别光   刘畅

(长春中国光学科学技术馆，吉林 长春 130117）

摘要:本文在分析了Nd:YVO4晶体光学特性以及KTP倍频晶体的光学特性的基础上，利用广义琼斯矩阵分析了绿光激光器谐振腔内的光场本征态的情形，进而解析诱发激光输出功率高低波动的缘由，且采取加入布氏片的办法解决了由二套本征频率诱发功率高低波动的现象，最终达到提升输出光质量和功率的目标。

关键词：广义琼斯矩阵 本征态 绿光激光器

1引言

LD泵浦的腔内倍频掺Nd3+激光器是一种高效的可见激光光源，它具有以下优点：输出光束质量好、能量转换效率较高、体积较小、寿命较长。在临床医疗、水下通讯、激光测距、图像显示等诸多领域有着极为广泛的应用。腔内倍频法是截至目前全固态激光器输出绿光的最常用的方法。倍频晶体可在激光谐振腔内实现较高的谐波转换效率。但在应用方面制约它的一个重要因素是输出功率存在起伏的问题，也就是通常所说的绿光的噪声问题。其原因是激光在多模连续运转时产生的和频和空间烧孔效应。也就是绿光输出强度随时间发生幅度无规波动，显现出混沌的特性，激光输出很大的噪声。这种噪声问题在一些要求比较高的情况下限制了其应用。

本文利用广义琼斯矩阵分析了绿光激光器谐振腔内的光场本征态，并解释了加入布氏片消除引起耦合的本征态，进而获得稳定的输出激光质量。

2Nd:YVO4晶体光学特性

Nd:YVO4为四方晶体，通过倍频效应可得到457nm，532nm，671nm三种激光。当Nd:YVO4在α轴切割时，在σ方向的吸收和激射较弱，而在π偏振取向上发生最强的吸收和激射。一般采用α轴切割的π偏振光[1]。

Nd:YVO4制作LD泵浦小型固体激光器有诸多优点，如较大的受激辐射截面，较高的损伤阈值，较高的吸收系数和较宽的吸收带宽等。

3激光倍频原理

倍频实质是二次非线性效应，利用非线性晶体在强激光作用下产生，让频率是ω的激光横穿晶体，变成频率是2ω的倍频光。若入射光频率为和，新光波频率是，=+时，发生和频效应；=，发生倍频效应。

4KTP倍频晶体的光学特性

KTP为非线性光学晶体，此晶体优点为：非线性系数大、透光波段宽、不易潮解、破坏阈值高等，因此在激光倍频领域、光参量振荡与放大等领域广为应用，在频率变换领域使用最频繁[2]。

5“绿光噪声”的消除

若要降低全固态绿光激光器输出噪声，办法有：1.使激光器单纵模振荡，减少纵模数量，利用调节腔长、频率等办法，让激光器纵模个数、振幅、频率保持相对稳定，得到纵模状态的激光器低噪声工作；2.通过选择恰当的倍频晶体并选择合适的匹配类型，达到减少纵模之间耦合的目的。

6 腔内基频光本征态

谐振腔由的1个端面M1和球面镜M2组成，如图1所示，内部介入KTPⅡ类匹配倍频晶体,坐标系XYZ满足右螺准则。

 

图1绿光激光器谐振腔

（1）腔镜的广义琼斯矩阵

M1和M2的广义琼斯矩阵为，r为腔镜强度反射系数；为4×4矩阵。

（2）Nd:YVO4的广义琼斯矩阵

实验中Nd:YVO4按a轴方向切割，偏振方向平行于晶体c轴即相对于呈π偏振的抽运激发，其4×4琼斯矩阵为：

 (1)

（3）KTP的广义琼斯矩阵

KTPⅡ类相位匹配倍频1064nm基频光获得532nm绿光时，基频光走离角为0，走离角为，腔内往返的广义琼斯矩阵是：

（2）

（4）腔内本征态

本征矢为：

（3）

从(3)式看出，KTP介入使腔内基频光的线偏振态发生变化，在M1处横向分裂成上端是沿x，y轴的线偏振光，底端只有沿x轴的线偏振光。图2所示为本征频率。可看出，倍频光的功率发生起伏。

 

图2腔的本征频率

7加入布氏选频法

实验时，Nd:YVO4和KTP之间加入布氏片，如图3所示。

 

 

图3 布氏片和KTP构成双折射滤光片

若想实现选频，需让某些纵模损耗几乎为零，而某些纵模的损耗使它不能振荡的效果，当时，返回BP的光与原来的纵模相同，没有损耗，不满足条件的损耗不为零，布氏片就达到了选频功能[3]。

用示波器观察，无布氏片时如图4a所示，存在多套纵模，对应噪声较大，如图4b所示。加入布氏片，如图4c所示，对应噪声较小，如图4d所示，此时激光输出稳定。

 

图4

结论

广义琼斯矩阵法计算光场本征态，分析得出谐振腔内本征频率，其原因是KTP的存在，使基频光发生横向分裂，因而导致激光输出功率出现起伏，要解决此问题，需要借助布氏片的选频，使其中一个损耗较大，抑制振荡，选择出一套本征频率，解决了输出功率起伏的难题。

参考文献

[1]何京良，冯宝华 全固态瓦级连续绿光激光器[J]，China Academic Journal Electronic Publishing House,1997,9(26):557~558

[2]霍玉晶，何淑芳，段玉生等 LD抽运的高性能微型绿光激光器。中国激光，2000，27（7）：586~588

[3]郑权，赵岭，檀慧明，钱龙生 用布式片实现有效连续和单频绿光输出[J]，2002，29（9）：770~772