LD端面泵浦内腔倍频全固态绿光激光器研究进展

曾灏宪 郭鹏 贺庆

1.中原工学院理学院 450007

2.郑州大学河南省激光与光电信息技术重点实验室 450051

LD端面泵浦内腔倍频全固态绿光激光器研究进展

曾灏宪1，2郭鹏1贺庆1

1.中原工学院理学院 450007

2.郑州大学河南省激光与光电信息技术重点实验室 450051

1、引 言

solid state green lasers. It has more advantages for balancing the lasing performance while using method of intracavity frequency-doubling to produce green laser. After analyzing the researching history of LD end-pumped intracavity frequency-doubling green lasers,we can conclude that the goal of most researches is making a breakthrough in one or two aspects or achieving an optimization balance between several aspects of laser performance. It's important and has some benefits to make a comparison of relevant researches worldwidely for upcoming researches on green lasers and demarcate the current researching level. At the present time, it's true that certain one-sided performance of LD end-pumped intracavity frequency-doubling green laser has reached a very high level, and most of the achievements are contributed by domestic researchers. The current study should focus on how to take better way to make most of the performance indicators more prominent simultaneously.

Lasers; review; intracavity frequency doubling; endpumped; performance indicators

随着高功率LD和非线性材料的发展，非线性光学频率变换技术与DPL技术相结合，可以实现从深紫外到远红外，包括可见光三原色红、绿、蓝等各种波长运转，同时具有很高的转换效率，使得LD泵浦的固体激光器在新的应用中更受欢迎，成为目前DPL研究的热点之一。激光二极管泵浦的内腔倍频全固态绿光激光器发展迅速，已经在通讯、医疗、激光显示和科学研究等领域得到了较为广泛的应用。作为三原色光源之一，绿光激光器已经广泛应用在激光医疗、舞台表演、城市景观、精密加工、激光显示、国防军事、科学研究等领域，其研究一直是人们关注的重要方面。

2、内腔倍频激光器的发展历史综述

激光二极管泵浦的内腔倍频全固态绿光激光器发展迅速，已经在通讯、医疗、激光显示和科学研究等领域得到了较为广泛地应用。研究高效率、高功率、高光束质量和/或高稳定性的全固态绿光激光器仍是当前研究的主要内容。以内腔倍频的方式产生绿光激光，对于平衡这几个方面的激光性能有较大优势。通过分析总结LD端面泵浦内腔倍频绿光激光器的研究历史可以看出，人们在研究绿光激光器的过程中始终以突破其中某一项性能指标或者平衡部分指标来优化性能为目标。对世界范围内的相关研究进行对比，标定目前所达到的研究水平，对于即将开展相关研究的科研工作者是一份有益的参考。目前来看，LD端面泵浦内腔倍频绿光激光器某些单方面的性能指标已经达到相当高的水平，并且很多是国内的研究者率先达到的。目前研究的重点应该是如何采取更好的方法使得激光器各方面突出的性能指标集于一体。

激光器；综述；内腔倍频；端面泵浦；性能指标

Laser diode end-pumped solid state green lasers are developing fast, and have been widely applied in communication, medical, laser display and scientific researching and other fields. The main research contents are still focused on high efficient, high power, high beam quality and/or high stability all

在激光出现之后没几年，内腔倍频激光器就已经出现。早期基于闪光灯泵浦的内腔倍频激光器就显示出较高的效率。但是腔内存在非线性倍频晶体时，这些激光器件变得不太稳定。并且，这些激光器经常在1061nm和1074nm运转，而不是1064nm。这一时期，器件稳定性、晶体热效应和其它的材料方面的问题限制了内腔倍频激光器的发展。到20世纪80年代，KTP等非线性材料的出现和LD泵浦技术的应用，使得内腔倍频激光器开始焕发生命力，但是由于存在稳定性问题，绿光激光器的发展仍然缓慢。

从20世纪90年代开始，内腔倍频，特别是内腔倍频绿光激光器的技术日渐成熟。此后，内腔倍频激光器开始向四个主要方向发展：高输出功率[1-7]、高光束质量[8-10]、高转换效率[8;10-13]和/或输出功率的高稳定性[5;8;14]。

2.1 高输出功率

得益于1μm波长附近的红外激光器的快速发展和KTP等高效率非线性介质的出现，二次谐波倍频得到绿光输出的激光器发展最早，并且发展迅速。目前高功率内腔倍频激光器多是绿光激光器。现在，有关输出功率大于100W的绿光激光器的报道[1;2;15]已经有许多。目前，平均输出功率最高的是Chang等人[7]1998年报道的LD泵浦Nd:YAG获得脉冲315W倍频绿光激光器。

国内中科院理化技术研究所在高功率内腔倍频方面取得了很好的研究进展。2005年，该所激光物理与技术研究中心的薄勇、耿爱丛等[4]在重复频率为10kHz时得到平均功率140W的绿光输出，脉宽110ns。输出为124W时的M 2参数小于11。2006年，他们进一步的研究[5]得到输出为120W时的M 2参数为6.2，光-光效率15.2%，4小时内输出稳定性优于0.9%。2008年，薄勇等人[6]又报道了平均功率218W的绿光输出，M 2参数为20.2。

倍频连续绿光输出也能达到20W以上的功率。2009年，中科院物理所光物理实验室的程贤坤、周勇等人[16]报道了连续输出23.2W 532nm绿光的内腔倍频激光器，20.9W时M 2参数为4.1，一小时内不稳定度低于1.4%。

可以看出，高功率内腔倍频激光器一般有以下技术特征：1）采用大功率激光二极管阵列（LDA）作为泵浦源；2）采用侧面泵浦方式以利于泵浦光耦合进晶体；3）调Q脉冲输出。目前，高功率内腔倍频激光器主要存在两个方面的问题，分别是：1）输出光束质量较差，百瓦级的内腔倍频绿光激光器光束的M 2参数在6以上，有的高达50；2）光-光效率较低。

2.2 高光束质量

光束质量可衡量激光器将能量传送到目标上的效率，在通信传输和激光加工等方面有重要意义。

2005年，新加坡南洋理工大学的Peng等人[8]使用Nd:YLF进行内腔倍频获得527nm绿光输出，在60W泵浦功率下二次谐波输出20.5W，光-光效率达34.2%，而且光束模式很好，M2=1.2，绿光功率不稳定性小于±1% RMS。2007年，北京理工大学的张恒利等人[9]使用激光二极管面阵端面泵浦板条Nd:YAG，并应用电光调Q技术获得近衍射极限内腔倍频绿光输出，M2=1.3，重复频率1kHz，脉宽16.7ns，单脉冲能量18mJ，光-光效率10.7%，脉冲能量稳定性约为0.8%。

而高功率下的高光束质量输出也慢慢成为可能。2008年，清华大学的朱鹏、刘代军[10]等人使用端面泵浦板条Nd:YAG激光器进行内腔倍频，获得了平均功率93W的绿光输出，M2达到1.5，二次谐波转换效率达到57%。但是兼顾输出功率和光束质量仍然是一个难题。

2.3 高转换效率

因为二次谐波转换的效率普遍偏低，导致泵浦光到谐波输出的光-光效率不高。很多科研工作者开始将提高倍频激光器的光-光效率作为一个研究重点。

1997年，Y. F. Chen等人[11]采用紧凑的谐振腔实现激光器的单模振荡，得到的光-光转换效率达到26.8%，而该论文中也曾提到，此前报道的有关转换效率都低于10%。2005年，Peng等人[8]内腔倍频527nm绿光输出的光-光效率达34.2%。2006年，Louis McDonagh等人[12]报道了使用LBO倍频晶体采用腔倒空技术得到31W绿光输出，二次谐波转换效率达到70%。而2008年朱鹏等人[10]在绿光平均输出功率93W，M2=1.5时的二次谐波转换效率也达到57%。

连续光输出的内腔倍频激光器的二次谐波转换效率因为腔内功率密度相对较低等原因一般较低。一般来说，要得到高的转换效率，模式匹配和腔内功率密度等因素是很关键的，通常采用端面泵浦方式较容易得到高的转换效率，但是却不容易获得高功率输出。

2.4 高稳定性

实际应用中，尤其是长时间连续工作的情况下，激光输出的稳定性是很重要的。稳定性是衡量激光器能否实用的一个关键因素。2005年，Peng等人[8]报道的内腔倍频激光器，其稳定性达到±1% RMS。2006年，薄勇、耿爱丛等[4]在输出为120W时，连续工作4小时的输出稳定性优于0.9%。

目前最高的稳定性由国内研究机构首先达到。2007年，天津大学徐德刚等人[14]报道的稳定性优于0.2%。

3、研究现状

采用端面泵浦的内腔倍频激光器可以获得较高的泵浦耦合效率和高的输出光束质量，是LD泵浦固体激光器中一个很重要的研究方向。近年来高功率二极管阵列（LDA）的发光面积加大，同时数值孔径也大，给端面泵浦带来了一定困难，不过在追求高光束质量的应用方面，端面泵浦仍是一种有优势的方案。

二十世纪九十年代，国内外二极管端面泵浦内腔倍频固体激光器的研究进展迅速[17-25]。1991 年，Shannon 等人[17]使用10W线阵激光二极管泵浦Nd:YAG晶体，获得平均功率750mW的绿光输出，重复频率10kHZ，非线性转换效率达到47%。

国际上一些大公司的研究成果比较突出。1998年，Hardman等人[20]报道了内腔倍频YLF连续526.5 nm激光器，采用环形腔结构，腔内插入TGG法拉第旋转器，利用2台20W线阵激光二极管双端泵浦，在吸收25.6W泵浦光的情况下得到6.2W单频偏振光输出，M2参数小于1.2。他们同时得出结论，认为Nd:YLF比Nd:YVO4有更小的热透镜效应，而自然双折射特性比Nd:YAG好，但是高功率时的损伤特性不好。同年，日本的Shen等人[23]使用简单的平凹腔结构，利用Nd:YVO4/KTP在LD泵浦功率为881.4mW时得到286.5mW连续绿光输出，光-光转换效率达到32.5%。

进入21世纪后，国外关于内腔倍频绿光激光器的研究主要集中在使用大功率激光二极管阵列侧面泵浦通过调Q获得高平均功率方面，端面泵浦的报道较少。

由于国产半导体激光器输出功率低，而进口大功率半导体激光器受禁运及价格高等因素制约，国内全固态激光器大都集中在中小功率方面。全固态内腔倍频绿光激光器的研究在国内大陆虽然起步较晚，但十分活跃，在端面泵浦内腔倍频方面取得了很多成果。

从光-光效率上来看，主要体现在山东大学晶体研究所在内腔倍频绿光激光器上做的一系列研究[25-28]。1999年，刘均海等人[25]使用Nd:YVO4/KTP得到5W 532nm输出，光-光效率29.1%，短时间内测试的输出不稳定性小于1.5%。2000年，他们[26]使用Nd:GdVO4/KTP得到3.6W连续532nm绿光输出，光-光效率22.5%，M2参数为1.55，短时间内测试的输出不稳定性小于3%。2001年，他们[28]又在原来实验（Nd:GdVO4/KTP）的基础上加入声光调Q，在50kHz时得到3.75W绿光输出，脉宽35ns，光-光效率25%，峰值能量和峰值功率分别为108μJ和3.1kW，而二次谐波转换效率达到72%。2004年，西北大学的白杨等人[29]报道了9.9W连续532nm绿光输出的Nd:YVO4/LBO激光器，光-光效率34.8%。

1998年，何京良等人[21]在20W的泵浦功率下得到5.5W的532nm绿光TEM00模输出，光-光效率27.5%，功率不稳定性1.6%。2002年，山西大学的李小英等人[30]报道了环形腔运转的稳频Nd:YAP/KTP激光器，得到1.1W的540nm绿光输出，稳定性优于±1.5%。

近年来，国际上中小功率端面泵浦内腔倍频激光器方面的研究成果主要是国内的大学和科研院所创造的。2006年，长春光机所的贾富强、郑权等人[31]使用Nd:YAG/LBO内腔倍频得到1.41W 556nm稳定输出。2007年，中科院物理所的张恒利等人[32]报道了LDA端面泵浦的电光调Q Nd:YAG板条激光器，在1kHz重复频率下，内腔倍频得到脉冲能量9.7mJ，脉宽12.2ns的532nm绿光输出，脉冲能量的不稳定性大约是0.8%。

4、总结

作为较早开始的研究对象之一，激光二极管泵浦的内腔倍频全固态绿光激光器发展迅速，已经在相当广泛的领域里得到了较为广泛的应用。目前，激光二极管泵浦的内腔倍频全固态绿光激光器的研究已经较成熟，研究高效率、高功率、高光束质量和/或高稳定性的全固态绿光激光器是当前研究的主要内容。目前来看，LD端面泵浦内腔倍频绿光激光器某些单方面的性能指标已经达到相当高的水平，并且很多是国内的研究者率先达到的。要想在单方面的指标上实现突破已经很难了，所以即使是从国内进行比较来看，低投入、低起点的研发也已经没有多大意义。目前研究的重点应该是如何采取更好的方法获得各方面性能指标都较为突出的内腔倍频绿光激光器。

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Advances in LD end-pumped intracavity frequency-doubling solid-state green lasers

Zeng Haoxian1,2Guo Peng1He Qing1
1.School of Science, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007,China;
2.Henan Key Laboratory of Laser and Opto-electric Information Technology, Zhengzhou University, Zhengzhou 450051,China

TN248.1

曾灏宪（1980-），男，硕士，助教，现主要从事全固态激光器的研究。