吳春婷， 常奧磊， 溫 雅， 桑 迪， 王宇恒， 陳薪羽

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 吉林省固體激光技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長(zhǎng)春 130022)

1 引 言

單色性是激光的基本特征之一。常見(jiàn)的激光器借助于增益控制，只選擇輸出一種波長(zhǎng)。事實(shí)上，雙波長(zhǎng)或者多波長(zhǎng)激光器也具有特殊而重要的應(yīng)用價(jià)值，如在激光空氣污染檢測(cè)、激光醫(yī)療、差分吸收激光雷達(dá)等領(lǐng)域。因此，體積小且能同時(shí)輸出兩個(gè)或多個(gè)波段的全固態(tài)激光器是目前激光領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1-6]。

通常，固體激光器實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)激光輸出主要有以下幾種方法：(1)固定波長(zhǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)的激光器獲得基頻光輸出，采用非線性頻率變換獲得雙波長(zhǎng)激光輸出；(2)由于激光介質(zhì)摻雜基質(zhì)的不同，具有寬帶發(fā)射光譜，采用選頻器件實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)激光輸出；(3)激光介質(zhì)具有兩個(gè)或多個(gè)發(fā)射峰，可以獲得雙波長(zhǎng)或多波長(zhǎng)激光輸出。對(duì)于以上三種途徑，插入選頻元件或者非線性晶體不僅增加了光路的復(fù)雜性、改變了激光器的結(jié)構(gòu)、破壞了激光輸出性能的穩(wěn)定性，而且引入的插入損耗也降低了激光輸出能量。采用同種激光介質(zhì)獲得雙波長(zhǎng)激光輸出的方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、更易實(shí)現(xiàn)小型化、大能量輸出等特點(diǎn)[7-12]。同種激光介質(zhì)的發(fā)射峰也較為接近，利于通過(guò)差頻方法產(chǎn)生THz輻射，通常需要獲得功率較高、波長(zhǎng)較接近的兩束光，兩波長(zhǎng)相差一般不大于10 nm。由此可見(jiàn)，開(kāi)展同一介質(zhì)獲得雙波長(zhǎng)或多波長(zhǎng)激光的研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

Nd3+離子是最早應(yīng)用于激光中的三價(jià)稀土離子之一，一直被廣泛應(yīng)用于摻雜各種基質(zhì)中，具有多波段輸出的潛力[13]。對(duì)于摻雜Nd3+離子的激光介質(zhì)，其主要的發(fā)射峰依次位于0.9，1.06，1.3 μm，用于雙波長(zhǎng)激光研究的摻Nd3+激光介質(zhì)實(shí)現(xiàn)的雙波長(zhǎng)激光輸出絕大多數(shù)為0.9，1.06，1.3 μm中任意兩種波段組合的一種，屬于4F3/2-4I9/2、4F3/2-4I11/2、4F3/2-4I13/2三種躍遷之間的組合，或者是4F3/2-4I13/2內(nèi)不同分量之間的組合[14]。本文總結(jié)了直接獲得雙波長(zhǎng)的單摻Nd3+離子的激光晶體特性，并綜述了Nd∶YAG、Nd∶YVO4、Nd∶YAP、Nd∶GdVO4雙波長(zhǎng)激光器的研究現(xiàn)狀。

2 摻Nd3+激光晶體特性與雙波長(zhǎng)激光器研究現(xiàn)狀

2.1 Nd∶YAG晶體特性與Nd∶YAG雙波長(zhǎng)激光器研究現(xiàn)狀

YAG晶體又名釔鋁石榴石，化學(xué)式是Y3Al5O12，屬于立方晶系[15]，YAG基質(zhì)莫氏硬度為8.5，性能穩(wěn)定，質(zhì)地堅(jiān)硬[16]。

室溫下，Nd∶YAG晶體的吸收峰與808 nm的GaAs商用泵浦源波段重合，適合于半導(dǎo)體激光器(Laser diode，LD)泵浦[17]；Nd∶YAG在4F3/2上能級(jí)的熒光效率高于99.5%，熒光壽命為230 μs[18]。圖1所示為Nd∶YAG的能級(jí)結(jié)構(gòu)與吸收光譜圖[14]。

590，750，810 nm波長(zhǎng)附近是Nd∶YAG晶體吸收譜帶，每個(gè)帶系還可以細(xì)分，是由能級(jí)的多重分裂所致。其中，808 nm的吸收譜帶特別適合商用半導(dǎo)體激光器，因而通常選用808 nm的泵浦源[19]。

圖1 Nd∶YAG能級(jí)結(jié)構(gòu)圖與晶體吸收光譜圖[14]

Fig.1 Schematic of the energy level and absorption spectrum of Nd∶YAG crystal[14]

Nd∶YAG雙波長(zhǎng)激光器研究現(xiàn)狀如表1所示。由表1可見(jiàn)，Nd∶YAG雙波長(zhǎng)激光器輸出的主要波段為1 064/1 319，1 064/946，1 319/1 338 nm及1 052/1 064，1 357/1 444，1 116/1 123，1 112/1 116，1 319/1 356 nm。

2011年，長(zhǎng)春理工大學(xué)固體激光技術(shù)與應(yīng)用團(tuán)隊(duì)研制了Nd∶YAG 1 064/1 319 nm雙波長(zhǎng)調(diào)Q激光器[45]。當(dāng)重頻為5 kHz時(shí)，獲得4.6/8.7 mJ的1 064/1 319 nm雙波長(zhǎng)激光輸出，峰值功率分別為11.22/108.75 kW，脈沖寬度分別為410/80 ns。2015年，研制了太赫茲輻射源用的Nd∶YAG 1 319/1 338 nm雙波長(zhǎng)固體激光器[46]。當(dāng)重復(fù)頻率為10 kHz時(shí)，輸出功率為5.77 W的1 319/1 338 nm雙波長(zhǎng)激光輸出，功率配比接近1∶1，脈沖峰值功率為4.3 kW。

表1 Nd∶YAG雙波長(zhǎng)激光器研究現(xiàn)狀

1 064/1 319 nm雙波長(zhǎng)激光器在醫(yī)療上的應(yīng)用主要源于1 319 nm激光在血液中具有較好的穿透深度，適用于對(duì)肌肉或腫瘤的切除。1 064 nm激光則更適用于止血，因此需要1 064/1 319 nm雙波長(zhǎng)激光配合完成醫(yī)療手術(shù)[47]。

利用1 319/1 338 nm做差頻，可以產(chǎn)生太赫茲輻射源。太赫茲波被稱為遠(yuǎn)紅外波或亞毫米波，在無(wú)線光通信、環(huán)境檢測(cè)等重要領(lǐng)域具有越來(lái)越重要的意義[48-49]。

1 112/1 116 nm雙波長(zhǎng)激光器做倍頻有望替代分光光度計(jì)，用做便攜式一氧化碳中毒的檢測(cè)源[50]。血紅蛋白與一氧化碳血紅蛋白的吸收峰在540～555 nm之間[51]，根據(jù)對(duì)540～555 nm波長(zhǎng)的吸收度可以判斷中毒的程度。

Nd∶YAG晶體無(wú)論在其直接輸出雙波長(zhǎng)激光器方面還是在其雙波長(zhǎng)做非線性頻率變換方面都具有重要的研究與應(yīng)用價(jià)值。

2.2 Nd∶YAP晶體特性與Nd∶YAP雙波長(zhǎng)激光器研究現(xiàn)狀

Nd∶YAP(摻釹的正鋁酸釔)晶體為畸變鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，屬斜六方晶系，屬于各向異性的負(fù)雙軸晶體，具有雙折射特性，對(duì)泵浦光具有偏振吸收的現(xiàn)象。不同切割方向Nd∶YAP晶體，其增益系數(shù)、偏振方向和受激發(fā)射截面都不同，晶體同樣具有不同的性質(zhì)。Nd∶YAP是摻Nd3+離子四能級(jí)工作物質(zhì)，由Nd∶YAP晶體的吸收譜線可以看出不同偏振的吸收峰也不同，c偏振在800 nm附近的吸收最強(qiáng)，吸收系數(shù)為10 cm-1[52]。圖2為Nd∶YAP晶體的能級(jí)躍遷圖和不同軸向的晶體吸收譜線。

圖2 Nd∶YAP能級(jí)躍遷圖與吸收譜線圖[14]

Fig.2 Schematic of the energy and absorption spectrum of Nd∶YAG crystal[14]

Nd∶YAP晶體吸收泵浦光，受激輻射躍遷到不同的上能級(jí)。對(duì)于沿b軸切割的Nd∶YAP晶體的4F3/2-4I13/2(4F3/2-4I11/2)躍遷，產(chǎn)生c偏振光時(shí)，1 341/1 079 nm的譜線增益最強(qiáng)；產(chǎn)生a偏振光時(shí)，1 339/1 064 nm的譜線增益最強(qiáng)[53-54]。

YAP基質(zhì)具有較好的物理、化學(xué)和機(jī)械性能，且具有熱導(dǎo)率大、基質(zhì)較硬等特性，適用于大功率LD側(cè)泵、端泵等固體激光器[55]。YAP是負(fù)雙軸晶體，具有各向異性結(jié)構(gòu)，使其輸出的激光具有雙折射特性，光束質(zhì)量不易遭受到熱致退偏的破壞，對(duì)激光非線性頻率變換的應(yīng)用比較有利，但其熱透鏡效應(yīng)嚴(yán)重，在雙波長(zhǎng)激光輸出方面嚴(yán)重受限。

Nd∶YAP雙波長(zhǎng)激光器研究現(xiàn)狀如表2所示。從表2中可以看出，Nd∶YAP雙波長(zhǎng)激光器輸出的主要波段為1 341/1 079，1 341/1 339，1 079.5/1 064.5 nm。

Nd∶YAP雙波長(zhǎng)激光器主要是由于YAP晶體的雙折射性，可以克服由熱致雙折射導(dǎo)致的熱透鏡效應(yīng)，獲得較高功率、高相干的正交偏振雙波長(zhǎng)激光輸出，適用于激光干涉測(cè)量和激光精密測(cè)量。

表2 Nd∶YAP雙波長(zhǎng)激光器研究現(xiàn)狀

2.3 Nd∶YVO4晶體特性與Nd∶YVO4雙波長(zhǎng)激光器研究現(xiàn)狀

Nd∶YVO4晶體為ZrSiO4型晶體，屬于四方晶系，是單軸晶體，自然雙折射晶體，晶體中激活離子的位置具有低的點(diǎn)對(duì)稱性[59]，它的受激輸出光沿π方向偏振。Nd∶YVO4晶體誕生于1966年，是研究最早的一類釩酸鹽晶體，具有受激發(fā)射截面大、增益帶寬、偏振光輸出、化學(xué)性能穩(wěn)定、可用提拉法生長(zhǎng)、機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)[60]。

圖3為Nd∶YVO4晶體的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖。給晶體基態(tài)以激勵(lì)，使粒子受到激發(fā)，把基態(tài)離子激發(fā)到4F2/5能級(jí)上，通過(guò)無(wú)輻射弛豫過(guò)程弛豫到亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)4F3/2上[61]。只有相對(duì)較長(zhǎng)的能級(jí)壽命才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)4F3/2壽命τ=10-4s，可以輻射914，1 064，1 342，1 839 nm的波段，1 064 nm譜線發(fā)射截面最大、增益最強(qiáng)[14]。

圖3 Nd∶YVO4晶體的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖[14]

圖4給出了Nd∶YVO4晶體的吸收譜線與熒光譜線，從圖中可以看出，該晶體對(duì)808 nm處吸收峰最強(qiáng)，吸收峰的寬度(FWHM)為10 nm左右[14]。對(duì)于Nd∶YVO4晶體激光性能的研究主要集中在0.9，1.06，1.3 μm波段[14]。它的吸收譜線與常見(jiàn)二極管的發(fā)射譜線匹配得較好，是中小功率泵浦固體激光器的理想增益介質(zhì)。

Nd∶YVO4雙波長(zhǎng)激光器研究現(xiàn)狀如表3所示。

圖4 Nd∶YVO4晶體的吸收光譜與熒光光譜[14]

表3 Nd∶YVO4雙波長(zhǎng)激光器研究現(xiàn)狀

由表3可見(jiàn)，Nd∶YVO4雙波長(zhǎng)激光器輸出的主要波段為1 064/1 342，1 064/914，1 064.5/1 085.5，1 064/1 066 nm波段。

2019年，長(zhǎng)春理工大學(xué)固體激光技術(shù)與應(yīng)用團(tuán)隊(duì)研制了Nd∶YVO41 064/1 342 nm雙波長(zhǎng)調(diào)Q激光器[75]。抽運(yùn)功率為33.1 W時(shí)，獲得輸出功率分別為0.404/0.45 W的1 064/1 342 nm雙波長(zhǎng)激光輸出，功率配比接近1∶1，脈沖寬度分別為38.15/63.14 ns。

1 064/1 342 nm激光和頻是產(chǎn)生593 nm黃光激光光束的一種有效途徑[76]。黃光激光光源可用于探測(cè)高層鈉原子大氣層，且593 nm接近人眼最敏感的波長(zhǎng)(555 nm)，適合在惡劣天氣中的照明、準(zhǔn)直和測(cè)距等。另外，593 nm激光在分子生物學(xué)、化學(xué)以及鮮紅斑痣和眼科治療等方面也有較為重要的用途[77]，因此獲得大功率、高光束質(zhì)量的1 064/1 342 nm雙波長(zhǎng)激光器至關(guān)重要。

2.4 Nd∶GdVO4晶體特性與Nd∶GdVO4雙波長(zhǎng)激光器研究現(xiàn)狀

Nd∶GdVO4晶體屬四方晶系，屬單軸晶系，由于Gd3+離子半徑與Nd3+離子的半徑接近[78]，在受熱后晶格畸變小，具有較好的熱力學(xué)特性，滿足激光晶體對(duì)機(jī)械和化學(xué)性能的要求。Nd∶GdVO4晶體的吸收系數(shù)、吸收帶寬、受激發(fā)射截面、熱導(dǎo)率都較大，可以承受較大的泵浦功率密度，適合用于高功率全固態(tài)激光器中[79]。對(duì)Nd∶GdVO4晶體的熒光光譜進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在4F3/2-4I11/2這個(gè)躍遷帶內(nèi)，存在5～6個(gè)發(fā)射光譜帶。圖5為Nd∶GdVO4晶體在室溫下的熒光光譜圖與能級(jí)分布圖[14]，主要涉及到1 063 nm和1 083 nm的能級(jí)躍遷情況[80-81]。

Nd∶GdVO4雙波長(zhǎng)激光器研究現(xiàn)狀見(jiàn)表4。

圖5 Nd∶GdVO4晶體在室溫下4F3/2-4I11/2能級(jí)躍遷圖與熒光光譜[14]

表4 Nd∶GdVO4雙波長(zhǎng)激光器研究現(xiàn)狀

從表4可以看出，Nd∶GdVO4雙波長(zhǎng)激光器輸出的主要波段為1 064/1 342，912/1 063，1 063/1 065，1 063/1 083 nm。

1 063/1 083 nm雙波長(zhǎng)激光器在科學(xué)研究、地球探測(cè)和醫(yī)學(xué)治療等方面都有重要應(yīng)用。長(zhǎng)脈沖的1 064 nm激光與540 nm激光治療面部毛細(xì)血管擴(kuò)張癥的效率是100%，且可以有效治療血管病變，即采用1 064/1 083 nm雙波長(zhǎng)激光做基礎(chǔ)，對(duì)1 083 nm激光進(jìn)行倍頻，獲得1 064/541 nm雙波長(zhǎng)激光輸出，用于面部毛細(xì)血管擴(kuò)張的治療。

2.5 Nd∶MgO∶LN晶體特性與Nd∶MgO∶LN雙波長(zhǎng)激光器研究現(xiàn)狀

MgO∶LN晶體輸出非線性頻率變換晶體，屬于3m點(diǎn)群?jiǎn)屋S晶體，具有各向異性。在MgO∶LN材料中摻入Nd3+離子，使變頻MgO∶LN晶體具有稀土Nd3+的能級(jí)特性與增益特性。

Nd∶MgO∶LN吸收泵浦光，LiNbO3(鈮酸鋰)晶體的π方向與σ方向上的吸收與發(fā)射特性會(huì)發(fā)生變化，從而影響非線性晶體的有效非線性系數(shù)。Nd∶MgO∶LN的非線性系數(shù)為d33=20 pm/V[88]，Nd∶MgO∶LN晶體具有獲得雙波長(zhǎng)激光輸出的能力。

由圖6可以看出，無(wú)論是σ偏振還是π偏振，在813 nm附近的吸收峰的半峰寬約為20 nm?？梢赃x用傳統(tǒng)GaAsLD 810 nm泵浦源進(jìn)行泵浦。4F3/2→4I11/2的偏振熒光光譜中，σ偏振的熒光光譜最強(qiáng)的為1 078.21 nm和1 092.1 nm，π偏振的熒光光譜最強(qiáng)的為1 083.6 nm、1 092.0 nm和1 103.6 nm。由于其熒光光譜具有多波長(zhǎng)的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)雙(多)波長(zhǎng)激光輸出。

圖6 Nd∶MgO∶LN晶體偏振吸收譜與偏振熒光光譜

2016年，山東大學(xué)的Fan等對(duì)808 nm二極管泵浦的雙波長(zhǎng)(1 085/1 093 nm)Nd∶MgO∶LiNbO3激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究。在泵浦功率為7.45 W時(shí)，獲得了最大輸出功率為1.23 W的1 085/1 093 nm雙波長(zhǎng)激光輸出，轉(zhuǎn)換效率為16.5%，斜率效率為21.2%[89]。

2019年，長(zhǎng)春理工大學(xué)固體激光技術(shù)與應(yīng)用團(tuán)隊(duì)采用Nd∶MgO∶LN獲得了最高輸出功率為3 W的1 084/1 093 nm雙波長(zhǎng)激光輸出[90]。

MgO∶LN材料中摻入Nd3+離子，使一種非線性頻率變換晶體成為既可以激光增益又可以光參量振蕩的多變物理過(guò)程。精簡(jiǎn)了OPO的結(jié)構(gòu)，為獲得小型化、便攜的遠(yuǎn)紅外激光器提供了新的思路，對(duì)于新一代小型化中紅外激光光源研發(fā)具有重要意義。

2.6 摻Nd3+激光晶體特性比較與分析

Nd3+離子作為最早用于激光晶體的三價(jià)稀土離子，被廣泛摻雜于激光基質(zhì)材料中，目前應(yīng)用較廣的有Nd∶YAG、Nd∶YAP、Nd∶YVO4、Nd∶GdVO4等。摻Nd3+離子的激光晶體在1.3，1.0，0.9 μm一般都有較大的激光發(fā)射截面。表5列出了5種常規(guī)的用于雙波長(zhǎng)激光器的單摻Nd3+離子激光晶體的激光特性參數(shù)。

表5 摻Nd3+離子激光晶體的參數(shù)

表5(續(xù))

Nd∶YAG是研究最成熟的激光材料之一，由于YAG基質(zhì)具有物理、化學(xué)特性穩(wěn)定、熔點(diǎn)低、光學(xué)質(zhì)量好、熱導(dǎo)率高、不易炸裂等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類激光系統(tǒng)中，且都能獲得穩(wěn)定的激光輸出，應(yīng)用廣泛。其4F3/2能級(jí)及以上能級(jí)都可以作為泵浦光的吸收能級(jí)，且躍遷到4I9/2、4I11/2和4I13/2能級(jí)時(shí)，獲得比較重要的946，1 064，1 319 nm三條譜線，利用這三條譜線任意組合做和頻、倍頻等可獲得藍(lán)光、綠光和紅光激光輸出。

Nd∶YAP晶體是各向異性晶體，在1.34 μm處的發(fā)射截面最大，并存在1 064.5，1 072.5，1 079.5 nm三條強(qiáng)譜線。對(duì)沿晶體b軸傳播的光，當(dāng)電場(chǎng)E平行于c方向時(shí)，譜線1 079.5 nm與1 064.5 nm偏振的增益最大，易實(shí)現(xiàn)這兩種波長(zhǎng)的雙波長(zhǎng)激光輸出。對(duì)沿晶體c軸傳播的光，譜線1 064.5 nm的增益最大，還不到Nd∶YAG的一半。 在獲得偏振雙波長(zhǎng)輸出時(shí)，需考慮其切割方向及此時(shí)的躍遷增益，選取需要的增益強(qiáng)的譜線進(jìn)行雙波長(zhǎng)輸出。但較難制備出高質(zhì)量的Nd∶YAP晶體，且屬于斜方晶系的Nd∶YAP晶體具有嚴(yán)重的熱透鏡效應(yīng)，從而限制了它的推廣與應(yīng)用。

Nd∶YVO4晶體具有低閾值、高效率、制備方法成熟以及可國(guó)產(chǎn)化等優(yōu)點(diǎn)，在1 μm波段應(yīng)用廣泛。Nd∶YVO4在4F3/2→4I11/2躍遷中，波長(zhǎng)1 064 nm處有較大的受激發(fā)射截面(25×10-19cm2)，是Nd∶YAG的五倍；其次是在4F3/2→4I11/2躍遷中，波長(zhǎng)1 342 nm處的受激發(fā)射截面(6×10-19cm2)。在808 nm附近的吸收峰值高，適合于LD泵浦，因此可以獲得1 064/1 342 nm雙波長(zhǎng)激光輸出。在4F3/2→2I11/2的躍遷帶內(nèi)，1 084 nm與1 064 nm同樣具有較強(qiáng)的發(fā)射強(qiáng)度，可以深度挖掘1 064/1 084 nm雙波長(zhǎng)的意義與應(yīng)用價(jià)值，獲得1 064/1 084 nm雙波長(zhǎng)激光輸出。雖然Nd∶YVO4可以獲得偏振光，且YVO4具有雙折射的特性，緩解了Nd∶YVO4中部分熱致雙折射效應(yīng)，但Nd∶YVO4晶體的導(dǎo)熱性能差，使Nd∶YVO4的熱效應(yīng)嚴(yán)重，難以獲得大功率激光輸出，限制了Nd∶YVO4大功率雙波長(zhǎng)激光器的發(fā)展。

Nd∶GdVO4晶體具有與Nd∶YVO4晶體相似的結(jié)構(gòu)，擁有與Nd∶YAG相當(dāng)?shù)臒釋?dǎo)率(是Nd∶YVO4的兩倍)，Nd∶GdVO4的吸收截面大于Nd∶YVO4，發(fā)射截面大于Nd∶YAG，且其可以有比較高的摻雜濃度，晶體生長(zhǎng)的質(zhì)量也比較好，泵浦的速率與泵浦源的功率成正比，非常適合應(yīng)用在大功率的激光器中。在4F3/2→4I11/2躍遷中，1 064 nm的自發(fā)輻射遠(yuǎn)大于1 083 nm，且1 063/1 083 nm的受激發(fā)射截面之比為4.7∶1，在獲得1 064/1 083 nm雙波長(zhǎng)激光器時(shí)，尤其需要注意對(duì)腔鏡的考慮。

2.7 摻Nd3+雙波長(zhǎng)激光器的典型應(yīng)用

激光的重要應(yīng)用如激光精密檢測(cè)、激光顯示、激光醫(yī)療、差分吸收激光雷達(dá)、激光光譜和激光非線性頻率變換等領(lǐng)域，需要的不僅僅是一個(gè)波長(zhǎng)的激光，有時(shí)候需要1條、2條或多條激光同時(shí)輸出，但如果使用兩個(gè)或多個(gè)激光器，則存在不同步、不易調(diào)控等缺陷，此時(shí)就需要一臺(tái)激光器能夠輸出兩個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)。摻Nd3+離子復(fù)雜的能級(jí)結(jié)構(gòu)使其具有分裂輻射能力，可以獲得雙波長(zhǎng)或多波長(zhǎng)激光同時(shí)輸出。近年來(lái)，Nd3+離子摻雜的雙波長(zhǎng)激光器是一個(gè)較為熱門的研究課題，與分別采用兩臺(tái)不同波長(zhǎng)的激光器相比[91]，單激光系統(tǒng)獲得雙波長(zhǎng)激光輸出使激光器更易實(shí)現(xiàn)小型化，且降低了激光器的成本。表6總結(jié)了摻Nd3+離子獲得雙波長(zhǎng)輸出的現(xiàn)狀及雙波長(zhǎng)輸出的典型應(yīng)用。

表6 摻Nd3+雙波長(zhǎng)激光波長(zhǎng)與典型應(yīng)用

激光在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用是利用激光與生物組織產(chǎn)生的不用生物效應(yīng)，可以治療、診斷多種疾病。人體各個(gè)組織細(xì)胞對(duì)不同的激光波長(zhǎng)具有不同的吸收效率，如血液對(duì)1 319 nm激光的吸收要優(yōu)于1 064 nm激光，但1 064 nm激光對(duì)水的吸收要優(yōu)于1 319 nm激光，那么針對(duì)既有水又有血液的治療，則需要1 064 nm激光與1 342 nm激光共同協(xié)作。如在治療膀胱癌時(shí)，使膀胱中充滿水是手術(shù)的前提，因而需要采用適合用于切除的1 319 nm波長(zhǎng)同時(shí)需要在水中透過(guò)率高的1 064 nm激光，即需要用到1 064/1 319 nm雙波長(zhǎng)激光器。

1 319/1 338 nm雙波長(zhǎng)激光器可以直接進(jìn)行差頻獲得太赫茲輻射波，產(chǎn)生的差頻頻率為3.23 THz。該波段在無(wú)線光通信領(lǐng)域有很重要的應(yīng)用。

正交偏振的1 079.5/1 064.5 nm雙波長(zhǎng)激光器為精密計(jì)量的激光光源提供了一種新的方式，其在激光干涉測(cè)量、精密計(jì)量等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價(jià)值，可用于測(cè)量位移、波片的延遲、力與表面輪廓的形變等。

1 064/1 342 nm雙波長(zhǎng)激光器是和頻產(chǎn)生黃光激光的重要手段之一，593 nm的黃光激光器是探測(cè)鈉原子高層大氣的手段之一，且黃光對(duì)人眼最敏感，適合在惡劣天氣中的照明、準(zhǔn)直、測(cè)距等。另外，可以將593 nm激光器應(yīng)用于激光在分子生物學(xué)、化學(xué)以及鮮紅斑痣和眼科治療等方面。

1 063/1 083 nm雙波長(zhǎng)激光器對(duì)1 083 nm激光進(jìn)行倍頻，可以獲得1 064/541 nm雙波長(zhǎng)激光輸出，血紅蛋白在542 nm處有一個(gè)吸收峰，1 064 nm對(duì)氧和血紅蛋白的穿透深度可達(dá)4～10 nm，是治療需要選擇性破壞真皮的畸形血管而不損傷正常表皮組織的最佳波長(zhǎng)。

1 342，1 064，914 nm倍頻可產(chǎn)生671，532，457 nm的紅綠藍(lán)三基色。任一可見(jiàn)光都可以采用紅、綠、藍(lán)三基色光按照比例混合獲得，其中獲得的白光激光應(yīng)用較為廣泛，可以應(yīng)用于激光顯微鏡、多模態(tài)生物成像與分析快速診斷和分析疾病、激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)大氣質(zhì)量、3D顯示和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等方面。因此需要兩條或多條基頻譜線作為基礎(chǔ)，因而發(fā)展雙波長(zhǎng)、多波長(zhǎng)激光器是至關(guān)重要的。不同波長(zhǎng)在輸出時(shí)存在較大的競(jìng)爭(zhēng)，如何獲得穩(wěn)定的、配比均勻的雙波長(zhǎng)或多波長(zhǎng)激光輸出，對(duì)雙波長(zhǎng)激光器的研制具有重要意義。

3 結(jié) 論

上世紀(jì)八十年代初，國(guó)內(nèi)外相關(guān)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究雙波長(zhǎng)激光器。本文主要綜述了通過(guò)單摻Nd3+激光介質(zhì)具有兩個(gè)或多個(gè)發(fā)射峰的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)激光輸出的方法。由激光介質(zhì)直接獲得雙波長(zhǎng)激光輸出的激光器，可以分為波長(zhǎng)相差不大的1 319/1 338 nm和1 047/1 053 nm波段雙波長(zhǎng)激光器、波長(zhǎng)相差較大的1 064/1 319,1 064/1 342,914/1 064 nm波段雙波長(zhǎng)激光器。

本文主要針對(duì)摻Nd3+離子增益介質(zhì)的雙(多)波長(zhǎng)全固態(tài)激光器的研究現(xiàn)狀，側(cè)重于1 μm波段附近的雙(多)波長(zhǎng)激光輸出，主要涉及到的是Nd∶YAG、Nd∶YAP、Nd∶YVO4、Nd∶GdVO4等能產(chǎn)生雙波長(zhǎng)的激光晶體，總結(jié)其近些年的發(fā)展現(xiàn)狀?？梢钥闯?，Nd∶YAG晶體主要產(chǎn)生的雙波長(zhǎng)為1 064/1 319,1 064/946,1 319/1 338,1 064/1 342 nm；Nd∶YVO4晶體主要產(chǎn)生的雙波長(zhǎng)為1 064/914,1 064/1 342,1 064/1 085 nm；摻Nd3+離子的激光介質(zhì)還可產(chǎn)生1 047/1 313,1 341/1 339,1 085/1 088,1 047/1 053 nm和1 341/1 079 nm等多種波長(zhǎng)的激光輸出[92]。雙波長(zhǎng)全固態(tài)激光器可以應(yīng)用于干涉彩虹全息、精細(xì)激光光譜、差分吸收激光雷達(dá)、非線性頻率變換產(chǎn)生多波段激光輸出和激光醫(yī)療等領(lǐng)域。隨著科技的不斷進(jìn)步以及市場(chǎng)需求的增加，在非線性變換晶體MgO∶PPLN中加入Nd3+離子，使激光增益與光參量振蕩合二為一成為可能，將會(huì)更加有利于雙波長(zhǎng)激光器的發(fā)展。