半导体激光器泵浦的全固态激光器由于具有结构紧凑、电光效率高、寿命长、光束质量好等优点而成为激光技术领域研究的热点^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]}。对于全固态激光器，利用非线性倍频技术可获得新的激光波长，但常用激光晶体仅有有限个数的发射谱线，通过倍频仅可获得与其对应的倍频光输出。这样，实际应用领域需求的某些波段，由于缺少相应的基频光而不能通过倍频方式获得，如580~620 nm波段激光在生物、医疗、显示等领域有着特殊用途。近年来，研究人员开始关注600~610 nm波段激光在皮肤色素性病变治疗中的应用^{[9, 10, 11]}。目前，实际应用的600~610 nm波段激光器主要是染料激光器，它们通常具有体积大、液体处理系统复杂、转换效率较低等缺点。因而，采用全固态激光器实现600~610 nm激光输出引起了人们的广泛关注。

近几年，国内外一些研究小组开始报道利用波长为440~480 nm的蓝光半导体激光器^[12]泵浦掺Pr³⁺晶体实现600~610 nm波段激光输出^{[13, 14, 15, 16, 17]}。2011年，法国研究人员利用444 nm GaN激光二极管泵浦Pr∶BYF晶体，获得功率为78 mW、波长为607 nm激光输出^[13]。2014年，中国研究人员利用443.8 nm InGaN激光二极管泵浦Pr∶YLF晶体，获得功率为200 mW、波长为607 nm激光输出^[17]。2014年，法国Western Bolaos等人利用479.2 nm光泵半导体蓝光激光器泵浦Pr∶YLF晶体，获得功率为150 mW、波长为604 nm激光输出^[15]。然而，上述研究中采用蓝光半导体激光器作为泵浦源，目前直接输出蓝光的半导体激光器输出功率最高仅到瓦级，这使得利用该方法在提升600~610 nm激光输出功率方面受到很大限制。对于全固态激光，实现600~610 nm激光输出的另一种方法是采用非线性和频技术，如利用Nd∶YAG晶体与Nd∶YVO₄晶体分别获得1 112 nm与1 342 nm激光振荡，之后通过非线性和频实现608.1 nm激光输出。相比于蓝光激光器泵浦方式，非线性和频方式采用目前非常成熟的808 nm半导体激光器作为泵浦源，因而在激光输出功率及性能提升方面具有更大的优势。

本文首次报道了采用非线性和频技术实现608.1 nm激光输出。激光谐振腔由两个分臂构成，在谐振腔的两个分臂中，激光二极管分别泵浦Nd∶YAG晶体及Nd∶YVO₄晶体，产生1 112 nm与1 342 nm激光振荡，在谐振腔的交叠区域，利用LBO进行腔内和频。通过谐振腔的优化设计，在泵浦功率分别为600 mW(泵浦Nd∶YVO₄晶体)与740 mW(泵浦Nd∶YAG晶体)时，获得了功率为23.8 mW、波长为608.1 nm激光输出。激光输出光束质量好，噪声低。

实验装置如图1所示，1 112 nm激光谐振腔由Nd∶YAG晶体、平面镜M₁、平凹镜M₂及M₃组成；1 342 nm激光谐振腔由Nd∶YVO₄晶体、平凹镜M₂及M₃组成。两个谐振腔通过M₁实现光路重合，在光路重合部分加入非线性晶体进行和频。Nd∶YAG晶体(尺寸3 mm×3 mm×4 mm，Nd³⁺掺杂浓度：1.0at.%)，泵浦光吸收系数:7.1 cm^-1，一端镀膜使其对1 112 nm高反、808 nm增透、1 064 nm增透，作为1 112 nm谐振腔的一个腔镜；另一端镀1 112 nm增透膜以减少1 112 nm谱线的腔内损耗。Nd∶YVO₄晶体(尺寸3 mm×3 mm×2 mm，Nd³⁺掺杂浓度：1.0at.%)，泵浦光吸收系数:31.2 cm^-1，左端镀膜使其对1 342 nm高反、808 nm增透、1 064 nm增透，作为1 342 nm谐振腔的一个腔镜，右端镀膜使其对1 342 nm增透以减少1 342 nm谱线在腔内的损耗。两支808 nm激光二极管(LD)作为泵浦源，LD出射的光经整形耦合系统^[18]聚焦为半径约为110 μm的泵浦光入射到晶体中。平面镜M₁右端面镀膜使其对15°入射p偏振1 112 nm高反(R＞99.9%)、p偏振1 342 nm增透(T＞99%)；左端面镀膜使其对15°入射1 342 nm增透(T＞99%)；平凹镜M₂曲率半径为50 mm，凹面镀膜使其对1 112 nm/1 342 nm两波长高反(R＞99.9%)、608 nm增透(T＞95%)，平面镀膜使其对608 nm增透(T＞95%)，作为和频光输出镜。平凹镜M₃曲率半径为100 mm，凹面镀膜使其对1 112 nm/1 342 nm/608 nm三个波长高反。为减少色散带来的影响，折叠臂的折叠角尽量小(＜10°)。由于Nd∶YAG晶体的1 112、1 116、1 123 nm三条谱线间隔较小，很难通过镀膜抑制1 116及1 123 nm谱线振荡。实验中，采用插入0.7 mm厚熔石英标准具并精密调节其偏转角度来获得单一1 112 nm激光振荡^[19]。

图  1  实验装置

Figure 1.  Experimental setup

采用上述结构，参与和频的两基频光分别在两个谐振腔中振荡，避免了参与和频的两束光相互影响。同时，采用折叠腔结构，在谐振腔内可获得2个束腰，分别放置激光晶体与非线性和频晶体，可提高泵浦效率及和频转换效率。采用这种结构，和频光从折叠镜输出，不再经过激光晶体，也避免了激光晶体对和频光的吸收。

谐振腔中各部分长度通过ABCD矩阵计算确定，计算中兼顾泵浦光及振荡光的模式匹配。通过计算，取L₁=37 cm、L₂=47 cm、L₃=32 cm。此时，两激光晶体中，1 112与1 342 nm的束腰分别为113与119 μm，略大于泵浦光斑半径，满足模式匹配条件^[20]。图2为折叠臂(M₂~M₃部分)中两光束光斑直径的变化情况(以腔镜M₃为起点)，可见，通过腔参数的选择，在和频晶体内(即束腰位置)两基频光实现了较好的交叠。

图  2  折叠臂中光斑直径变化(以M₃镜为起点)

Figure 2.  Variation of beam diameters in the folded arm(from M₃)

实验选用2 mm×2 mm×10 mm LBO(LiB₃O₅，三硼酸锂)作为和频晶体。LBO晶体是一种性能优异的非线性光学晶体，透光波段范围宽(160~2 600 nm)、光学均匀性好、损伤域值高(1.3 ns脉宽的1 053 nm激光可达10 GW/cm²)、接收角度宽，离散角度小，用于非线性频率变换时，可获得高的倍频及和频转换效率。利用SNLO软件计算获得的LBO晶体在1 342与1 112 nm两波长和频时的各项参数列于表1，表中也给出了目前较为常用的KTP(KTiOPO₄，磷酸钛氧钾)及LIBO(LiB₃O₅，硼酸锂)晶体相应的和频参数。将表中数据对比可以看出：KTP晶体有效非线性系数(d_eff)最大，但其走离角(Walkoff angle)也最大，输出光斑质量较差；LIBO晶体的有效非线性系数较大，走离角是KTP晶体的1/2，但其接 受角较窄。相比之下，LBO晶体虽然有效非线性 系数较小，但其走离角小，接受角宽，在使用较长长度进行非线性和频时，可以在保证较好的光斑质量下同样获得较高的和频转换效率。

式中，γ_SFM为和频参量，取决于材料的非线性性质、参与和频的两束激光的频率以及腔内光束参数。如果确定了谐振腔结构，γ_SFM是一个定值，所以，当参与和频的一束激光的功率P₁固定，而另一束激光功率P₂改变，所产生的和频光功率将随P₂线性变化。

对于1 112与1 342 nm激光和频产生608.1 nm激光的和频过程，1个1 112 nm光子与1个1 342 nm光子作用产生1个608.1 nm光子。因此，高效率的和频要求谐振腔内1 112与1 342 nm的光子数密度之比达到1∶1。本实验中，Nd∶YAG晶体及Nd∶YVO₄晶体分别由两个LD泵浦，通过调节LD的电流可实现对1 112及1 342 nm激光增益的单独调节，使腔内光子数密度之比达到1∶1，提高和频转换效率。

实验中，首先在注入泵浦功率较小且不加LBO晶体时，调节好谐振腔；之后加入LBO晶体，通过仔细调节，可得到608.1 nm橙黄光输出。图3为608.1 nm激光输出功率随注入到两块晶体上的泵浦功率的变化曲线。当两块晶体上的泵浦功率分别为600和740 mW时，获得了功率为23.8 mW、波长为608.1 nm和频光输出。图3中，曲线1是当Nd∶YAG晶体的泵浦功率(P_Nd∶YAG)为740 mW时，波长为608.1 nm激光输出功率随Nd∶YVO₄晶体泵浦功率的变化；曲线2是当Nd∶YVO₄晶体的泵浦功率(P_Nd∶YVO4)为600 mW时，波长为608.1 nm激光输出功率随Nd∶YAG晶体泵浦功率的变化。可以看出，输出曲线整体比较平缓，接近线性。值得注意的是，固定Nd∶YVO₄晶体的泵浦功率为600 mW，当Nd∶YAG晶体的泵浦功率增大到740 mW时，608.1 nm输出功率为23.8 mW。继续增大泵浦功率，608.1 nm输出功率不再有明显增加，呈现饱和甚至功率下降的趋势。出现上述情况的主要原因是当Nd∶YVO₄晶体的泵浦功率一定时，谐振腔内振荡的1 342 nm的光子数密度保持一定数量；当Nd∶YAG晶体的泵浦功率增加时，腔内1 112 nm的光子数密度不断增加，由于非线性和频的过程，腔内的1 342 nm光子被不断消耗；当Nd∶YAG晶体的泵浦功率增加到740 mW时，和频过程使谐振腔内1 342 nm激光的光子被最大限度利用；进一步增大Nd∶YAG晶体的泵浦功率时，虽然谐振腔内的1 112 nm光子增加，但由于缺少1 342 nm光子，和频过程无法进行，608.1 nm和频光输出功率不再增加，同时，在非线性晶体LBO内，新增的1 112 nm光子会与608.1 nm和频光光子相互作用进行差频过程(ω_608.1-ω₁₁₁₂=ω₁₃₄₂)，导致和频608.1 nm激光输出功率降低。此时，若想提高608.1 nm和频光的输出功率，须同时增大Nd∶YVO₄晶体的泵浦功率。

图  3  608.1 nm和频光功率随泵浦功率的变化

Figure 3.  Output power of sum-frequency laser as a function of the pump power at 608.1 nm

采用Ocean Optics公司光谱仪对输出和频激光光谱进行测量，光谱如图4所示，输出激光中心 波长为608.1 nm。

图  4  和频光光谱

Figure 4.  Spectrum of the sum-frequency light

采用快速硅光电二极管接收，并送入高速示波器观察，608.1 nm激光噪声情况如图5所示。经计算，输出的RMS噪声为0.75%。

图  5  608.1 nm输出的噪声情况

Figure 5.  Characteristic of the output noise at 608.1 nm

本文采用腔内和频方式获得608.1 nm激光输出。当泵浦功率为600 mW (对Nd∶YVO₄晶体)及740 mW(对Nd∶YAG晶体)时，获得了功率为23.8 mW、波长为608.1 nm激光输出。输出激光光束质量好，噪声低。结果表明，采取腔内和频是有效获得608.1 nm激光输出的实用方法。