腔内级联泵浦和频激光器技术研究

A new intracavity cascade pump solution is presented to overcome the complex structure or unstability of the 480-520nm waveband laser pumped and operation. In the resonant cavity, one LD is used to pump the first gain medium to generate the first fundamental wave, then use the fundamental wave directly pumping the second gain medium to generate second fundamental wave, and then a new harmonic generation is obtained by using the two fundamental waves intracavity. The gain competition is eliminated in the multi-wavelength oscillation of a single gain medium because of the two fundamental waves are generated in the respective gain medium. At the same time, it overcomes the disadvantages of the complex structure of the respective pump mode, stable and high performance dual wavelength laser output can be achieved, the coherent radiation of 480-520nm band is obtained by nonlinear mixing. In this project, the theoretical model of direct pumping and intracavity sum frequency is established, the optimal oscillation condition of dual wavelength intra-cavity is studied, the relationship between the gain medium absorption efficiency of the oscillating wavelength and the power in cavity, the effect of the two fundamental frequency wave photon number ratio on the sum-frequency efficiency, as an example, theoretical and experimental studies on the ytterbium ion laser is developed, the results of the studies can provide key technologies for this band sum-frequency laser industrial.

针对目前480-520nm波段和频激光器泵浦及运转中结构复杂或不稳定的缺点，提出了一种新的腔内级联泵浦运转方案，在谐振腔内利用LD泵浦腔内第一个增益介质产生第一个基频波，再以所产生的基频波直接泵浦腔内的第二个增益介质产生第二个基频波，然后将两个基频波在腔内非线性和频获得新的二次谐波。由于两个基频波在各自的增益介质中产生，消除了单个增益介质产生双波长振荡过程中的增益竞争，同时又克服了分别泵浦方式结构复杂的缺点，可以实现稳定高质量的双波长激光输出，并通过腔内和频获得480-520nm波段的稳定相干辐射。课题通过建立腔内直接泵浦及腔内和频的理论模型，研究双波长在腔内非线性和频过程中的最佳振荡条件、增益介质对振荡波长的吸收效率与腔内功率的变化关系、两个基频波光子数配比对和频效率的影响等，以镱离子激光器为例进行腔内级联泵浦和频试验开展理论与实验研究，研究结果可为该波段的和频激光器产业化提供关键技术。

480-520nm波段的激光在彩色显示、海洋探测、医疗检测等领域有着广泛的应用和商业价值，目前获得这一波段相干辐射的一种方法是通过单个增益介质的两个跃迁产生的双波长再通过非线性和频来获得谐波输出，但两条跃迁谱线存在着非常强烈的增益竞争，很难获得高效稳定的双波长振荡；另一种方法是通过分点泵浦两个激光增益介质，在复合腔的交叠部分放入非线性晶体进行和频来获得这一波段的相干辐射，结构复杂、成本昂贵，不利于推广和应用。本项目针对以上科学问题，提出了一种新的腔内级联泵浦运转方案：在谐振腔内利用LD泵浦腔内第一个增益介质产生第一个基频波， 再以所产生的基频波直接泵浦腔内的第二个增益介质产生第二个基频波，然后和频获得新的二次谐波。由于两个基频波在各自的增益介质中产生，消除了单个增益介质产生双波长振荡过程中的增益竞争，同时又克服了分别泵浦方式结构复杂的缺点，可以实现稳定高质量的双波长激光输出和稳定的相干和频辐射。项目建立了腔内泵浦及腔内和频的理论模型，研究了双波长在腔内非线性和频过程中的最佳振荡条件、增益介质对振荡波长的吸收效率与腔内功率的变化关系、两个基频波光子数配比对和频效率的影响等问题，并以镱离子激光器为例进行了腔内级联泵浦和频试验的理论与实验研究。在实验1中，我们首次搭建了腔内级联泵浦Nd:YAG/Yb:YAG双波长激光器，采用808nmLD端面泵浦Nd:YAG晶体获得了946nm激光，再用946nm激光继续在腔内直接泵浦Yb:YAG晶体产生1030nm激光，然后使用Ι类临界相位匹配的LBO晶体进行腔内和频，在25W的LD抽运功率下，获得了426mW的连续493.1nm 蓝色激光输出，其光-光转换效率为1.7%， 60分钟内不稳定度小于3.1%；在实验2中我们利用808nm的LD端面泵浦Nd:GdVO4晶体获得912nm激光，用912nm激光继续在腔内直接泵浦Yb:YAG晶体产生1030nm激光，然后采用Ⅰ类相位匹配的非线性和频晶体BIBO进行腔内和频，在25W的泵浦功率下，获得了317mW的和频蓝光。相应的激光斜效率为2.8%，4小时工作功率稳定度为3.8%。以上研究结果可为该波段的和频激光器产业化提供关键技术。