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       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(cè)、同位素分離及光電對(duì)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(guò)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(guó)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(guó)內(nèi)從2003年開始開展了百w級(jí)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(zhǎng)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(guó)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(guò)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(duì)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(guò)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(duì)稱側(cè)泵浦Nd：YAG棒，每個(gè)模塊泵浦功率為1200W。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)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(zhǎng)。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(cè)試儀測(cè)得綠光激光器的光束質(zhì)量因子M2—20，測(cè)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(guò)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(jí)雙通和一級(jí)單通放大器組成。每一級(jí)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(guò)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(guò)50％，但KTP晶體損傷幾率大幅度增加。測(cè)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(guò)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(chǎng)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(cè)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(duì)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(guò)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(guò)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(duì)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(jí)和后級(jí)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(guò)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(guò)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(duì)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(wèn)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。