn)在山東大學(xué)晶體研究所在內(nèi)腔倍頻綠光激光器上做的一系列研究[25-28]。1999年，劉均海等人[25]使用Nd:YVO4/KTP得到5W 532nm輸出，光-光效率29.1%，短時(shí)間內(nèi)測(cè)試的輸出不穩(wěn)定性小于1.5%。2000年，他們[26]使用Nd:GdVO4/KTP得到3.6W連續(xù)532nm綠光輸出，光-光效率22.5%，M2參數(shù)為1.55，短時(shí)間內(nèi)測(cè)試的輸出不穩(wěn)定性小于3%。2001年，他們[28]又在原來(lái)實(shí)驗(yàn)（Nd:GdVO4/KTP）的基礎(chǔ)上加入聲光調(diào)Q，在50kHz時(shí)得到3.75W綠光輸出，脈寬35ns，光-光效率25%，峰值能量和峰值功率分別為108μJ和3.1kW，而二次諧波轉(zhuǎn)換效率達(dá)到72%。2004年，西北大學(xué)的白楊等人[29]報(bào)道了9.9W連續(xù)532nm綠光輸出的Nd:YVO4/LBO激光器，光-光效率34.8%。

1998年，何京良等人[21]在20W的泵浦功率下得到5.5W的532nm綠光TEM00模輸出，光-光效率27.5%，功率不穩(wěn)定性1.6%。2002年，山西大學(xué)的李小英等人[30]報(bào)道了環(huán)形腔運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)頻Nd:YAP/KTP激光器，得到1.1W的540nm綠光輸出，穩(wěn)定性?xún)?yōu)于±1.5%。

近年來(lái)，國(guó)際上中小功率端面泵浦內(nèi)腔倍頻激光器方面的研究成果主要是國(guó)內(nèi)的大學(xué)和科研院所創(chuàng)造的。2006年，長(zhǎng)春光機(jī)所的賈富強(qiáng)、鄭權(quán)等人[31]使用Nd:YAG/LBO內(nèi)腔倍頻得到1.41W 556nm穩(wěn)定輸出。2007年，中科院物理所的張恒利等人[32]報(bào)道了LDA端面泵浦的電光調(diào)Q Nd:YAG板條激光器，在1kHz重復(fù)頻率下，內(nèi)腔倍頻得到脈沖能量9.7mJ，脈寬12.2ns的532nm綠光輸出，脈沖能量的不穩(wěn)定性大約是0.8%。

4、總結(jié)

作為較早開(kāi)始的研究對(duì)象之一，激光二極管泵浦的內(nèi)腔倍頻全固態(tài)綠光激光器發(fā)展迅速，已經(jīng)在相當(dāng)廣泛的領(lǐng)域里得到了較為廣泛的應(yīng)用。目前，激光二極管泵浦的內(nèi)腔倍頻全固態(tài)綠光激光器的研究已經(jīng)較成熟，研究高效率、高功率、高光束質(zhì)量和/或高穩(wěn)定性的全固態(tài)綠光激光器是當(dāng)前研究的主要內(nèi)容。目前來(lái)看，LD端面泵浦內(nèi)腔倍頻綠光激光器某些單方面的性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平，并且很多是國(guó)內(nèi)的研究者率先達(dá)到的。要想在單方面的指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)突破已經(jīng)很難了，所以即使是從國(guó)內(nèi)進(jìn)行比較來(lái)看，低投入、低起點(diǎn)的研發(fā)也已經(jīng)沒(méi)有多大意義。目前研究的重點(diǎn)應(yīng)該是如何采取更好的方法獲得各方面性能指標(biāo)都較為突出的內(nèi)腔倍頻綠光激光器。

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Advances in LD end-pumped intracavity frequency-doubling solid-state green lasers

Zeng Haoxian1,2Guo Peng1He Qing1
1.School of Science, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007,China;
2.Henan Key Laboratory of Laser and Opto-electric Information Technology, Zhengzhou University, Zhengzhou 450051,China

TN248.1

曾灝憲（1980-），男，碩士，助教，現(xiàn)主要從事全固態(tài)激光器的研究。