盛泉，付士杰，史偉，姚建銓

天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院

引言

510-570 nm綠光波段的激光光源在銅、鋁等高反材料的加工以及太陽(yáng)能電池劃片和晶圓退火等熱點(diǎn)產(chǎn)業(yè)具有非常重要的應(yīng)用需求，也是諸多前沿科研領(lǐng)域不可或缺的工具。例如銅對(duì)1 μm近紅外激光的吸收率不到5%，但對(duì)綠光吸收超過40%；采用綠光進(jìn)行加工，可以有效提高加工效率并降低回光和飛濺等因素造成的風(fēng)險(xiǎn)和質(zhì)量問題。

能夠直接發(fā)射綠光的激光器包括氬離子激光器、銅蒸汽激光器、染料激光器、氦氖激光器、半導(dǎo)體激光器以及一些摻Er3+、Ho3+、Tb3+、Pr3+的固體/光纖激光器等；基于摻Nd3+或Yb3+的固體/光纖激光器的高功率、高效率近紅外基頻光結(jié)合非線性光學(xué)倍頻技術(shù)，也能夠獲得高性能的綠光輸出。由于功率、效率、成本以及維護(hù)性等原因，除半導(dǎo)體綠光激光器在顯示領(lǐng)域應(yīng)用較多之外，倍頻綠光是大多數(shù)應(yīng)用的首選。

倍頻綠光技術(shù)的發(fā)展

高功率固體激光器的發(fā)展歷程先于光纖激光器，在倍頻綠光方面也是如此。倍頻過程的轉(zhuǎn)換效率在很大程度上依賴于基頻光光強(qiáng)，與光纖激光器相比，固體激光器在高能量/峰值功率方面具有優(yōu)勢(shì)，在低功率時(shí)也可采用內(nèi)腔倍頻方式提高倍頻過程的轉(zhuǎn)換效率；而高功率光纖激光器的光譜容易因非線性效應(yīng)發(fā)生展寬，影響倍頻效率，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也使其不便采用內(nèi)腔頻率變換方式。

這些因素決定了早期的倍頻綠光多基于固體基頻光，特別是高功率情況多采用碟片等結(jié)構(gòu)，典型的結(jié)果包括2008年清華大學(xué)對(duì)端面泵浦Nd:YVO?MOPA的近紅外輸出倍頻得到了百瓦納秒綠光；2010年德國(guó)通快公司發(fā)布了平均功率700 W的內(nèi)腔倍頻納秒Yb:YAG碟片激光器[1]；2015年德國(guó)斯圖加特大學(xué)基于LBO內(nèi)腔倍頻的Yb:YAG碟片綠光激光器實(shí)現(xiàn)了 403W連續(xù)波綠光輸出[2]，LD泵浦光到綠光輸出的光光效率達(dá)到40.7%；通快公司在2016年將連續(xù)波綠光輸出功率提高到1.7 kW，2022年又發(fā)布了功率3 kW的綠光產(chǎn)品TruDisk 3022。

然而，隨著激光功率的不斷提升，固體激光器中的熱效應(yīng)對(duì)光束質(zhì)量的影響不斷凸顯。例如通快公司的2 kW連續(xù)綠光產(chǎn)品TruDisk 2021的BPP為4mmmrad(M2因子~24)。近年來，光纖激光器在功率效率、熱管理、光束質(zhì)量以及光譜和時(shí)間特性的靈活性等方面相對(duì)固體激光器已顯示出優(yōu)勢(shì)；隨著光纖基頻光和倍頻技術(shù)的發(fā)展，上述優(yōu)勢(shì)也逐漸在基于光纖基頻光的綠光激光器得到體現(xiàn)。

光纖激光器的輸出特性與固體激光器存在顯著的區(qū)別，例如可以實(shí)現(xiàn)kW或更高功率的連續(xù)波窄光譜線寬輸出，但在高峰值功率脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)光譜會(huì)因非線性效應(yīng)發(fā)生展寬等，這些特性決定了光纖基頻光倍頻的實(shí)現(xiàn)方式也與固體激光器有一些差異。

光纖倍頻綠光的實(shí)現(xiàn)方法和挑戰(zhàn)

1.準(zhǔn)相位匹配單通倍頻的單頻綠光激光器

在對(duì)穩(wěn)定性、相干性和光譜線寬有較高要求的應(yīng)用中往往需要單頻光源。以相干公司的Verdi系列激光器為代表的單頻固體激光器內(nèi)腔倍頻方案是產(chǎn)生單頻綠光的傳統(tǒng)主流方法。光纖激光器中信號(hào)光場(chǎng)被局限在面積很小的纖芯區(qū)域附近，高峰值功率輸出能力受限，但卻非常適合對(duì)低功率單頻種子源實(shí)現(xiàn)高增益放大，獲得穩(wěn)定的高功率單頻基頻光輸出，進(jìn)而倍頻產(chǎn)生單頻綠光。

眾所周知，非線性倍頻過程的轉(zhuǎn)換效率與基頻光光強(qiáng)成正比、與有效非線性系數(shù)deff的平方成正比。光纖激光器中不便采取固體激光器中常用的內(nèi)腔倍頻方式提高倍頻效率，但在基頻光功率較高的情況下，單次通過具有很大deff的準(zhǔn)相位匹配(QPM)晶體，也可以實(shí)現(xiàn)較高的倍頻效率。例如2009年西班牙ICFO的研究人員利用周期極化鉭酸鋰(PPLT)晶體對(duì)29.5 W的單頻1 μm光纖基頻光單次通過倍頻，獲得了9.6 W單頻綠光輸出，如圖1(a)，其后該課題組又采用多倍頻晶體串接的方法將單通倍頻效率提高到55%[3]，如圖1(b)、(c)。

圖1 ICFO的（a）單晶體、（b）多晶體PPLT單通倍頻綠光光路圖和（c）照片[3]

與內(nèi)腔倍頻和外腔諧振倍頻相比，單通倍頻結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單穩(wěn)定。另外值得注意的是，與固體增益介質(zhì)相比，光纖具有很寬的發(fā)射譜，結(jié)合受激拉曼散射等頻率變換技術(shù)可以產(chǎn)生波長(zhǎng)非常靈活的近紅外基頻光，因此除綠光之外也可獲得數(shù)瓦到十瓦量級(jí)的藍(lán)青、黃橙和紅光等可見波段的單頻輸出，極大拓展了單頻激光的波長(zhǎng)覆蓋范圍。

2.外腔諧振倍頻綠光激光器

如前所述，基于周期極化晶體的QPM倍頻能夠?qū)崿F(xiàn)高效的單次通過倍頻，但PPLN、PPLT、PPKTP常用QPM晶體在數(shù)十瓦基頻光功率下的倍頻轉(zhuǎn)換效率會(huì)因熱效應(yīng)和光折變等因素發(fā)生明顯下降。LBO晶體是高功率倍頻綠光常用的非線性晶體之一，能夠支撐百瓦到kW量級(jí)的高功率綠光輸出，為彌補(bǔ)其deff較小對(duì)倍頻效率的限制，研究人員采用外腔諧振增強(qiáng)的方法提高參與倍頻過程的基頻光功率。

圖2（a）和（b）分別為單通倍頻和外腔諧振倍頻的示意圖。把非線性晶體放置在一個(gè)諧振腔內(nèi)，通過控制這個(gè)諧振腔的長(zhǎng)度（通過高精度反饋控制實(shí)現(xiàn)）和入射激光的聚焦參數(shù)，使入射激光的頻率和模式與諧振腔的縱模和橫模相匹配，就能讓其在腔內(nèi)振蕩，這樣一個(gè)高Q值的諧振腔可令腔內(nèi)參與非線性相互作用過程的激光強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過起初的入射光強(qiáng)，提高非線性過程的轉(zhuǎn)換效率。外腔諧振增強(qiáng)技術(shù)多用于對(duì)毫瓦或瓦級(jí)的低功率入射光實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)，在倍頻、和頻、光學(xué)參量振蕩和拉曼激光器等非線性頻率變換技術(shù)中均有應(yīng)用。在高功率領(lǐng)域，IPG公司2012年報(bào)道對(duì)單頻光纖基頻光進(jìn)行外腔諧振倍頻獲得170 W單頻綠光輸出的結(jié)果，倍頻效率達(dá)到76%；國(guó)內(nèi)杭州相位激光和上海頻準(zhǔn)激光等企業(yè)也能夠提供基于該技術(shù)路線的50 W功率水平的產(chǎn)品。

圖2 （a）單通倍頻和（b）外腔諧振倍頻綠光激光器光路示意圖[4]

3.LBO單通倍頻高功率綠光激光器

通過外腔諧振倍頻能夠基于光纖基頻光產(chǎn)生百瓦以上的單頻綠光，但外腔諧振倍頻要求基頻光是單頻線偏振的；限于受激布里淵散射(SBS)效應(yīng)，單頻線偏振光纖激光器很難實(shí)現(xiàn)數(shù)百瓦以上的輸出功率，因而限制了綠光功率；外腔諧振倍頻復(fù)雜的光路和反饋控制系統(tǒng)也引入了不穩(wěn)定因素。

與固體基頻光相比，光纖基頻光的峰值功率較低且不便采用內(nèi)腔倍頻方式，是限制其倍頻綠光輸出的主要因素。隨著窄線寬線偏振光纖激光器輸出功率水平的不斷突破，高效的LBO單通倍頻成為可能。2014年，IPG公司報(bào)道對(duì)單頻半導(dǎo)體種子源進(jìn)行相位調(diào)制使其光譜線寬展寬至25 GHz以抑制SBS，可獲得kW級(jí)基頻光輸出；用LBO晶體對(duì)其進(jìn)行單通倍頻，實(shí)現(xiàn)了功率356 W、倍頻效率35%的綠光輸出[4]。2020年，Nufern公司報(bào)道了對(duì)1.8 kW的連續(xù)波1064nm基頻光單通倍頻，綠光輸出功率達(dá)到1 kW、倍頻效率54%，光束質(zhì)量因子M2僅為1.015[5]。如圖3，由于LBO晶體對(duì)1 μm基頻光I類非臨界相位匹配倍頻的允許帶寬很大(~2300 GHz·cm)，基頻光光譜線寬從46 GHz展寬至120 GHz并不會(huì)明顯影響倍頻效率。因此，該技術(shù)路線還具有進(jìn)一步適當(dāng)展寬基頻光譜、提高其功率，以優(yōu)化倍頻效率、得到更高功率的連續(xù)波綠光輸出的潛力。國(guó)內(nèi)方面，上海光機(jī)所也報(bào)道了基于該技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)610 W綠光輸出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖3 Nufern公司的1 kW連續(xù)光纖綠光激光器倍頻功率曲線[5]

更高的峰值功率是進(jìn)一步提高倍頻轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。IPG公司在上述連續(xù)綠光的基礎(chǔ)上，讓泵浦光以重復(fù)頻率4 MHz、占空比50%的準(zhǔn)連續(xù)調(diào)制模式工作，相同平均功率下的峰值功率提高了一倍；基頻光平均功率1.07 kW時(shí)獲得了550 W綠光輸出，倍頻效率超過50%。峰值功率較高的準(zhǔn)連續(xù)工作模式也可通過對(duì)種子源的調(diào)制實(shí)現(xiàn)：如圖4，IPG公司對(duì)LD種子源直接調(diào)制，得到脈沖寬度1.4 ns(遠(yuǎn)小于石英光纖~10 ns的聲子壽命以抑制SBS)、重復(fù)頻率150 MHz、占空比21%的脈沖序列；將其平均功率放大至1.03 kW時(shí)峰值功率達(dá)到4.9 kW，基頻光94%的能量集中在0.5 nm (~130 GHz)的光譜寬度內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了基頻光峰值功率和光譜線寬的平衡，LBO晶體單通倍頻獲得了平均功率達(dá)到700 W的基橫模綠光輸出[6]，70%的倍頻效率達(dá)到了不低于常規(guī)脈沖固體激光器的水平。

圖4 IPG公司的種子源調(diào)制700 W準(zhǔn)連續(xù)光纖綠光激光器光路示意圖、基頻光譜和波形以及功率曲線[6]

基于這一技術(shù)路線，目前IPG公司能夠提供平均功率最高2 kW的準(zhǔn)連續(xù)光纖綠光產(chǎn)品，1 kW產(chǎn)品的M2<1.2（作為對(duì)比，通快的1 kW產(chǎn)品BPP為2mm·mrad),插頭效率可達(dá)25%，尺寸也相當(dāng)緊湊[7]。圖5是IPG公司GLPN-532-QCW高功率準(zhǔn)連續(xù)綠光激光器照片和光束質(zhì)量。以深圳公大激光為代表的國(guó)內(nèi)廠商也有類似指標(biāo)的產(chǎn)品。高效率的單通倍頻技術(shù)使光纖綠光真正走向了工業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)。

圖5 IPG公司GLPN-532-QCW高功率準(zhǔn)連續(xù)綠光激光器照片和光束質(zhì)量[7]

小結(jié)

早期光纖激光器曾被認(rèn)為不適宜通過非線性光學(xué)頻率變換技術(shù)進(jìn)行波長(zhǎng)拓展、獲得高功率高效率的綠光，但隨著光纖基頻光性能和倍頻技術(shù)的不斷發(fā)展，基于光纖激光器的綠光已能夠?qū)崿F(xiàn)百瓦級(jí)單頻輸出和千瓦高功率高光束質(zhì)量輸出。光纖綠光不僅在輸出功率上已不弱于固體綠光，在光束質(zhì)量和插頭效率等方面還具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其時(shí)間特性和工作波長(zhǎng)也更為靈活，為工業(yè)和科研應(yīng)用提供更多可能。

作者簡(jiǎn)介：

盛泉，天津大學(xué)副教授，主要從事單頻光纖和固體激光技術(shù)方面的研究；

付士杰，天津大學(xué)副教授，主要從事單頻和中紅外光纖激光技術(shù)方面的研究；

史偉，天津大學(xué)教授，主要從事高功率和窄線寬光纖激光技術(shù)和應(yīng)用的研究；

姚建銓，中國(guó)科學(xué)院院士，天津大學(xué)教授，從事激光和光電子技術(shù)方面的研究。