本文報(bào)道了高功率全固態(tài)腔內(nèi)和腔外倍頻兩種綠光激光器研究進(jìn)展。腔內(nèi)倍頻綠光激光器采用L型腔雙棒串接結(jié)構(gòu)，在重復(fù)頻率lOkHz時(shí)，用三硼酸鋰晶體倍頻獲得綠光功率186 W，光一光效率達(dá)15．8％。腔外倍頻綠光激光器采用主振蕩和功率放大器，在承復(fù)頻率400Hz時(shí)，獲得基頻激光單脈沖能量1．2J，采用Ⅱ類相位匹配KTP晶體腔外倍頻，獲得525耐的綠光輸出，倍頻效率為43．7％。采用偏振合成技術(shù)獲得了單脈沖能量大于1J的綠光輸出。在該激光放大器實(shí)驗(yàn)裝置上，進(jìn)行了雙模塊熱效應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)和受激布里淵散射相位共軛技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究，改善了激光光束質(zhì)量。

　　高功率全固態(tài)綠光激光器在可調(diào)諧激光器的泵浦源、海洋勘測、同位素分離及光電對抗等科研和工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。獲得高功率綠光的途徑通常有兩種：一種是在二極管泵浦Nd：YAG激光器諧振腔內(nèi)插入非線性頻率變換晶體，通過頻率轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)高功率綠光輸出；另一種是在諧振腔外用非線性晶體實(shí)現(xiàn)高功率綠光輸出。

        國外在這方面已進(jìn)行了較多研究，實(shí)現(xiàn)了平均功率數(shù)百w、單脈沖能量數(shù)J的高光束質(zhì)量綠光激光輸出。Chang等的315W二極管泵浦Nd：YAG腔內(nèi)倍頻綠光激光器和Konno等口3的雙棒串接L型腔單端輸出138W綠光激光器分別代表了腔內(nèi)倍頻綠光激光器輸出功率和光束質(zhì)量的最高水平。

        國內(nèi)從2003年開始開展了百w級二極管泵浦腔內(nèi)倍頻綠光激光器的研究。2004年，天津大學(xué)直腔輸出104W綠光功率口。2005年電子部11所姜東升等采用z型腔在重復(fù)頻率10kHz時(shí)輸出120W綠光，脈寬為95ns。Syuhei等報(bào)道了長時(shí)間運(yùn)行的100W二極管泵浦Nd：YAG激光放大器綠光激光器，唐淳等報(bào)道了160W激光二極管泵浦電光調(diào)Q主振蕩功率放大器綠光激光器L7噸。本文介紹了中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所的高功率綠光激光器新進(jìn)展。建立了高功率腔內(nèi)和腔外倍頻綠光激光器實(shí)驗(yàn)裝置，通過倍頻晶體的精密溫度控制、諧振腔和激光功率放大器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高功率綠光激光輸出。在激光放大器實(shí)驗(yàn)裝置上，進(jìn)行了激光模塊熱效應(yīng)補(bǔ)償和受激布里淵相位共軛等改善激光光束質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)研究。

　　l、倍頻晶體及溫度控制

　　在高功率綠光激光器中，基波在倍頻晶體上的功率密度較大，倍頻晶體吸收部分基波和倍頻光會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，晶體內(nèi)部的溫度升高，導(dǎo)致常溫下晶體切割的相位匹配角發(fā)生偏移，引起倍頻晶體的相位失配；另外，隨著泵浦功率的增加，晶體的熱透鏡焦距也在發(fā)生變化，從而限制了倍頻光輸出功率的提高。所以必須對倍頻晶體采取有效和快速冷卻及精密溫度控制措施，倍頻晶體冷卻實(shí)驗(yàn)裝置采用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行制冷和加熱，能實(shí)現(xiàn)倍頻晶體精密溫度控制和倍頻晶體長時(shí)間穩(wěn)定工作。半導(dǎo)體制冷片的熱端通水冷卻后能有效改善倍頻晶體在激光加載過程中的溫度穩(wěn)定性，綠光功率很快趨于穩(wěn)定。

　2、全固態(tài)腔內(nèi)倍頻綠光實(shí)驗(yàn)裝置

　　全固態(tài)腔內(nèi)倍頻綠光實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，激光諧振腔采用雙模塊串接L型腔結(jié)構(gòu)，綠光由M：和M。兩個(gè)腔鏡輸出。M，為全反射鏡，1064nm激光反射率大于99．80A；M。為諧波反射鏡，1 064 nm激光反射率大于99％，532nm激光透過率大于98％；M。為綠光輸出鏡，1 064nm激光反射率大于99．8％，532nm激光透過率大于99％。倍頻晶體分別采用磷酸氧鈦鉀(KTP)和三硼酸鋰(LBo)兩種晶體，兩通光面鍍1064nm和532nm增透膜，倍頻晶體安裝在冷卻裝置中。聲光Q開關(guān)工作頻率為40．68MHz，通光口徑為6mm，兩個(gè)聲光Q開關(guān)相互正交放置，以獲得較高的關(guān)斷功率。二極管泵浦激光模塊采用五邊對稱側(cè)泵浦Nd：YAG棒，每個(gè)模塊泵浦功率為1200W。

通過實(shí)驗(yàn)測試連續(xù)二極管泵浦激光模塊的熱焦距，由ABCD矩陣可以得出諧振腔的穩(wěn)定性參數(shù)及泵浦模塊和腔鏡上的模體積參數(shù)。圖2為二極管泵浦激光模塊在不同的泵浦功率時(shí)，諧振腔的光束半徑和穩(wěn)定性參數(shù)，圖中g(shù)tgz為諧振腔的特征參數(shù)。

　　將M2換為1064 nlTl激光反射率90％的輸出鏡(oC)，在聲光調(diào)Q重復(fù)頻率10kHz獲得252W基頻光輸出。M。改為綠光輸出鏡，實(shí)驗(yàn)測得LBO與KTP兩種晶體腔內(nèi)倍頻綠光輸出功率與泵浦功率關(guān)系曲線如圖3所示。由圖可知，采用LBO比采用KTP輸出綠光功率更高。當(dāng)泵浦功率進(jìn)一步增大時(shí)，腔內(nèi)功率密度顯著增加，KTP晶體熱效應(yīng)影響增強(qiáng)，輸出綠光功率難以進(jìn)一步提高。而LBO晶體由于吸收系數(shù)小，因此熱效應(yīng)較小，輸出綠光功率仍然能夠繼續(xù)保持增長。當(dāng)泵浦功率提高到1174w時(shí)，輸出綠光功率達(dá)到最大值186 w，此時(shí)光一光效率達(dá)15．8％，電一光效率為6．6％。在泵浦功率1090 W，聲光調(diào)Q重復(fù)頻率10kHz，用KTP晶體倍pumppower／W≥＼矗≥o厶善ejo1 050 l 100 l l 50 l 200 l 250pumppower|Ⅶ頻獲得532nm綠光功率140W，光一光效率達(dá)12．8％。采用光束質(zhì)量測試儀測得綠光激光器的光束質(zhì)量因子M2—20，測得綠光脈沖寬度為150 ns。

　3、全固態(tài)腔外倍頻綠光實(shí)驗(yàn)裝置

　　二極管泵浦的電一光調(diào)QNd：YAG棒主振蕩器／功率放大器布局如圖4所示。主振蕩器輸出的激光通過擴(kuò)束及隔離器后分兩路光分別注入功率放大器。功率放大器由一級雙通和一級單通放大器組成。每一級放大器均采用雙棒結(jié)構(gòu)，并在兩個(gè)Nd：YAG棒之間采用4f像傳遞系統(tǒng)及90。石英旋轉(zhuǎn)器，補(bǔ)償高重復(fù)頻率工作時(shí)的熱致退偏效應(yīng)。采用Ⅱ類相位匹配KTP晶體外腔倍頻，實(shí)現(xiàn)高單脈沖能量、高重復(fù)頻率的532nm輸出。將兩個(gè)KTP倍頻器輸出的綠光進(jìn)行偏振合束，提高激光器的平均功率。

      主振蕩器重復(fù)頻率0．1～1．0kHz可調(diào)，單脈沖能量5～10mJ，脈沖寬度15 ns，光束質(zhì)量因子肝<1．2。雙通放大器在注入能量5mJ，重復(fù)頻率400Hz時(shí)，獲得了450 mJ單脈沖能量激光輸出。當(dāng)進(jìn)入單通放大器的能量為300mJ時(shí)，第一個(gè)激光模塊單通輸出700mJ，提取效率為54％。經(jīng)過第二個(gè)激光模塊后獲得1．27J輸出，提取效率為77％。倍頻實(shí)驗(yàn)采用Ⅱ類相位匹配的KTP晶體，在重復(fù)頻率400Hz、單脈沖能量1J時(shí)，研究了不同激光功率密度時(shí)的倍頻效率、倍頻晶體熱效應(yīng)及激光損傷特性。在激光功率密度約為70MW／cm2時(shí)，獲得了525nU的532nm輸出，平均功率達(dá)210W，倍頻效率為43．7％。進(jìn)一步提高泵浦功率密度到80～100 MW／cm2，倍頻效率可以超過50％，但KTP晶體損傷幾率大幅度增加。測得綠光光束質(zhì)量因子為4．5倍衍射極限。采用偏振合成技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)激光器重復(fù)頻率的增加或單脈沖能量的增加。綠光激光器既可工作在400Hz，單脈沖能量1J，也可工作在重復(fù)頻率800 Hz，單脈沖能量0．5J，可以滿足不同的應(yīng)用需求。

4、綠光激光器光束質(zhì)量控制技術(shù)

　　4．1、二極管泵浦激光模塊熱效應(yīng)補(bǔ)償技術(shù)

　　由于二極管泵浦激光模塊平均功率高，引起激光棒內(nèi)溫度分布不均勻，激光模塊的熱效應(yīng)表現(xiàn)為熱致雙折射效應(yīng)和球透鏡效應(yīng)。理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，Nd：YAG棒內(nèi)沿徑向和切向的熱致雙折射可以用90。石英旋轉(zhuǎn)片及4f成像光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行熱致雙折射效應(yīng)補(bǔ)償。二極管泵浦激光模塊在重復(fù)頻率400Hz，峰值功率6．5 kW時(shí)，退偏比率為30％，通過雙模塊熱致雙折射效應(yīng)補(bǔ)償后退偏率降為3％。雙模塊熱致雙折射效應(yīng)補(bǔ)償后，激光的近場光斑分布得以改善。

在高功率二極管泵浦激光器中，由于熱導(dǎo)致的增益介質(zhì)球差效應(yīng)嚴(yán)重影響到激光器的輸出功率和光束質(zhì)量。在激光放大器實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了高功率二極管泵浦Nd：YAG激光模塊熱致球差效應(yīng)的理論分析和數(shù)值模擬，測量了二極管泵浦激光模塊的熱致球差值。利用平凸透鏡望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生的負(fù)球差對激光模塊進(jìn)行了補(bǔ)償，在重復(fù)頻率400Hz，單脈沖能量1．2J，光束質(zhì)量因子由肝一10改善到肝一4。將球差補(bǔ)償鏡應(yīng)用到激光放大器中，激光器光束質(zhì)量得到了大幅提高。

　　4．2、相位共軛技術(shù)

　　受激布里淵散射(SBS)相位共軛鏡可以矯正激光波前畸變、改善激光光束質(zhì)量。SBS相位共軛實(shí)驗(yàn)裝置原理圖如圖5所示。種子源為二極管泵浦的電光調(diào)Q單縱模Nd：YAG激光器，重復(fù)頻率i00～1000 Hz可調(diào)，單脈沖能量大于1mJ。由種子源輸出的單縱模激光依次通過擴(kuò)束裝置和光學(xué)隔離器進(jìn)入預(yù)放大器進(jìn)行放大，輸出光束經(jīng)過光學(xué)隔離器進(jìn)入主放大器進(jìn)行放大。光學(xué)隔離器由兩個(gè)對稱放置的薄膜偏振片、法拉第旋光器和1／2波片組成，實(shí)現(xiàn)前級和后級的光學(xué)隔離。在主放大器后放置的1／2波片與偏振片P。構(gòu)成光強(qiáng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)進(jìn)入錐度光纖相位共軛鏡的單脈沖能量，透過偏振片P。的激光進(jìn)入吸收池；將反射激光由偏振片P2，1／4波片和透鏡會(huì)聚進(jìn)入錐度光纖。放大器泵浦模塊均采用二極管激光器側(cè)泵浦結(jié)構(gòu)，增益介質(zhì)為Nd：YAG晶體。

      激光放大器實(shí)驗(yàn)裝置在重復(fù)頻率lkHz，單程輸出單脈沖能量38mJ時(shí)，注入錐度光纖后獲得SBS反射單脈沖能量26．5mJ，SBS反射率為69．7％(圖6)。將實(shí)驗(yàn)裝置圖5中的虛線框1／2波片和1／／4波片去掉，可實(shí)現(xiàn)帶錐度光纖共軛鏡的雙程激光放大。雙程激光放大器獲得單脈沖能量101mJ，脈沖寬度為6as的單縱模激光輸出，光束質(zhì)量因子肝<2。通過雙程的相位共軛特性，獲得了很好的光束質(zhì)量激光輸出。
 

5、結(jié) 論

　　在高功率全固態(tài)綠光激光器中，倍頻晶體的熱效應(yīng)及反射率隨注人功率的變化情況直接影響綠光功率的輸出，選用對基頻光和倍頻光吸收系數(shù)小的倍頻晶體材料，可以提高綠光功率，但倍頻晶體熱效應(yīng)問題有待進(jìn)一步深入研究。在激光放大器實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了光束質(zhì)量控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究，SBS相位共軛鏡的反射率達(dá)到69％，但還需優(yōu)化錐度光纖共軛鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高注入單脈沖能量和SBS反射率。