全固态LBO倍频659.5 nm/669 nm激光器

郭阳阳，孙芮，金光勇

（长春理工大学 理学院，长春 130022）

659.5 nm/669 nm波段激光属于红光波段，红光激光器在彩色显示、激光医疗、掺Cr+晶体的泵浦源等领域有着重要应用前景。双波长659.5 nm/669 nm红光激光器又可以作为通过差频方法产生太赫兹光源的前端，太赫兹在精确激光光谱、物质探测、天体观测等众多领域中有着重要应用［1-4］，但输出性能较差，在实际应用中较为困难，相比于由1.3 μm的双波长激光器差频获得的3.23 THz而言［5］，由双波长659.5 nm/669 nm红光激光器差频后产生的6.46 THz效率更高。所以研究双波长659.5 nm/669 nm红光激光器具有重要意义［6-9］。

目前获得红光激光输出的主要方法有：LD激光二极管直接输出，但这种方式获得的激光功率较低、稳定性较差、发散角大、光束质量不高等；另一种方法为采用激励物质获得1.3 μm波长的激光，再经过非线性晶体进行倍频获得红光激光输出，现采用单掺钕晶体获得1.3 μm波段的激光无论在晶体的制作工艺上还是器件制备激光输出方面都较为成熟［10-11］，LBO晶体的倍频技术也趋于完善，由于其结构简单、成本相对较低而且能获得较高功率、光束质量等，是目前获得红光激光器的研究热点。

为获得高功率、高光束质量的659.5 nm/669 nm红光激光器，本文从理论与实验两方面对采用Nd：YAG激光器倍频LBO晶体，获得659.5 nm/669 nm红光激光器，并获得1.3 W的红光激光输出，功率配比1∶1，发散角较小为2.71 mrad，光束质量M2=1.5。

1 659.5 nm/669 nm红光倍频技术理论分析

通过倍频晶体对Nd：AYG晶体产生1 319 nm/1 338 nm双波长的非线性频率变换获得659.5 nm/669 nm红光输出，首先需要分析659.5 nm/669 nm倍频理论。通过理论分析，获得效果最佳的倍频LBO晶体参数。

1.1 LBO晶体相位匹配计算

由折射率椭球方程：

式中，n1，n2，n3分别为三个主轴的折射率；kx，ky，kz为三个主轴方向上的分量。设波失k与z轴夹角为θ，k在yox平面上的投影与x轴的夹角为φ，则有：

获得LBO晶体在Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配条件，结合LBO的色散方程，获得LBO晶体的Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配曲线，如图1所示。

图1 LBO晶体的Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配曲线

由于采用1 319 nm/1 338 nm的双波长作为基频光，对应的相位匹配曲线基本相同。而1 319 nm的波长与1 338 nm的波长属于一个量级，在求解有效非线性系数等时可以取平均值。图2为LBO晶体的有效非线性系数图。

图2 LBO晶体的有效非线性系数

由图2可以获得，LBO晶体Ⅰ类及Ⅱ类的最大有效非线性系数分别为0.939 5 pm/V，1.008 pm/V。结合最大有效非线性系数分析图1中的相位匹配，可以获得LBO晶体在Ⅰ类及Ⅱ类的临界相位匹配角（θ，φ）分别为（85.9，0.0），（4.1，0.0）。

1.2 LBO晶体允许角计算

在非线性频率变换中，为使三波互作用效率与完全相位匹配时的效率之笔为特定值。需要满足非线性频率变换的晶体角度匹配中的允许角匹配条件，及允许角 Δθ(Δθ·l) 。

引入LBO晶体对1 319 nm/1 338 nm倍频获得659.5 nm/669 nm双波长红光激光的相位匹配角及有效非线性系数，可以计算获得LBO晶体在Ⅰ类及Ⅱ类相位匹配的允许角为22.55 mrad·cm，22.28 mrad·cm。

1.3 LBO晶体走离角计算

由于非线性晶体的特性，光波在晶体中传播时产生非线性频率变化，使光矢量方向与能流传播方向发生偏离，形成走离效应，影响晶体的转换效率。对于LBO双轴晶体，其走离角分别为：

由计算获得在采用LBO晶体倍频1 319 nm/1 338 nm双波长获得红光激光输出的走离角分别为3.65 mrad，3.73 mrad。

由以上计算得到采用LBO晶体对于1 319 nm/1 338 nm倍频获得659.5 nm/669 nm红光激光的晶体参数为：采用Ⅰ类相位匹配方式，切割角度为（85.9°，0°），晶体尺寸为（3×3×10）mm3。

2 659.5 nm/669 nm双波长红光激光器实验装置

基于上述理论分析，搭建实验平台。如图3与图4所示分别为659.5 nm/669 nm双波长红光激光器实验装置示意图与实物图。

图3 659.5 nm/669 nm双波长红光激光器实验装置示意图

图4 659.5 nm/669 nm双波长激光器实验装置实物图

如图3所示，实验采用中心波长为808 nm的泵浦源，耦合比为1∶1.5的聚焦耦合透镜组，M1为全反镜，镀膜参数为AR 808 nm，HR 1 319 nm/1 338 nm、659.5 nm/669 nm，基频光晶体采用Nd：YAG晶体，倍频晶体LBO双端镀有HT 808 nm、1 319 nm/1 338 nm、659.5 nm/669 nm的膜系，Nd：YAG晶体的掺杂浓度为1.1%晶体尺寸为φ3×（3.5+10+3.5）mm，LBO晶体，晶体尺寸（3×3×10）mm3，输出镜M2镀有对659.5 nm/669 nm透过率的膜系。实验时晶体放入水冷热沉中进行冷却，保持温度为18℃，实验室内环境温度为20℃。

3 659.5 nm/669 nm双波长红光激光输出特性实验研究

本实验采用直腔结构，选择谐振腔的腔长为60 mm，选择不同曲率半径的输出镜，进行实验研究，实验参数如图5所示。

图5 659.5 nm/669 nm双波长红光激光器注入功率与输出功率的关系图

由图5分析可知，在平平腔条件下，当抽运功率最大为35 W时，获得的最大输出功率为0.23 W，斜率效率为0.66%；当输出镜曲率半径分别为70 mm，100 mm，200 mm时，最大输出功率分别为1.35 W，1.16 W，0.53 W；斜率效率分别为4.08%，3.95%，1.56%。

利用日本横河公司生产的型号为AQ-6375光谱仪测量光谱，如图6所示。

图6 659.5 nm/669 nm双波长红光激光器输出波长图

利用光谱仪采集到的波长图，此时获得的波长为659.6 nm/669.4 nm，谱线宽度分别为0.057 nm/0.074 nm，功率配比基本可达到1∶1。

图7 659.5 nm/669 nm双波长红光激光光斑图

图7为双波长红光激光的光斑图。采用热势电面阵相机光束质量分析仪，对输出的双波长红光激光进行测量分析。图8为采集到的光束质量图，并测得其远场发散角为2.71 mrad。光束质量M2=1.5。

图8 659.5 nm/669 nm双波长红光激光光束质量测量图

4 结论

对659.5 nm/669 nm双波长红光激光器进行了实验研究。计算了LBO晶体对1 319 nm/1 342 nm倍频产生659.5 nm/669 nm双波长红光激光的参数，选定LBO晶体参数为Ⅰ类相位匹配方式，切割角度为（85.9°，0°），晶体长度为10 mm。并进行实验研究获得最大输出功率为1.35 W的红光激光输出，功率配比为1∶1，发散角为2.71 mrad，光束质量M2=1.5。