V型腔激光器倍頻晶體長度分析和實驗研究

石夢靜，陳巧玲，郭紹忠，林文碩

（福建工程學院數理系，福建 福州 350000）

激光二極管泵浦全固態激光器具有效率高、壽命長、結構緊湊、穩定可靠等特點[1~2]，被廣泛應用于激光醫學、信息存儲、水下通信、彩色打印、激光電視等科學研究中[3~4]，已成為國際激光領域研究的熱點。由于KTP晶體具有良好的物理機械性能和光學特性，被作為倍頻晶體廣泛應用在各類激光產品中。但是在高功率密度激光的長時間作用下，KTP晶體組分中的Ti4+離子會得到一個電子變成Ti3+，出現所謂的“灰線（gray tracks）”問題，導致激光輸出功率下降。本文研究了LD端面泵浦V型腔連續綠光激光器倍頻光的功率密度，分別計算了以Nd：YVO4和Nd：YAG為激光晶體，腔內損耗為5％時KTP晶體的最佳長度，得到較好的實驗結果。所得結論對相關研究具有參考價值。

其中，為基頻光在倍頻晶體和增益介質中的功率密度比，即

由式（1）可得I（ω），代入式（3），則得到倍頻光的功率密度為

式中，

1 理論分析

因此，I（2ω）是（）因子的遞減函數。

倍頻晶體的長度，對輸出功率有較大影響，下面對KTP晶體的最佳長度進行分析。激光腔內倍頻的穩態條件：激光往返飽和增益等于線性損耗與非線性損耗之和[5]，即

其中，

g0為非飽和增益系數；

l*為增益介質長度；

I為基波在增益介質中的功率密度；

δ為基波的線性損耗；

Is為增益介質的飽和功率密度；

fa和fb分別為上下能級中起作用的粒子數分數；

σ為受激發射截面；

τ為上能級壽命；

K'I是由倍頻引起的非線性損耗，非線性耦合系數K'定義為[6]

由式（7）可以看出，倍頻晶體的最佳長度與激光晶體的受激發射截面、腔內損耗、基頻光頻率及倍頻晶體的非線性系數等因素有關，而與腔內非飽和增益無關。如果倍頻晶體過短，則只有少量基頻光產生非線性效應；如果倍頻晶體太長，會導致基頻光功率密度的減小，從而降低倍頻光的功率密度。

圖1 腔內損耗與晶體長度關系圖

根據式（7）得到倍頻晶體的最佳長度與腔內損耗間的關系，如圖1所示。從圖上可以看出，腔內損耗越大，對應的最佳倍頻晶體長度越長；在同一腔內損耗的情況下，當采用Nd：YVO4為激光晶體時，倍頻晶體的最佳長度較長。當腔內損耗為5％時，采用Nd：YVO4為激光晶體所對應的KTP最佳長度為10.3 mm；采用Nd：YAG為激光晶體所對應的KTP最佳長度為6.6 mm。

圖2 實驗裝置圖

圖3 Nd：YVO4/10 mmKTP綠光輸出功率與泵浦功率關系

圖4 Nd：YAG/6 mmKTP綠光輸出功率關系

2 LD泵浦綠光激光器實驗

實驗裝置如圖2所示，泵浦光經準直和聚焦后入射到激光晶體，其左端面作為輸入鏡M1，對1 064 nm和532 nm全反，右端面對1 064 nm和532 nm高透；輸出鏡M為平凹鏡，曲率半徑50 mm，對1 064 nm全反，532 nm高透；反射鏡M2為平凹鏡，曲率半徑200 mm，對1 064 nm和532 nm全反。倍頻晶體為KTP，使用TEC制冷。

分別采用10 mm Nd：YAG和Nd：YVO4進行實驗。圖3為采用Nd：YVO4/10 mm KTP實驗時泵浦功率與綠光輸出功率圖。Nd：YVO4具有較高的發射截面，閾值較低，獲得較高的綠光輸出，最高功率為3.41W。當泵浦光為15 W時，獲得了2.67 W綠光輸出和較高的光-光轉換效率17.8％。圖4為采用Nd：YAG/6 mm KTP實驗時泵浦功率與綠光輸出功率圖。由于倍頻晶體偏短，當泵浦功率大于15 W后，對基頻光吸收不

3 結束語

根據倍頻光轉換效率公式和腔內倍頻的穩態條件，得到倍頻光功率密度的最大值，分別計算了以Nd：YVO4和Nd：YAG為激光晶體，腔內損耗為5％時KTP晶體的最佳長度。分別采用10mmNd：YAG和Nd：YVO4為激光晶體進行實驗。在Nd：YVO4/10mmKTP實驗中，當泵浦光為15 W時，獲得了2.67 W綠光輸出，光-光轉換效率達17.8％。

[1]FAN T Y，BYER R L.Diode Laser pumped solid-state laser[J].IEEE J QuantumElectron，1988，24（6）：895-912.

[2]Bai Jin-tao，Chen Guo-fu.Continuous-wave diode-laser end-pumped Nd：YVO4/KTP high-power solid-state green laser[J].Optic＆Laser Technology，2002，34（4）：333-336.

[3]M.Tsunekane，N.Taguchi，and H.Inaba.High-power efficient low-noise continuous-wave all-solid-state Ti：sapphire laser[J].Opt. Lett，1996，21（23）：1912-1914.

[4]徐海萍.LD側泵全固態Nd：YAG/KTP高功率連續綠光激光器的研究[D].西安：西北大學，2007.

[5]N Bloembergen.Nonlinear optics[M].Singapore：World Scientific，1996.

[6]J.E.Geusic，H.J.Levinstein，S.Singh，et al.Continuous 0.532 μ solid-state source using Ba2NaNb5O15[J].Appl.Phys.Lett，1968，12（9）：306-308.