LD泵浦Nd:YAG晶体双波长和频激光器

LD Pumped Nd:YAG Crystal Dual-Wavelength and Sum-Frequency Laser

摘要: 通过激光二极管(LD)泵浦Nd:YAG产生1064 nm、1319 nm、1338 nm基频光，利用KTP晶体第二类相位匹配获得波长分别为589/593 nm的和频激光输出。从Nd:YAG晶体能级跃迁特性出发，揭示了Nd:YAG作为工作物质可以产1319/1338 nm激光的可能性。通过非线性光学转换频率及相关理论，分析了产生双波长和频输出的原理，同时也为多波长激光器的研究提供了参考。

Abstract: Laser diode (LD) pumps Nd:YAG to produce 1064, 1319, 1338 nm fundamental frequency light. The second type of phase matching of KTP crystal is used to obtain the sum-frequency laser output with wavelength of 589/593 nm. Based on the energy level transition characteristics of Nd:YAG crystals, the possibility that Nd:YAG can produce 1319/1338 nm laser as a working substance is revealed. By means of nonlinear optical conversion frequency and related theories, the principle of generating dual-wavelength and sum-frequency output is analyzed, which also provides a reference for the research of multi-wavelength lasers.

1. 引言

全固态和频激光器因其更加宽泛的波长输出范围以及更高的输出转化频率，被广泛应用于光通信、激光雷达、科学研究 [1] [2] [3] [4] 以及国防军事 [5] 等领域。近年来，研究人员通过各种途径来获得高效的全固态黄光激光器。目前在固体激光器方面产生黄色激光的途径主要有：能够直接发射黄光激光的固体材料、双波长和频、受激拉曼散射(SRS)效应和直接倍频红外波长。2004年中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的贾富强等人 [6] ，理论上分析和计算了Nd:YAG激光器双波长同时运转时输出镜的透过率，提出在1064 nm和1319 nm连续的双波长运转的前提下，适当减小输出镜对增益较大谱线的透过率，可以在腔内加入I类临界相位匹配的LBO获得更高的589 nm和频效率。2021年6月，中国运载火箭技术研究所冉子涵等人 [7] ，利用LD端面脉冲泵浦Nd:YAG，LBO晶体腔外倍频与和频，产生1064 nm、532 nm、355 nm激光输出。

掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)是目前最常用的全固态激光器工作物质之一，它(Nd³⁺)主要有1050~1120 nm、870~950 nm、1310~1350 nm三条谱线带 [8] 。这三条谱线带中主要的发射谱线为1064 nm (⁴F_3/2 → ⁴I_11/2)、1319 nm (⁴F_3/2 → ⁴I_13/2)，946 nm (⁴F_3/2 → ⁴I_9/2)。在激发1319 nm激光时，由于斯塔克能级分裂，通常会伴随着相邻谱线1338 nm激光输出。1064 nm的发射截面为8.8 × 10⁻²⁰ cm²，1319 nm的发射截面为1.5 × 10⁻²⁰ cm²，1338 nm的发射截面为1.5 × 10⁻²⁰ cm²，其中1064 nm的发射截面最大，是1319/1338 nm发射截面的5倍，1064 nm首先起振，由于模式竞争会抑制1319 nm起振。

和频选用的KTP晶体是一种性能十分优秀的非线性晶体，其具有允许角度大、透光波段宽、非线性系数大、走离角小等 [9] 优点，加之其生产技术成熟，价格相对较低，且易储存，使之成为了目前使用较多的非线性晶体。Nd:YAG发射谱线较多，本文通过在Nd:YAG晶体端面上镀具有高选择性的介质膜来调节谐振腔内损耗，抑制部分1064 nm激光的起振，使用LD泵浦Nd:YAG晶体可以产生相对独立的1064 nm、1319 nm、1338 nm三束基频光，通过KTP晶体非线性转化过程可以获得589/593 nm和频双波长激光输出。

2. 实验装置

实验装置如图1所示，激光二极管(LD)的中心波长为808 nm，它的最大输出功率为4.6 W，利用聚焦透镜OC对泵浦光进行光束整形、准直后入射到M1。M1作为1064 nm谐振腔的一个输入镜，左端面镀膜：HT@808 nm，HR@l064 nm。右端面镀膜：AR@1064 nm。Nd:YAG (3 mm × 3 mm × 5 mm)，掺杂浓度1at.%，用铟箔包裹并且固定在一个铜槽中，左端面镀膜：HT@808 nm，HR@1319 nm，作为1319 nm谐振腔的一个腔镜，右端镀膜：@HR@1064 nm/1319 nm。输出镜M2是曲率半径为100 mm的平凹镜，凹面镀膜：HR@1064 nm/1319 nm，HT@589 nm，平面镀膜：HT@589 nm。和频晶体KTP (3 mm × 3 mm × 7 mm)采用II类临界相位匹配，两端面均镀膜：HT@1319 nm/1064 nm/589 nm。LD和谐振腔分别用半导体致冷器(TECl, TEC2)控制温度，确保激光器稳定运行。

Figure 1. Experimental device diagram

图1. 实验装置图

3. 实验结果及理论分析

3.1. Nd:YAG产生双波长振荡的理论分析

Nd:YAG的能级跃迁图 [10] ，如图2所示，从图中可以看出每个能级跃迁谱线并不是固定的，而是在一定波长范围内的，即各能级存在着一定带宽。Nd:YAG有1050~1120 nm、870~950 nm、1310~1350 nm三条谱线带。这三条谱线带中主要的发射谱线为1064 nm (⁴F_3/2 → ⁴I_11/2)、1319 nm (⁴F_3/2 → ⁴I_13/2)，946 nm (⁴F_3/2 → ⁴I_9/2)。其中⁴F_3/2-⁴I_11/2和⁴F_3/2-⁴I_13/2跃迁属于四能级系统，阈值低，是Nd:YAG主要的跃迁谱线。

Figure 2. Energy level of Nd:YAG

图2. Nd:YAG能级图

⁴F_3/2-⁴I_13/2谱线带(1310 nm~1350 nm)的主要跃迁波长如表1所示。从表1 [11] 可以看出，1319 nm和1338 nm的受激发射截面均为1.5 × 10⁻²⁰ cm²，所以当1319 nm起振时，1338 nm波长也会随之出现。而其他波长由于受激发射截面相对较低，阈值较大，在1319/1338 nm起振后，其他波长并不会发生振荡。1064 nm (⁴F_3/2-⁴I_11/2)的受激发射截面为8.8 × 10⁻²⁰ cm²远大于1319/1338 nm的受激发射截面，在正常的工作情况下，1064 nm首先起振，由于模式竞争会抑制1319 nm起振。本文通过在Nd:YAG晶体端面上镀具有高选择性的介质膜，抑制部分1064 nm激光的起振，从而获得1319 nm激光的输出，同时伴随1338 nm激光输出。

Table 1. Emission cross sections for the main transition wavelengths of the 4F3/2-4I13/2 spectral band (1310 nm~1350 nm) of Nd:YAG

表1. Nd:YAG晶体⁴F_3/2-⁴I_13/2谱线带(1310 nm~1350 nm)的主要跃迁波长的发射截面

3.2. 实验结果

使用LD泵浦Nd:YAG晶体，将KTP晶体放入谐振腔内，并调整KTP晶体的角度，在一定的角度下，利用光谱仪观测光谱如图3、图4所示。根据图3可以看出，经KTP晶体和频后得到了两条激光谱线，分别为589 nm和593 nm。理论分析中1319 nm和1338 nm的受激发射截面相近，所以当1319 nm起振时，1338 nm也会随之起振，其他波长由于受激发射截面相对较低，阈值较大，因此并不会发生振荡。腔内非线性转换过程只有1064 nm + 1319 nm和频与1064 + 1338 nm和频产生589/593 nm和频双波长激光输出，因此实验得到的光谱图与理论分析一致。光谱仪观测基频光的光谱，得到的结果如图4所示。从图4中可以看出Nd:YAG晶体有三条谱线起振，波长分别为1064 nm、1319 nm、1338 nm。

Figure 3. Spectrum of 589 nm sum-frequency optical

图3. 和频光589 nm光谱图

Figure 4. Spectrum of fundamental frequency

图4. 基频光光谱图

589 nm和频光光谱如图3所示，由图3中的谱线可以看出，输出的光谱由589 nm的主峰和极弱的593 nm的次峰这两条谱线构成。经过计算分析，1064 nm与1319 nm和频输出光波长为589 nm，1064 nm与1338 nm和频输出光波长为593 nm。根据Nd:YAG晶体四能级系统可知，Nd:YAG晶体发射谱线有很多条，1319 nm谱线发生斯塔克能级分裂形成1338 nm谱线，1338 nm和1319 nm的受激发射截面接近。由于这两条谱线非常相近，且Nd:YAG谐振腔镜镀膜难以抑制1338 nm谱线起振，因此推测Nd:YAG同时产生1338 nm和1319 nm这两个波长的激光。基频光光谱如图4所示，能看到有1064 nm、1319 nm、1338 nm三条谱线，验证了1338 nm激光的存在，并与1319 nm激光形成增益竞争，此现象会对589 nm激光的输出功率以及稳定性产生影响。

4. 讨论

LD泵浦Nd:YAG晶体，得到的基频光波长为1064 nm、1319 nm、1338 nm，通过KTP晶体进行和频或倍频。图5是使用SNLO软件计算KTP晶体Ⅱ类相位匹配1064 + 1319 nm和频，1064 + 1338 nm和频，1319 + 1338 nm和频，1319 nm倍频，1338 nm倍频，1064 nm倍频这几种非线性频率变换过程的最佳相位匹配角。各和频与倍频的相位匹配方向如图6所示：x₁、x₂、x₃、x₄、x₅、x₆分别代表1064 nm + 1319 nm和频，1064 nm + 1338 nm和频，1319 nm + 1338 nm和频，1319 nm倍频，1338 nm倍频，1064 nm倍频的相位匹配方向。此时上述6个非线性变换过程的最佳相位匹配角，非线性系数以及允许角度等相位匹配参数如表2所示。对于其他和频和倍频情况，由于基频光入射角度远远超过了其最大允许角度，无法实现非线性变化过程，无法输出其所对应的和频或倍频光，最终只有589/593 nm两束和频光输出。

非线性过程对应的相位匹配方向以及有效非线性系数，如表2所示。从表2可以看出，1064 nm + 1319 nm和频(θ = 78.5˚, φ = 0˚)与1064 nm + 1338 nm和频(θ = 78.1˚, φ = 0˚)的最佳相位匹配角十分相近，仅相差0.4˚。如果基频光沿(θ = 78.3˚, φ = 0˚)入射时，基频光注入角度均在二者的允许角度范围之内(3.62/0.5 mrad = 7.4 rad = 0.43˚)，且两者的非线性系数与最佳相位匹配角下的非线性系数(d_eff = 3.71 pm/V, 3.69 pm/V)基本相同，上述两种非线性转换过程可能同时存在。

Figure 5. Phase matching angle of KTP for nonlinear processes

图5. KTP晶体非线性过程的相位匹配角

Figure 6. Phase matching of KTP for nonlinear processes

图6. KTP晶体的非线性过程相位匹配角

Table 2. Phase matching parameters for KTP crystal

表2. KTP晶体的相位匹配参数

根据相位匹配和非线性光转换频率公式 [12] [13] ：

$\eta \propto {\left(\left|\frac{\sin \left(\Delta kl/2\right)}{\Delta kl/2}\right|\right)}^2$ (1)

$\Delta k={\Delta k|}_{\theta ={\theta }_m}+{\frac{\partial \Delta k}{\partial \theta }|}_{\left(\theta ={\theta }_m,\phi ={\phi }_m\right)}\Delta \theta +{\frac{1}{2}\frac{{\partial }^2\Delta k}{\partial {\theta }^2}|}_{\left(\theta ={\theta }_m,\phi ={\phi }_m\right)}{\left(\Delta \theta \right)}^2+\cdots$ (2)

式中 $\Delta k$ 为相位匹配量， $n_3$ 为和频光在和频晶体中的折射率， $n_i\left(i=1,2\right)$ 为基频光在和频晶体中的折射率。当基频光以(θ = 78.3˚, φ = 0˚)入射时，由上述公式可知，1064 nm + 1319 nm和频，1064 nm + 1338 nm和频的相位因子的平方值分别为79%和77%，在忽略其他因素时，二者和频转换效率基本相同，即经KTP晶体和频后可以产生589/593 nm和频激光输出。对于其他和频和倍频情况，由于基频光入射角度远远超过了其最大允许角度，无法实现非线性变化过程，无法输出其所对应的和频或倍频光，最终只有589/593 nm两束和频光输出。

通过放入和频晶体KTP获得589/593 nm和频光输出，从功率曲线可以看出，和频光随着泵浦功率增加的输出功率曲线如图7所示。589/593 nm激光的输出光功率为530 mW，随着泵浦功率的逐渐增大，输出激光的功率也逐渐增大，当泵浦功率为4.6 W时，测得589/593 nm激光器的输出功率为60.4 mW。

Figure 7. 589/593 nm sum-frequency optical output power

图7. 589/593 nm和频光输出功率变化曲线

5. 总结

本文利用LD泵浦Nd:YAG晶体，通过插入KTP和频产生589/593 nm激光输出的实验。由于1064 nm + 1319 nm和频与1064 + 1338 nm和频的最佳相位匹配角相近，转换效率基本相同，因此产生589/593 nm和频激光输出，本文得到的实验光谱图与理论分析一致。本文实验结果表明：Nd:YAG发射谱线较多，对于波长相近的谱线，通过改变和频非线性转换效率可以得到双波长振荡，利用选择性介质膜调节谐振腔内损耗，可以产生相对独立的三束基频光，因此利用LD泵浦Nd:YAG晶体是实现多波长激光器的有效方法。同时利用允许角度范围较大的KTP晶体实现非线性转化过程可以获得和频双波长激光输出。本论文研究内容为实现多波长基频光激光器或谐波激光器提供了一定的参考。