全固态连续单频455 nm 蓝色激光与铯原子高能态跃迁吸收线62S1/272P3/2相匹配, 是发展远距离水下量子通讯的重要光源。且455 nm 激光还对应于钡离子138Ba2+的跃迁能级6S1/26P3/2, 应用于量子计算领域, 有利于减小量子计算及精密测量的系统误差。本文设计了内腔倍频式全固态高功率连续单频455 nm 蓝光钛宝石激光器, 优化了激光器谐振腔结构与激光振荡阈值, 采用准相位匹配的MgO:PPSLT晶体作为内腔倍频器, 当绿光泵浦功率为11.5 W 时, 获得了最高输出功率为427 mW 的单频455 nm 蓝色激光, 光光转换效率为3.7%, 蓝光光束质量M2因子优于1.18。

采用Ⅰ类角度匹配的BBO晶体外腔倍频全固态连续单频532 nm绿光激光器,设计了紧凑稳定的四镜环形倍频腔结构,利用腔外偏振锁腔的方式,实现了高光束质量、高转换效率的全固态连续单频266 nm深紫外激光器。泵浦功率为3 W、输出镜在532 nm处定点透射率为2.5％时,获得了最大输出功率810 mW的紫外激光输出,当输出功率稳定在730 mW时,长期功率稳定性3 h内优于±1.5％,光束质量因子M2<1.5。

采用自制的全固态高功率532 nm单频绿光激光器端面抽运布氏角切割的钛宝石晶体, 设计了紧凑、稳定、像散自补偿的嵌入式六镜环形谐振腔结构。通过调节抽运光与振荡光之间的最佳模式匹配关系, 实现了高光束质量、高转换效率的900 nm波段全固态单频可调谐钛宝石激光器。当抽运功率为15 W、输出镜在922 nm处定点透射率为4.5%时, 获得了平均输出功率大于2 W、波长可调谐范围为852~934 nm的宽带可调谐单频红外激光器, 3 h内的功率稳定性优于±0.7%, 光束质量因子M2<1.04。

利用全固态单频绿光激光器作为抽运源抽运钛宝石晶体，采用六镜环形谐振腔结构。在谐振腔内插入I类临界相位匹配的LBO 晶体进行腔内倍频，TGG 晶体和宽带半波片(HWP)组成的光学单向器保证单频运转。加入三片厚度分别为1、2、4 mm 的双折射滤波片组合和一片0.25 mm 的控温标准具片作为调谐元件，实现了高功率单频可调谐461 nm 蓝光钛宝石激光器。在14 W 的抽运功率下，选取LBO 倍频晶体的最佳长度为7.3 mm 时，获得了最大功率为1.02 W 的单频可调谐蓝光输出，中心波长为460.86 nm，3 h 内其长期稳定性优于±1.3%，光束质量得到了明显的改善，其M²因子优于1.59，蓝光最大调谐范围为20 nm。

我们的研究工作从减少增益介质无用热、有效的散热方法、减轻非线性晶体热效应和有效的选模技术四个方面概述了高功率单频激光器研究中需解决的技术问题，并比较了各种技术的优缺点。

通过对钛宝石激光器谐振腔的像散补偿、稳区、模式匹配和调谐元件设计等问题的分析,设计了短腔长、稳定性好的连续单频可调谐钛宝石激光器。利用自行研制的4 W连续单频绿光激光器作为抽运源,在波长为780 nm处获得了670 mW的连续功率输出,其长期功率稳定性优于±0.4%,输出激光的光束质量因子M2<1.1。利用自行设计的锁相环路和电子伺服系统(PI电路)对激光器进行锁定,锁定后在整个波长调谐范围(750-810 nm),钛宝石激光器10 s内的频率稳定性均优于±188 kHz,15 min内的频率稳定性优于±3.28 MHz。

简要介绍了全固态单频激光器在提高输出功率、发展选模和调谐技术、拓展激光波段范围和改善激光器性能等方面的研究进展。

选择低掺杂浓度的Nd∶YVO4/YVO4复合晶体, 设计了V字型热不灵敏折叠式谐振腔, 利用I类非临界相位匹配LBO非线性晶体倍频, 当抽运功率为30 W时, 获得连续单横模绿光最高输出功率12.9 W, 光-光转换效率为43%。当输出功率为11.7 W时, 测量其长期功率稳定性优于±0.83%(自由运转3 h),光束质量传输因子M2小于1.5。

利用光纤耦合输出的半导体激光器(LD)端面抽运Nd:YVO4晶体,激光谐振腔采用四镜环形腔结构,通过KTP晶体内腔倍频,获得了高功率全固态连续单频绿光激光输出。根据临界相位匹配下椭圆高斯光束的倍频理论,通过旋转Nd:YVO4晶体的方向选取合适的基频光偏振方向,使KTP晶体的走离角所在平面与谐振腔弧矢面平行,可提高内腔倍频转换效率。当抽运功率为20 W时,激光器最大单频绿光输出功率达4.8 W。作为对比,控制基频光偏振方向使KTP晶体的走离角所在平面与谐振腔子午面平行时,激光器最大单频绿光输出功率为4.1 W。对比两种情形下的实验结果,激光器的光-光转换效率从21.8%提高到25.5%。

从理论上分析了准三能级系统946nmNd∶YAG全固态激光器运转的条件，并比较了几种不同的倍频晶体的特性，给出内腔倍频获得473nm蓝光发射的方案。用波长808nm、输出功率为2．2W的半导体激光器泵浦Nd∶YAG，采用内腔倍频的方法，在一定的温度下，用Ⅰ类临界相位匹配BIBO晶体倍频获得了473nm26．5mW的单模连续蓝色激光输出，功率波动小于±5%。