全固体腔内和频激光器及相关技术

    腔内非线性和频相互作用

    多数激光增益材料都有2个以上的跃迁谱线,通过对振荡谱线的控制,可在腔内产生2个以上的波长振荡。激光器的跃迁谱线主要有4F3/2～4I9/2、4F3/2～4I11/2和4F3/2～4I13/2 3个跃迁谱线，由于Stark分裂，每个能级还能分为多个分量，这样只要进行适当的谐振腔设计，就可在腔内产生多波长振荡。如果在多波长振荡的谐振腔内放入与腔内振荡波长对应的非线性和频晶体，当泵浦功率超过阈值时，即可产生新波长的和频激光输出。

    全固态腔内和频激光器及相关技术的研究进展

    (1)腔内多波长运转

    实现腔内和频的必要条件是腔内的多波长振荡。早在20世纪70年代初，Bethea C G就已经研究了腔内双波长振荡，获得了Nd∶YAG的1.06nm和1.32nm的双波长输出。从20世纪90年代初开始，一些研究人员对各种掺钕激光晶体的多波长振荡和输出的可行性进行了研究。1989年，Nadtocheev V E采用氪灯泵浦Nd∶YAG晶体和三镜腔结构，通过调节高受激发射截面的1064nm波长的腔内损耗，获得了1064nm和1319nm的双波长输出功率随1064nm波长腔内损耗的变化关系。Shen H Y等人也在1990年采用Nd:YAP作为增益介质，泵浦4F3/2~4I11/2和4F3/2~4I13/2跃迁谱线。通过后高反射镜对波长1.0795nm和波长1.3414nm的反射率分别为 98%和100%及输出耦合镜的反射率分别为89%和98.5%的谐振腔设计，在泵浦功率为4.2kW时，分别获得了波长为1.0795nm的5.2W和波长1.3414nm的5.4W的双波长连续输出。随着对激光二极管泵浦固体激光器研究的深入，对Nd∶YVO4激光晶体用于双波长输出的研究也逐渐受到重视。Chen Y F于2000年首先报道了采用激光二极管泵浦Nd∶YVO4获得连续双波长输出的研究，并对采用两镜谐振腔和三镜谐振腔两种方案进行了实验。结果表明，由于选择两个谐振波长的束腰和透过率较容易，三镜腔具有较大的灵活性，两个波长的输出功率具有较好的稳定性。

    (2)腔内和频激光器

    由于腔内和频技术可以利用较高的腔内基频光功率密度，因而可获得高和频效率。腔内和频激光器的报道始于1995年，Farley R W和Dao P D采用灯泵浦Nd∶YAG晶体，腔内KTP和频，电光调Q获得了589nm的激光输出。

    近年来，随着激光二极管作为泵浦源的发展，对激光二激管泵浦的腔内和频激光器的研究报道也出现在相关杂志上。1997年，德国的Kretschmann H M等人采用一个10W的797nm和一个10W的808nm的激光二极管分别泵浦Nd:YAP的1080nm和Nd:YAG的1444nm谱线，并形成1080nm和1444nm振荡的两个子腔。这两个子腔分别通过两种方式耦合到一个公共腔中。一种方式是两个子腔通过一个双色镜同时耦合到一个折叠式的公共腔内，在折叠臂内放一个LBO和频晶体获得了两个方向106mW的618 nm连续和频光输出；另一种是通过线性腔方式把两个子腔耦合到一个放有KTP晶体的公共腔中，用一个双色镜获得了55mW的单方向618 nm连续和频光输出。中国台湾的Chen Y F等人采用一个泵浦源和一块Nd∶YVO4激光晶体的三镜激光谐振腔，获得了1064nm和1342nm的双波长腔内振荡，并分别采用BBO晶体和极化取向的PPKTP晶体腔内和频和声光调Q，获得了平均输出功率为340mW和610mW 的593nm的脉冲黄光输出。目前，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的研究人员率先开展了采用一个Nd∶YVO4激光晶体，在激光谐振腔内同时产生1064nm和1342nm双波长振荡，腔内和频的连续激光器的研究，分别采用了2W激光二极管和10W 激光二极管阵列泵浦进行实验。通过两镜激光谐振腔结构，LBO晶体腔内和频，分别获得了最高功率为70mW和260mW的593nm连续黄光输出。该项研究首次分析了分别采用LBO和KTP非线性晶体腔内和频的不同的噪声特性。结果表明，采用同样的谐振腔结构和相同的激光晶体与非线性晶体，腔内和频激光器的噪声要低于腔内倍频激光器。同时研究人员还采用双12W半导体激光列阵泵浦双Nd∶YVO4晶体复合腔结构，在公共腔内KTP II类相位匹配和频，获得了目前最高的520mW连续的593nm黄光输出。