紫外激光器、深紫外激光器在军事、工业、医学、印刷等方面有着广泛的应用,使用绿光作为泵浦源是产生紫外、深紫外激光最有效、最广泛的方法。

(1)上转换泵浦发射绿光激光在固体材料中掺入稀土离子,用半导体激光器或其他光源泵浦,直接利用稀土离子的能级跃迁而产生绿光激光。此种方法基于上转换效应,亦即激射光波长小于泵浦光波长。稀土离子的上转换发光机制一般可以分为激发态吸收、能量转移和光子雪崩三种过程。

(2)半导体激光器直接发射绿光激光半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的PN结或PIN结为工作物质的一种小型化激光器。半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式、光泵式和高能电子束激励式。按照波长

和应用领域,半导体激光器大致可分为长波长和短波长两种。在短波长一侧,由于材料制备和器件工艺方面的困难,半导体绿光激光器的研究进展一直比较缓慢,很长时间没有达到实用化程度。

(3)非线性光学晶体倍频方法这是实现绿光激光较常用的方法。这种方法可分为直接法和间接法。直接法就是将半导体激光直接输入到波长变换元件上,倍频后得到绿光激光输出。这种方法特点是结构简单、倍频容易,而且变换频率高,但输出的绿光激光线宽较宽,波长稳定性差。间接法又可分为两种:a、利用半导体激光泵浦Nd3+、Er3+等稀土离子激活的固体激光器,然后再经过波长变换元件实现倍频。这种方法在结构上较为复杂,但可以得到好的激光光谱和波束特性。另外这种方法还可以利用固体激光器能级寿命长的优点,实现能量积累,从而得到高能量激光输出。b、利用既可发射激光、又可以同时实现波长变换的自倍频晶体材料实现激光输出,例如钱和氧化镁共掺的妮酸钾和硼酸钦忆铝以及KTP:Cr。

全固态激光器正朝着多波长方向发展,其中LD泵浦全固态绿光激光器发展迅猛,在各领域应用广泛。

在医疗方面的应用

由于人眼对绿光最为敏感,532ITm波长的脉冲激光可用于眼科手术;该脉冲绿光亦可用于治疗血管性疾病,设计制造输出功率为3W的532nm调Q脉冲激光器用来治疗中风。脉冲绿光激光器因其功率高,所以对皮肤的作用时间相对较短,这样激光不会对目标组织周围的皮肤组织产生非选择性加热,从而不会导致热损伤,降低了手术危险性。

在彩色显示领域的应用

与其它显示光源相比,激光显示技术具有色域宽、色纯度高、显示画面尺寸灵活可变、无有害电磁射线辐射等独特优点,可用于家庭影院、数码影院、超大屏幕投影、公众信息大屏幕以及教学演示、虚拟现实模拟等众多领域,成为家庭及室外未来首选的视频显示设备。激光显示的图像比现有彩色电视色彩更丰富、颜色更鲜艳,能反映自然界的真实色彩,甚至能显示虚拟颜色,所以大功率三基色全固态激光器作为激光彩色显示的关键技术,己成为当前国际激光领域研究的一个重大发展方向。

在激光精密加工的应用

绿光激光由于其亮度高、聚焦光斑小、作用时间短、热影响区小、工件不会因加工而产生大的形变等优点,可以对一些硬度高、脆性大的材料进行加工,在精密加工中显示出它独特的优越性。除此之外,激光在电子工业中也得到广泛应用,可以用来调整微型电阻的阻值。随着激光器性能的改善和新型激光器的出现,激光在超大规模集成电路方面的应用已经成为许多其他工艺所无法取代的关键技艺,为超大规模集成电路的发展展现出令人鼓舞的前景。

作为激光泵浦源

紫外激光器、深紫外激光器在军事、工业、医学、印刷等方面有着广泛的应用,使用绿光作为泵浦源是目前产生紫外、深紫外激光最有效、最广泛的方法。LD泵浦的固体激光器可以作为飞秒激光器的泵浦源,如用绿光激光器作为泵浦源,泵浦Ti:Al2O晶体产生飞秒脉冲。另外,绿光激光器还可作为参量振LD泵浦全固体连续绿光激光器荡器的泵浦源。除此之外,全固体绿光激光器还在光存储、信息处理、激光光谱与全息、相干通讯、激光娱乐、激光雷达、干涉测量、光学数据存储、军事工业等领域也有着广泛的应用。因此,全固体绿光激光器具有十分重要的科学研究价值和广阔的应用前景。

第一台全固态小型绿光器件是利用线列发光二极管泵浦Nd:YAG和妮酸钡钠晶体倍频得到的,重复频率100Hz,平均功率为2mw。此后,国外LD端面泵浦腔内倍频全固体绿光激光器的研究进展迅速。

在连续绿光方面,1999年日本T.Kojima等人将谐振腔改为四镱z型折叠腔,YAG双棒串接,获得光束质量较好的连续稳定的绿光输出,功率为27w,M等于8;当输出为TEM00模时,最大功率为16w,对应的光一光转换效率分别为8.2%和4.8%,这是采用棒状工作物质的传统全固态绿光激光器的最高功率。2001年,D.Yshen等人又采用二极管端面泵浦Nd:GdvO4服TP,直腔结构,在注入功率为8.4W时,532nln的功率输出达到1.95W,光一光转换效率为23.2%。同年,P.De球er等人利用自倍频晶体Yb:YAB实现了1.1w连续绿光输出,光一光转换效率为10%,这是当时自倍频晶体输出绿光达到的最高功率,M为1.2。2004年,推出了18w的全固态连续绿光激光器,采用Nd:YVO在BO组合,环行腔结构,输出单纵模绿光,不仅避免了“多纵模竞争噪声”成为“安静”的商用化高功率激光器,同时得到了最高的泵浦转换效率,成为长期稳定性最高的固体激光器。2005年,XiaoyuanPeng等人采用Nd:YLF晶体和临界相位匹配的LBO倍频晶体,采用双端泵浦,实现了20.5W的527lun激光输出,MZ=1.2,相应的光一光转换效率为342%,绿光的功率不稳定性小于1%。ELs公司开发的MonoDisk-515-MP系列全固态disk激光器实现了50w的5巧nIn连续绿光输出,MZ<1.1。

在准连续绿光方面,2000年SusumuKonno等人采用双棒L型腔,当泵浦功率为800W、重复频率10kHZ时,用LBO晶体腔内倍频单端输出138W的绿光;2001年,美国LLNL的chang等人报道,他们采绿光激光器的用途和实现方法.

绿光在生物、工业、印刷、医疗、存储、显示和军事等方面具有广泛的应用。在医学治疗方面比较常用的是脉冲绿光激光器(优点是功率高、所需的作用时间短、危险性低),在眼科手术中之所以选择绿光是因为人眼对该谱段的光最敏感,例如比较常见的是用于治疗近视的手术中;同时可用来治疗前列腺、血管性、新生儿高胆红素血症等疾病。在光存储方面,由于光存储密度和光波长的二次方成反比,所以缩短波长是提高光存储密度的有效途径,相比之前常用红外和近红外波段,采用绿光作为光存储的光源能极大提高光存储密度。在显示方面,目前好多激光笔都采用绿光激光器,2009年广州生产的激光笔对电脑的遥控距离可以达到20m左右。在工业方面,掺镱绿光脉冲光纤激光器峰值功率极高,可用于打标、焊接、雕刻等领域。在军事上绿光激光器可用来做激光制导、激光防空等。

绿光激光器的实现方法

对于绿光激光器来说,绿光的获得有几种方法:

(a)非线性效应实现频率变换:可通过对固体激光器例如Nd:YAG或者Nd:Yvo4输出的波长为IO64Iun的激光用非线性晶体倍频获得532nrn的绿光输出或者对掺Yb3+或N子+离子的光纤激光器输出的1.0-1.2um波段的激光用非线性晶体倍频得到绿光输出。国外在固体绿光激光器方面的研究和产业化方面都相当成熟,例如2005年,日本的T.Kojima等人获得了400w的绿光输出,同年中科院物理所采用折叠腔输出了平均功率为121w的绿光。国外在绿光光纤激光器方面的发展较快,2000年英国采用掺镱的光纤放大器用KTP晶体倍频后获得了6w的绿光输出,2009年日本的Momokoaka等人采用两块倍频DKDP晶体对大数值孔径Nd:glass激光器进行频率变换得到了75的脉冲绿光输出。国内则相对缓慢一些,2004年上海光机所对掺镱光纤激光器用PPLN晶体倍频输出59mw的绿光。2007年天津大学的采用PPKTP晶体对输出为lo64nln的光纤激光器倍频得到绿光的输出功率为0.14mw。国内在掺钦绿光光纤激光器尚不是很成熟,所以对其进行研究就显得很有意义。而且相比目前发展很成熟的固体绿光激光器,光纤激光器具有效率高、散热好、体积小、闭值低、可调谐、线宽窄和结构紧凑等优点。伪)对输出波长为近红外的半导体激光器(倍频或和频I`.40]:加07年德国研制成功了Ti:Sapp址re半导体激光器和另一个中红外半导体激光器通过BBO和频输出了波长为527nln的绿光[l.4刀。国内在2001年由中科院上海技术物理研究所的红外物理国家实验室采用KLN晶体对Ti:Sapphire半导体激光器输出的820-960nln的激光倍频获得蓝绿光的输出。相比(a)方法,该方法的缺点是输出激光的光束质量较差。

在激光二极管泵浦固体激光器中,一个重要的研究方向就是开展二极管泵浦的绿光激光器件的研制,由于它在信息、娱乐、加工等产业及军事、科研等领域是关键的新一代光源,美国、法国、日本等国家均投巨资研究开发高平均功率的激光二极管泵浦绿光固体激光器,近几年在国际上成为竞相研究开发的热点。

获得绿光光源的方法有许多,其中氢离子气体激光器能够直接产生蓝绿激光光源,连续输出功率可以达到几十瓦,但是氢离子激光器的电源体积庞大,设备复杂,需要外设多,效率低;铜蒸汽激光器也是产生高功率黄绿激光器的一种重要方法,它可以输出百瓦级的平均功率,重复频率可以达到100kHz,但是由于铜蒸汽属于重金属有毒,而且体积特别大,电源复杂。随着非线性光学频率变换技术的发展,采用非线性倍频获得高功率的绿光光源成为可能。

从二十世纪六十年代到八十年代期间,人们利用各种非线性晶体材料进行内腔倍频Nd:YAG激光器以获得绿光光源。1968年,J.E.Geusic等人利用非线性晶体内腔倍频实现输出功率为1.IW的绿光;1982年,Y.5.Liu等人采用11类相位匹配的KTP,在调Q内腔激光器中,获得重复频率为5kHz输出平均功率为5.6W的绿光;1983年姚建锉院士}'5},利用3.7mm长的KTP晶体内腔倍频IO64nm激光获得平均功率为11w的绿光,重复频率为2.skHz,是当时国际最高水平;到1986年,T.M.Baer日用GaAIAs激光二极管泵浦Nd:YAG内腔倍频获得几十mw的绿光输出,开创了全固态绿光激光器的先河。同年,山东大学晶体所利用助溶剂法生长出42.5 13.6Inm的大尺寸KTP晶体,结束了美国对我国倍频晶体的出口限制。1987年,姚院士领导的课题组利用国内生产的KTP晶体内腔倍频技术获得了平均功率为34W的国际最高水平。

进入二十世纪九十年代,具有寿命长、可靠性高、体积小、效率高等优点的高功率、高重复频率全固态绿光激光器得到了空前的发展。法国的B.J.Le采用30个连续二极管激光器侧面泵浦单棒,在Z型腔中用KTP晶体内腔倍频,双端输出重复功率27kHz,106w的高功率绿光,电光转换效率为5.4%1998年Ericc.Honea娜j等人采用端面泵浦、双调Q以及v型腔内腔倍频技术,实现140w绿光输出,是目前端面泵浦获得绿光最高功率;同年,美国的Chang等人报道,他们采用自行研制的ePe聚光腔,当二极管侧面泵浦功率为1180W时,实现451W的连续基频激光输出,采用L型谐振腔,LBo晶体腔内倍频,实现了182w的13kHz绿光输出阵'];1999年日本的T.Kojima等人采用四镱z型谐振腔获得光束质量较好的连续稳定的27W绿光输出;2004年韩国的Jonghoony采用z型腔实现398w泵浦功率下输出lo1w的绿光,光光转换效率为25.4%,是目前较高的转换效率。

随着国产半导体激光器质量的提高以及国外半导体激光器价格的降低,国内全固态高功率绿光激光器的研究也有了极大的进展。2000年,中科院物理所与山东师范大学用LD双向抽运Nd:YVO4晶体,KTP腔内倍频,获得最大连续波绿光输出8.8w,光一光转换效率达31.50/01241;2002年,天津大学等单位研制了高功率Nd:YAG倍频绿光激光器,获得532lun绿光输出20w少];2003年,天津大学激光与光电子研究所采用美国CEO公司的1600W半导体抽运组件,在抽运电流为18.4A,声光重复频率20.7妞z时,·获得了功率达104W的高功率、高重复频率532nm绿光输出,脉冲宽度小于130ns,倍频效率约为50%,不稳定度小于1%晰l;2006年,王暖让等采用U型腔,双声光Q开关、双Nd:YAG晶体棒、单KTP晶体、双端输出获得了重复频率为10kHz,脉冲宽度优于49ns,输出功率为138W的高功率、高重复频率、窄脉宽绿光输出四;姚震宇等采用KTP晶体倍频的L型腔半导体抽运Nd:YAG激光器,获得了双端162w的调Q绿光输出。