V型腔激光器倍频晶体长度分析和实验研究

石梦静，陈巧玲，郭绍忠，林文硕

（福建工程学院数理系，福建 福州 350000）

激光二极管泵浦全固态激光器具有效率高、寿命长、结构紧凑、稳定可靠等特点[1~2]，被广泛应用于激光医学、信息存储、水下通信、彩色打印、激光电视等科学研究中[3~4]，已成为国际激光领域研究的热点。由于KTP晶体具有良好的物理机械性能和光学特性，被作为倍频晶体广泛应用在各类激光产品中。但是在高功率密度激光的长时间作用下，KTP晶体组分中的Ti4+离子会得到一个电子变成Ti3+，出现所谓的“灰线（gray tracks）”问题，导致激光输出功率下降。本文研究了LD端面泵浦V型腔连续绿光激光器倍频光的功率密度，分别计算了以Nd：YVO4和Nd：YAG为激光晶体，腔内损耗为5％时KTP晶体的最佳长度，得到较好的实验结果。所得结论对相关研究具有参考价值。

其中，为基频光在倍频晶体和增益介质中的功率密度比，即

由式（1）可得I（ω），代入式（3），则得到倍频光的功率密度为

式中，

1 理论分析

因此，I（2ω）是（）因子的递减函数。

倍频晶体的长度，对输出功率有较大影响，下面对KTP晶体的最佳长度进行分析。激光腔内倍频的稳态条件：激光往返饱和增益等于线性损耗与非线性损耗之和[5]，即

其中，

g0为非饱和增益系数；

l*为增益介质长度；

I为基波在增益介质中的功率密度；

δ为基波的线性损耗；

Is为增益介质的饱和功率密度；

fa和fb分别为上下能级中起作用的粒子数分数；

σ为受激发射截面；

τ为上能级寿命；

K'I是由倍频引起的非线性损耗，非线性耦合系数K'定义为[6]

由式（7）可以看出，倍频晶体的最佳长度与激光晶体的受激发射截面、腔内损耗、基频光频率及倍频晶体的非线性系数等因素有关，而与腔内非饱和增益无关。如果倍频晶体过短，则只有少量基频光产生非线性效应；如果倍频晶体太长，会导致基频光功率密度的减小，从而降低倍频光的功率密度。

图1 腔内损耗与晶体长度关系图

根据式（7）得到倍频晶体的最佳长度与腔内损耗间的关系，如图1所示。从图上可以看出，腔内损耗越大，对应的最佳倍频晶体长度越长；在同一腔内损耗的情况下，当采用Nd：YVO4为激光晶体时，倍频晶体的最佳长度较长。当腔内损耗为5％时，采用Nd：YVO4为激光晶体所对应的KTP最佳长度为10.3 mm；采用Nd：YAG为激光晶体所对应的KTP最佳长度为6.6 mm。

图2 实验装置图

图3 Nd：YVO4/10 mmKTP绿光输出功率与泵浦功率关系

图4 Nd：YAG/6 mmKTP绿光输出功率关系

2 LD泵浦绿光激光器实验

实验装置如图2所示，泵浦光经准直和聚焦后入射到激光晶体，其左端面作为输入镜M1，对1 064 nm和532 nm全反，右端面对1 064 nm和532 nm高透；输出镜M为平凹镜，曲率半径50 mm，对1 064 nm全反，532 nm高透；反射镜M2为平凹镜，曲率半径200 mm，对1 064 nm和532 nm全反。倍频晶体为KTP，使用TEC制冷。

分别采用10 mm Nd：YAG和Nd：YVO4进行实验。图3为采用Nd：YVO4/10 mm KTP实验时泵浦功率与绿光输出功率图。Nd：YVO4具有较高的发射截面，阈值较低，获得较高的绿光输出，最高功率为3.41W。当泵浦光为15 W时，获得了2.67 W绿光输出和较高的光-光转换效率17.8％。图4为采用Nd：YAG/6 mm KTP实验时泵浦功率与绿光输出功率图。由于倍频晶体偏短，当泵浦功率大于15 W后，对基频光吸收不

3 结束语

根据倍频光转换效率公式和腔内倍频的稳态条件，得到倍频光功率密度的最大值，分别计算了以Nd：YVO4和Nd：YAG为激光晶体，腔内损耗为5％时KTP晶体的最佳长度。分别采用10mmNd：YAG和Nd：YVO4为激光晶体进行实验。在Nd：YVO4/10mmKTP实验中，当泵浦光为15 W时，获得了2.67 W绿光输出，光-光转换效率达17.8％。

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