盛泉，付士杰，史偉，姚建銓

天津大學精密儀器與光電子工程學院

引言

510-570 nm綠光波段的激光光源在銅、鋁等高反材料的加工以及太陽能電池劃片和晶圓退火等熱點產業(yè)具有非常重要的應用需求，也是諸多前沿科研領域不可或缺的工具。例如銅對1 μm近紅外激光的吸收率不到5%，但對綠光吸收超過40%；采用綠光進行加工，可以有效提高加工效率并降低回光和飛濺等因素造成的風險和質量問題。

能夠直接發(fā)射綠光的激光器包括氬離子激光器、銅蒸汽激光器、染料激光器、氦氖激光器、半導體激光器以及一些摻Er3+、Ho3+、Tb3+、Pr3+的固體/光纖激光器等；基于摻Nd3+或Yb3+的固體/光纖激光器的高功率、高效率近紅外基頻光結合非線性光學倍頻技術，也能夠獲得高性能的綠光輸出。由于功率、效率、成本以及維護性等原因，除半導體綠光激光器在顯示領域應用較多之外，倍頻綠光是大多數應用的首選。

倍頻綠光技術的發(fā)展

高功率固體激光器的發(fā)展歷程先于光纖激光器，在倍頻綠光方面也是如此。倍頻過程的轉換效率在很大程度上依賴于基頻光光強，與光纖激光器相比，固體激光器在高能量/峰值功率方面具有優(yōu)勢，在低功率時也可采用內腔倍頻方式提高倍頻過程的轉換效率；而高功率光纖激光器的光譜容易因非線性效應發(fā)生展寬，影響倍頻效率，其結構特點也使其不便采用內腔頻率變換方式。

這些因素決定了早期的倍頻綠光多基于固體基頻光，特別是高功率情況多采用碟片等結構，典型的結果包括2008年清華大學對端面泵浦Nd:YVO?MOPA的近紅外輸出倍頻得到了百瓦納秒綠光；2010年德國通快公司發(fā)布了平均功率700 W的內腔倍頻納秒Yb:YAG碟片激光器[1]；2015年德國斯圖加特大學基于LBO內腔倍頻的Yb:YAG碟片綠光激光器實現了 403W連續(xù)波綠光輸出[2]，LD泵浦光到綠光輸出的光光效率達到40.7%；通快公司在2016年將連續(xù)波綠光輸出功率提高到1.7 kW，2022年又發(fā)布了功率3 kW的綠光產品TruDisk 3022。

然而，隨著激光功率的不斷提升，固體激光器中的熱效應對光束質量的影響不斷凸顯。例如通快公司的2 kW連續(xù)綠光產品TruDisk 2021的BPP為4mmmrad(M2因子~24)。近年來，光纖激光器在功率效率、熱管理、光束質量以及光譜和時間特性的靈活性等方面相對固體激光器已顯示出優(yōu)勢；隨著光纖基頻光和倍頻技術的發(fā)展，上述優(yōu)勢也逐漸在基于光纖基頻光的綠光激光器得到體現。

光纖激光器的輸出特性與固體激光器存在顯著的區(qū)別，例如可以實現kW或更高功率的連續(xù)波窄光譜線寬輸出，但在高峰值功率脈沖運轉時光譜會因非線性效應發(fā)生展寬等，這些特性決定了光纖基頻光倍頻的實現方式也與固體激光器有一些差異。

光纖倍頻綠光的實現方法和挑戰(zhàn)

1.準相位匹配單通倍頻的單頻綠光激光器

在對穩(wěn)定性、相干性和光譜線寬有較高要求的應用中往往需要單頻光源。以相干公司的Verdi系列激光器為代表的單頻固體激光器內腔倍頻方案是產生單頻綠光的傳統(tǒng)主流方法。光纖激光器中信號光場被局限在面積很小的纖芯區(qū)域附近，高峰值功率輸出能力受限，但卻非常適合對低功率單頻種子源實現高增益放大，獲得穩(wěn)定的高功率單頻基頻光輸出，進而倍頻產生單頻綠光。

眾所周知，非線性倍頻過程的轉換效率與基頻光光強成正比、與有效非線性系數deff的平方成正比。光纖激光器中不便采取固體激光器中常用的內腔倍頻方式提高倍頻效率，但在基頻光功率較高的情況下，單次通過具有很大deff的準相位匹配(QPM)晶體，也可以實現較高的倍頻效率。例如2009年西班牙ICFO的研究人員利用周期極化鉭酸鋰(PPLT)晶體對29.5 W的單頻1 μm光纖基頻光單次通過倍頻，獲得了9.6 W單頻綠光輸出，如圖1(a)，其后該課題組又采用多倍頻晶體串接的方法將單通倍頻效率提高到55%[3]，如圖1(b)、(c)。

圖1 ICFO的（a）單晶體、（b）多晶體PPLT單通倍頻綠光光路圖和（c）照片[3]

與內腔倍頻和外腔諧振倍頻相比，單通倍頻結構更加簡單穩(wěn)定。另外值得注意的是，與固體增益介質相比，光纖具有很寬的發(fā)射譜，結合受激拉曼散射等頻率變換技術可以產生波長非常靈活的近紅外基頻光，因此除綠光之外也可獲得數瓦到十瓦量級的藍青、黃橙和紅光等可見波段的單頻輸出，極大拓展了單頻激光的波長覆蓋范圍。

2.外腔諧振倍頻綠光激光器

如前所述，基于周期極化晶體的QPM倍頻能夠實現高效的單次通過倍頻，但PPLN、PPLT、PPKTP常用QPM晶體在數十瓦基頻光功率下的倍頻轉換效率會因熱效應和光折變等因素發(fā)生明顯下降。LBO晶體是高功率倍頻綠光常用的非線性晶體之一，能夠支撐百瓦到kW量級的高功率綠光輸出，為彌補其deff較小對倍頻效率的限制，研究人員采用外腔諧振增強的方法提高參與倍頻過程的基頻光功率。

圖2（a）和（b）分別為單通倍頻和外腔諧振倍頻的示意圖。把非線性晶體放置在一個諧振腔內，通過控制這個諧振腔的長度（通過高精度反饋控制實現）和入射激光的聚焦參數，使入射激光的頻率和模式與諧振腔的縱模和橫模相匹配，就能讓其在腔內振蕩，這樣一個高Q值的諧振腔可令腔內參與非線性相互作用過程的激光強度遠遠超過起初的入射光強，提高非線性過程的轉換效率。外腔諧振增強技術多用于對毫瓦或瓦級的低功率入射光實現增強，在倍頻、和頻、光學參量振蕩和拉曼激光器等非線性頻率變換技術中均有應用。在高功率領域，IPG公司2012年報道對單頻光纖基頻光進行外腔諧振倍頻獲得170 W單頻綠光輸出的結果，倍頻效率達到76%；國內杭州相位激光和上海頻準激光等企業(yè)也能夠提供基于該技術路線的50 W功率水平的產品。

圖2 （a）單通倍頻和（b）外腔諧振倍頻綠光激光器光路示意圖[4]

3.LBO單通倍頻高功率綠光激光器

通過外腔諧振倍頻能夠基于光纖基頻光產生百瓦以上的單頻綠光，但外腔諧振倍頻要求基頻光是單頻線偏振的；限于受激布里淵散射(SBS)效應，單頻線偏振光纖激光器很難實現數百瓦以上的輸出功率，因而限制了綠光功率；外腔諧振倍頻復雜的光路和反饋控制系統(tǒng)也引入了不穩(wěn)定因素。

與固體基頻光相比，光纖基頻光的峰值功率較低且不便采用內腔倍頻方式，是限制其倍頻綠光輸出的主要因素。隨著窄線寬線偏振光纖激光器輸出功率水平的不斷突破，高效的LBO單通倍頻成為可能。2014年，IPG公司報道對單頻半導體種子源進行相位調制使其光譜線寬展寬至25 GHz以抑制SBS，可獲得kW級基頻光輸出；用LBO晶體對其進行單通倍頻，實現了功率356 W、倍頻效率35%的綠光輸出[4]。2020年，Nufern公司報道了對1.8 kW的連續(xù)波1064nm基頻光單通倍頻，綠光輸出功率達到1 kW、倍頻效率54%，光束質量因子M2僅為1.015[5]。如圖3，由于LBO晶體對1 μm基頻光I類非臨界相位匹配倍頻的允許帶寬很大(~2300 GHz·cm)，基頻光光譜線寬從46 GHz展寬至120 GHz并不會明顯影響倍頻效率。因此，該技術路線還具有進一步適當展寬基頻光譜、提高其功率，以優(yōu)化倍頻效率、得到更高功率的連續(xù)波綠光輸出的潛力。國內方面，上海光機所也報道了基于該技術途徑實現610 W綠光輸出的實驗結果。

圖3 Nufern公司的1 kW連續(xù)光纖綠光激光器倍頻功率曲線[5]

更高的峰值功率是進一步提高倍頻轉換效率的關鍵。IPG公司在上述連續(xù)綠光的基礎上，讓泵浦光以重復頻率4 MHz、占空比50%的準連續(xù)調制模式工作，相同平均功率下的峰值功率提高了一倍；基頻光平均功率1.07 kW時獲得了550 W綠光輸出，倍頻效率超過50%。峰值功率較高的準連續(xù)工作模式也可通過對種子源的調制實現：如圖4，IPG公司對LD種子源直接調制，得到脈沖寬度1.4 ns(遠小于石英光纖~10 ns的聲子壽命以抑制SBS)、重復頻率150 MHz、占空比21%的脈沖序列；將其平均功率放大至1.03 kW時峰值功率達到4.9 kW，基頻光94%的能量集中在0.5 nm (~130 GHz)的光譜寬度內，實現了基頻光峰值功率和光譜線寬的平衡，LBO晶體單通倍頻獲得了平均功率達到700 W的基橫模綠光輸出[6]，70%的倍頻效率達到了不低于常規(guī)脈沖固體激光器的水平。

圖4 IPG公司的種子源調制700 W準連續(xù)光纖綠光激光器光路示意圖、基頻光譜和波形以及功率曲線[6]

基于這一技術路線，目前IPG公司能夠提供平均功率最高2 kW的準連續(xù)光纖綠光產品，1 kW產品的M2<1.2（作為對比，通快的1 kW產品BPP為2mm·mrad),插頭效率可達25%，尺寸也相當緊湊[7]。圖5是IPG公司GLPN-532-QCW高功率準連續(xù)綠光激光器照片和光束質量。以深圳公大激光為代表的國內廠商也有類似指標的產品。高效率的單通倍頻技術使光纖綠光真正走向了工業(yè)應用市場。

圖5 IPG公司GLPN-532-QCW高功率準連續(xù)綠光激光器照片和光束質量[7]

小結

早期光纖激光器曾被認為不適宜通過非線性光學頻率變換技術進行波長拓展、獲得高功率高效率的綠光，但隨著光纖基頻光性能和倍頻技術的不斷發(fā)展，基于光纖激光器的綠光已能夠實現百瓦級單頻輸出和千瓦高功率高光束質量輸出。光纖綠光不僅在輸出功率上已不弱于固體綠光，在光束質量和插頭效率等方面還具有明顯的優(yōu)勢，其時間特性和工作波長也更為靈活，為工業(yè)和科研應用提供更多可能。

作者簡介：

盛泉，天津大學副教授，主要從事單頻光纖和固體激光技術方面的研究；

付士杰，天津大學副教授，主要從事單頻和中紅外光纖激光技術方面的研究；

史偉，天津大學教授，主要從事高功率和窄線寬光纖激光技術和應用的研究；

姚建銓，中國科學院院士，天津大學教授，從事激光和光電子技術方面的研究。