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銅是世界上應(yīng)用量?jī)H次于鐵、鋁的第三大金屬，廣泛應(yīng)用于航空航天、高速列車、智能終端產(chǎn)片、電子通訊、電動(dòng)汽車等多個(gè)高端工業(yè)領(lǐng)域。目前大規(guī)模使用的1 μm波段紅外光纖激光器，因?qū)︺~的吸收較弱，在銅材料的加工上，存在飛濺大、熔深不可控等缺點(diǎn)。飛濺對(duì)于銅材料的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都有很大負(fù)面影響，例如，在新能源汽車動(dòng)力電池的加工中，飛濺物不僅會(huì)影響銅材料的焊接效率，還會(huì)影響電池的生產(chǎn)安全、性能和壽命。
在室溫下，銅對(duì)近紅外波長(zhǎng)（約1 μm）的吸收率不到5%，相當(dāng)于有95%的激光被反射。而銅對(duì)綠光波長(zhǎng)（532 nm）的吸收率超過40%，比近紅外波段高了接近一個(gè)量級(jí)。因此，為了更好地滿足各領(lǐng)域?qū)︺~等高反材料精密加工的需求，高功率綠光激光器的研究是極為重要的課題。此外，高功率綠光激光在半導(dǎo)體領(lǐng)域可以用于半導(dǎo)體圓片退火、低溫多晶硅（LTPS）顯示器退火和太陽能電池制造[1-2]；還可以應(yīng)用于娛樂行業(yè)，用于激光表演和激光投影儀[3]。
近年來，商用的綠光激光器已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，德國(guó)通快公司和美國(guó)IPG公司分別通過碟片激光技術(shù)和光纖激光技術(shù)，獲得超過3 kW和1 kW的超高功率綠光輸出。碟片綠光激光器的輸出功率更高，光纖綠光激光器的光束質(zhì)量更好。
光纖激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、高效率、易散熱、可柔性操作等特點(diǎn)，能夠輸出光束質(zhì)量好、亮度極高、能量密度極高的激光[4]。隨著雙包層大模場(chǎng)光纖的產(chǎn)生、半導(dǎo)體泵浦性能的提升和光纖集成技術(shù)的快速發(fā)展，光纖激光器的輸出功率得到了迅速提升[5]。國(guó)內(nèi)有數(shù)十家從事光纖激光器研發(fā)的單位，年產(chǎn)值數(shù)十億元。目前，單子束窄線寬輸出已達(dá)到數(shù)千瓦，通過光束合成的方案還有望進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光纖激光器功率的提升[6-7]。光纖激光發(fā)展與綠光光源需求結(jié)合是順理成章的事，隨著高功率光纖激光器的飛速發(fā)展，基于光纖激光倍頻技術(shù)的高功率綠光光源研究也取得了一定的進(jìn)展和突破。
本文對(duì)基于光纖激光倍頻技術(shù)的高功率綠光光源的發(fā)展進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)研，按照使用基頻光源的不同，分為基于單子束光纖激光器倍頻綠光光源和基于多子束光纖激光器倍頻綠光光源兩大類，分別對(duì)采用的基頻光源、倍頻方案、性能特點(diǎn)等進(jìn)行了調(diào)研。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)出基于高功率光纖激光器倍頻綠光光源發(fā)展的兩條技術(shù)路線，最后對(duì)倍頻晶體的弱吸收如何限制綠光光源效率和功率提升問題開展了分析。
1. 基于單子束光纖激光器倍頻綠光光源
近年來，隨著高功率窄線寬光纖激光器的快速發(fā)展，基于單子束光纖激光器倍頻綠光光源的研究也取得了許多進(jìn)展，輸出綠光功率得到了迅速提升。
2014年，美國(guó)IPG公司的Gapontsev等在SPIE會(huì)議上報(bào)道了一種基于線偏振窄線寬摻鐿光纖激光器在LBO晶體中單通倍頻方案的單模綠光激光器，可以在連續(xù)（CW）和準(zhǔn)連續(xù)（QCW）兩種模式下運(yùn)行[8]。圖1的（a）和（b）分別為CW和QCW方案的裝置圖，將窄線寬單模光纖激光器輸出的1064 nm基頻光聚焦到非臨界相位匹配晶體LBO上，經(jīng)過單通倍頻得到532 nm的綠光，再通過色分離鏡過濾掉基頻光。在CW模式下，窄線寬光纖激光器最大能夠輸出1035 W的基頻光，此時(shí)輸出功率為356 W的連續(xù)綠光，倍頻效率接近35%，窄線寬激光器的壁插效率約為32%，整個(gè)綠光激光器的壁插效率約為11%，且在各個(gè)功率下都能保持單模光束質(zhì)量。在QCW模式下，因?yàn)榉逯倒β矢撸额l效率也更高，窄線寬光纖激光器輸出平均功率最大達(dá)1067 W，峰值功率達(dá)2 kW，此時(shí)輸出綠光功率超過550 W，倍頻效率約為52%，整個(gè)綠光激光器的壁插效率約為16%，且光束質(zhì)量良好。
圖 1 美國(guó)IPG公司基于線偏振窄線寬光纖激光器的綠光光源光路圖
2015年，美國(guó)IPG公司在SPIE會(huì)議上進(jìn)一步報(bào)道了基于kW級(jí)窄線寬線偏振單模摻鐿光纖激光器準(zhǔn)連續(xù)模式的單模綠光激光器[9]。QCW光纖激光器在2%～100%的占空比范圍內(nèi)運(yùn)行，在幾十到幾百M(fèi)Hz的重復(fù)頻率下工作。因?yàn)镼CW光纖激光器的SBS閾值較CW光纖激光器更高，所以峰值功率更高，倍頻轉(zhuǎn)換效率有顯著提高。在QCW模式下，基頻光源獲得的最大平均功率為993 W，峰值功率可達(dá)4.73 kW，此時(shí)輸出綠光功率達(dá)700 W，倍頻效率超過70%，整個(gè)綠光激光器系統(tǒng)的壁插效率約為23%，重復(fù)頻率為150 MHz，且在各個(gè)功率水平下都能保持單模光束質(zhì)量。
2020年，美國(guó)IPG公司推出了全新的VLM-532和VLR-532高功率綠光光纖激光器，該激光器工作模式為脈沖/準(zhǔn)連續(xù)，重復(fù)頻率最高可達(dá)250 MHz，脈寬約為1.2 ns，光束質(zhì)量M2＜1.2，電光效率可達(dá)25%，輸出功率最高可達(dá)1000 W。這是世界上第一款商用的千瓦綠光單模光纖激光器產(chǎn)品，具有優(yōu)異的性能和卓越的電光轉(zhuǎn)換效率。
2020年，美國(guó)相干公司的Ahmadi等在SPIE會(huì)議上報(bào)道了基于非保偏光纖激光器結(jié)合主動(dòng)偏振控制技術(shù)，該激光器采用單通倍頻方案的綠光激光器[10]，裝置如圖2所示。研制了2 kW非保偏窄線寬光纖激光器作為基頻光源，光纖放大器具有多個(gè)增益級(jí)，種子源的線寬被展寬到45 GHz或更高以提升SBS閾值。展寬后，種子激光通過偏振控制器，偏振控制器可以改變輸入端的激光偏振態(tài)，以補(bǔ)償光纖放大器中的偏振變化，從而使光纖放大器輸出的激光偏振態(tài)固定，實(shí)現(xiàn)偏振消光比大于15 dB?；l光源的輸出被準(zhǔn)直，光束采樣器采樣一小部分光束用于偏振狀態(tài)分析，采樣光束的一半功率通過半波片和偏振分束器聚焦到光電探測(cè)器上，用于向偏振控制器提供反饋信號(hào)；另一半功率通過另一個(gè)半波片和偏振分束器來測(cè)量激光器的偏振消光比。在光束采樣器之后，高功率光束通過四分之一波片和半波片，對(duì)光纖放大器的輸出偏振進(jìn)行精細(xì)校正以提高SHG效率。然后用聚焦透鏡將光束聚焦到他們自行研發(fā)的超低損耗的厚度為55 mm的LBO晶體上，晶體溫度控制在150 ℃以保證非臨界相位匹配，從而最大限度地提高SHG效率。色分離鏡過濾后的綠光輸出準(zhǔn)直后耦合到纖芯直徑為50或100 μm的高羥基傳輸光纖中，抑制高功率綠光傳輸時(shí)的光子暗化效應(yīng)。光子暗化效應(yīng)誘導(dǎo)傳輸損耗增加，會(huì)導(dǎo)致光纖激光器的斜率效率和輸出功率逐漸降低，并伴隨熱耗散的增長(zhǎng)，抑制光子暗化效應(yīng)能夠改善激光器的功率穩(wěn)定性。他們?cè)O(shè)計(jì)的激光器最終實(shí)現(xiàn)1 kW綠光輸出，倍頻效率為54%，光束質(zhì)量M2為1.01。
圖 2 美國(guó)相干公司基于非保偏光纖激光器結(jié)合主動(dòng)偏振控制技術(shù)的綠光光源光路圖
國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所在高功率光纖綠光激光器領(lǐng)域開展了系列研究。2021年4月，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的蘇夢(mèng)琪等報(bào)道了一種基于窄線寬保偏光纖激光器單通倍頻方案的高功率連續(xù)波綠光激光器[11]，其裝置圖如圖3所示?；l光源是課題組自主研制的kW級(jí)窄線寬保偏全光纖激光器，線寬約為20 GHz，偏振消光比(PER)高于15 dB、光束質(zhì)量M2優(yōu)于1.1。采用I類非臨界相位匹配 LBO晶體作為倍頻晶體，并且基于塞米爾方程，從理論上分析了影響LBO晶體非臨界相位匹配的因素，計(jì)算LBO晶體對(duì)基頻光的接受線寬和匹配溫度，并根據(jù)結(jié)果優(yōu)化倍頻結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)聚焦透鏡焦距和晶體控制溫度。該激光器最高可在基頻光784 W時(shí)獲得321 W的連續(xù)綠光輸出，倍頻效率為40.9%，光束質(zhì)量M2為1.07。
圖 3 上海光機(jī)所基于窄線寬保偏激光器的綠光光源光路圖
同年7月，該課題組又報(bào)道了基于該方案獲得的610 W 單模連續(xù)綠光輸出，此時(shí)基頻光功率為1084 W，倍頻效率達(dá)到56.27%,光束質(zhì)量M2為1.05，輸出遠(yuǎn)場(chǎng)光斑具有基橫模形態(tài)[12]。他們采用的裝置示意圖如圖4所示，基頻光源輸出的光束通過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后，依次通過半波片（HWP）和透鏡聚焦到LBO晶體內(nèi)，通過調(diào)節(jié)半波片改變進(jìn)入LBO晶體的基頻光偏振方向，并優(yōu)化聚焦透鏡焦距以獲得最高的倍頻效率，采用雙色鏡濾除基頻光后，獲得綠光輸出。
圖 4 大阪大學(xué)基于高功率納秒級(jí)脈沖光纖激光器獲得綠光和紫外光的系統(tǒng)光路圖
在國(guó)內(nèi)商用綠光光纖激光器產(chǎn)品方面，2021年10月，銳科激光推出了兩款ns綠光激光器，這兩款激光器均采用光纖倍頻方案，最大平均功率分別為50 W和200 W，重復(fù)頻率分別可達(dá)2 MHz和25 MHz，窄脈寬設(shè)計(jì)為1.5～10 ns，脈沖波形可調(diào)制，脈沖穩(wěn)定性（峰-峰值）＜2%，光束質(zhì)量M2＜1.2。
2022年6月，深圳公大激光推出了可用于高反金屬3D打印以及精密焊接的單模綠光激光器GCL-500，該激光器采用全光纖基頻加單通倍頻的方案，能夠達(dá)到最高超過500 W的單模連續(xù)綠光輸出。
2. 基于多子束光纖激光器倍頻綠光光源
基于多子束光纖激光器倍頻獲得高功率光纖綠光光源主要有兩類方案：一是倍頻過程與合束過程獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，通過合束獲得高功率的基頻光，再倍頻得到綠光輸出，也可以通過偏振合束得到高功率綠光輸出；二是采用非線性晶體的類非共線臨界相位匹配，合束過程與倍頻過程通過一塊晶體同時(shí)實(shí)現(xiàn)。
2017年，大阪大學(xué)激光工程研究所的Koji Tsubakimoto等報(bào)道了基于高功率ns級(jí)脈沖光纖激光器獲得綠光和紫外光的系統(tǒng)[13]。圖4是他們采用的裝置示意圖，種子源輸出的光束經(jīng)過摻鐿單模光纖放大器放大后經(jīng)由光纖分束器分成兩束，再通過摻鐿大模場(chǎng)面積光纖放大器和PCF放大器放大，模塊A和模塊B各有四束激光，每個(gè)模塊的4個(gè)光束再次合并成單光束輸出，這個(gè)過程相當(dāng)于采用合束的方法獲得了兩束高功率的基頻光源。倍頻模塊由Ⅰ型LBO晶體（用于倍頻）和Ⅱ型LBO晶體（用于三倍頻）組成，進(jìn)行倍頻實(shí)驗(yàn)時(shí)，移除Ⅱ型LBO晶體，模塊A與模塊B輸出的兩束基頻光通過Ⅰ型LBO晶體倍頻后由PBS進(jìn)行偏振合束；進(jìn)行三倍頻實(shí)驗(yàn)時(shí)，基頻光聚焦在Ⅰ型LBO晶體和Ⅱ型LBO晶體的正中間，兩束紫外光再通過PBS進(jìn)行偏振合束。
實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)模塊的四光束合成效率分別為83%和90%，PBS對(duì)綠光和紫外光的偏振合束效率均≥98%。基頻光的最大平均功率為955 W，脈寬為285 ps，峰值功率強(qiáng)度約2 GW/cm2，重復(fù)頻率為10 MHz，輸出綠光的最大平均功率為 600 W，倍頻效率約67%，輸出紫外光的最大功率為300 W，轉(zhuǎn)換效率約為40%，高功率下光束質(zhì)量M2能夠保持1.3。
實(shí)現(xiàn)多子束光纖激光器倍頻的第二種方案是立陶宛EKSPLA公司的Michailovas等2010年在歐洲專利中提出的[14]。當(dāng)光束合成和頻率變換作為兩個(gè)獨(dú)立的過程時(shí)，如果想產(chǎn)生高能量高頻率的脈沖，需要兩個(gè)裝置，一個(gè)裝置用于光束合成，另一個(gè)用于非線性光學(xué)頻率變換，但這樣系統(tǒng)效率較低，實(shí)用性不夠高，而且使用兩個(gè)獨(dú)立的裝置，在對(duì)激光束的相位控制上也存在一定難度。而該專利提出的光束合成方法，能夠?qū)⒍嗍す饨M合成能量更高的單束激光，同時(shí)實(shí)現(xiàn)倍頻和合束兩個(gè)過程。專利的具體裝置如圖5，光纖激光器（11，12，…，1n）輸出的初始光束通過準(zhǔn)直器（21，22，…，2n）聚焦到Ⅱ類非線性晶體3（如KTP, LBO, DKDP等）上，這些輸出激光束4均相互不共線，它們的和頻光束5合成輸出為一光束6；初始光束的剩余部分（71，72，…，7n）采用吸收模塊（81，82，…，8n）進(jìn)行吸收。
圖 5 立陶宛EKSPLA公司在歐洲專利中提出的倍頻合束方案
2017年，立陶宛物理科學(xué)與技術(shù)中心的JULIJANAS等報(bào)道了基于Michailovas等在歐洲專利中提出的光束合成方法的多子束光纖激光倍頻實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了四路合束的概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)[15]。實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，他們選取了4束（2對(duì)）基頻光束，基頻激光全部為脈沖激光，脈寬200 ps，脈沖能量31 μJ，最大平均輸出功率16 W，束腰直徑200 μm，不同基頻光束對(duì)產(chǎn)生的和頻光束在空間重疊，獲得單個(gè)光束。實(shí)驗(yàn)采用非相干方案，為了避免逆轉(zhuǎn)換過程影響倍頻效率，需要控制激光的初始時(shí)刻使組內(nèi)同步、組間異步。實(shí)驗(yàn)在基頻光功率4×10 W時(shí)得到了最高51%的轉(zhuǎn)換效率，在4×16 W時(shí)得到了最大平均功率29 W的綠光輸出，此時(shí)轉(zhuǎn)換效率約49%。最高轉(zhuǎn)換效率時(shí)，輸出綠光的光束質(zhì)量M2在水平和豎直方向上分別為1.32和1.16。通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，他們證明了采用倍頻合束的方案獲得綠光的可行性，基于光束可能達(dá)到的最小角間距，他們預(yù)估光束總數(shù)可以達(dá)到14束，增加非共線角也可能組合更多數(shù)量的光束。這種方案平均功率的提升主要受到基頻光纖激光器的峰值功率和非線性晶體中的熱效應(yīng)問題限制。
圖 6 立陶宛物理科學(xué)與技術(shù)中心基于倍頻合束非相干方案的四路合束實(shí)驗(yàn)光路圖
2019年，Julijanas等進(jìn)一步報(bào)道了基于四路子束倍頻合束方案的97 W綠光輸出，證明了倍頻合束相干方案的可行性[16]。實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，基頻光脈寬240 ps，脈沖能量66.7 μJ，最大平均輸出功率60 W，束腰直徑230 μm。采用兩對(duì)子束進(jìn)行合成，控制四束激光中一束激光的相位來實(shí)現(xiàn)倍頻激光相位的控制，當(dāng)不同組倍頻激光相位相同時(shí)，實(shí)現(xiàn)相干增強(qiáng)。在基頻光功率為4×26 W時(shí)實(shí)現(xiàn)了49%的最大轉(zhuǎn)換效率，輸出功率的進(jìn)一步增加會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率的降低，這可能是基頻光束的光束質(zhì)量不好和逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)導(dǎo)致的。在基頻光功率4×60 W時(shí)，轉(zhuǎn)換效率下降到40%，和頻光束達(dá)到97 W的平均功率。在低轉(zhuǎn)換效率下，M2＜1.1，然而光束質(zhì)量隨著效率的提高有所惡化，他們將其原因歸于基頻光的光束質(zhì)量問題。
圖 7 立陶宛物理科學(xué)與技術(shù)中心基于倍頻合束相干方案的四路合束實(shí)驗(yàn)裝置圖
3. 討論和分析
目前基于高功率光纖激光倍頻的綠光光源研究有單子束和多子束兩條技術(shù)路線，不管是哪條路線，對(duì)基頻光源的研究都是極為重要的。為了使基頻光更易轉(zhuǎn)換為二次諧波從而獲得更高的轉(zhuǎn)換效率，基頻光源需要滿足高峰值功率、窄線寬、線偏振的性能要求。帶寬越窄轉(zhuǎn)換效率越高，對(duì)于LBO晶體，帶寬一般不要超過30 GHz?；l光源的偏振純度越高越好，一般要求偏振消光比PER高于15 dB，可以采用保偏光纖激光器或者采用偏振控制方案。此外，倍頻轉(zhuǎn)換效率與峰值功率密度成正比，因此使用準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器和聚焦后在焦點(diǎn)位置倍頻可以提升峰值功率密度。
倍頻方案是高功率綠光光纖光源的另一設(shè)計(jì)重點(diǎn)，根據(jù)調(diào)研結(jié)果，國(guó)內(nèi)外在各個(gè)方案的研究中都選擇了LBO用作倍頻晶體。LBO晶體是一種優(yōu)秀的非線性晶體，屬于正交晶系，具有雙折射特性，抗潮解性強(qiáng)。它具有較寬的光譜透過范圍(透光范圍210～2300 nm)、較高的非線性系數(shù)、較高的激光損傷閾值和理想的化學(xué)和力學(xué)特性。LBO晶體常用于倍頻、三倍頻等一系列非線性激光轉(zhuǎn)換，其非線性系數(shù)約為KDP的3倍[17]。LBO晶體既可以用來實(shí)現(xiàn)臨界相位匹配，也可以用來實(shí)現(xiàn)非臨界相位匹配(可以實(shí)現(xiàn)1000～1300 nm波段的I類倍頻非臨界相位匹配，也可以實(shí)現(xiàn)800～1100 nm的II類倍頻非臨界相位匹配)，因此在多種技術(shù)路線中都有應(yīng)用。
使用LBO晶體，高功率綠光光纖光源的倍頻方案目前常用的有兩種設(shè)計(jì)：I類非臨界相位匹配和II類非共線臨界相位匹配。I類相位匹配中，兩個(gè)相對(duì)非線性晶體具有尋常光偏振（o光）的光子結(jié)合，產(chǎn)生一個(gè)非尋常光偏振（e光）的倍頻光子。在II類相位匹配中，一個(gè)尋常光偏振（o光）的光子和一個(gè)非尋常光偏振（e光）的光子結(jié)合，產(chǎn)生一個(gè)尋常光偏振的倍頻光子。非臨界相位匹配主要是利用各向異性雙折射晶體的ne隨溫度變化而變化的特性，調(diào)節(jié)晶體溫度來實(shí)現(xiàn)晶體中基頻光與倍頻光折射率的匹配；而臨界相位匹配是通過調(diào)節(jié)入射光的角度來實(shí)現(xiàn)相位匹配，又稱角度相位匹配。兩個(gè)基頻光子相互作用、湮滅，產(chǎn)生一個(gè)倍頻光光子，如果三者傳播方向相同，光線重疊，稱作共線相位匹配；如果參與和頻的兩束基頻光不共線，倍頻光與兩束基頻光也不共線，稱作非共線相位匹配。非共線相位匹配的優(yōu)勢(shì)是基頻光、倍頻光的傳播方向不同，容易將從晶體出射后的倍頻光、剩余基頻光分開，但非共線角度差異過大會(huì)導(dǎo)致走離增加，倍頻效率降低。
I類非臨界相位匹配的優(yōu)點(diǎn)是高非線性系數(shù)帶來的高轉(zhuǎn)換效率，并且該過程對(duì)角度不敏感，可以通過聚焦倍頻提高晶體內(nèi)部的功率密度；此外，該過程不存在空間走離，光束質(zhì)量好。這種方案的缺點(diǎn)是晶體需要150 ℃的高溫環(huán)境，溫度控制和元件高閾值困難。單子束光纖激光倍頻大多采用Ⅰ類非臨界相位匹配，其中獲得高功率綠光的方案通常是單通倍頻，即基頻光入射至倍頻晶體后直接產(chǎn)生倍頻光，基頻光只通過倍頻晶體一次。相比諧振增強(qiáng)方案[18]，單通倍頻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的穩(wěn)頻系統(tǒng)，激光單次通過，魯棒性好。以束腰半徑為0.1 mm的1064 nm連續(xù)激光為例，圖8是理論計(jì)算晶體厚度為40 mm和60 mm時(shí)的基頻光功率與輸出綠光的功率關(guān)系曲線，基頻光功率為2000 W時(shí)，60 mm晶體輸出綠光功率1170 W，效率約為58.5%；40 mm晶體輸出綠光功率1020 W，效率約為51%。
圖 8 晶體厚度40 mm/60 mm時(shí)輸出綠光功率與基頻光功率關(guān)系曲線
基于II類非共線臨界相位匹配的倍頻方案可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)合束和倍頻過程。對(duì)于LBO晶體，采用菲涅耳波法線方程計(jì)算相位匹配角，基頻光束的匹配方向?qū)?yīng)于和頻光束的方向，得到兩個(gè)相位匹配圓，圖9（a）是Ⅱ型LBO晶體（橫、縱向切割角分別為θ=21°，φ=90°，厚度20 mm）的相位匹配圓。相位匹配圓上任意一對(duì)關(guān)于中心對(duì)稱的基頻光都能在匹配圓中心產(chǎn)生和頻光。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是常溫工作，溫度控制和元件高閾值簡(jiǎn)單，并且可以排布多對(duì)子束，子束對(duì)非共線注入有相干和非相干可選，有利于更高功率或者超窄線寬高功率輸出，同時(shí)還可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)剩余未轉(zhuǎn)換激光的色分離。以Ⅱ型LBO晶體（切割角θ=21°，φ=90°，厚度20 mm）為例，激光發(fā)散半角3.25 mrad，可在相位匹配圓上排布5行共18束子束，如圖9（b）所示。可以通過改變晶體切割角增加兩個(gè)匹配圓的半徑，或者增加聚焦透鏡焦距減小發(fā)散角來增加可排布子束數(shù)量。在基頻光源能量足夠高時(shí)，這種方案有望獲得超高功率的綠光輸出。
圖 9 Ⅱ型LBO晶體的相位匹配圓和18束子束在匹配圓上的排布示意圖
不管選擇哪種倍頻方案，LBO晶體的弱吸收是限制倍頻效率和輸出功率提升的共同因素。在高平均功率的激光輻照下，由于晶體自身的光熱特性，例如熱擴(kuò)散率、熱導(dǎo)率以及光熱系數(shù)等，在激光輻照位置會(huì)引起晶體局部的光熱效應(yīng)（熱透鏡效應(yīng)）[19]，導(dǎo)致晶體對(duì)光能量的弱吸收。研究表明，弱吸收值通常能夠直接反映出晶體材料對(duì)某一波長(zhǎng)光束的吸收能力，這種特性將直接影響到晶體在倍頻中的應(yīng)用，弱吸收值越高，晶體吸收的熱量越多，晶體溫度升高，這一方面影響相位匹配導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率降低，另一方面可能導(dǎo)致晶體損傷。
用于倍頻的晶體必須具有高轉(zhuǎn)換效率和長(zhǎng)預(yù)期壽命，應(yīng)用于高功率激光時(shí)這尤其具有挑戰(zhàn)性，最大限度地減小晶體的表面吸收和體吸收是滿足這些需求的關(guān)鍵。
晶體的表面吸收與晶體表面的粗糙度直接相關(guān)，表面的任何不光滑都會(huì)導(dǎo)致晶體的表面吸收增加，應(yīng)用于高功率激光時(shí)，一般要求晶體表面粗糙度達(dá)到10?10 m量級(jí)。此外，晶體表面光學(xué)薄膜的吸收過大會(huì)導(dǎo)致薄膜的損傷，因此需要對(duì)薄膜的吸收進(jìn)行測(cè)量并根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)薄膜進(jìn)行優(yōu)化：選擇合適的鍍膜材料；改進(jìn)鍍膜工藝參數(shù)（比如溫度、離子源強(qiáng)度等）；改進(jìn)拋光基片質(zhì)量（膜層吸收偏大，也有可能是基片的拋光參數(shù)不合適或者擦拭溶液不合適）。通常使用共路徑干涉儀(PCI)測(cè)量晶體的表面吸收[20],PCI能夠?qū)w表面和薄膜中的吸收損失進(jìn)行高度靈敏和精確的測(cè)量。
晶體的體吸收一般由雜質(zhì)、色心、導(dǎo)帶電子或者是受激光輻照容易受熱、融化開裂的區(qū)域所引起，由于電子和分子吸收影響，這些在紫外和紅外光譜區(qū)域表現(xiàn)得尤為明顯[21]。如果晶體純度不夠高或者結(jié)構(gòu)不規(guī)則，體吸收會(huì)增加。為了使體吸收最小化，晶體本身必須具有非常高的質(zhì)量。應(yīng)用于高功率激光時(shí)，一般要求晶體具有ppm量級(jí)的低體吸收。低體吸收的測(cè)量難度較高，可以使用激光誘導(dǎo)偏轉(zhuǎn)（LID）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量[22]。
4. 結(jié) 論
銅材料在航空航天、高速列車、智能終端產(chǎn)品、電子通訊、電動(dòng)汽車等行業(yè)都有重要應(yīng)用，綠光相比現(xiàn)在市場(chǎng)上普遍使用的1 μm激光吸收效率高近一個(gè)量級(jí)，能夠更好地滿足各領(lǐng)域?qū)︺~等高反材料精密加工的需求，因此高功率綠光激光器具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
近年來基于光纖激光倍頻技術(shù)的高功率綠光光源發(fā)展迅速，根據(jù)基頻光源的類型，技術(shù)路線大致分為兩條：一條是用高功率單子束光纖激光器作為基頻光源，然后級(jí)聯(lián)單程非臨界相位匹配LBO晶體作為倍頻；另一條是用多子束光纖激光器作為基頻光源，然后合成與倍頻分別實(shí)現(xiàn)，或者合成與倍頻一體實(shí)現(xiàn)。目前，基于單子束光纖激光器得到的倍頻綠光光源已達(dá)千瓦輸出，國(guó)內(nèi)國(guó)外都有持續(xù)研究報(bào)道和產(chǎn)品推出?；诙嘧邮饫w激光器的倍頻可以將倍頻過程和合束過程分別獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，也可以通過非線性晶體的類非共線臨界相位匹配讓合束過程與倍頻過程同時(shí)實(shí)現(xiàn)，后者目前僅有低功率下的概念驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。
對(duì)比兩條技術(shù)路線，單子束倍頻相對(duì)簡(jiǎn)單，而多子束倍頻具有更高輸出功率的潛力，但是倍頻晶體的弱吸收是兩條技術(shù)路線共同面臨的問題。弱吸收會(huì)直接影響到晶體在倍頻中的應(yīng)用，最大限度地減小晶體的表面吸收和體吸收是制造具有高轉(zhuǎn)換效率和長(zhǎng)預(yù)期壽命晶體的關(guān)鍵。表面吸收與晶體表面的粗糙度直接相關(guān)，通常采用CPI進(jìn)行測(cè)量；體吸收受晶體的純度和結(jié)構(gòu)影響，可以采用LID技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。應(yīng)用于高功率激光倍頻時(shí)，一般要求晶體表面粗糙度達(dá)到亞nm水平并具有ppm量級(jí)的低體吸收。
來源：《強(qiáng)激光與粒子束》2023年35卷第7期
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