基于PPLN绿光模组的基模激光器的研究

第42卷第3期

2021年3月

激光杂志

LASER JOURNAL

Vol. 42, No. 3

March ,2021

•激光器件与激光物理•

基于

PPLN

绿光模组的基模激光器的研究

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:PPLN

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

PPLN

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

Nd:YV04* PPLN

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：PPLN;

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

1 School of Optoelectronics and Communication Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China

；

2 Fujian Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Devices ^ Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China

Abstract

： With the development of laser technology,single-frequency lasers are widely used in laser ranging, la­

ser medical treatment, 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 method； shorten the distance between the PPLN crystal and the Nd： YV04 crystal to 1 mm, and make it in­

to a green module to achieve single longitudinal mode output. When the temperature is 28. 5 Tl，and the LD pump’s

pumping power is 0. 8 W, the single-frequency green light output of 60 mW is obtained, the optical-to-optical con­

version 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

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

(

LB

0)和磷酸钛氧钾（

KTP

),使用

PPLN

的相对较少。

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: *************.cn;****************

i

引言

绿光激光器广泛运用于军事、电子、医疗领域，特

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。

LB0

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

http

： //

www

.

laserjoumal

.

cn

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。

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

PPLN

绿光模组基模激光器主要采用

Nd:YV04

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

作为激光晶体，

PPLN

作为倍频晶体，采用腔内倍频的

方式产生

532 nm

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。

PPLN

作为倍频晶体，拥有较大的非线性系数，且

激光器。国内研究现状如

2002

年，天津大学于建

等[

3

]采用

Nd

:

YV

0

4

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

mn

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

0

4

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

:

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，

LD

泵浦源发射出

808 nm

的泵

浦光。

808 nm ND:YV04 PPLN 532 nm

LD

C=>ln

I

图1

I

-!=>

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

:¥¥

0

4和

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

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

LD

泵浦

Nd

:

YV

0

4

/

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，

LB

0晶体作为倍频，

Nd

:

YV

0

4

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

PPLN

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

:¥¥

0

4和

PPLN

的两侧涂上高反膜和增透膜，将晶体的侧面直

Singh

等["]采用

Z

形腔结构，利用808

nm

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

高平均功率绿色脉冲激光器，使用倍频晶体

LiB3

0

5

(

LBO

)晶体产生具有4.

8

ns

脉冲宽度和80

mj

脉冲

http

： //

www

.

laserjoumal

.

cn

30

林苗茜，等:基于

PPLN

绿光模组的基模激光器的研究

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。

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。

PPLN

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。

泵浦功率

图4输出最大功率时的绿光光束

表

1

功率输出数据表

晶体

1

晶体

2

晶体

3

温度

1.7 W

1.7 W

1.7 W

1.7W

1.7W

1.7W

1.7W

1.7W

1.7W

1.7W

1.7W

24

X.

25

X.

26

°C

27

X.

28

X.

29

X

30

°C

31

X.

32

X

33

X.

34

X.

548 mW

553 mW

476 mW

507 mW

523 mW

482 mW

465 mW

485 mW

513 mW

497 mW

494 mW

550 mW

512 mW

500 mW

516 mW

504 mW

495 mW

524 mW

570 mW

503 mW

515 mW

540 mW

430 mW

464 mW

480 mW

412 mW

450 mW

482 mW

465 mW

480 mW

508 mW

510 mW

540 mW

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。

1.7 W

不同温度下晶体的输出功率

0

^

5

00

§

^

E

#

吞

93

潘

4

00

晶

体

体

体

8

3

2

100

图3实验装置图

0

采用

2W

的

808 nm

泵浦光，调节抽运功率为

1. 7

W,

采用

3 mm x 0_ 5 mm x 2 mm

的

0. 5%

惨杂的

Nd:

YV04

晶体，通过相位匹配将

PPLN

晶体的中心点与

Nd: YV04

晶体处于同一水平线上

，

PPLN

晶体尺寸为

2 mm

X

0• 5 mm

x

1.4 mm,

两晶体间距为

3. 5 mm,

虽

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

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，光斑的颜色界限

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色泽发生改

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

http

： //

www

.

laserjoumal

.

cn

林苗茜，等:基于

PPLN

绿光模组的基模激光器的研究

31

变，还需保持在一个稳定的环境;三是晶体的掺杂浓

度，掺杂浓度的不同会影响到光斑所呈现出状态，不

同掺杂浓度的

Nd

:

YV

04晶体所呈现出的光斑也不

相同。

[2] 葛燕.LD栗浦连续及脉冲绿光激光器研究[D].陕西：

于建,倪文俊，薛挺，桑梅，纪磊，耿凡,赵玉强，李世忱.

西北大学，2008.

[3]

周期极化铌酸锂绿光倍频器的研究[J].光电子•激光，

2002,04:339-342.

[4] 颜博霞，姚江宏，陈亚辉,许京军，张光寅.高掺镁铌酸锂

晶体周期极化及倍频特性研究[J].红外与毫米波学报，

2005,03:213-216.

[5]

付伟佳，于建，康

玉琢，等

.准相位匹配

PPKTP

晶体连续

倍频

13

：

11^

绿光输出

[_1].

光学学报，

2007,27(6):1063

-1066.

[6]

姬彪.基于

Nd:YV04/MgO:PPLN

的紧凑型绿光激光器

郝丽云，苏岑，漆云凤，等.基于PPMgO : LN晶体的连

[D].

厦门:厦门大学

,2013.

[7]

续波全光纤激光器倍频特性[J].中国激光，2013,40

(6) ：71-76. DOI：10. 3788/CJL201340. 0602007.

[8]

薛竣文，李坤,方宇杰，谢海军,苏秉华.LD泵浦

Nd:YV0

_4腔外PPMgOLN倍频连续绿激光器[J].激光杂志，

2015,36(11) ：20-23.

[9] 桂诗信，常建华，严娜，郭跃，伍煜.一种基于铌酸锂晶体

的高效紧凑腔内倍频绿光激光器[J].中国激光,2015,

42(11) ：16-21,

[10]

严娜.基于

PPLN

晶体的腔内倍频绿光脉冲激光器

[D].

南京:南京信息工程大学，

2017.

图7激光光斑三维图样

[11] Singh A, Mukhopadhyay P K, Sharma S K, et al. . 82 W

continuous-wave green beam generation by intracavity fre­

5结论

本文研究了一种基于周期极化铌酸锂晶体的532

YAG Laser quency doubling of diode - side - pumped Nd

：

[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2011,47(3

)：

398-405.

[12] Tsubakimoto Koji, Yoshida Hidetsugu, Miyanaga Noriaki.

High-average-power green laser using Nd：YAG amplifier

with stimulated Brillouin scattering phase-conjugate pulse-

cleaning mirror. [ J ]. Optics express ,2016,24(12).

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。

[13] 张彪，陈檬，李港.激光二极管的自聚焦透镜耦合理论与

设计[J]

.

激光与红外，2005，09:673-675.

[14] 陈雪花，陈丁华，范嗣强.端面泵浦、被动调Q激光器实

验研究[J].激光杂志，2018,39(06) :26-29.

参考文献

[1]耿爱丛，杨晓冬，杨明江.全固态绿光激光器研究进展

[J].激光杂志,2011,32(01) :57-59.

[15] 刘非.LD泵浦全固态激光器的设计与实现[D].武汉:

华中科技大学,2011.

[16] 李方欣.端面半导体泵浦激光谐振腔优化及实验研究

[D].武汉:华中科技大学，2003.

http

： //

www

.

laserjoumal

.

cn