分享自：ofweek光电新闻网             ofweek 人才网            QQ  2946960185

      本文报道了高功率全固态腔内和腔外倍频两种绿光激光器研究进展。腔内倍频绿光激光器采用L型腔双棒串接结构，在重复频率lOkHz时，用三硼酸锂晶体倍频获得绿光功率186 W，光一光效率达15．8％。腔外倍频绿光激光器采用主振荡和功率放大器，在承复频率400Hz时，获得基频激光单脉冲能量1．2J，采用Ⅱ类相位匹配KTP晶体腔外倍频，获得525耐的绿光输出，倍频效率为43．7％。采用偏振合成技术获得了单脉冲能量大于1J的绿光输出。在该激光放大器实验装置上，进行了双模块热效应补偿技术和受激布里渊散射相位共轭技术实验研究，改善了激光光束质量。

　　高功率全固态绿光激光器在可调谐激光器的泵浦源、海洋勘测、同位素分离及光电对抗等科研和工业领域得到了广泛的应用。获得高功率绿光的途径通常有两种：一种是在二极管泵浦Nd：YAG激光器谐振腔内插入非线性频率变换晶体，通过频率转换实现高功率绿光输出；另一种是在谐振腔外用非线性晶体实现高功率绿光输出。

        国外在这方面已进行了较多研究，实现了平均功率数百w、单脉冲能量数J的高光束质量绿光激光输出。Chang等的315W二极管泵浦Nd：YAG腔内倍频绿光激光器和Konno等口3的双棒串接L型腔单端输出138W绿光激光器分别代表了腔内倍频绿光激光器输出功率和光束质量的最高水平。

        国内从2003年开始开展了百w级二极管泵浦腔内倍频绿光激光器的研究。2004年，天津大学直腔输出104W绿光功率口。2005年电子部11所姜东升等采用z型腔在重复频率10kHz时输出120W绿光，脉宽为95ns。Syuhei等报道了长时间运行的100W二极管泵浦Nd：YAG激光放大器绿光激光器，唐淳等报道了160W激光二极管泵浦电光调Q主振荡功率放大器绿光激光器L7吨。本文介绍了中国工程物理研究院应用电子学研究所的高功率绿光激光器新进展。建立了高功率腔内和腔外倍频绿光激光器实验装置，通过倍频晶体的精密温度控制、谐振腔和激光功率放大器的优化设计，实现了高功率绿光激光输出。在激光放大器实验装置上，进行了激光模块热效应补偿和受激布里渊相位共轭等改善激光光束质量的实验研究。

　　倍频晶体及温度控制

　　在高功率绿光激光器中，基波在倍频晶体上的功率密度较大，倍频晶体吸收部分基波和倍频光会产生热效应，晶体内部的温度升高，导致常温下晶体切割的相位匹配角发生偏移，引起倍频晶体的相位失配；另外，随着泵浦功率的增加，晶体的热透镜焦距也在发生变化，从而限制了倍频光输出功率的提高。所以必须对倍频晶体采取有效和快速冷却及精密温度控制措施，倍频晶体冷却实验装置采用半导体制冷片进行制冷和加热，能实现倍频晶体精密温度控制和倍频晶体长时间稳定工作。半导体制冷片的热端通水冷却后能有效改善倍频晶体在激光加载过程中的温度稳定性，绿光功率很快趋于稳定。　

       全固态腔内倍频绿光实验装置

　　全固态腔内倍频绿光实验装置如图1所示，激光谐振腔采用双模块串接L型腔结构，绿光由M：和M。两个腔镜输出。M，为全反射镜，1064nm激光反射率大于99．80A；M。为谐波反射镜，1 064 nm激光反射率大于99％，532nm激光透过率大于98％；M。为绿光输出镜，1 064nm激光反射率大于99．8％，532nm激光透过率大于99％。倍频晶体分别采用磷酸氧钛钾(KTP)和三硼酸锂(LBo)两种晶体，两通光面镀1064nm和532nm增透膜，倍频晶体安装在冷却装置中。声光Q开关工作频率为40．68MHz，通光口径为6mm，两个声光Q开关相互正交放置，以获得较高的关断功率。二极管泵浦激光模块采用五边对称侧泵浦Nd：YAG棒，每个模块泵浦功率为1200W。

  图1二极管泵浦腔内倍频激光器实验装置示意图

　　通过实验测试连续二极管泵浦激光模块的热焦距，由ABCD矩阵可以得出谐振腔的稳定性参数及泵浦模块和腔镜上的模体积参数。图2为二极管泵浦激光模块在不同的泵浦功率时，谐振腔的光束半径和稳定性参数，图中gtgz为谐振腔的特征参数。

　　图2谐振腔光束半径和稳定性参数与泵浦功率的关系

　　将M2换为1064 nlTl激光反射率90％的输出镜(oC)，在声光调Q重复频率10kHz获得252W基频光输出。M。改为绿光输出镜，实验测得LBO与KTP两种晶体腔内倍频绿光输出功率与泵浦功率关系曲线如图3所示。由图可知，采用LBO比采用KTP输出绿光功率更高。当泵浦功率进一步增大时，腔内功率密度显著增加，KTP晶体热效应影响增强，输出绿光功率难以进一步提高。而LBO晶体由于吸收系数小，因此热效应较小，输出绿光功率仍然能够继续保持增长。当泵浦功率提高到1174w时，输出绿光功率达到最大值186 w，此时光一光效率达15．8％，电一光效率为6．6％。在泵浦功率1090 W，声光调Q重复频率10kHz，用KTP晶体倍pumppower／W≥＼矗≥o厶善ejo1 050 l 100 l l 50 l 200 l 250pumppower|Ⅶ频获得532nm绿光功率140W，光一光效率达12．8％。采用光束质量测试仪测得绿光激光器的光束质量因子M2—20，测得绿光脉冲宽度为150 ns。

　　图3 532 um绿光功率与泵浦功率关系曲线

       全固态腔外倍频绿光实验装置

　　二极管泵浦的电一光调QNd：YAG棒主振荡器／功率放大器布局如图4所示。主振荡器输出的激光通过扩束及隔离器后分两路光分别注入功率放大器。功率放大器由一级双通和一级单通放大器组成。每一级放大器均采用双棒结构，并在两个Nd：YAG棒之间采用4f像传递系统及90。石英旋转器，补偿高重复频率工作时的热致退偏效应。采用Ⅱ类相位匹配KTP晶体外腔倍频，实现高单脉冲能量、高重复频率的532nm输出。将两个KTP倍频器输出的绿光进行偏振合束，提高激光器的平均功率。

　　图4二极管泵浦激光放大器实验装置

　　主振荡器重复频率0．1～1．0kHz可调，单脉冲能量5～10mJ，脉冲宽度15 ns，光束质量因子肝<1．2。双通放大器在注入能量5mJ，重复频率400Hz时，获得了450 mJ单脉冲能量激光输出。当进入单通放大器的能量为300mJ时，第一个激光模块单通输出700mJ，提取效率为54％。经过第二个激光模块后获得1．27J输出，提取效率为77％。倍频实验采用Ⅱ类相位匹配的KTP晶体，在重复频率400Hz、单脉冲能量1J时，研究了不同激光功率密度时的倍频效率、倍频晶体热效应及激光损伤特性。在激光功率密度约为70MW／cm2时，获得了525nU的532nm输出，平均功率达210W，倍频效率为43．7％。进一步提高泵浦功率密度到80～100 MW／cm2，倍频效率可以超过50％，但KTP晶体损伤几率大幅度增加。测得绿光光束质量因子为4．5倍衍射极限。采用偏振合成技术，可以实现激光器重复频率的增加或单脉冲能量的增加。绿光激光器既可工作在400Hz，单脉冲能量1J，也可工作在重复频率800 Hz，单脉冲能量0．5J，可以满足不同的应用需求。

　　绿光激光器光束质量控制技术

　　1、二极管泵浦激光模块热效应补偿技术

　　由于二极管泵浦激光模块平均功率高，引起激光棒内温度分布不均匀，激光模块的热效应表现为热致双折射效应和球透镜效应。理论和实验研究表明，Nd：YAG棒内沿径向和切向的热致双折射可以用90。石英旋转片及4f成像光学系统进行热致双折射效应补偿。二极管泵浦激光模块在重复频率400Hz，峰值功率6．5 kW时，退偏比率为30％，通过双模块热致双折射效应补偿后退偏率降为3％。双模块热致双折射效应补偿后，激光的近场光斑分布得以改善。　　

      在高功率二极管泵浦激光中，由于热导致的增益介质球差效应严重影响到激光器的输出功率和光束质量。在激光放大器实验装置上进行了高功率二极管泵浦Nd：YAG激光模块热致球差效应的理论分析和数值模拟，测量了二极管泵浦激光模块的热致球差值。利用平凸透镜望远镜产生的负球差对激光模块进行了补偿，在重复频率400Hz，单脉冲能量1．2J，光束质量因子由肝一10改善到肝一4。将球差补偿镜应用到激光放大器中，激光器光束质量得到了大幅提高。

　　2、相位共轭技术

　　受激布里渊散射(SBS)相位共轭镜可以矫正激光波前畸变、改善激光光束质量。SBS相位共轭实验装置原理图如图5所示。种子源为二极管泵浦的电光调Q单纵模Nd：YAG激光器，重复频率i00～1000 Hz可调，单脉冲能量大于1mJ。由种子源输出的单纵模激光依次通过扩束装置和光学隔离器进入预放大器进行放大，输出光束经过光学隔离器进入主放大器进行放大。光学隔离器由两个对称放置的薄膜偏振片、法拉第旋光器和1／2波片组成，实现前级和后级的光学隔离。在主放大器后放置的1／2波片与偏振片P。构成光强调节机构，用于调节进入锥度光纤相位共轭镜的单脉冲能量，透过偏振片P。的激光进入吸收池；将反射激光由偏振片P2，1／4波片和透镜会聚进入锥度光纤。放大器泵浦模块均采用二极管激光器侧泵浦结构，增益介质为Nd：YAG晶体。

　　图5实验装置原理图

　　激光放大器实验装置在重复频率lkHz，单程输出单脉冲能量38mJ时，注入锥度光纤后获得SBS反射单脉冲能量26．5mJ，SBS反射率为69．7％(图6)。将实验装置图5中的虚线框1／2波片和1／／4波片去掉，可实现带锥度光纤共轭镜的双程激光放大。双程激光放大器获得单脉冲能量101mJ，脉冲宽度为6as的单纵模激光输出，光束质量因子肝<2。通过双程的相位共轭特性，获得了很好的光束质量激光输出。

　　图6重复频率1kHz时锥度光纤相位共轭镜反射功率　　

       结 论

　　在高功率全固态绿光激光器中，倍频晶体的热效应及反射率随注人功率的变化情况直接影响绿光功率的输出，选用对基频光和倍频光吸收系数小的倍频晶体材料，可以提高绿光功率，但倍频晶体热效应问题有待进一步深入研究。在激光放大器实验装置上进行了光束质量控制技术实验研究，SBS相位共轭镜的反射率达到69％，但还需优化锥度光纤共轭镜的结构参数，提高注入单脉冲能量和SBS反射率。

 已同步至 萱萱的微博