盛泉，付士杰，史伟，姚建铨

天津大学精密仪器与光电子工程学院

引言

510-570 nm绿光波段的激光光源在铜、铝等高反材料的加工以及太阳能电池划片和晶圆退火等热点产业具有非常重要的应用需求，也是诸多前沿科研领域不可或缺的工具。例如铜对1 μm近红外激光的吸收率不到5%，但对绿光吸收超过40%；采用绿光进行加工，可以有效提高加工效率并降低回光和飞溅等因素造成的风险和质量问题。

能够直接发射绿光的激光器包括氩离子激光器、铜蒸汽激光器、染料激光器、氦氖激光器、半导体激光器以及一些掺Er3+、Ho3+、Tb3+、Pr3+的固体/光纤激光器等；基于掺Nd3+或Yb3+的固体/光纤激光器的高功率、高效率近红外基频光结合非线性光学倍频技术，也能够获得高性能的绿光输出。由于功率、效率、成本以及维护性等原因，除半导体绿光激光器在显示领域应用较多之外，倍频绿光是大多数应用的首选。

倍频绿光技术的发展

高功率固体激光器的发展历程先于光纤激光器，在倍频绿光方面也是如此。倍频过程的转换效率在很大程度上依赖于基频光光强，与光纤激光器相比，固体激光器在高能量/峰值功率方面具有优势，在低功率时也可采用内腔倍频方式提高倍频过程的转换效率；而高功率光纤激光器的光谱容易因非线性效应发生展宽，影响倍频效率，其结构特点也使其不便采用内腔频率变换方式。

这些因素决定了早期的倍频绿光多基于固体基频光，特别是高功率情况多采用碟片等结构，典型的结果包括2008年清华大学对端面泵浦Nd:YVO₄MOPA的近红外输出倍频得到了百瓦纳秒绿光；2010年德国通快公司发布了平均功率700 W的内腔倍频纳秒Yb:YAG碟片激光器[1]；2015年德国斯图加特大学基于LBO内腔倍频的Yb:YAG碟片绿光激光器实现了 403W连续波绿光输出[2]，LD泵浦光到绿光输出的光光效率达到40.7%；通快公司在2016年将连续波绿光输出功率提高到1.7 kW，2022年又发布了功率3 kW的绿光产品TruDisk 3022。

然而，随着激光功率的不断提升，固体激光器中的热效应对光束质量的影响不断凸显。例如通快公司的2 kW连续绿光产品TruDisk 2021的BPP为4mmmrad(M²因子~24)。近年来，光纤激光器在功率效率、热管理、光束质量以及光谱和时间特性的灵活性等方面相对固体激光器已显示出优势；随着光纤基频光和倍频技术的发展，上述优势也逐渐在基于光纤基频光的绿光激光器得到体现。

光纤激光器的输出特性与固体激光器存在显著的区别，例如可以实现kW或更高功率的连续波窄光谱线宽输出，但在高峰值功率脉冲运转时光谱会因非线性效应发生展宽等，这些特性决定了光纤基频光倍频的实现方式也与固体激光器有一些差异。

光纤倍频绿光的实现方法和挑战

1.准相位匹配单通倍频的单频绿光激光器

在对稳定性、相干性和光谱线宽有较高要求的应用中往往需要单频光源。以相干公司的Verdi系列激光器为代表的单频固体激光器内腔倍频方案是产生单频绿光的传统主流方法。光纤激光器中信号光场被局限在面积很小的纤芯区域附近，高峰值功率输出能力受限，但却非常适合对低功率单频种子源实现高增益放大，获得稳定的高功率单频基频光输出，进而倍频产生单频绿光。

众所周知，非线性倍频过程的转换效率与基频光光强成正比、与有效非线性系数deff的平方成正比。光纤激光器中不便采取固体激光器中常用的内腔倍频方式提高倍频效率，但在基频光功率较高的情况下，单次通过具有很大deff的准相位匹配(QPM)晶体，也可以实现较高的倍频效率。例如2009年西班牙ICFO的研究人员利用周期极化钽酸锂(PPLT)晶体对29.5 W的单频1 μm光纤基频光单次通过倍频，获得了9.6 W单频绿光输出，如图1(a)，其后该课题组又采用多倍频晶体串接的方法将单通倍频效率提高到55%[3]，如图1(b)、(c)。

图1 ICFO的（a）单晶体、（b）多晶体PPLT单通倍频绿光光路图和（c）照片[3]

与内腔倍频和外腔谐振倍频相比，单通倍频结构更加简单稳定。另外值得注意的是，与固体增益介质相比，光纤具有很宽的发射谱，结合受激拉曼散射等频率变换技术可以产生波长非常灵活的近红外基频光，因此除绿光之外也可获得数瓦到十瓦量级的蓝青、黄橙和红光等可见波段的单频输出，极大拓展了单频激光的波长覆盖范围。

2.外腔谐振倍频绿光激光器

如前所述，基于周期极化晶体的QPM倍频能够实现高效的单次通过倍频，但PPLN、PPLT、PPKTP常用QPM晶体在数十瓦基频光功率下的倍频转换效率会因热效应和光折变等因素发生明显下降。LBO晶体是高功率倍频绿光常用的非线性晶体之一，能够支撑百瓦到kW量级的高功率绿光输出，为弥补其deff较小对倍频效率的限制，研究人员采用外腔谐振增强的方法提高参与倍频过程的基频光功率。

图2（a）和（b）分别为单通倍频和外腔谐振倍频的示意图。把非线性晶体放置在一个谐振腔内，通过控制这个谐振腔的长度（通过高精度反馈控制实现）和入射激光的聚焦参数，使入射激光的频率和模式与谐振腔的纵模和横模相匹配，就能让其在腔内振荡，这样一个高Q值的谐振腔可令腔内参与非线性相互作用过程的激光强度远远超过起初的入射光强，提高非线性过程的转换效率。外腔谐振增强技术多用于对毫瓦或瓦级的低功率入射光实现增强，在倍频、和频、光学参量振荡和拉曼激光器等非线性频率变换技术中均有应用。在高功率领域，IPG公司2012年报道对单频光纤基频光进行外腔谐振倍频获得170 W单频绿光输出的结果，倍频效率达到76%；国内杭州相位激光和上海频准激光等企业也能够提供基于该技术路线的50 W功率水平的产品。

图2 （a）单通倍频和（b）外腔谐振倍频绿光激光器光路示意图[4]

3.LBO单通倍频高功率绿光激光器

通过外腔谐振倍频能够基于光纤基频光产生百瓦以上的单频绿光，但外腔谐振倍频要求基频光是单频线偏振的；限于受激布里渊散射(SBS)效应，单频线偏振光纤激光器很难实现数百瓦以上的输出功率，因而限制了绿光功率；外腔谐振倍频复杂的光路和反馈控制系统也引入了不稳定因素。

与固体基频光相比，光纤基频光的峰值功率较低且不便采用内腔倍频方式，是限制其倍频绿光输出的主要因素。随着窄线宽线偏振光纤激光器输出功率水平的不断突破，高效的LBO单通倍频成为可能。2014年，IPG公司报道对单频半导体种子源进行相位调制使其光谱线宽展宽至25 GHz以抑制SBS，可获得kW级基频光输出；用LBO晶体对其进行单通倍频，实现了功率356 W、倍频效率35%的绿光输出[4]。2020年，Nufern公司报道了对1.8 kW的连续波1064nm基频光单通倍频，绿光输出功率达到1 kW、倍频效率54%，光束质量因子M2仅为1.015[5]。如图3，由于LBO晶体对1 μm基频光I类非临界相位匹配倍频的允许带宽很大(~2300 GHz·cm)，基频光光谱线宽从46 GHz展宽至120 GHz并不会明显影响倍频效率。因此，该技术路线还具有进一步适当展宽基频光谱、提高其功率，以优化倍频效率、得到更高功率的连续波绿光输出的潜力。国内方面，上海光机所也报道了基于该技术途径实现610 W绿光输出的实验结果。

图3 Nufern公司的1 kW连续光纤绿光激光器倍频功率曲线[5]

更高的峰值功率是进一步提高倍频转换效率的关键。IPG公司在上述连续绿光的基础上，让泵浦光以重复频率4 MHz、占空比50%的准连续调制模式工作，相同平均功率下的峰值功率提高了一倍；基频光平均功率1.07 kW时获得了550 W绿光输出，倍频效率超过50%。峰值功率较高的准连续工作模式也可通过对种子源的调制实现：如图4，IPG公司对LD种子源直接调制，得到脉冲宽度1.4 ns(远小于石英光纤~10 ns的声子寿命以抑制SBS)、重复频率150 MHz、占空比21%的脉冲序列；将其平均功率放大至1.03 kW时峰值功率达到4.9 kW，基频光94%的能量集中在0.5 nm (~130 GHz)的光谱宽度内，实现了基频光峰值功率和光谱线宽的平衡，LBO晶体单通倍频获得了平均功率达到700 W的基横模绿光输出[6]，70%的倍频效率达到了不低于常规脉冲固体激光器的水平。

图4 IPG公司的种子源调制700 W准连续光纤绿光激光器光路示意图、基频光谱和波形以及功率曲线[6]

基于这一技术路线，目前IPG公司能够提供平均功率最高2 kW的准连续光纤绿光产品，1 kW产品的M²<1.2（作为对比，通快的1 kW产品BPP为2mm·mrad),插头效率可达25%，尺寸也相当紧凑[7]。图5是IPG公司GLPN-532-QCW高功率准连续绿光激光器照片和光束质量。以深圳公大激光为代表的国内厂商也有类似指标的产品。高效率的单通倍频技术使光纤绿光真正走向了工业应用市场。

图5 IPG公司GLPN-532-QCW高功率准连续绿光激光器照片和光束质量[7]

小结

早期光纤激光器曾被认为不适宜通过非线性光学频率变换技术进行波长拓展、获得高功率高效率的绿光，但随着光纤基频光性能和倍频技术的不断发展，基于光纤激光器的绿光已能够实现百瓦级单频输出和千瓦高功率高光束质量输出。光纤绿光不仅在输出功率上已不弱于固体绿光，在光束质量和插头效率等方面还具有明显的优势，其时间特性和工作波长也更为灵活，为工业和科研应用提供更多可能。

作者简介：

盛泉，天津大学副教授，主要从事单频光纤和固体激光技术方面的研究；

付士杰，天津大学副教授，主要从事单频和中红外光纤激光技术方面的研究；

史伟，天津大学教授，主要从事高功率和窄线宽光纤激光技术和应用的研究；

姚建铨，中国科学院院士，天津大学教授，从事激光和光电子技术方面的研究。