摘 要

本文主要利用实验室中的Nd：YAG倍频激光设备对输出的1064nm激光进行倍频实验，所得的实验结果对获取光束质量较好532nm激光具有指导意义。

通过LD端面泵浦的Nd：YAG被动调Q固体激光器对I型相位匹配的BBO晶体进行腔内倍频实验获得了最高平均功率为8.14mW的532nm倍频光，倍频效率为7.9%；而对II型相位匹配的KTP晶体的腔内倍频实验得到了最高平均功率为1.2mW的532nm光，倍频效率为1.2%；并在KTP晶体灯泵Nd：YAG电光调Q脉冲激光器腔外倍频实验中获得了最大的平均输出能量为12.1mJ的倍频光，倍频效率为11.5%。

通过各个实验的对比，验证了Nd：YAG固体激光器在连续和脉冲输出状态下倍频光光功率及倍频效率与输入基频光光功率之间的关系，并进一步探究了晶体放置位置、倍频晶体种类对倍频转换效率的影响。

关键词：Nd：YAG固体激光器；BBO晶体；激光倍频；倍频效率

Abstract

This paper mainly uses Nd：YAG frequency doubling laser equipment in the laboratory to conduct frequency doubling experiments on 1064nm laser. The experimental results have guiding significance for obtaining 532nm laser with good beam quality.

532nm double-frequency light with the highest average power of 8.14mW was obtained by intracavity double-frequency experiment of LD end-pumped Nd: YAG passively Q-switched solid-state laser on type I phase-matched BBO crystal, and the frequency doubling efficiency was 7.9%. The experiment of intracavity frequency doubling of KTP crystal with II phase matching obtained 532nm light with the highest average power of 1.2mW, and the frequency doubling efficiency was 1.2%. And in the experiment of frequency doubling outside the cavity of KTP crystal lamp pump Nd: YAG photoelectric Q-switched pulse laser, the largest frequency doubling light with average output energy of 12.1mJ was obtained, and the frequency doubling efficiency was 11.5%.

Through the comparison of various experiments, the relationship between the frequency doubling optical power and the frequency doubling efficiency of Nd: YAG solid-state laser in continuous and pulsed output state and the input fundamental frequency optical power is verified, and the influence of crystal placement and frequency doubling crystal types on the frequency doubling conversion efficiency is further explored.

Key Words：Nd: YAG solid state laser；BBO crystal；Laser frequency doubling；Frequency doubling efficiency

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 532nm激光的产生方法 1

1.3 国内外研究现状 1

1.4 本文的工作内容 1

第2章 理论分析 1

2.1 激光倍频 1

2.1.1 非线性效应 1

2.1.2 相位匹配技术 1

2.1.3 倍频方式 1

2.2 常用的非线性晶体 1

2.2.1 BBO晶体 1

2.2.2 KTP晶体 1

第3章 Nd：YAG激光倍频特性研究 1

3.1 Nd：YAG激光增益介质的特性 1

3.2 BBO倍频实验研究 1

3.2.1 实验装置 1

3.2.2 实验步骤 1

3.2.3 实验结果分析 1

3.3 KTP倍频实验研究 1

3.3.1 实验装置 1

3.3.2 实验步骤 1

3.3.3 实验结果分析 1

第4章 结论 1

参考文献 1

致谢 1

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

532nm绿光的研究在目前仍得到广泛关注^[1]，因为其独特的性质，被应用在国防军事、通信、科学研究等领域，例如在激光医疗、精密加工、舞台表演、城市景观、激光显示、光谱分析测试等各个方面的应用。目前获得人们所需要的532nm绿光激光的方法主要有两种：第一是利用半导体激光技术直接输出获取；第二是通过固体激光器输出激光的倍频与转换来获得（例如KTP晶体倍频Nd：YAG激光），而通过倍频转换技术产生532nm光源的方法是基于光学二次谐波产生。光学的二次谐波效应或称为光学倍频效应（second harmonic generation）是指将一束频率为的激光入射到非线性晶体中，在合适的条件下，产生倍频极化，这时晶体的输出端不仅会有频率为激光输出，而且会产生频率为的倍频光输出^[2]。

本课题研究的主要目的，是利用实验室中的Nd：YAG倍频激光设备对输出的1064nm激光进行倍频实验以获得光束质量较好的532nm激光，并研究获得倍频光的特性，分析影响倍频激光功率（倍频效率）的因素；同时，分析与优化对应光路，提高1064nm激光与倍频晶体的耦合效率，力求获得高功率、稳定性好的532nm绿光。

1.2 532nm激光的产生方法

532nm激光的产生，可以利用半导体激光器直接产生输出532nm的激光；但目前研究的更多是对1064nm激光倍频来获取。其中的1064nm激光可以由YAG固体激光器产生与获取，也可以利用1064nm光纤激光器获得；而在本实验设计中则是采用YAG固体激光器产生的1064nm经过倍频晶体产生532nm的绿光。其中的Nd：YAG固体激光器的工作介质为，即由钇铝石榴石单晶掺入适量的三价稀土钕离子构成的。采用光源激励方式，常采用LD、脉冲氙灯、氪弧光灯、碘钨灯等作为泵浦光源。使工作介质形成粒子数反转从而产生1064nm激光。同时利用调Q技术获得高能量脉冲激光，入射到倍频晶体上，以获得更好的倍频效果。而常见的倍频晶体有很多种，例如KTP、BBO、LBO、PPLN等。

1.3 国内外研究现状

目前国内外关于1064nm波长附近的激光进行倍频获得532nm激光的研究主要为获得高功率、高效率、高稳定性、高光束质量等优良品质的绿光输出。关于倍频技术的研究，杨盛等人通过在掺铒光纤锁模激光器中利用BBO 晶体实现宽带倍频的研究，观察和研究了在基频光以不同功率或者不同的脉冲宽度的情况下，倍频效率和倍频光的带宽与晶体长度的关系^[3]；沈梅力等人利用中心波长为1064nm，脉宽为650ps的脉冲光纤激光器抽运 KDP（磷酸钛氧钾）晶体，实现了高功率超短脉冲对1064nm激光的腔外倍频，获得了532nm激光输出^[4]；易新等人进行了高稳定度大能量三波长脉冲激光系统的研究，将激光放大后得到单脉冲能量达700mJ的1064nm激光，使其通过倍频BBO晶体，得到了单程倍频532nm激光，其单脉冲能量可达325.6mJ^[5]；崔建丰等人在实验研究中，利用Nd：YVO4 固体激光器采用LD侧面泵浦方式，在声光调Q的频率为20kHz，泵浦电流为30A时，获得了1064nm的基频光，其平均输出功率为33W,入射到LBO倍频晶体后获得532nm倍频绿光，其平均输出功率为23.5W，该实验中的倍频转换效率为71.2%^[6]；Apurv等人在大模场光子晶体光纤脉冲激光器中，利用BBO（偏硼酸钡）晶体倍频，得到了1040nm激光的倍频转换，输出的520nm倍频绿色激光能量为26.4uJ^[7]。

1.4 本文的工作内容

本文主要是结合Nd：YAG固体激光器和BBO、KTP倍频晶体的激光倍频，开展了532nm激光获取输出的实验研究。利用实验室中的Nd：YAG固体激光器实现1064nm激光的输出以及倍频来获得532nm激光，研究获得的倍频光的特性：光功率、二倍频转换效率，并分析研究实验过程中存在的误差因素、影响倍频激光功率（倍频效率）的因素等，以优化对应光路，从而获得光束质量较好的532nm激光。

第一章是绪论，首先介绍了本次实验设计研究的目的与意义，通过对532nm绿光激光应用及需求的阐述，叙述本文研究的目的；然后通过调研关于1064nm激光倍频实验的国内外研究进展，总结列举了三种常用的532nm激光的产生方法，并详细阐述了本文采用的Nd：YAG激光倍频。