2024年11月2日发(作者：白含灵)
第30卷 第8期
2010年8月
文章编号:0253-2239(2010)08-2306-05
光 学 学 报
ACTAOPTICASINICA
Vol.30,No.8
August,2010
高效率PPSLT准相位匹配和频钠导星激光器
鲁燕华 张 雷 马 毅 刘 东 唐 淳 王卫民 高松信 魏 彬
中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川绵阳,621900
摘要 报道了一台平均功率3.09W、和频效率大于35%的周期极化化学计量比钽酸锂(PPSLT)晶体准相位匹配
和频钠导星激光器。用声光调Q的二极管抽运Nd:YAG固体激光器产生高光束质量的基频光1064nm与
1319nm,在腔内插入高精度控温的标准具获得窄线宽输出,并在腔外通过准相位匹配的PPSLT晶体和频产生钠
导星激光。当注入PPSLT晶体的1064nm和1319nm总平均功率约8.80W时,在匹配温度68e时实现了最高
和频转换,输出钠导星激光3.09W,重复频率800Hz,脉宽约60ns,线宽约1.6GHz。并通过调节控制标准具的
倾斜角度和温度,将中心波长对准至钠D
2
a线589.1591nm,偏差小于?0.2pm。
关键词 激光器;钠导星;和频;准相位匹配;周期极化化学计量比钽酸锂(PPSLT);标准具
中图分类号 TN248.1 文献标识码 A doi:10.3788/AOS20103008.2306
SodiumGuidestarLaserBasedonHigh-EfficiencyPPSLT
Quasi-Phase-MatchedSumFrequencyGeneration
LuYanhua ZhangLei MaYi LiuDong TangChun WangWeimin
GaoSongxin WeiBin
InstituteofAppliedElectronics,ChineseAcademgofEngineeringPhysics,Mianyang,Sichuan621900,China
Abstract A3.09Wsodiumguidestarlaserwiththesumfrequencygenerationefficiencymorethan35%
laserisbasedontheperiodicallypoledstoichiometriclithiumtantalite(PPSLT)crystalquas-iphase-matchedsum
usto-optical(AO)Q-switcheddiodepumpedNd:YAGlasersof1064nmand1319nm
henarrowlinewidthoutput,theetalonswithwelltemperature
iumguidestarlaserisgeneratedthroughanexterna-lcavityquas-i
etotalpowerof1064nmand1319nmis8.80W,theoutput
sodiumguidestarlasercspoweris3.09Wwiththehighestsumfrequencygenerationefficiencyatthematching
tralwavelengthislockedtosodiumD
2
aline589.1591nm(errorlessthan?0.2pm)
bytuningtheangleandthetemperatureoftheetalons.
Keywords lasers;sodiumguidestar;sumfrequency;quas-iphasematching;periodicallypoledstoichiometric
lithiumtantalite(PPSLT);etalon
1 引 言
钠导星和瑞利导星是目前科学家们仅能采用的
两种人造激光导引星,而其中钠导星相比瑞利导星
高度更高、斜程误差更小,能更准确反映光束在大气
传输过程中产生的波前畸变,因此研制钠导星激光
器对于自适应光学系统具有极其重要的意义。然
而,为了使大气钠层原子产生后向共振散射光,必须
将钠导星激光器的中心波长对准钠原子最强吸收线
收稿日期:2009-11-12;收到修改稿日期:2009-12-07
D
2
a线,且线宽小于3GHz,这给大功率钠导星激光
器的研制带来了关键技术难题。
器
[1,2]
产生钠导星光源的方式主要有染料激光
、光纤激光器
[3,4]
和激光二极管抽运固体激光
器
[5~7]
,而其中激光二极管抽运固体激光器具备结
构紧凑、转换效率高、技术发展成熟等优势,是发展
高功率钠导星光源最佳技术途径之一。2005年,美
国空军研究实验室星火光学领域利用激光二极管抽
作者简介:鲁燕华(1981)),男,硕士,助理研究员,主要从事激光二极管抽运固体激光器技术等方面的研究。
E-mail:happyeleo@
8期鲁燕华等: 高效率PPSLT准相位匹配和频钠导星激光器
2307
运的全固态1064nm和1319nm激光器和频产生
了50W连续单频589nm激光器,中心波长对准
589.159nm,线宽小于10MHz。2008年,洛克希
德#马丁相干技术公司为GeminiSouth天文台开发
了基于激光二极管抽运Nd:YAG激光器的功率为
55W的连续锁模钠导星光源,波长对准589.159nm,
线宽约1.0GHz
[6]
。
国内2006年中国科学院物理研究所采用V型
腔腔内和频产生了3W连续波589nm黄光激光
器,2008年固体激光技术国家级重点实验室利用复
合腔型获得了最高平均功率10.5W,重复频率5kHz
的589nm黄光激光器,但上述激光器均未提及谱
线控制。中国工程物理研究院应用电子学研究所于
2008年利用激光二极管抽运Nd:YAG激光器腔外和
频三硼酸锂(LBO)晶体获得了1.0W的钠黄光输出,
和频效率20%,并将中心波长对准至589.159nm,线
宽小于3GHz,光束质量M<2.2。
本文在以往工作基础上对激光器进行了改进,
提升了1064nm与1319nm基频激光器输出功率,
并用周期极化化学计量比钽酸锂(PPSLT)晶体实
现了高效率准相位匹配和频转换,最高输出和频钠
导星激光3.09W,和频效率大于35%,中心波长对
准589.1590nm,线宽约1.6GHz。
2[10]
[9]
[8]
[5]
2 PPSLT准相位匹配和频技术
准相位匹配(QPM)是通过晶体的周期性极化
结构来获得有效的能量转换,它与传统的双折射相
位匹配相比,没有严格的偏振方向要求,可以利用晶
体最大的非线性系数,获取更高的非线性转换效率,
因此现在广泛应用于倍频
[11]
、和频
[12]
与光学参变振
荡器
[13]
等领域。
适合用作准相位匹配和频产生589nm钠黄光
的晶体有周期极化的磷酸钛氧钾(KTP)、周期极化
的铌酸锂(称LN)和周期极化的钽酸锂(LT),其中
周期极化的LT晶体非线性系数比KTP大,损伤阈
值又比LN高,因此选取LT作为准相位匹配和频
的周期极化晶体。由于LT的极化反转电场较大
(大于20kV/mm),极易击穿晶体材料,因此需合理
地控制晶体中元素的比例,即化学计量比的钽酸锂
晶体(SLT),从而使极化反转电场大大降低,更易得
到厚度大的晶体
[14]
。
为了利用非线性晶体的最大非线性系数,设计
采用一阶准相位匹配和频。ArielBruner等在普
通LT晶体折射率色散方程基础上,结合实验测量
数据推导出SLT的经验折射率色散方程如下:
[15]
7.294@10
-3
+3.482449@10
-8
(T+273.15)
2
n(K,T)=4.51584+
2
K
-0.179937+1.608146@10
-8
(T+273.15)
2
2
e
2
+
(1)
0.073876
+
0.001
2
222
-0.02358K,
K
-0.198887
K
-7.999976
2
式中K为波长,单位Lm;T为温度,单位e。
准相位匹配和频满足能量守恒与动量守恒的相
位匹配条件:
X
1
+X
2
=X
3
,(2)
n
1
(K,T)n
2
(K,T),T)
1
=
n
3
(K
++,(3)
K
1
K
2
+(T)K
3
式中+(T)是温度为T时的极化周期长度,单位为
Lm,满足晶体的热膨胀方程
[15]
为
+(T)=+(T
0
)[1+1.6@10
-5
(T-T
0
)+
7@10
-9
(T-T
0
)
2
],
式中T
0
为室温25e.
根据上述公式,计算得到当K
1
=1.064Lm,K
2
=
1.319Lm时,刚好和频产生K
3
=0.589Lm,且PPSLT
晶体匹配温度与极化周期的关系曲线如图1所示。
由图1可见,当PPSLT晶体极化周期在10.4~
(4)
10.9Lm时,可在200e~25e的匹配温度实现相位
匹配,产生0.589Lm和频光。在加工PPSLT晶体时
设计选择10.8Lm的极化周期,此时对应匹配温度
约65e。
图1PPSLT晶体匹配温度与极化周期的关系曲线
Fig.1Relationbetweenthematchingtemperature
andthepolingperiodofPPSLTcrystal
2308
光 学 学 报30卷
3 实验装置
设计采用结构紧凑、转换效率高、技术发展成熟
的激光二极管抽运的Nd:YAG激光器腔外和频技
术方案,和频晶体采用一阶准相位匹配方式的
PPSLT晶体,图2是实验装置示意图。
图2钠导星激光器示意图
Fig.2Schematicofsodiumguidestarlaser
由于Nd:YAG的1319nm波长的受激发射截面
比1064nm波长的受激发射截面小得多,而且在其附
近还存在与之相当的1338nm激射波长,因此在
1319nm谐振腔内必须设计抑制1064nm与1338nm
的激射。采取特殊的镀膜方法实现这一目的,即在
1319nm全反镜对1319nm全反、对1064nm减反,
输出镜对1064nm减反、对1319nm与1338nm部分
反射,且对1338nm的反射率低于1319nm。两台激
光器均在腔内插入偏振片以获得线偏振光输出。
为满足钠导星中心波长以及线宽要求,在腔内
插入了半导体致冷片控温的标准具,控温精度
?0.1e。通过调节标准具的倾角和温度实现波长
调谐,利用标准具的选择性透射特性以压窄激光
线宽。
和频晶体采用准相位匹配的PPSLT晶体,尺
寸为0.8mm@9.0mm@35.3mm,设计极化周期
长度为10.8Lm,装夹入控温炉进行高精度温度控
制。由于PPSLT晶体厚度仅有0.8mm,需对
1064nm激光与1319nm激光合束后的激光进行聚
焦缩束,图2中正透镜正起此作用。同时,由于
PPSLT晶体表面未镀膜,会有一部分和频钠导星激
光从PPSLT晶体前表面返回1064nm与1319nm
谐振腔内。为此,在PPSLT晶体前后位置均插入
了589nm分光镜,以获取最大功率的钠导星激光
输出。
间域脉宽、空间域光斑形状及发散角完全一致,也即
二者功率比并非1.24:1时和频效果最佳,实验中发
现二者功率比约为1:1时和频效果较好。图3是
1064nm激光与1319nm激光功率比保持1:1时
589nm和频光的功率及转换效率曲线。图中
1064nm激光与1319nm激光功率和指的是注入
PPSLT晶体前的功率和,和频光的功率是指前向与
后向和频光相加的结果。
图3589nm光功率及转换效率曲线
Fig.3Curvesof589nmlightpowerand
conversionefficiency
由图3可见,589nm光输出功率随着1064nm
与1319nm光总输入功率的增加而增加,转换效率
也呈增大趋势,且保持在30%以上。图中转换效率
曲线在中间段存在下降过程,主要原因是1064nm
与1319nm激光光斑形状、光束质量随工作电流变
化而变化,而两者在空间上必须重叠效果达到最佳
才能发生最大和频转换,这是一个极其难以控制的
过程,在调试的过程中只是在最高工作电流时将二
者空间重叠效果调至最佳,并非在每一组工作电流
下都单独进行了调节。当1064nm激光与1319nm
激光输入总功率最高达8.80W时,输出589nm和
频光达到最大3.09W,其中后向输出2.50W,前向
4 实验结果与分析
根据和频能量守恒条件(2)式知,当1064nm
与1319nm光子比为1:1时,和频效果最佳,对应和
频效率最高,此时二者功率比为1.24:1。但实验过
程中很难保证1064nm激光与1319nm激光在时
8期鲁燕华等: 高效率PPSLT准相位匹配和频钠导星激光器
2309
输出0.59W,此时转换效率也对应最大,为35.1%。
由于基频功率和指的是注入PPSLT晶体前的功率
之和,而并非实际进入PPSLT晶体内部的功率之
和(由于晶体未镀膜有部分激光会从前表面反射),
因此实际和频转换效率应大于35.1%。
当注入PPSLT晶体功率固定为8.80W时,改
变PPSLT晶体的温度,和频转换效率也随之发生
改变,如图4所示。图中纵坐标为归一化的和频转
换效率值,当发生最高和频转换时对应晶体温度
68e,与理论计算结果65e较为接近。相位匹配
允许温度范围约1.5e(半峰全宽值)。
同时,当钠导星激光输出功率最大时,用
Spiricon公司M-200对后向输出的2.50W和频激
光光束质量进行了测量,结果如下图5所示,测得两
个方向光束质量M
2
因子分别为2.83,2.67。
调谐标准具倾角与温度,由高精度波长计(德国
HighFinesseWS-7)测量钠导星激光的光谱,如图6
所示。
图6(a)为粗略光谱形状,读出中心波长589nm;
图6(b)为精细光谱形状,进一步读出中心波长为
589.1591nm,刚好与钠原子D
2
a线完全对准。线宽
(半峰全宽值)约1.8pm,也即约1.6GHz,小于钠原
子多普勒展宽线宽3GHz。
图4PPSLT晶体匹配温度曲线
Fig.4MatchingtemperatureofPPSLTcrystal
图5钠导星激光光斑分布
Fig.5Sdistributionofsodiumguidestarlaser
图6钠导星激光光谱
Fig.6Spectraofsodiumguidestarlaser
5 结 论
研制了一台基于PPSLT晶体准相位匹配和频
的钠导星激光器,输出功率为3.09W,和频效率大
于35%,并实现了钠导星激光的光谱与钠原子D
2
线的匹配。这是国内已报道的最高功率水平的钠导
星激光器,也是国内首次利用准相位匹配和频方式
产生钠导星激光。实验结果充分表明准相位匹配和
频在高功率钠导星激光器研制方面有重大潜力,下
一步将提高基频光激光器的功率与光束质量,并优
化耦合缩束系统结构与PPSLT晶体参数,以获得
2310
光 学 学 报30卷
更高功率的钠导星激光输出。
参考文献
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2024年11月2日发(作者：白含灵)
第30卷 第8期
2010年8月
文章编号:0253-2239(2010)08-2306-05
光 学 学 报
ACTAOPTICASINICA
Vol.30,No.8
August,2010
高效率PPSLT准相位匹配和频钠导星激光器
鲁燕华 张 雷 马 毅 刘 东 唐 淳 王卫民 高松信 魏 彬
中国工程物理研究院应用电子学研究所,四川绵阳,621900
摘要 报道了一台平均功率3.09W、和频效率大于35%的周期极化化学计量比钽酸锂(PPSLT)晶体准相位匹配
和频钠导星激光器。用声光调Q的二极管抽运Nd:YAG固体激光器产生高光束质量的基频光1064nm与
1319nm,在腔内插入高精度控温的标准具获得窄线宽输出,并在腔外通过准相位匹配的PPSLT晶体和频产生钠
导星激光。当注入PPSLT晶体的1064nm和1319nm总平均功率约8.80W时,在匹配温度68e时实现了最高
和频转换,输出钠导星激光3.09W,重复频率800Hz,脉宽约60ns,线宽约1.6GHz。并通过调节控制标准具的
倾斜角度和温度,将中心波长对准至钠D
2
a线589.1591nm,偏差小于?0.2pm。
关键词 激光器;钠导星;和频;准相位匹配;周期极化化学计量比钽酸锂(PPSLT);标准具
中图分类号 TN248.1 文献标识码 A doi:10.3788/AOS20103008.2306
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Quasi-Phase-MatchedSumFrequencyGeneration
LuYanhua ZhangLei MaYi LiuDong TangChun WangWeimin
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Abstract A3.09Wsodiumguidestarlaserwiththesumfrequencygenerationefficiencymorethan35%
laserisbasedontheperiodicallypoledstoichiometriclithiumtantalite(PPSLT)crystalquas-iphase-matchedsum
usto-optical(AO)Q-switcheddiodepumpedNd:YAGlasersof1064nmand1319nm
henarrowlinewidthoutput,theetalonswithwelltemperature
iumguidestarlaserisgeneratedthroughanexterna-lcavityquas-i
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sodiumguidestarlasercspoweris3.09Wwiththehighestsumfrequencygenerationefficiencyatthematching
tralwavelengthislockedtosodiumD
2
aline589.1591nm(errorlessthan?0.2pm)
bytuningtheangleandthetemperatureoftheetalons.
Keywords lasers;sodiumguidestar;sumfrequency;quas-iphasematching;periodicallypoledstoichiometric
lithiumtantalite(PPSLT);etalon
1 引 言
钠导星和瑞利导星是目前科学家们仅能采用的
两种人造激光导引星,而其中钠导星相比瑞利导星
高度更高、斜程误差更小,能更准确反映光束在大气
传输过程中产生的波前畸变,因此研制钠导星激光
器对于自适应光学系统具有极其重要的意义。然
而,为了使大气钠层原子产生后向共振散射光,必须
将钠导星激光器的中心波长对准钠原子最强吸收线
收稿日期:2009-11-12;收到修改稿日期:2009-12-07
D
2
a线,且线宽小于3GHz,这给大功率钠导星激光
器的研制带来了关键技术难题。
器
[1,2]
产生钠导星光源的方式主要有染料激光
、光纤激光器
[3,4]
和激光二极管抽运固体激光
器
[5~7]
,而其中激光二极管抽运固体激光器具备结
构紧凑、转换效率高、技术发展成熟等优势,是发展
高功率钠导星光源最佳技术途径之一。2005年,美
国空军研究实验室星火光学领域利用激光二极管抽
作者简介:鲁燕华(1981)),男,硕士,助理研究员,主要从事激光二极管抽运固体激光器技术等方面的研究。
E-mail:happyeleo@
8期鲁燕华等: 高效率PPSLT准相位匹配和频钠导星激光器
2307
运的全固态1064nm和1319nm激光器和频产生
了50W连续单频589nm激光器,中心波长对准
589.159nm,线宽小于10MHz。2008年,洛克希
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55W的连续锁模钠导星光源,波长对准589.159nm,
线宽约1.0GHz
[6]
。
国内2006年中国科学院物理研究所采用V型
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器,2008年固体激光技术国家级重点实验室利用复
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的589nm黄光激光器,但上述激光器均未提及谱
线控制。中国工程物理研究院应用电子学研究所于
2008年利用激光二极管抽运Nd:YAG激光器腔外和
频三硼酸锂(LBO)晶体获得了1.0W的钠黄光输出,
和频效率20%,并将中心波长对准至589.159nm,线
宽小于3GHz,光束质量M<2.2。
本文在以往工作基础上对激光器进行了改进,
提升了1064nm与1319nm基频激光器输出功率,
并用周期极化化学计量比钽酸锂(PPSLT)晶体实
现了高效率准相位匹配和频转换,最高输出和频钠
导星激光3.09W,和频效率大于35%,中心波长对
准589.1590nm,线宽约1.6GHz。
2[10]
[9]
[8]
[5]
2 PPSLT准相位匹配和频技术
准相位匹配(QPM)是通过晶体的周期性极化
结构来获得有效的能量转换,它与传统的双折射相
位匹配相比,没有严格的偏振方向要求,可以利用晶
体最大的非线性系数,获取更高的非线性转换效率,
因此现在广泛应用于倍频
[11]
、和频
[12]
与光学参变振
荡器
[13]
等领域。
适合用作准相位匹配和频产生589nm钠黄光
的晶体有周期极化的磷酸钛氧钾(KTP)、周期极化
的铌酸锂(称LN)和周期极化的钽酸锂(LT),其中
周期极化的LT晶体非线性系数比KTP大,损伤阈
值又比LN高,因此选取LT作为准相位匹配和频
的周期极化晶体。由于LT的极化反转电场较大
(大于20kV/mm),极易击穿晶体材料,因此需合理
地控制晶体中元素的比例,即化学计量比的钽酸锂
晶体(SLT),从而使极化反转电场大大降低,更易得
到厚度大的晶体
[14]
。
为了利用非线性晶体的最大非线性系数,设计
采用一阶准相位匹配和频。ArielBruner等在普
通LT晶体折射率色散方程基础上,结合实验测量
数据推导出SLT的经验折射率色散方程如下:
[15]
7.294@10
-3
+3.482449@10
-8
(T+273.15)
2
n(K,T)=4.51584+
2
K
-0.179937+1.608146@10
-8
(T+273.15)
2
2
e
2
+
(1)
0.073876
+
0.001
2
222
-0.02358K,
K
-0.198887
K
-7.999976
2
式中K为波长,单位Lm;T为温度,单位e。
准相位匹配和频满足能量守恒与动量守恒的相
位匹配条件:
X
1
+X
2
=X
3
,(2)
n
1
(K,T)n
2
(K,T),T)
1
=
n
3
(K
++,(3)
K
1
K
2
+(T)K
3
式中+(T)是温度为T时的极化周期长度,单位为
Lm,满足晶体的热膨胀方程
[15]
为
+(T)=+(T
0
)[1+1.6@10
-5
(T-T
0
)+
7@10
-9
(T-T
0
)
2
],
式中T
0
为室温25e.
根据上述公式,计算得到当K
1
=1.064Lm,K
2
=
1.319Lm时,刚好和频产生K
3
=0.589Lm,且PPSLT
晶体匹配温度与极化周期的关系曲线如图1所示。
由图1可见,当PPSLT晶体极化周期在10.4~
(4)
10.9Lm时,可在200e~25e的匹配温度实现相位
匹配,产生0.589Lm和频光。在加工PPSLT晶体时
设计选择10.8Lm的极化周期,此时对应匹配温度
约65e。
图1PPSLT晶体匹配温度与极化周期的关系曲线
Fig.1Relationbetweenthematchingtemperature
andthepolingperiodofPPSLTcrystal
2308
光 学 学 报30卷
3 实验装置
设计采用结构紧凑、转换效率高、技术发展成熟
的激光二极管抽运的Nd:YAG激光器腔外和频技
术方案,和频晶体采用一阶准相位匹配方式的
PPSLT晶体,图2是实验装置示意图。
图2钠导星激光器示意图
Fig.2Schematicofsodiumguidestarlaser
由于Nd:YAG的1319nm波长的受激发射截面
比1064nm波长的受激发射截面小得多,而且在其附
近还存在与之相当的1338nm激射波长,因此在
1319nm谐振腔内必须设计抑制1064nm与1338nm
的激射。采取特殊的镀膜方法实现这一目的,即在
1319nm全反镜对1319nm全反、对1064nm减反,
输出镜对1064nm减反、对1319nm与1338nm部分
反射,且对1338nm的反射率低于1319nm。两台激
光器均在腔内插入偏振片以获得线偏振光输出。
为满足钠导星中心波长以及线宽要求,在腔内
插入了半导体致冷片控温的标准具,控温精度
?0.1e。通过调节标准具的倾角和温度实现波长
调谐,利用标准具的选择性透射特性以压窄激光
线宽。
和频晶体采用准相位匹配的PPSLT晶体,尺
寸为0.8mm@9.0mm@35.3mm,设计极化周期
长度为10.8Lm,装夹入控温炉进行高精度温度控
制。由于PPSLT晶体厚度仅有0.8mm,需对
1064nm激光与1319nm激光合束后的激光进行聚
焦缩束,图2中正透镜正起此作用。同时,由于
PPSLT晶体表面未镀膜,会有一部分和频钠导星激
光从PPSLT晶体前表面返回1064nm与1319nm
谐振腔内。为此,在PPSLT晶体前后位置均插入
了589nm分光镜,以获取最大功率的钠导星激光
输出。
间域脉宽、空间域光斑形状及发散角完全一致,也即
二者功率比并非1.24:1时和频效果最佳,实验中发
现二者功率比约为1:1时和频效果较好。图3是
1064nm激光与1319nm激光功率比保持1:1时
589nm和频光的功率及转换效率曲线。图中
1064nm激光与1319nm激光功率和指的是注入
PPSLT晶体前的功率和,和频光的功率是指前向与
后向和频光相加的结果。
图3589nm光功率及转换效率曲线
Fig.3Curvesof589nmlightpowerand
conversionefficiency
由图3可见,589nm光输出功率随着1064nm
与1319nm光总输入功率的增加而增加,转换效率
也呈增大趋势,且保持在30%以上。图中转换效率
曲线在中间段存在下降过程,主要原因是1064nm
与1319nm激光光斑形状、光束质量随工作电流变
化而变化,而两者在空间上必须重叠效果达到最佳
才能发生最大和频转换,这是一个极其难以控制的
过程,在调试的过程中只是在最高工作电流时将二
者空间重叠效果调至最佳,并非在每一组工作电流
下都单独进行了调节。当1064nm激光与1319nm
激光输入总功率最高达8.80W时,输出589nm和
频光达到最大3.09W,其中后向输出2.50W,前向
4 实验结果与分析
根据和频能量守恒条件(2)式知,当1064nm
与1319nm光子比为1:1时,和频效果最佳,对应和
频效率最高,此时二者功率比为1.24:1。但实验过
程中很难保证1064nm激光与1319nm激光在时
8期鲁燕华等: 高效率PPSLT准相位匹配和频钠导星激光器
2309
输出0.59W,此时转换效率也对应最大,为35.1%。
由于基频功率和指的是注入PPSLT晶体前的功率
之和,而并非实际进入PPSLT晶体内部的功率之
和(由于晶体未镀膜有部分激光会从前表面反射),
因此实际和频转换效率应大于35.1%。
当注入PPSLT晶体功率固定为8.80W时,改
变PPSLT晶体的温度,和频转换效率也随之发生
改变,如图4所示。图中纵坐标为归一化的和频转
换效率值,当发生最高和频转换时对应晶体温度
68e,与理论计算结果65e较为接近。相位匹配
允许温度范围约1.5e(半峰全宽值)。
同时,当钠导星激光输出功率最大时,用
Spiricon公司M-200对后向输出的2.50W和频激
光光束质量进行了测量,结果如下图5所示,测得两
个方向光束质量M
2
因子分别为2.83,2.67。
调谐标准具倾角与温度,由高精度波长计(德国
HighFinesseWS-7)测量钠导星激光的光谱,如图6
所示。
图6(a)为粗略光谱形状,读出中心波长589nm;
图6(b)为精细光谱形状,进一步读出中心波长为
589.1591nm,刚好与钠原子D
2
a线完全对准。线宽
(半峰全宽值)约1.8pm,也即约1.6GHz,小于钠原
子多普勒展宽线宽3GHz。
图4PPSLT晶体匹配温度曲线
Fig.4MatchingtemperatureofPPSLTcrystal
图5钠导星激光光斑分布
Fig.5Sdistributionofsodiumguidestarlaser
图6钠导星激光光谱
Fig.6Spectraofsodiumguidestarlaser
5 结 论
研制了一台基于PPSLT晶体准相位匹配和频
的钠导星激光器,输出功率为3.09W,和频效率大
于35%,并实现了钠导星激光的光谱与钠原子D
2
线的匹配。这是国内已报道的最高功率水平的钠导
星激光器,也是国内首次利用准相位匹配和频方式
产生钠导星激光。实验结果充分表明准相位匹配和
频在高功率钠导星激光器研制方面有重大潜力,下
一步将提高基频光激光器的功率与光束质量,并优
化耦合缩束系统结构与PPSLT晶体参数,以获得
2310
光 学 学 报30卷
更高功率的钠导星激光输出。
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