郭陽陽，孫芮，金光勇

（長春理工大學(xué) 理學(xué)院，長春 130022）

659.5 nm/669 nm波段激光屬于紅光波段，紅光激光器在彩色顯示、激光醫(yī)療、摻Cr+晶體的泵浦源等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用前景。雙波長659.5 nm/669 nm紅光激光器又可以作為通過差頻方法產(chǎn)生太赫茲光源的前端，太赫茲在精確激光光譜、物質(zhì)探測、天體觀測等眾多領(lǐng)域中有著重要應(yīng)用［1-4］，但輸出性能較差，在實際應(yīng)用中較為困難，相比于由1.3 μm的雙波長激光器差頻獲得的3.23 THz而言［5］，由雙波長659.5 nm/669 nm紅光激光器差頻后產(chǎn)生的6.46 THz效率更高。所以研究雙波長659.5 nm/669 nm紅光激光器具有重要意義［6-9］。

目前獲得紅光激光輸出的主要方法有：LD激光二極管直接輸出，但這種方式獲得的激光功率較低、穩(wěn)定性較差、發(fā)散角大、光束質(zhì)量不高等；另一種方法為采用激勵物質(zhì)獲得1.3 μm波長的激光，再經(jīng)過非線性晶體進(jìn)行倍頻獲得紅光激光輸出，現(xiàn)采用單摻釹晶體獲得1.3 μm波段的激光無論在晶體的制作工藝上還是器件制備激光輸出方面都較為成熟［10-11］，LBO晶體的倍頻技術(shù)也趨于完善，由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本相對較低而且能獲得較高功率、光束質(zhì)量等，是目前獲得紅光激光器的研究熱點。

為獲得高功率、高光束質(zhì)量的659.5 nm/669 nm紅光激光器，本文從理論與實驗兩方面對采用Nd：YAG激光器倍頻LBO晶體，獲得659.5 nm/669 nm紅光激光器，并獲得1.3 W的紅光激光輸出，功率配比1∶1，發(fā)散角較小為2.71 mrad，光束質(zhì)量M2=1.5。

1 659.5 nm/669 nm紅光倍頻技術(shù)理論分析

通過倍頻晶體對Nd：AYG晶體產(chǎn)生1 319 nm/1 338 nm雙波長的非線性頻率變換獲得659.5 nm/669 nm紅光輸出，首先需要分析659.5 nm/669 nm倍頻理論。通過理論分析，獲得效果最佳的倍頻LBO晶體參數(shù)。

1.1 LBO晶體相位匹配計算

由折射率橢球方程：

式中，n1，n2，n3分別為三個主軸的折射率；kx，ky，kz為三個主軸方向上的分量。設(shè)波失k與z軸夾角為θ，k在yox平面上的投影與x軸的夾角為φ，則有：

獲得LBO晶體在Ⅰ類和Ⅱ類相位匹配條件，結(jié)合LBO的色散方程，獲得LBO晶體的Ⅰ類和Ⅱ類相位匹配曲線，如圖1所示。

圖1 LBO晶體的Ⅰ類和Ⅱ類相位匹配曲線

由于采用1 319 nm/1 338 nm的雙波長作為基頻光，對應(yīng)的相位匹配曲線基本相同。而1 319 nm的波長與1 338 nm的波長屬于一個量級，在求解有效非線性系數(shù)等時可以取平均值。圖2為LBO晶體的有效非線性系數(shù)圖。

圖2 LBO晶體的有效非線性系數(shù)

由圖2可以獲得，LBO晶體Ⅰ類及Ⅱ類的最大有效非線性系數(shù)分別為0.939 5 pm/V，1.008 pm/V。結(jié)合最大有效非線性系數(shù)分析圖1中的相位匹配，可以獲得LBO晶體在Ⅰ類及Ⅱ類的臨界相位匹配角（θ，φ）分別為（85.9，0.0），（4.1，0.0）。

1.2 LBO晶體允許角計算

在非線性頻率變換中，為使三波互作用效率與完全相位匹配時的效率之筆為特定值。需要滿足非線性頻率變換的晶體角度匹配中的允許角匹配條件，及允許角 Δθ(Δθ·l) 。

引入LBO晶體對1 319 nm/1 338 nm倍頻獲得659.5 nm/669 nm雙波長紅光激光的相位匹配角及有效非線性系數(shù)，可以計算獲得LBO晶體在Ⅰ類及Ⅱ類相位匹配的允許角為22.55 mrad·cm，22.28 mrad·cm。

1.3 LBO晶體走離角計算

由于非線性晶體的特性，光波在晶體中傳播時產(chǎn)生非線性頻率變化，使光矢量方向與能流傳播方向發(fā)生偏離，形成走離效應(yīng)，影響晶體的轉(zhuǎn)換效率。對于LBO雙軸晶體，其走離角分別為：

由計算獲得在采用LBO晶體倍頻1 319 nm/1 338 nm雙波長獲得紅光激光輸出的走離角分別為3.65 mrad，3.73 mrad。

由以上計算得到采用LBO晶體對于1 319 nm/1 338 nm倍頻獲得659.5 nm/669 nm紅光激光的晶體參數(shù)為：采用Ⅰ類相位匹配方式，切割角度為（85.9°，0°），晶體尺寸為（3×3×10）mm3。

2 659.5 nm/669 nm雙波長紅光激光器實驗裝置

基于上述理論分析，搭建實驗平臺。如圖3與圖4所示分別為659.5 nm/669 nm雙波長紅光激光器實驗裝置示意圖與實物圖。

圖3 659.5 nm/669 nm雙波長紅光激光器實驗裝置示意圖

圖4 659.5 nm/669 nm雙波長激光器實驗裝置實物圖

如圖3所示，實驗采用中心波長為808 nm的泵浦源，耦合比為1∶1.5的聚焦耦合透鏡組，M1為全反鏡，鍍膜參數(shù)為AR 808 nm，HR 1 319 nm/1 338 nm、659.5 nm/669 nm，基頻光晶體采用Nd：YAG晶體，倍頻晶體LBO雙端鍍有HT 808 nm、1 319 nm/1 338 nm、659.5 nm/669 nm的膜系，Nd：YAG晶體的摻雜濃度為1.1%晶體尺寸為φ3×（3.5+10+3.5）mm，LBO晶體，晶體尺寸（3×3×10）mm3，輸出鏡M2鍍有對659.5 nm/669 nm透過率的膜系。實驗時晶體放入水冷熱沉中進(jìn)行冷卻，保持溫度為18℃，實驗室內(nèi)環(huán)境溫度為20℃。

3 659.5 nm/669 nm雙波長紅光激光輸出特性實驗研究

本實驗采用直腔結(jié)構(gòu)，選擇諧振腔的腔長為60 mm，選擇不同曲率半徑的輸出鏡，進(jìn)行實驗研究，實驗參數(shù)如圖5所示。

圖5 659.5 nm/669 nm雙波長紅光激光器注入功率與輸出功率的關(guān)系圖

由圖5分析可知，在平平腔條件下，當(dāng)抽運(yùn)功率最大為35 W時，獲得的最大輸出功率為0.23 W，斜率效率為0.66%；當(dāng)輸出鏡曲率半徑分別為70 mm，100 mm，200 mm時，最大輸出功率分別為1.35 W，1.16 W，0.53 W；斜率效率分別為4.08%，3.95%，1.56%。

利用日本橫河公司生產(chǎn)的型號為AQ-6375光譜儀測量光譜，如圖6所示。

圖6 659.5 nm/669 nm雙波長紅光激光器輸出波長圖

利用光譜儀采集到的波長圖，此時獲得的波長為659.6 nm/669.4 nm，譜線寬度分別為0.057 nm/0.074 nm，功率配比基本可達(dá)到1∶1。

圖7 659.5 nm/669 nm雙波長紅光激光光斑圖

圖7為雙波長紅光激光的光斑圖。采用熱勢電面陣相機(jī)光束質(zhì)量分析儀，對輸出的雙波長紅光激光進(jìn)行測量分析。圖8為采集到的光束質(zhì)量圖，并測得其遠(yuǎn)場發(fā)散角為2.71 mrad。光束質(zhì)量M2=1.5。

圖8 659.5 nm/669 nm雙波長紅光激光光束質(zhì)量測量圖

4 結(jié)論

對659.5 nm/669 nm雙波長紅光激光器進(jìn)行了實驗研究。計算了LBO晶體對1 319 nm/1 342 nm倍頻產(chǎn)生659.5 nm/669 nm雙波長紅光激光的參數(shù)，選定LBO晶體參數(shù)為Ⅰ類相位匹配方式，切割角度為（85.9°，0°），晶體長度為10 mm。并進(jìn)行實驗研究獲得最大輸出功率為1.35 W的紅光激光輸出，功率配比為1∶1，發(fā)散角為2.71 mrad，光束質(zhì)量M2=1.5。