激光自倍频晶体简介

激光自倍频晶体简介

1、激光倍频

激光倍频也称二次谐波（SHG），是利用非线性晶体在强激光作用下的二次非线性效应，使频率为ω的激光通过晶体后变为频率为2ω的倍频光，也是首个在实验上被观测到的非线性光学效应。

1961年，美国密歇根大学的Franken等人发现红宝石激光(694.3nm)通过石英晶体后产生了一条波长为347.15nm 的新谱线[1]，新产生的光的频率正好是原入射光的两倍，也就是光倍频现象。这不同于以往的线性光学现象，标志着非线性光学的开端。

Franken实验原理图

激光倍频技术大大扩展了激光的波段，是将激光向短波长方向变换的主要技术方法。激光倍频在激光技术中被广泛采用，为得到波长更短的激光可多级倍频，目前已达到实用化的程度，并且有商品化的器件和装置，具有非常广泛的应

用。

2、自倍频晶体

自倍频激光晶体是通过在非线性光学晶体中掺入激活离子（通常是Nd3+或Yb3+），使其同时具有激光发射和非线性光学倍频两种功能，在产生红外波长的基频光的同时对其进行倍频。

典型的自倍频晶体有掺杂钕离子的四硼酸铝钇（NYAB）、掺杂镱离子的四硼酸铝钇（Yb:YAB）、掺杂钕或镱离子的硼酸钙氧盐（Nd/Yb:RECOB）等晶体。

1）NYAB晶体

用半导体激光器（LD）抽运NYAB晶体最高可获得225mW 的自倍频绿光输出（光光转换效率为14％），而用钛宝石作为抽运源绿光输出功率可提高到450mW[2]。但是，NYAB 晶体的不均匀性很难通过改善晶体生长条件或其它措施来解决，极难获得高光学质量的单晶。除此之外，NYAB晶体在530nm倍频光处存在较强的吸收，不利于自倍频绿光的产生。这使得NYAB自倍频激光器的应用受到限制。

2）Yb:YAB晶体

Yb:YAB晶体的主吸收峰在976nm处，用功率11W的LD 抽运Yb:YAB晶体，可获得4.3W的基频光波输出（斜效率为48％），最终实现了1.1W的自倍频绿光输出（光光转换效率为10％）[3]。Yb:YAB晶体采用助熔剂法生长，生长

速度慢、尺寸小、均匀性较差。除晶体本身缺陷外，Yb:YAB 晶体的转换效率较低也限制了其广泛应用。

3）Nd/Yb:RECOB晶体

硼酸钙氧盐（RECOB）晶体是20世纪90年代后期发展出来的一类新型晶体，可用提拉法生长较大尺寸、较高质量的单晶，是一种优良的非线性光学晶体。该类晶体掺稀土激活离子后可以实现高效基频激光输出，从发现以来就成为激光自倍频领域研究的重点。法国固体化学实验室的Aka等人用LD抽运主平面切割的Nd:GdCOB晶体，实现了115mW自倍频绿光输出（效率小于10%），输出功率和激光效率较低，不能满足实用化要求。

3、自倍频晶体的特点

自倍频晶体同时具备激光发射和非线性光学倍频效应两种功能。基于自倍频晶体制作的全固态激光器有着结构简单、体积小、成本低、结构紧凑、稳定性高等优点,在激光器的小型化方面有着良好的应用前景。同时Yb:YCOB晶体的荧光光谱在1000-1200nm谱段，有多个激光发射峰，通过优化抽运源和Yb:YCOB晶体的端面镀膜，可实现多个波长激光稳定输出。

自倍频激光器与胶合晶体激光器原理图上图展示了自倍频晶体激光器与传统胶合晶体激光器的差异，因自倍频晶体同时具有激光和倍频效应，所以单块晶体便可实现绿光或黄光（500-600nm）激光输出。

自倍频晶体激光器温宽测试

上图展示了自倍频晶体温度带宽测试曲线，它具有优良

的宽温稳定性，在-30℃~50℃范围内性能稳定，适合很多特种应用。

上图是Yb:YCOB荧光光谱，此晶体可稳定输出的波长:510nm、530nm、537nm、545nm、555nm、561nm、570nm、589nm。