廣義瓊斯矩陣求解綠光激光器腔內(nèi)本征態(tài)

別光 劉暢

摘 要：該文在分析了Nd：YVO4晶體光學(xué)特性以及KTP倍頻晶體的光學(xué)特性的基礎(chǔ)上，利用廣義瓊斯矩陣分析了綠光激光器諧振腔內(nèi)的光場(chǎng)本征態(tài)的情形，進(jìn)而解析誘發(fā)激光輸出功率高低波動(dòng)的緣由，且采取加入布氏片的辦法解決了由二套本征頻率誘發(fā)功率高低波動(dòng)的現(xiàn)象，最終達(dá)到提升輸出光質(zhì)量和功率的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：廣義瓊斯矩陣 本征態(tài) 綠光激光器

中圖分類號(hào)：TN248 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）09（a）-0156-02

LD泵浦的腔內(nèi)倍頻摻Nd3+激光器屬于高?？梢?jiàn)激光光源的一種，其優(yōu)點(diǎn)比較明顯，主要包含了下面幾點(diǎn)：首先輸出的光束質(zhì)量比較好、體積較小、轉(zhuǎn)換能量的效率比較高、使用壽命也比較長(zhǎng)。在水下通訊、圖像顯示、臨床醫(yī)療以及激光測(cè)距等一些方面運(yùn)用非常廣泛。腔內(nèi)倍頻法是截至目前全固態(tài)激光器輸出綠光的最常用的方法。倍頻晶體可在激光諧振腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的諧波轉(zhuǎn)換效率。但是實(shí)際應(yīng)用時(shí)，給其造成制約的重要因素便是其輸出功率有一定起伏，也就是我們平時(shí)說(shuō)的綠光噪聲方面的問(wèn)題。出現(xiàn)這種問(wèn)題的原因是激光多模連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在和頻以及空間燒孔效應(yīng)。也就是綠光輸出的實(shí)際強(qiáng)度隨著時(shí)間的變化會(huì)出現(xiàn)沒(méi)有規(guī)律的波動(dòng)，從而出現(xiàn)混亂，而激光輸出的噪聲也比較大，噪聲的存在也給其應(yīng)用造成了一定限制。

該文利用廣義瓊斯矩陣分析了綠光激光器諧振腔內(nèi)的光場(chǎng)本征態(tài)，并解釋了加入布氏片消除引起耦合的本征態(tài)，進(jìn)而獲得穩(wěn)定的輸出激光質(zhì)量。

1 Nd：YVO4晶體光學(xué)特性

Nd：YVO4為四方晶體，通過(guò)倍頻效應(yīng)可得到457 nm，532 nm，671 nm三種激光。當(dāng)Nd：YVO4在α軸切割時(shí)，在σ方向的吸收和激射較弱，而在π偏振取向上發(fā)生最強(qiáng)的吸收和激射。一般采用α軸切割的π偏振光[1]。

Nd：YVO4制作LD泵浦小型固體激光器優(yōu)點(diǎn)也比較明顯，比如其受激輻射截面比較大，損傷閾值比較高、吸收帶寬比較寬、吸收系數(shù)比較高等。

2 激光倍頻原理

倍頻實(shí)質(zhì)屬于二次非線性效應(yīng)，是在激光作用下，非線性晶體產(chǎn)生的，讓頻率是ω的激光橫穿晶體，變成頻率是2ω的倍頻光。若入射光頻率為和，新光波頻率是，=+時(shí)，發(fā)生和頻效應(yīng)；=，發(fā)生倍頻效應(yīng)。

3 KTP倍頻晶體的光學(xué)特性

KTP為非線性光學(xué)晶體，這種晶體的優(yōu)點(diǎn)是透光波段較寬、非線性系數(shù)比較大、潮解困難、破壞閾值比較高等，所以其在光參量震蕩和放大以及激光倍頻領(lǐng)域應(yīng)用的比較廣泛，特別是在頻率變換領(lǐng)域使用最頻繁[2]。

4 “綠光噪聲”的消除

想要降低全固態(tài)綠光激光器的噪聲輸出，主要有下面幾個(gè)手段，首先讓激光器單縱模震蕩，并且努力減少縱模的實(shí)際數(shù)量，合理利用調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)和頻率等手段，讓激光器的振幅、縱模個(gè)數(shù)以及頻率都比較穩(wěn)定，從而降低噪聲；其次，通過(guò)選擇恰當(dāng)?shù)谋额l晶體并選擇合適的匹配類型，達(dá)到減少縱模之間耦合的目的。

5 腔內(nèi)基頻光本征態(tài)

諧振腔由的1個(gè)端面M1和球面鏡M2組成，如圖1所示，內(nèi)部介入KTPⅡ類匹配倍頻晶體，坐標(biāo)系XYZ滿足右螺準(zhǔn)則。

（1）腔鏡的廣義瓊斯矩陣。

M1和M2的廣義瓊斯矩陣為，r為腔鏡強(qiáng)度反射系數(shù)；為4×4矩陣。

（2）Nd：YVO4的廣義瓊斯矩陣。

從（3）式看出，KTP介入使腔內(nèi)基頻光的線偏振態(tài)發(fā)生變化，在M1處橫向分裂成上端是沿x，y軸的線偏振光，底端只有沿x軸的線偏振光。圖2所示為本征頻率。可看出，倍頻光的功率發(fā)生起伏。

6 加入布氏選頻法

實(shí)驗(yàn)時(shí)，Nd：YVO4和KTP之間加入布氏片，如圖3所示。

若想實(shí)現(xiàn)選頻，需讓某些縱模損耗幾乎為零，而某些縱模的損耗使它不能振蕩的效果，當(dāng)時(shí)，返回BP的光與原來(lái)的縱模相同，沒(méi)有損耗，不滿足條件的損耗不為零，布氏片就達(dá)到了選頻功能[3]。

用示波器觀察，無(wú)布氏片時(shí)如圖4a所示，存在多套縱模，對(duì)應(yīng)噪聲較大，如圖4b所示。加入布氏片，如圖4c所示，對(duì)應(yīng)噪聲較小，如圖4d所示，此時(shí)激光輸出穩(wěn)定。

7 結(jié)語(yǔ)

廣義瓊斯矩陣法計(jì)算光場(chǎng)本征態(tài)，分析得出諧振腔內(nèi)本征頻率，其原因是KTP的存在，使基頻光發(fā)生橫向分裂，因而導(dǎo)致激光輸出功率出現(xiàn)起伏，要解決此問(wèn)題，需要借助布氏片的選頻，使其中一個(gè)損耗較大，抑制振蕩，選擇出一套本征頻率，解決了輸出功率起伏的難題。

參考文獻(xiàn)

[1] 何京良，馮寶華.全固態(tài)瓦級(jí)連續(xù)綠光激光器[J].China Academic Journal Electronic Publishing House，1997，9（26）：557-558.

[2] 霍玉晶，何淑芳，段玉生，等.LD抽運(yùn)的高性能微型綠光激光器[J].中國(guó)激光，2000，27（7）：586-588.

[3] 鄭權(quán)，趙嶺，檀慧明，等.用布式片實(shí)現(xiàn)有效連續(xù)和單頻綠光輸出[J].中國(guó)激光，2002，29（9）：770-772.