廣義瓊斯矩陣求解綠光激光器腔內本征態

別光 劉暢

摘 要：該文在分析了Nd：YVO4晶體光學特性以及KTP倍頻晶體的光學特性的基礎上，利用廣義瓊斯矩陣分析了綠光激光器諧振腔內的光場本征態的情形，進而解析誘發激光輸出功率高低波動的緣由，且采取加入布氏片的辦法解決了由二套本征頻率誘發功率高低波動的現象，最終達到提升輸出光質量和功率的目標。

關鍵詞：廣義瓊斯矩陣 本征態 綠光激光器

中圖分類號：TN248 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（a）-0156-02

LD泵浦的腔內倍頻摻Nd3+激光器屬于高校可見激光光源的一種，其優點比較明顯，主要包含了下面幾點：首先輸出的光束質量比較好、體積較小、轉換能量的效率比較高、使用壽命也比較長。在水下通訊、圖像顯示、臨床醫療以及激光測距等一些方面運用非常廣泛。腔內倍頻法是截至目前全固態激光器輸出綠光的最常用的方法。倍頻晶體可在激光諧振腔內實現較高的諧波轉換效率。但是實際應用時，給其造成制約的重要因素便是其輸出功率有一定起伏，也就是我們平時說的綠光噪聲方面的問題。出現這種問題的原因是激光多模連續運轉時存在和頻以及空間燒孔效應。也就是綠光輸出的實際強度隨著時間的變化會出現沒有規律的波動，從而出現混亂，而激光輸出的噪聲也比較大，噪聲的存在也給其應用造成了一定限制。

該文利用廣義瓊斯矩陣分析了綠光激光器諧振腔內的光場本征態，并解釋了加入布氏片消除引起耦合的本征態，進而獲得穩定的輸出激光質量。

1 Nd：YVO4晶體光學特性

Nd：YVO4為四方晶體，通過倍頻效應可得到457 nm，532 nm，671 nm三種激光。當Nd：YVO4在α軸切割時，在σ方向的吸收和激射較弱，而在π偏振取向上發生最強的吸收和激射。一般采用α軸切割的π偏振光[1]。

Nd：YVO4制作LD泵浦小型固體激光器優點也比較明顯，比如其受激輻射截面比較大，損傷閾值比較高、吸收帶寬比較寬、吸收系數比較高等。

2 激光倍頻原理

倍頻實質屬于二次非線性效應，是在激光作用下，非線性晶體產生的，讓頻率是ω的激光橫穿晶體，變成頻率是2ω的倍頻光。若入射光頻率為和，新光波頻率是，=+時，發生和頻效應；=，發生倍頻效應。

3 KTP倍頻晶體的光學特性

KTP為非線性光學晶體，這種晶體的優點是透光波段較寬、非線性系數比較大、潮解困難、破壞閾值比較高等，所以其在光參量震蕩和放大以及激光倍頻領域應用的比較廣泛，特別是在頻率變換領域使用最頻繁[2]。

4 “綠光噪聲”的消除

想要降低全固態綠光激光器的噪聲輸出，主要有下面幾個手段，首先讓激光器單縱模震蕩，并且努力減少縱模的實際數量，合理利用調節腔長和頻率等手段，讓激光器的振幅、縱模個數以及頻率都比較穩定，從而降低噪聲；其次，通過選擇恰當的倍頻晶體并選擇合適的匹配類型，達到減少縱模之間耦合的目的。

5 腔內基頻光本征態

諧振腔由的1個端面M1和球面鏡M2組成，如圖1所示，內部介入KTPⅡ類匹配倍頻晶體，坐標系XYZ滿足右螺準則。

（1）腔鏡的廣義瓊斯矩陣。

M1和M2的廣義瓊斯矩陣為，r為腔鏡強度反射系數；為4×4矩陣。

（2）Nd：YVO4的廣義瓊斯矩陣。

從（3）式看出，KTP介入使腔內基頻光的線偏振態發生變化，在M1處橫向分裂成上端是沿x，y軸的線偏振光，底端只有沿x軸的線偏振光。圖2所示為本征頻率。可看出，倍頻光的功率發生起伏。

6 加入布氏選頻法

實驗時，Nd：YVO4和KTP之間加入布氏片，如圖3所示。

若想實現選頻，需讓某些縱模損耗幾乎為零，而某些縱模的損耗使它不能振蕩的效果，當時，返回BP的光與原來的縱模相同，沒有損耗，不滿足條件的損耗不為零，布氏片就達到了選頻功能[3]。

用示波器觀察，無布氏片時如圖4a所示，存在多套縱模，對應噪聲較大，如圖4b所示。加入布氏片，如圖4c所示，對應噪聲較小，如圖4d所示，此時激光輸出穩定。

7 結語

廣義瓊斯矩陣法計算光場本征態，分析得出諧振腔內本征頻率，其原因是KTP的存在，使基頻光發生橫向分裂，因而導致激光輸出功率出現起伏，要解決此問題，需要借助布氏片的選頻，使其中一個損耗較大，抑制振蕩，選擇出一套本征頻率，解決了輸出功率起伏的難題。

參考文獻

[1] 何京良，馮寶華.全固態瓦級連續綠光激光器[J].China Academic Journal Electronic Publishing House，1997，9（26）：557-558.

[2] 霍玉晶，何淑芳，段玉生，等.LD抽運的高性能微型綠光激光器[J].中國激光，2000，27（7）：586-588.

[3] 鄭權，趙嶺，檀慧明，等.用布式片實現有效連續和單頻綠光輸出[J].中國激光，2002，29（9）：770-772.