海南师范大学物理与电子工程学院，海南省院士团队创新中心，海南省激光技术与光电功能材料重点实

验室，海南 海口

收稿日期：2023年2月24日；录用日期：2023年3月24日；发布日期：2023年3月31日

摘要

文章介绍了微型LD端面泵浦的窄脉冲Nd:YLF激光器。采用透过率为70%的Cr:YAG晶体作为被动调Q晶体，在泵浦功率为5 W，1.33 kHz的重复频率下，得到脉冲能量150 μJ的1047 nm基频光输出，再通过LBO腔外倍频，最终实现脉宽为2 ns，脉冲能量为67.7 μJ的523.5 nm脉冲激光输出。

关键词

全固态激光器，端面抽运Nd:YLF，523.5 nm窄脉冲激光器

Study on All Solid State Narrow Pulse 523.5 nm Micro Green Laser

Quan Li, Qinlong Jin, Cheng Cheng, Wenbo Zeng, Xuehuan Ma, Yulin Yang, Bei Xiao, Guojun Liu, Zhongliang Qiao, Yi Qu^*

Key Laboratory of Laser Technology and Optoelectronic Functional Materials of Hainan Province, Academician Team Innovation Center of Hainan Province, College of Physics and Electronic Engineering, Hainan Normal University, Haikou Hainan

Received: Feb. 24^th, 2023; accepted: Mar. 24^th, 2023; published: Mar. 31^st, 2023

ABSTRACT

In this paper, a micro LD end pumped Nd:YLF laser with narrow pulse is described. Using Cr:YAG crystal with transmit ability of 70% as passive Q-switched crystal, the pulsed optical output power of the 1047 nm fundamental is 150 μJ with a pump power of 5 W and a repetition frequency of 1.33 kHz. Then, a laser at 523.5 nm with a pulse width of 2 ns and pulse energy of 67.7 μJ is finally achieved by LBO external cavity frequency doubling.

Keywords:All-Solid-State Laser, End Pumped Nd:YLF, 523.5 nm Narrow-Pulse Laser

Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

LD端面泵浦的窄脉冲绿光微型激光器具有结构紧凑、体积小、重量轻、重复频率高、脉冲窄、峰值功率高等优点，在激光雷达、激光微加工、遥感监测、非线性频率转换、三维成像、光通信、医疗等领域有着广泛的应用前景 [1] [2] [3] 。通过泵浦Nd:YAG和Nd:YLF晶体产生1047 nm (π偏振)和1053 nm (σ偏振)的激光输出，再进行二次倍频是获得绿光输出的有效方法。由于窄脉冲绿光激光器的广泛应用，国内外许多科研人员都对523.5 nm全固态激光器进行过深入的研究。1992年，霍玉晶等人率先用LD泵浦Nd:YLF晶体实现5.2 mW的1047 nm输出，通过MgO:LN晶体腔内倍频实现了0.46 mW的524 nm脉冲输出 [4] 。2008年，Daijun Li等人研究了基于临界腔的523 nm大能量激光器，获得的激光能量为15.1 mJ，脉宽为7.1 ns [5] 。2015年，Qi Yang等人采用MOPA技术实现了520 mJ的高能量523.5 nm激光输出 [6] 。微型窄脉冲的523.5 nm的绿光激光在激光雷达，激光微加工等领域有重要应用 [7] ，但关于523.5 nm脉冲激光器的研究大多集中在大能量激光方面的研究，关于窄脉冲的523.5 nm的微型激光器研究较少，因此本文着重研究微型窄脉冲绿光激光器。在调Q方面，被动调Q体积小，成本低，操作方便，更易实现激光器的小型化，且被动调Q无需外电路控制，对激光电源和外电路控制的要求小，更易于实现集成化，由于调Q晶体尺寸小，可将脉宽压缩到很短，更易实现窄脉宽，高峰值功率。在激光晶体方面，由于Nd：YLF的上能级寿命较长为480 μs，约为Nd:YAG上能级寿命的2倍，利于获得更窄脉冲输出 [8] ；同时Nd:YLF具有较低的热效应，利于获得高功率输出。因此泵浦Nd:YLF晶体，采用被动调Q进行倍频是实现高峰值功率，窄脉冲523.5 nm激光输出的有效方法。

本文通过半导体激光端面泵浦Nd:YLF晶体产生1047 nm，并采用饱和吸收晶体Cr:YAG晶体实现窄脉冲激光输出，在腔外用I类相位匹配LBO晶体实现倍频，最终得到脉宽为2 ns，脉冲能量为67.7 μJ的523.5 nm窄脉冲绿光激光输出，倍频转换率为45%。

2. 理论分析

2.1. 激光晶体的选取

为了得到高峰值功率的1047 nm激光，选用a切割的Nd:YLF晶体。

用808 nm半导体激光器做光源直接照射掺杂浓度为1.0%的a-cut Nd:YLF晶体，ANDO AQ-6315A光谱分析仪得到的发射谱如图1所示 [9] 。

由图1可以知，1.0 μm辐射波长有两种：π偏振光1047 nm和σ偏振光1053 nm，对应⁴F_3/2→⁴I_11/2跃迁，其中1047 nm光的强度最大。1047 nm的受激发射截面(1.8 × 10⁻¹⁹ cm²)是1053 nm (1.2 × 10⁻¹⁹ cm²)

图1. Nd:YLF晶体发射谱

的1.5倍。因此，采用a轴切割晶体的激光谐振腔，增益最大时的输出是1047 nm波长，可以通过腔内加入布儒斯特片、将晶体切成布儒斯特角或倾斜腔镜的方法选择1053 nm输出。晶体在1.3 μm附近还有两个发射峰，是π偏振光1321 nm和σ偏振光1313 nm，对应⁴F_3/2→⁴I_13/2跃迁。在0.9 μm附近也有发射峰908 nm，对应⁴F_3/2→⁴I_9/2跃迁。晶体在1.3 μm和0.9 μm波长处的辐射强度都明显低于1.0 μm处的，所以，最容易实现激光输出的是1.0 μm，要获得1.3 μm和0.9 μm输出，必须采用一定的选频措施，抑制1.0 μm振荡。从图1中还可以看出，晶体在1370 nm还有一条发射谱线，但对应这一波长的受激发射截面很小，不容易实现激光振荡，通常不予考虑 [9] 。

2.2. 倍频晶体选取

1047 nm基频光二倍频至523.5 nm时，经SNLO软件模拟计算得出LBO晶体的相位匹配角度θ = 90˚，φ = 12.4˚，匹配方式为I类相位匹配，有效非线性系数为0.83 pm/V，走离角为7.52 mrad∙cm。由于LBO晶体走离角小较，对光斑的尺寸影响较小；非线性系数高，有较高的光光转化效率；抗损伤阈值高等优点，根据上述优点选取LBO晶体作为倍频晶体。并根据相位匹配角度，对晶体进行切割并定制。

2.3. 被动调Q晶体选取

由于Cr:YAG晶体在1 μm附近有较宽的吸收峰，因此选取Cr:YAG晶体作为被动调Q晶体。考虑到被动调Q透过率对激光脉冲的影响 [10] ，分别选用两种透过率的Cr:YAG晶体，透射率分别为70%与80%，进而分析了其对基频光脉冲的影响，从而选取最佳透过率，得到更高转换效率的倍频光。

3. 实验装置

本实验的实验装置如图2所示，图2中半导体激光波长为808 nm，最高输出功率为5 W。入射镜为非球面聚焦镜，焦距为6 mm，聚焦后焦点光斑直径约为200 μm。为增大泵浦光透过率提高泵浦效率，聚焦镜双端镀有808 nm的增透膜，透过率大于99.9%。Nd:YLF晶体掺杂离子浓度为1%，尺寸为3 × 3 × 3 mm³。Nd:YLF晶体左端入射面镀有808 nm的增透膜和1047 nm的高反膜，右端出射面镀有1047 nm的增透膜。Cr:YAG被动调Q晶体尺寸为3 × 3 × 2 mm³，两端镀有1047 nm的增透膜。为提升谐振腔稳定性，选取平–凹镜作为输出镜，输出镜曲率半径为100 mm，输出镜1047 nm透过率为10%。LBO倍频晶体采用I类相位匹配，其切割角度为θ = 90˚，φ = 21.7˚。523.5 nm滤光片是吸收型滤光片，可以吸收红外波段的激光，从而得到523.5 nm激光输出。为压缩谐振腔腔长，紧贴放置激光晶体、调Q晶体和输出镜，整体谐振腔长为6 mm。

图2. 523.5 nm实验装置图

4. 实验结果与分析

为得到较高能量及峰值功率的基频光，分别选取70%与80%两种不同透过率的Cr:YAG晶体进行对比实验。得到基频光1047 nm输出的平均功率，单脉冲能量，峰值功率与泵浦功率的关系图3~5所示。由图可知基频光输出平均功率、单脉冲能量、峰值功率与泵浦功率均为线性关系，即泵浦功率越高，基频光的平均功率、单脉冲能量、峰值功率越高。通过比较不同透过率的Cr:YAG晶体对应的输出情况可知，透过率较高的Cr:YAG晶体可以得到较高的平均功率，而透过率较低的Cr:YAG晶体可以得到较高的单脉冲能量与峰值功率。这是因为透过率越低的Cr^{4 +}:YAG，Cr⁴⁺掺杂浓度越高，其饱和损耗越大，需要更多的能量才能使基态漂白，而更高的能量又导致更强的激发态吸收，其脉冲能量、峰值功率都会更大。

图6是523.5 nm输出功率与泵浦功率的关系图。从图6中可以看出，倍频光输出功率与泵浦功率呈线性关系，泵浦功率越高，得到倍频光的功率越高，透过率较低的Cr:YAG晶体可以得到较高功率的523.5nm的倍频光，由此可以得出影响倍频效率的主要因素是基频光的单脉冲能量与峰值功率，而平均

功率不起到决定性的作用。这是因为基频光的单脉冲能量和峰值功率越高，其功率密度( $\frac{P_{\omega }}{A}$ )也越高，而

图3. 1047 nm平均输出功率随泵浦功率的变化

图4. 输出单脉冲能量与泵浦功率的关系

图5. 输出峰值功率与泵浦功率的关系

倍频效率与基频光的功率密度成正比。

产生二次谐波的效率可表示为 [11] [12] ：

${\eta }_{\text{SHG}}=\frac{P_{2\omega }}{P_{\omega }}={\tanh }^2\left[l_c{K}^{1/2}{\left(\frac{P_{\omega }}{A}\right)}^{1/2}\text{sinc}\left(\frac{l_c\Delta k}{2}\right)\right],k=2{\eta }_0^3\frac{v_{\omega }^2{d}_{eff}^2}{{\left(n^{\omega }\right)}^2{n}^{2\omega }}$ (1-1)

其中， $P_{2\omega }$ 和 $P_{\omega }$ 分别是基频光和倍频光的功率； $l_c$ 是非线性晶体的长度；A是基频光在非线性晶体中的截面积； $n^{2\omega }$ 和 $n^{\omega }$ 代表了基频光和倍频光在非线性晶体中的折射率；d_eff是非线性晶体的有效非线性系数； ${\eta }_0=\sqrt{u_0/{\epsilon }_0\epsilon }=377/n_0$ ，为平面波阻抗； $\Delta k$ 是基频光和倍频光在非线性晶体中的相位匹配。

由式(1-1)可以看出，倍频效率 ${\eta }_{\text{SHG}}$ 与基频光的功率密度( $P_{\omega }/A$ )成正比。在5 W泵浦功率下，利用透过率为80%的Cr:YAG晶体进行调Q，得到1047 nm基频光输出功率为260 mW，倍频光523.5 nm的功率为78 mW，倍频效率为30%。透过率为70%的Cr:YAG晶体调Q，得到1047 nm基频光输出功率为200 mW，倍频光523.5 nm的功率为90 mW，倍频效率为45%。使用海洋公司的HR4000光谱仪测得523.5 nm的光谱图如图7所示。使用Thorlab公司生产的DET02AFC探测器测得523.5 nm的脉宽图，测试结果脉宽为2 ns，上升时间为1 ns左右。

图6. 523.5 nm输出功率与泵浦功率的关系

图7. 523.5 nm激光器输出光谱图

5. 结论

本文研究了一种窄脉冲523.5 nm的被动调Q激光器，用半导体激光端面泵浦Nd:YLF晶体产生1047 nm基频光，并用Cr:YAG晶体作为该激光器的调Q晶体，并分析了70%和80%两种不同透过率Cr:YAG调Q晶体对基频光平均功率、单脉冲能量、峰值功率的影响，测量了LBO晶体倍频得到523.5 nm的平均功率，分析影响倍频效率的因素，采用透过率为70%的Cr:YAG晶体做为调Q晶体，得到平均功率为90 mW，脉宽为2 ns，脉冲能量为67.7 μJ的523.5 nm激光输出，成功研究出窄脉冲高能量的TEM₀₀模523.5 nm激光输出，可为激光微加工提供理想的光源。

基金项目

国家自然科学基金(62274048, 61864002, 61964007, 11764012)；海南省重点研发项目(ZDYF2020020, ZDYF2020036, ZDYF2020217)；海南省科技重大计划项目(ZDKJ2019005)；中国工程科技发展战略项目(No.19-HN-XZ-07)；海南省院士创新平台专项研究项目(YSPTZX202034)；海南省自然科学基金(519MS051, 121QN228, 120MS031, 618QN241)；海南省科研项目(hnky2020-24)；海南省研究生创新科研项目(hsyx2021-85, Qhys2021-327, Qhys2021-325)、海南师范大学大学生创新创业训练计划/海南师范大学大学生创新创业开放基金(榕树基金，202211658002X，hscy2022-3，S202211658002X)。

文章引用

李 权,金秦隆,程 成,曾文博,马雪欢,杨禹霖,肖 倍,刘国军,乔忠良,曲 轶. 全固态窄脉冲523.5 nm微型激光器的研究
Study on All Solid State Narrow Pulse 523.5 nm Micro Green Laser[J]. 光电子, 2023, 13(01): 36-42. https://doi.org/10.12677/OE.2023.131005

参考文献