本文報道了高功率全固態腔內和腔外倍頻兩種綠光激光器研究進展。腔內倍頻綠光激光器采用L型腔雙棒串接結構，在重復頻率lOkHz時，用三硼酸鋰晶體倍頻獲得綠光功率186 W，光一光效率達15．8％。腔外倍頻綠光激光器采用主振蕩和功率放大器，在承復頻率400Hz時，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％。采用偏振合成技術獲得了單脈沖能量大于1J的綠光輸出。在該激光放大器實驗裝置上，進行了雙模塊熱效應補償技術和受激布里淵散射相位共軛技術實驗研究，改善了激光光束質量。
高功率全固態綠光激光器在可調諧激光器的泵浦源、海洋勘測、同位素分離及光電對抗等科研和工業領域得到了廣泛的應用。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激光器諧振腔內插入非線性頻率變換晶體，通過頻率轉換實現高功率綠光輸出；另一種是在諧振腔外用非線性晶體實現高功率綠光輸出。
國外在這方面已進行了較多研究，實現了平均功率數百w、單脈沖能量數J的高光束質量綠光激光輸出。Chang等的315W二極管泵浦Nd：YAG腔內倍頻綠光激光器和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倍頻綠光激光器輸出功率和光束質量的最高水平。
國內從2003年開始開展了百w級二極管泵浦腔內倍頻綠光激光器的研究。2004年，天津大學直腔輸出104W綠光功率口。2005年電子部11所姜東升等采用z型腔在重復頻率10kHz時輸出120W綠光，脈寬為95ns。Syuhei等報道了長時間運行的100W二極管泵浦Nd：YAG激光放大器綠光激光器，唐淳等報道了160W激光二極管泵浦電光調Q主振蕩功率放大器綠光激光器L7噸。本文介紹了中國工程物理研究院應用電子學研究所的高功率綠光激光器新進展。建立了高功率腔內和腔外倍頻綠光激光器實驗裝置，通過倍頻晶體的精密溫度控制、諧振腔和激光功率放大器的優化設計，實現了高功率綠光激光輸出。在激光放大器實驗裝置上，進行了激光模塊熱效應補償和受激布里淵相位共軛等改善激光光束質量的實驗研究。
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產生熱效應，晶體內部的溫度升高，導致常溫下晶體切割的相位匹配角發生偏移，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生變化，從而限制了倍頻光輸出功率的提高。所以必須對倍頻晶體采取有效和快速冷卻及精密溫度控制措施，倍頻晶體冷卻實驗裝置采用半導體制冷片進行制冷和加熱，能實現倍頻晶體精密溫度控制和倍頻晶體長時間穩定工作。半導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程中的溫度穩定性，綠光功率很快趨于穩定。
2、全固態腔內倍頻綠光實驗裝置
全固態腔內倍頻綠光實驗裝置如圖1所示，激光諧振腔采用雙模塊串接L型腔結構，綠光由M：和M。兩個腔鏡輸出。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開關工作頻率為40．68MHz，通光口徑為6mm，兩個聲光Q開關相互正交放置，以獲得較高的關斷功率。二極管泵浦激光模塊采用五邊對稱側泵浦Nd：YAG棒，每個模塊泵浦功率為1200W。
通過實驗測試連續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定性參數及泵浦模塊和腔鏡上的模體積參數。圖2為二極管泵浦激光模塊在不同的泵浦功率時，諧振腔的光束半徑和穩定性參數，圖中gtgz為諧振腔的特征參數。
將M2換為1064 nlTl激光反射率90％的輸出鏡(oC)，在聲光調Q重復頻率10kHz獲得252W基頻光輸出。M。改為綠光輸出鏡，實驗測得LBO與KTP兩種晶體腔內倍頻綠光輸出功率與泵浦功率關系曲線如圖3所示。由圖可知，采用LBO比采用KTP輸出綠光功率更高。當泵浦功率進一步增大時，腔內功率密度顯著增加，KTP晶體熱效應影響增強，輸出綠光功率難以進一步提高。而LBO晶體由于吸收系數小，因此熱效應較小，輸出綠光功率仍然能夠繼續保持增長。當泵浦功率提高到1174w時，輸出綠光功率達到最大值186 w，此時光一光效率達15．8％，電一光效率為6．6％。在泵浦功率1090 W，聲光調Q重復頻率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12．8％。采用光束質量測試儀測得綠光激光器的光束質量因子M2—20，測得綠光脈沖寬度為150 ns。
3、全固態腔外倍頻綠光實驗裝置
二極管泵浦的電一光調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擴束及隔離器后分兩路光分別注入功率放大器。功率放大器由一級雙通和一級單通放大器組成。每一級放大器均采用雙棒結構，并在兩個Nd：YAG棒之間采用4f像傳遞系統及90。石英旋轉器，補償高重復頻率工作時的熱致退偏效應。采用Ⅱ類相位匹配KTP晶體外腔倍頻，實現高單脈沖能量、高重復頻率的532nm輸出。將兩個KTP倍頻器輸出的綠光進行偏振合束，提高激光器的平均功率。
主振蕩器重復頻率0．1～1．0kHz可調，單脈沖能量5～10mJ，脈沖寬度15 ns，光束質量因子肝<1．2。雙通放大器在注入能量5mJ，重復頻率400Hz時，獲得了450 mJ單脈沖能量激光輸出。當進入單通放大器的能量為300mJ時，第一個激光模塊單通輸出700mJ，提取效率為54％。經過第二個激光模塊后獲得1．27J輸出，提取效率為77％。倍頻實驗采用Ⅱ類相位匹配的KTP晶體，在重復頻率400Hz、單脈沖能量1J時，研究了不同激光功率密度時的倍頻效率、倍頻晶體熱效應及激光損傷特性。在激光功率密度約為70MW／cm2時，獲得了525nU的532nm輸出，平均功率達210W，倍頻效率為43．7％。進一步提高泵浦功率密度到80～100 MW／cm2，倍頻效率可以超過50％，但KTP晶體損傷幾率大幅度增加。測得綠光光束質量因子為4．5倍衍射極限。采用偏振合成技術，可以實現激光器重復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，也可工作在重復頻率800 Hz，單脈沖能量0．5J，可以滿足不同的應用需求。
4、綠光激光器光束質量控制技術
4．1、二極管泵浦激光模塊熱效應補償技術
由于二極管泵浦激光模塊平均功率高，引起激光棒內溫度分布不均勻，激光模塊的熱效應表現為熱致雙折射效應和球透鏡效應。理論和實驗研究表明，Nd：YAG棒內沿徑向和切向的熱致雙折射可以用90。石英旋轉片及4f成像光學系統進行熱致雙折射效應補償。二極管泵浦激光模塊在重復頻率400Hz，峰值功率6．5 kW時，退偏比率為30％，通過雙模塊熱致雙折射效應補償后退偏率降為3％。雙模塊熱致雙折射效應補償后，激光的近場光斑分布得以改善。
在高功率二極管泵浦激光器中，由于熱導致的增益介質球差效應嚴重影響到激光器的輸出功率和光束質量。在激光放大器實驗裝置上進行了高功率二極管泵浦Nd：YAG激光模塊熱致球差效應的理論分析和數值模擬，測量了二極管泵浦激光模塊的熱致球差值。利用平凸透鏡望遠鏡產生的負球差對激光模塊進行了補償，在重復頻率400Hz，單脈沖能量1．2J，光束質量因子由肝一10改善到肝一4。將球差補償鏡應用到激光放大器中，激光器光束質量得到了大幅提高。
4．2、相位共軛技術
受激布里淵散射(SBS)相位共軛鏡可以矯正激光波前畸變、改善激光光束質量。SBS相位共軛實驗裝置原理圖如圖5所示。種子源為二極管泵浦的電光調Q單縱模Nd：YAG激光器，重復頻率i00～1000 Hz可調，單脈沖能量大于1mJ。由種子源輸出的單縱模激光依次通過擴束裝置和光學隔離器進入預放大器進行放大，輸出光束經過光學隔離器進入主放大器進行放大。光學隔離器由兩個對稱放置的薄膜偏振片、法拉第旋光器和1／2波片組成，實現前級和后級的光學隔離。在主放大器后放置的1／2波片與偏振片P。構成光強調節機構，用于調節進入錐度光纖相位共軛鏡的單脈沖能量，透過偏振片P。的激光進入吸收池；將反射激光由偏振片P2，1／4波片和透鏡會聚進入錐度光纖。放大器泵浦模塊均采用二極管激光器側泵浦結構，增益介質為Nd：YAG晶體。
激光放大器實驗裝置在重復頻率lkHz，單程輸出單脈沖能量38mJ時，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)。將實驗裝置圖5中的虛線框1／2波片和1／／4波片去掉，可實現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，光束質量因子肝<2。通過雙程的相位共軛特性，獲得了很好的光束質量激光輸出。
5、結 論
在高功率全固態綠光激光器中，倍頻晶體的熱效應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，選用對基頻光和倍頻光吸收系數小的倍頻晶體材料，可以提高綠光功率，但倍頻晶體熱效應問題有待進一步深入研究。在激光放大器實驗裝置上進行了光束質量控制技術實驗研究，SBS相位共軛鏡的反射率達到69％，但還需優化錐度光纖共軛鏡的結構參數，提高注入單脈沖能量和SBS反射率。
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