第42卷第3期 2021年3月
激光杂志
LASER JOURNAL
Vol. 42, No. 3
March ,2021
林苗茜\许英朝2’3，崔悦\李洋洋1
1厦门理工学院电气工程及其自动化学院，厦门361024;
2厦门理工学院光电与通信工程学院，厦门361024;
3爰门理工学院福建省光电技术与器件重点实验室，厦门361024
摘要:P P L N晶体作为激光器中非线性系数较高的倍频晶体，与掺钕晶体构成腔内倍频的激光器，一般在 中低功率密度的激光器中使用，其尺寸小，透光范围宽，对可见光产生的基频波和谐波的损耗小并且成本低，工艺成熟，易于批量生产。而基模激光器相对于多模激光器而言具有更好的光斑质量，更适用于一些高端的应用 领域，例如医疗、军事等。本文介绍了基于P P L N晶体的绿光基模激光器的国内外研究进展，以及激光器的原理 与构造，并通过实验研究，设计了 一种由N d:Y V04*P P L N组成的绿光模组，只需要调节该模组即可呈现出基 模，极大的简化了激光器的制造过程，并对实验进行了一些改进，获得了较好的实验结果。 关键词：P P L N；基模；绿光模组；倍频
中图分类号:TN249 文献标识码：A doi： 10. 14016/j. cnki. jgzz. 2021. 03. 028
Research of single-frequency green laser based on PPLN crystal
LIN Miaoqian1,XU Yingchao''3 ,CUI Yue1 ,LI Yangyang1
1School o f Optoelectronics and Communication Engineering, Xiamen University o f Technology, Xiamen 361024, China；
2 Fujian Key Laboratory o f Optoelectronic Technology and Devices ^Xiamen University o f Technolo
gy, Xiamen361024, China
Abstract： With the development of laser technology,single-frequency lasers are widely used in laser ranging, laser medical treatm ent, laser spectroscopy and other fields due to their excellent monochromaticity, high efficiency and narrow bandwidth. There are many ways to achieve laser single-frequency output. This article uses the short-range absorption m ethod；shorten the distance between the PPLN crystal and the N d：YV04crystal to 1mm, and make it into a green module to achieve single longitudinal mode output. When the temperature is 28. 5 T l，and the LD pum p’s pumping power is 0. 8 W, the single-frequency green light output of 60 mW is obtained, the optical-to-optical conversion rate is 7. 1%,and its line width is 120 MHz, realising another single-frequency green laser. Breakthrough.
Key words： single-frequency ； short-range absorption ； PPLN ； green module
i引言
绿光激光器广泛运用于军事、电子、医疗领域，特
收稿日期:2020-08-15
基金项目：福建省自然科学基金面上项目（No. 2019J01876)；福建省教 育厅中青年教师教育科研项目资助省属高校专项（No. JK2017036)；厦 门市科技计划项目（No. 3502Z20183060 )；厦门市科技计划重大项目(N〇.3502ZCQ20191002)
作者简介：林苗茜（1995-)，女，在读硕士生，主要研究方向为智能照明 电器与光电子器件•E-mail: ****************
通讯作者：许英朝（1980-)，男，教授，博士，硕士生导师，主要研究方向 为从事光电器件与工艺研究、半导体照明技术与新能源等方面的研究。E-mail: *************;****************别是医疗领域的微创手术，对人体伤害较小。目前中 小型绿光激光器逐渐向高功率、紧凑型、高稳定性、低 成本方向发展[|]，主要采用的倍频晶体有三硼酸锂(LB0)和磷酸钛氧钾（KTP)，使用PPLN的相对较少。KTP晶体虽然非线性系数大，价格低，但是在高功率 密度激光的长时间作用下，容易产生灰迹效应，导致 激光输出功率下降[2]，抗灰迹的产品虽然层出不穷，但是成本价格成为了其使用的一大难关。L B0晶体 价格贵、非线性系数小、体积大，所以相对于追求更小 体积的中小型激光器，它更适合用于大功率的绿光激 光器中。近年来，由于PPLN晶体非线性系数高、生
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林苗茜，等：基于
PPLN 绿
光模组的基模激光器的研究29
长周期短，其使用率大大提升，可以与KTP 晶体成本 相媲美，适合工业化生产，未来有望成为工业生产中 倍频晶体使用的佼佼者。
2国内外研究现状
近年来，也有不少文章实现了 PPLN 倍频的绿光
激光器。国内研究现状如2002年，天津大学于建 等[3]采用Nd : YV 04在未控温的情况下，当输入功率 为1. 75 W 时，得到波长为532 nm 的连续倍频绿光输 出，功率为0.9 mW ，转换效率为0.052%;2005年，南 开大学颜博霞等[4]在室温下采用Nd :YAG 调Q 激光 器进行倍频实验，在输人功率为75 mW 时，获得了3. 5 mW 的532 m n 倍频绿光输出，转换效率为4. 6% ; 2007年，天津大学付伟佳等[5]利用波长为1 064 nm 的Nd : YV 04全固态激光器和自制的PPKTP 晶体，采 用外腔倍频方式获得了 13. 5 mW 的532 nm 绿光激光 输出，相应的光-光转换效率为1.35%。2013年，厦 门大学姬彪等W 进行LD 端面泵浦短腔和微片绿光激 光器的研究，在泵浦功率为1. 1 W 时，采用MgO :
PPLN 晶体获得了 160 mW 的绿光输出，光光转换效 率分14. 5% ；同年，中国科学院上海光学精密机械研 究所郝丽云等m 基于保偏光纤光栅（PM -FBG )快慢 轴交叉对准技术的线偏振连续输出的1 064 nm 全光 纤化激光器在PPMgOLN 晶体中实现腔外倍频，获得 了最高功率为1.437 W 的连续绿光激光输出，相应的 光-光转换效率为17. 84% ;2015年，薛竣文等人[8]设 计了一种聚焦位置不随入射高斯光光束大小而改变
的倍频聚焦结构，采用PPMgOLN 和制：¥¥04在 14. 3 W 多纵模和12. 3 W 单纵模的情况下，得到转换 效率分别为6. 8%和9. 4%的绿光输出；同年，桂诗信 等[9]设计了一种高效紧凑的腔内倍频绿光激光器，在 抽运功率为4. 1 W 时，绿光输出功率可达1.343 W , 转化效率达到32. 8% ;2017年，严娜等[1°]设计了一种
LD 泵浦Nd :YV 04/Cr4+:YAG 的脉冲激光器，在晶体 吸收功率为4.5 W 时，实现最大1.04 W 的脉冲输出， 其转化效率为23. 11%；从国外方面来看,2011年，
Singh 等["]采用Z 形腔结构，利用808 n m 激光二极 管（LD )侧面抽运Nd :YAG 和腔内KTP 晶体倍频的 技术方案获得了最大输出功率为82. 5 W 的连续绿光 激光输出，相应的光-光转换效率为11%。2016年，
Tsubalcimof K 等报道了一种基于激光二极管泵浦 Nd :YAG 主振荡功率放大器系统的二次谐波转换的
高平均功率绿脉冲激光器，使用倍频晶体LiB305 (LBO )晶体产生具有4. 8 n s 脉冲宽度和80 m j 脉冲
能量的335 W 的二次谐波输出。
3 PPLN 绿光模组基模激光器简介
P PL N 绿光模组基模激光器主要采用N d :Y V 04
作为激光晶体，P P L N 作为倍频晶体，采用腔内倍频的 方式产生532 n m 基模的绿光，绿光模组则是由两个 晶体组成的一个整体并加以固定成为模组，绿光激光 器的结构如图1所示。
P PL N 作为倍频晶体，拥有较大的非线性系数，且
损耗较少，成本较低，制备工艺较为成熟，易大批量制
备。如图1所示，L D 泵浦源发射出808 n m 的泵 浦光。
808 nm
ND:YV04 PPLN
532 nm
LD C =>l n I
I -!=>
图1
激光器腔型结构图
首先，通过自聚焦透镜将泵浦光进行聚焦[13]，使 光线完全发射在Nd :YV04l ，再经过由、(1:¥¥04和
PPLN 组成的绿光模组，使其产生绿光并调节至出基 模，绿光模组如图2所示，然后添加滤光镜，将光线进 行过滤以得到高质量高功率的基模绿光激光器。
图2
绿光模组照片
以往的基模绿光激光器大部分是采用KTP 和
LB 0晶体作为倍频，Nd : YV 04和Nd : YAG 作为激光晶 体，采用的是平凹腔或者更复杂的腔型再加上调Q [14]
锁模等一系列的技术使其成为高功率的绿光激光器， 这样的结构作为工业生产的一个环节，调试会更加复 杂麻烦，需要调试的部件很多，相比之下，绿光模组的 组合减少了设计过程的复杂和繁琐，它与其他结构的 激光器的区别在于:1)晶体固有属性较好。采用体积 较小的P P L N 晶体作为倍频，使腔长整体减小且PPLN 非线性系数较高，可产生高质量高稳定性的绿光;2) 无独立腔镜。不添加任何镜面，直接在〜<1:¥¥04和
P P L N 的两侧涂上高反膜和增透膜，将晶体的侧面直
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30林苗茜，等：基于PPLN 绿光模组的基模激光器的研究
图3实验装置图
采用2W 的808 n m 泵浦光，调节抽运功率为1. 7
纯纳什均衡W ，采用 3 mm x 0_ 5 mm x 2 mm 的 0. 5% 惨杂的 N d : Y V 04晶体，通过相位匹配将P P L N 晶体的中心点与 N d : Y V 04晶体处于同一水平线上，P P L N 晶体尺寸为 2 mm X 0• 5 mm x 1.4 m m ，两晶体间距为 3. 5 m m ，虽
然采用的是平平腔，理论数据计算时还要考虑热透镜
效应[16]；在模组底座采用TEC 温度控制器控温，由于 泵浦源距离模组有一定的距离，出射出来的光线无法 完全打在晶体上，所以采用自聚焦透镜，聚焦光束以
100
如图6,7所示，采用软件收集到的光斑模样大致 成圆形，从三维视角来观察，基本成基模模式，但是从 画面上来看还存在些许模糊和瑕疵，光斑的颜界限
还不够分明，造成这样的原因大致有三个：一是晶体 内不均匀的温度分布可能导致折射率发生变化，产生 热透镜效应，影响基模光斑的质量；二是与温度有关, 细微的温度变化，就会引起光斑的形状泽发生改
接作为输人镜和输出镜，极大的减小了整个激光器的
大小;3)采用绿光模组代替普通的分离式晶体器件。 分离式晶体器件通常都是采用多个调整架固定好每 一个晶体腔镜等器件，进行准相位匹配这种过程较为 复杂，需要调试的部分较多，而绿光模组则是调试好 两个晶体之间的间距并进行黏合，调试激光器的时候 只需要调整绿光模组即可，省去了很多繁琐的步骤， 在工业生产方面也大大节省了生产时间，生产效率也 会提高。
P P L N 作为倍频晶体又分为腔内倍频和腔外倍
频，将倍频晶体放在腔外进行倍频，虽然结构简单、输 出相对稳定，但是会增大激光器的体积，并且转换效 率并不是很理想，如果要使其效率提高，则需要更复 杂的手段才能实现。而对比腔内倍频，将晶体放在谐 振腔内，使泵浦光多次经过倍频晶体，可以使转化效 率提高，特别是在连续脉冲的情况下，通常都使用腔 内倍频的方法。对于泵浦方式，本文采用端面泵浦的 方法，端面泵浦得到的光斑模式好，光转换效率高，适 合中小功率器件[15]。此次研究的绿光模组激光器采 用端面泵浦及腔内倍频的方式实现。
4实验装置及分析
实验装置如图3所示，在组装成整体前，先利用
调整架对其进行校准。
24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34
泵浦温度/"C
5
输出功率随泵浦温度的变化
提高功率。
如图4所示，抽运电流为1.69 A 时为了匹配最 佳温度，将TEC 温度控制在24 t ：〜34 t 范围内，如 表1，图5所示，调节温度得出当温度为31 t ；时，发出 亮眼的绿光，最高输出功率达570 mW 。调节调整架 至呈现清晰完好的圆形光斑，再采用RayCi 软件检测 模式及各部分数值。
图4输出最大功率时的绿光光束 表
1
功率输出数据表
泵浦功率
温度
晶体1
晶体2
晶体3
1.7 W 24 X.548 mW 550 mW 430 mW 1.7 W 25 X.553 mW 512 mW 464 mW 1.7 W 26 °C 476 mW 500 mW 480 mW 1.7W 27 X.507 mW 516 mW 412 mW 1.7W 28 X.523 mW 504 mW 450 mW 1.7W 29 X 482 mW 495 mW 482 mW 1.7W 30 °C 465 mW 524 mW 465 mW 1.7W 31 X.485 mW 570 mW 480 mW 1.7W 32 X 513 mW 503 mW 508 mW 1.7W 33 X.497 mW 515 mW 510 mW 1.7W
34 X.
494 mW
540 mW
540 mW
1.7 W 不同温度下晶体的输出功率
体体体
晶
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林苗茜，等：基于
PPLN 绿
稀疏化光模组的基模激光器的研究
31
图7
激光光斑三维图样
5结论
本文研究了一种基于周期极化铌酸锂晶体的532
nm 绿光激光器。通过Nd :YV 04以及PPLN 晶体，在 其端面镀膜构成了激光谐振腔，不采用任何独立的腔 镜，降低了整个谐振腔以及激光器的体积和成本，同
时还降低了调试的复杂度，在电流为1.69 A ，温度为 31 t 的情况下，功率达570 mW ，此时可获得的光-光 转换效率约为33.7%。该激光器结构紧凑、成本低 廉，具有一定的应用前景。
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