广义琼斯矩阵求解绿光激光器腔内本征态

摘 要：该文在分析了Nd：YVO4晶体光学特性以及KTP倍频晶体的光学特性的基础上，利用广义琼斯矩阵分析了绿光激光器谐振腔内的光场本征态的情形，进而解析诱发激光输出功率高低波动的缘由，且采取加入布氏片的办法解决了由二套本征频率诱发功率高低波动的现象，最终达到提升输出光质量和功率的目标。

关键词：广义琼斯矩阵 本征态 绿光激光器

中图分类号：TN248 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）09（a）-0156-02

LD泵浦的腔内倍频掺Nd3+激光器属于高校可见激光光源的一种，其优点比较明显，主要包含了下面几点：首先输出的光束质量比较好、体积较小、转换能量的效率比较高、使用寿命也比较长。在水下通讯、图像显示、临床医疗以及激光测距等一些方面运用非常广泛。腔内倍频法是截至目前全固态激光器输出绿光的最常用的方法。倍频晶体可在激光谐振腔内实现较高的谐波转换效率。但是实际应用时，给其造成制约的重要因素便是其输出功率有一定起伏，也就是我们平时说的绿光噪声方面的问题。出现这种问题的原因是激光多模连续运转时存在和频以及空间烧孔效应。也就是绿光输出的实际强度随着时间的变化会出现没有规律的波动，从而出现混乱，而激光输出的噪声也比较大，噪声的存在也给其应用造成了一定限制。

该文利用广义琼斯矩阵分析了绿光激光器谐振腔内的光场本征态，并解释了加入布氏片消除引起耦合的本征态，进而获得稳定的输出激光质量。

1 Nd：YVO4晶体光学特性

Nd：YVO4为四方晶体，通过倍频效应可得到457 nm，532 nm，671 nm三种激光。当Nd：YVO4在α轴切割时，在σ方向的吸收和激射较弱，而在π偏振取向上发生最强的吸收和激射。一般采用α轴切割的π偏振光[1]。

Nd：YVO4制作LD泵浦小型固体激光器优点也比较明显，比如其受激辐射截面比较大，损伤阈值比较高、吸收带宽比较宽、吸收系数比较高等。

2 激光倍频原理

倍频实质属于二次非线性效应，是在激光作用下，非线性晶体产生的，让频率是ω的激光横穿晶体，变成频率是2ω的倍频光。若入射光频率为和，新光波频率是，=+时，发生和频效应；=，发生倍频效应。

3 KTP倍频晶体的光学特性

KTP为非线性光学晶体，这种晶体的优点是透光波段较宽、非线性系数比较大、潮解困难、破坏阈值比较高等，所以其在光参量震荡和放大以及激光倍频领域应用的比较广泛，特别是在频率变换领域使用最频繁[2]。

4 “绿光噪声”的消除

想要降低全固态绿光激光器的噪声输出，主要有下面几个手段，首先让激光器单纵模震荡，并且努力减少纵模的实际数量，合理利用调节腔长和频率等手段，让激光器的振幅、纵模个数以及频率都比较稳定，从而降低噪声；其次，通过选择恰当的倍频晶体并选择合适的匹配类型，达到减少纵模之间耦合的目的。

5 腔内基频光本征态

谐振腔由的1个端面M1和球面镜M2组成，如图1所示，内部介入KTPⅡ类匹配倍频晶体，坐标系XYZ满足右螺准则。

（1）腔镜的广义琼斯矩阵。

M1和M2的广义琼斯矩阵为，r为腔镜强度反射系数；为4×4矩阵。

（2）Nd：YVO4的广义琼斯矩阵。

从（3）式看出，KTP介入使腔内基频光的线偏振态发生变化，在M1处横向分裂成上端是沿x，y轴的线偏振光，底端只有沿x轴的线偏振光。图2所示为本征频率。可看出，倍频光的功率发生起伏。

6 加入布氏选频法

实验时，Nd：YVO4和KTP之间加入布氏片，如图3所示。

若想实现选频，需让某些纵模损耗几乎为零，而某些纵模的损耗使它不能振荡的效果，当时，返回BP的光与原来的纵模相同，没有损耗，不满足条件的损耗不为零，布氏片就达到了选频功能[3]。

用示波器观察，无布氏片时如图4a所示，存在多套纵模，对应噪声较大，如图4b所示。加入布氏片，如图4c所示，对应噪声较小，如图4d所示，此时激光输出稳定。

7 结语

广义琼斯矩阵法计算光场本征态，分析得出谐振腔内本征频率，其原因是KTP的存在，使基频光发生横向分裂，因而导致激光输出功率出现起伏，要解决此问题，需要借助布氏片的选频，使其中一个损耗较大，抑制振荡，选择出一套本征频率，解决了输出功率起伏的难题。

参考文献

[1] 何京良，冯宝华.全固态瓦级连续绿光激光器[J].China Academic Journal Electronic Publishing House，1997，9（26）：557-558.

[2] 霍玉晶，何淑芳，段玉生，等.LD抽运的高性能微型绿光激光器[J].中国激光，2000，27（7）：586-588.

[3] 郑权，赵岭，檀慧明，等.用布式片实现有效连续和单频绿光输出[J].中国激光，2002，29（9）：770-772.