梯度掺杂Nd:YAG晶体808 nm LD端面泵浦的高光束质量倍频激光器

《Photonics》：High-Beam-Quality Frequency-Doubled Laser with a Gradient-Doped Nd:YAG Crystal End-Pumped by an 808-nm LD

　　

摘要：研究人员提出了一种新型倍频激光器，采用端面泵浦的梯度掺杂Nd:YAG晶体，其掺杂浓度沿晶体生长方向连续递增，以降低增益介质的热效应。通过控制基频光的光束腰尺寸，并优化KTP晶体的长度和工作温度以提升二次谐波产生（SHG）效率，在532 nm波长处实现了高光束质量的最大输出功率。二次谐波产生效率达到59.8%，最短脉冲宽度为6.5 ns，对应的峰值功率为469 kW。光束质量因子Mx2=1.32，My2=1.36，功率不稳定性为0.24%（均方根值，RMS）。据研究人员所知，这是首次对连续梯度掺杂Nd:YAG端面泵浦激光器进行系统的SHG研究，在近衍射极限光束质量下实现了更高效率的绿光输出。这一进展对于推动高性能倍频激光器的发展具有重要意义。

论文解读

一、研究背景与问题

高光束质量、高效率、高峰值功率且结构紧凑的绿光激光器在激光显示、海洋水下激光通信与探测、钛宝石激光器和染料激光器泵浦源、激光导星、大气环境探测激光雷达、色素性皮肤病变激光治疗以及高反射金属（如铜）精密激光加工等领域具有重要的研究价值和应用潜力。目前，产生532 nm绿光激光输出的主流技术是对1064 nm近红外激光进行二次谐波产生（Second Harmonic Generation, SHG）。要实现高效、高质量的SHG过程，不仅需要系统满足相位匹配条件，还高度依赖于具有高峰值功率、高光束质量和高稳定性的基频光源。

激光二极管（Laser Diode, LD）端面泵浦的Nd:YAG调Q激光器因其优异的模式匹配、高光束质量和紧凑结构，被广泛认为是倍频激光器的理想基频源。然而，激光晶体的热效应仍然是制约其性能进一步提升的重大障碍。在传统均匀掺杂晶体中，由于吸收的泵浦功率呈指数衰减，晶体内会产生较大的温度梯度和热应力，导致热透镜效应严重限制基频激光的功率提升和光束质量改善。同时，热致双折射会改变基频激光的偏振状态，从而破坏SHG过程所需的相位匹配条件。这些热效应相互耦合，严重制约了倍频效率和绿光光束质量的提升。

为应对这一挑战，已有研究采用了多种策略，如稳定-非稳混合谐振腔、凹凸谐振腔补偿热透镜、885 nm带内泵浦抑制热效应、多段复合晶体降低热负载等。但这些方法通常依赖复杂的谐振腔结构或多级放大系统，使系统复杂化，并因热畸变导致光束质量下降。因此，迫切需要开发低热效应增益介质和高品质基频激光源，以实现高性能、紧凑型532 nm倍频激光器。

研究人员此前已制备了Nd³⁺浓度沿晶体生长方向连续递增（0.17–0.38 at.%）的梯度掺杂Nd:YAG晶体，并系统表征了其激光性能，在2 kHz重复频率下获得了12 W的1064 nm激光输出。然而，梯度掺杂晶体的倍频特性及其基频激光的SHG效率尚未被研究。本研究将梯度掺杂Nd:YAG晶体引入端面泵浦腔外倍频激光器，验证其可行性并进行参数优化。

二、研究内容与结论

本研究采用808 nm光纤耦合激光二极管作为泵浦源，重复频率2 kHz，脉冲宽度230 μs。增益介质为自制的梯度掺杂（0.17~0.38 at.%）Nd:YAG晶体，尺寸φ3 × 40 mm，低浓度端面向泵浦源，泵浦端键合了5 mm长的纯YAG端帽以抑制端面效应。采用L型动态稳定谐振腔，腔长160 mm，输出镜透射率为45%。倍频采用II类相位匹配KTP晶体（θ=90°，φ=23.5°），截面4 × 4 mm²，采用腔外倍频结构。

研究人员系统研究了KTP晶体工作温度对SHG效率的影响。在20–30 °C范围内逐步调节工作温度，发现SHG效率随温度升高先增大后迅速减小，在25 °C时达到峰值59.8%。这主要归因于KTP晶体折射率对温度的高度敏感性，在一定范围内温度升高优化了相位匹配条件，但超过25 °C后折射率偏离最佳匹配条件导致相位失配，SHG效率下降。

研究人员还比较了长度为8、10和12 mm的KTP晶体的倍频性能。在较低基频功率下，较长晶体因提供更长的有效相互作用长度而获得更高的SHG效率和输出功率。但当基频功率超过7.5 W时，12 mm晶体的SHG效率被10 mm晶体超越。这种反转主要归因于高功率下热效应加剧和回转换效应。KTP晶体中的绿光诱导红外吸收（GRIIRA）效应使长晶体吸收更多二次谐波，导致温度升高、相位失配增大；同时高功率密度下基频光中心部分在前段完全转换，长晶体后端的回转换进一步降低效率；走离效应也使基频和二次谐波光斑横向分离。因此，10 mm晶体在当前最大泵浦功率下表现出更好的性能，是SHG效率、热效应和回转换之间平衡的结果。

在优化条件下，研究人员对比了1064 nm基频激光和532 nm倍频激光的输出特性。在最大可用泵浦功率52.4 W下，基频激光输出10.2 W，脉冲宽度6.9 ns，对应峰值功率739 kW；倍频激光输出6.1 W，SHG效率达59.8%，最短脉冲宽度6.5 ns，对应峰值功率469 kW。绿光脉冲宽度始终窄于基频光，这归因于非线性频率转换过程中的时间增益窄化效应，即脉冲中峰值功率较高的中心部分被优先转换，导致输出脉冲时间压缩。

光束质量测量显示，基频激光和绿光激光均表现出均匀的输出光束轮廓和优异的光束质量。绿光激光的光束质量因子（M_x²=1.32，M_y²=1.36）相比基频激光略有下降，但仍保持近衍射极限的高斯强度分布。光束质量退化主要归因于基频波携带的微小振幅和相位扰动在非线性过程中被放大并传递到谐波，以及KTP晶体对基频和二次谐波的吸收引起非均匀温度场，产生折射率梯度和热透镜效应导致波前畸变。

功率稳定性测量表明，基频激光和绿光激光在30分钟内的均方根（RMS）不稳定性分别为0.26%和0.24%，表明高质量基频激光源与精确温度控制的结合有利于维持倍频激光器良好的输出功率稳定性。

三、关键技术方法

本研究采用的主要关键技术方法包括：梯度掺杂Nd:YAG晶体生长技术，通过优化泵浦吸收的空间分布有效降低增益介质内部的温度梯度和热应力；808 nm LD端面泵浦结合L型动态稳定谐振腔设计，利用曲率半径R₂=?200 mm的凹面镜补偿热透镜效应；电光调Q技术（KD*P普克尔盒）产生纳秒级脉冲；腔外倍频结构配合II类相位匹配KTP晶体；精密温度控制（水冷循环，温度稳定性±0.3 °C）确保稳定相位匹配条件；光束质量分析仪（M2-200S）和功率计分别用于光束质量因子和输出功率的测量。

四、结论

本研究将掺杂浓度沿轴向连续递增的梯度掺杂Nd:YAG晶体作为基频增益介质引入端面泵浦腔外SHG配置中，完成了可行性验证和参数优化。通过优化KTP晶体长度和实施精确温度控制，开发了紧凑型532 nm倍频激光器，在保持近衍射极限光束质量的同时实现了较高的转换效率和良好的输出稳定性。通过对比同一系统中1064 nm调Q基频波和532 nm倍频波的输出性能，初步表明连续递增梯度掺杂Nd:YAG晶体在该腔外倍频配置中是可行的，可为高光束质量基频源和高效SHG提供可探索的技术路线。

需要指出的是，本研究中联合采用了多种热管理措施，包括未掺杂YAG端帽、热补偿镜和梯度掺杂晶体，因此532 nm倍频结果尚不能直接归因于梯度掺杂对热效应的抑制。同时，实验功率提升受限于现有LD泵浦源的功率。未来工作将开展偏振态表征，进一步研究梯度掺杂晶体在倍频系统中的偏振特性及其对二次谐波输出的影响。