摘要 采用半导体抽运腔内倍频的方法，获得了可满足医疗应用的瓦级全固态５６１ｎｍ 黄光激光输出。在比较和析了Ｎｄ∶ＹＡＧ 激光晶体各主要谱线的激光参数之后，通过谐振腔膜系的设计抑制了增益较大的１０６４，１３１９ 和９４６ｎｍ 谱线的运转。通过对倍频晶体的合理选择以及晶体放置角度与匹配温度的合理控制，在１３．５ Ｗ 的８０８ｎｍ抽运功率下，实验获得了１．４１ Ｗ 的５６１ｎｍ 单一谱线的黄光激光输出，光光转换效率为１０．５％。
关键词 激光器；全固态激光器；５６１ｎｍ 黄光激光器；医用激光技术；腔内倍频
１ 引 言
黄光激光器在激光医学和生物医学仪器领域都有着重要的应用，是共焦显微镜、流式细胞仪及其他生物成像装置的理想光源，也是激光治疗复杂眼科疾病的最佳波长［１，２］。黄光激光的获得通常采用以下几种方法：基于双波长振荡腔内和频Ｎｄ∶ＹＡＧ 或者Ｎｄ∶ＹＶＯ４激光器［３～５］，直接倍频的掺镉镁橄榄石激光器［６］以及铜蒸气激光器和染料激光器等。这些方法具有体积大、效率低、稳定性差和操作复杂等缺点。寻找合适的基频光谱线，同时利用腔内倍频获得高效、稳定、结构紧凑的全固态黄光激光器是一种有效可行的方法。目前已有半导体抽运腔内倍频获得５５６ｎｍ 黄光激光的报道［７］。而在人眼黄斑病变治疗及流式细胞仪等生物医学领域，波长更长的５６１ｎｍ 光具有更高的实用价值［８］。但目前尚未见通过腔内倍频获得连续输出的大功率医用５６１ｎｍ 激光的实验报道。
本文利用光纤耦合８０８ｎｍ 大功率半导体激光器抽运Ｎｄ∶ＹＡＧ，激发１１２３ｎｍ 的跃迁谱线，采用ＬＢＯ晶体进行腔内倍频，通过对谐振腔膜系的设计、倍频晶体的选择以及对晶体的切割角度与匹配温度的合理控制，在１３．５ Ｗ 的８０８ｎｍ 抽运功率下，实验获得了１．４１ Ｗ 的可满足医用需要的瓦级全固态５６１ｎｍ 黄光激光输出，光光转换效率为１０．５％。同时研究和分析了消除Ｎｄ∶ＹＡＧ 的１１１２ 和１１１６ｎｍ 谱线倍频以及１１１２，１１１６和１１２３ｎｍ 等三个谱线的和频输出，获得５６１ｎｍ 单一谱线输出的方法。
２ 理论分析
２．１ 能级结构
Ｎｄ∶ＹＡＧ 是固体激光系统中最为通用的激光工作物质，其激光光谱中一共存在３０ 多条谱线，除常用的１０６４，１３１９和９４６ｎｍ 谱线外，１１１２，１１１６和１１２３ｎｍ 这三条谱线的性能也相对较好。图１是Ｎｄ∶ＹＡＧ 激光晶体的能级结构图，在该激光晶体中，钕离子（Ｎｄ３＋ ）取代了ＹＡＧ 基质中的钇离子（Ｙ３＋ ），Ｎｄ３＋ 在晶格场的作用下，发生了斯塔克分裂。１０６４，１１１２，１１１６和１１２３ｎｍ 四条谱线对应４Ｆ３／２和４Ｉ１１／２这两个能带之间的跃迁，只是其上下能级对应不同的斯塔克分裂子能级，其中１０６４ｎｍ对应的是Ｒ２ 到Ｙ３ 的跃迁，１１１２ｎｍ 对应的是Ｒ２ 到Ｙ６的跃迁，１１１６ｎｍ 对应的是Ｒ１ 到Ｙ５ 的跃迁，１１２３ｎｍ 对应的是Ｒ１ 到Ｙ６ 的跃迁。表１为Ｎｄ∶ＹＡＧ中各主要谱线的激光特性比较，其中σ 表示受激发射截面，Δν表示激光谱线的频宽，β 表示荧光辐射相对强弱的分支比。从表１可见，１１２３ｎｍ 谱线的相对性能为１０６４ｎｍ 谱线的２／５，受激发射截面约为１０６４ｎｍ 的１／１５、１３１９ｎｍ 的１／３或９４６ｎｍ 的３／５，因此为了获得增益较小的１１２３ｎｍ 基频光谱线的运转，需要对１０６４，１３１９
和９４６ｎｍ 三条谱线同时进行抑制。这里通过提高谐振腔镜对这三种谱线的透射率来抑制它们的起振。虽然１１１２，１１１６和１１２３ｎｍ 三条激光谱线的相对性能比较接近［９，１０］，容易出现同时受激并相互竞争的现象，导致倍频后出现几条倍频光及和频光同时输出的情况，但是由于通过镀制窄反射带激光膜来选择性地获得三者中任意一条激光谱线的单独运转难度很大，因此本文通过倍频晶体的选择和晶体的切割角度与匹配温度的合理控制来获得１１２３ｎｍ 倍频光的单独输出。
２．２ 倍频晶体选择
ＫＴＰ和ＬＢＯ 是目前常用的两种倍频晶体，其中ＫＴＰ晶体具有有效非线性系数大、允许角较大、允许温度较高和不易潮解等优点，但是它用于１１２３ｎｍ 倍频的走离角较大，晶体长度使用时受到限制。ＬＢＯ 晶体则具有损伤阈值高、允许角度宽而走离角小、较宽的Ⅰ类及Ⅱ类非临界相位匹配范围，但是ＬＢＯ 的有效非线性系数较ＫＴＰ 小。表２为利用非线性光学软件计算得到的两种倍频晶体对１１２３ｎｍ 激光倍频时的参数。从表中可见，ＫＴＰ的有效非线性系数约为ＬＢＯ 的４倍，走离角约是ＬＢＯ 的６倍。倍频晶体最大相互作用距离表达式为
式中犾ｍａｘ为倍频晶体中基频光与倍频光的最大作用长度，狑为晶体中基频光光斑半径，ρ 为倍频晶体中由双折射决定的走离角。当走离角过大时，倍频晶体的长度选取受犾ｍａｘ制约，同时考虑到腔内倍频效率与有效非线性系数和晶体长度乘积的平方成正比，相比之下ＬＢＯ 的效果会更好。同时在接收带宽和接收角度上，ＫＴＰ远不及ＬＢＯ 性能好。所以从整体上考虑，选择ＬＢＯ 作为倍频晶体。
３ 实验装置与膜系选择
实验装置如图２所示，抽运源使用ＬＩＭＯ 公司生产的ＬＩＭＯ３０Ｆ２００ＤＬ８０８ＬＭＡ 型光纤耦合模块，数值
孔径为０．２２，最大输出功率为３０ Ｗ，中心发射波长为８０７．５ｎｍ。抽运光经过耦合光学系统ＣＯ 准直聚焦后射入谐振腔。谐振腔为平凹腔，腔长约为３４ｃｍ。输入镜为焦距犚＝５０ｍｍ 的平凹镜，其镀膜曲线如图３所示，输入镜对１１２３ｎｍ 高反，对１３１９，１０６４，９４６ 和８０８ｎｍ 高透。图４ 为输出镜的镀膜曲线，输出镜为平面镜，对１１２３ｎｍ 高反，对５６１ｎｍ 高透。整体考虑谐振腔对各谱线的透射率情况后，增益较大的１０６４，１３１９ 和９４６ｎｍ光已经被抑制，增益较小的１１２３ｎｍ 已经可以起振，实验结果表明膜系设计是合理的。激光介质为掺杂Ｎｄ原子数分数１．１％的Ｎｄ∶ＹＡＧ，尺寸为３ｍｍ×３ｍｍ×１０ｍｍ，晶体两端镀有１１２３和８０８ｎｍ 的抗反射膜。倍频晶体为按１１２３ｎｍＩ类临界相位匹配切割的ＬＢＯ（θ＝９０°，φ＝７．５°），晶体尺寸为２ ｍｍ×２ｍｍ×１０ｍｍ，晶体两端镀有基频光和倍频光的抗反射膜，以降低ＬＢＯ 的插入损耗。抽运源和谐振腔分别由半导体制冷器ＴＥＣ１和ＴＥＣ２进行温度控制。
首先调节ＴＥＣ１温度使抽运源发射峰与Ｎｄ∶ＹＡＧ 的吸收峰８０８．５ｎｍ 重合，调节输出镜的位置和ＴＥＣ２的温度，找到红外基频光光斑和功率达到最佳状态的位置。将倍频晶体ＬＢＯ 插入谐振腔内，并用ＯｃｅａｎＯｐｔｉｃｓ公司的ＨＲ４Ｃ４４１９型号的光谱仪对输出光谱进行扫描，调节ＬＢＯ 放置角度，在此过程中发现，会有１１１２，１１１６和１１２３ｎｍ 三种谱线的倍频光（５５６，５５８和５６１ｎｍ）交替出现的现象。此时既有如图５所示的５５６ｎｍ 倍频光单独输出，也会有三种倍频光和５５０～５６０ｎｍ 范围内倍频光与和频光混合输出的情况，如图６所示的５５８．７，５５９．７和５６１．２ｎｍ 的三种波长混合输出。其中５５９．７ｎｍ 为１１１６与１１２３ｎｍ 的和频光，５５８．７ｎｍ 为１１１２与１１２３ｎｍ 的和频光。
由于１１１２，１１１６和１１２３ｎｍ 三种谱线相对性能比较接近，无法通过谐振腔镜镀窄反射带膜的方法获得其中一条谱线的单独运转，因此容易出现这三条基频谱线同时受激并相互竞争的情况，导致加入倍频晶体后出现几条倍频谱线及和频谱线同时输出或交替输出的现象。但是当ＬＢＯ 放置到某一特定位置时，即ＬＢＯ放置角度满足且只满足１１２３ｎｍ 相位匹配角的时候，只对该波长有倍频作用而不满足其他波长的相位匹配条件，此时只有５６１ｎｍ 一种倍频光输出。若ＬＢＯ 放置角度与１１２３ｎｍ 相位匹配角度相差较大，则ＬＢＯ 可能对其他基频光产生倍频输出。利用非线性光学软件计算得出ＬＢＯ 对三种波长基频光的相位匹配角分别为１１１２ｎｍ，θ＝９０°，φ＝８．３°；１１１６ｎｍ，θ＝９０°，φ＝８．０°；１１２３ｎｍ，θ＝９０°，φ＝７．５°。由于ＬＢＯ 晶体对１１２３ｎｍ的接收角度较小，而１１２３ｎｍ 的受激发射截面也相对较小，因此对谐振腔的调节精度和固定方式要求较高。调整ＬＢＯ 角度到输出功率最高，输出谱线为５６１ｎｍ 单一波长时（如图７所示），固定好ＬＢＯ。图８为５６１ｎｍ 输出功率随抽运功率的变化曲线，在１３．５ Ｗ 的８０８ｎｍ 抽运功率下，实验获得了１．４１ Ｗ 的全固态黄光激光输出，光光转换效率为１０．５％。图８插图为倍频光光斑。
４ 结 论
为了获得结构紧凑、高效稳定的可满足大功率医用需要的全固态５６１ｎｍ 黄光激光，采用了半导体抽运及腔内倍频的方法。在比较和分析了Ｎｄ∶ＹＡＧ 激光晶体各主要谱线的激光参数之后，通过谐振腔膜系的设计抑制了增益较大的１０６４，１３１９和９４６ｎｍ 谱线的运转。通过对倍频晶体的合理选择以及对晶体放置角度与匹配温度的合理控制，在１３．５ Ｗ 的８０８ｎｍ 抽运功率下，实验获得了１．４１ Ｗ 的５６１ｎｍ 单一谱线的黄光激光输出，光光转换效率为１０．５％。