589 nm黄光激光器，高端应用的必然需求

王禹凝¹   田东贺¹   曲大鹏¹   郑权^1,2

1．长春新产业光电技术有限公司

2．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

波长为589 nm的黄激光可应用于光遗传学、钠激光信标、测温测风激光雷达、激光拉曼、动态核极化、城市景观、科研及国防军事等领域。获得高效率、高光束质量、高稳定性、窄线宽的黄光激光器，是高端应用必然需求。

大家最常用的激光晶体Nd:YAG中，Nd³ 离子具有很强的1064 nm与1319 nm两条激光发射谱线，进而通过非线性和频方案，可以很方便地获得589 nm的黄激光输出。

· 全固态和频589 nm激光器的原理

采用激光非线性和频原理获得589 nm黄光波长主要是利用Nd:YAG晶体的4F11/2→4F11/2和4F11/2→4F13/2两条跃迁谱线及其相应波长为1064 nm和1319 nm激光进行非线性和频获得的。为了使能量有效地从波长为1064 nm和1319 nm的抽运波转移到波长为589 nm的生成波,在和频过程必须满足能量守恒和动量守恒，其中能量守恒可以表示为：

  其中h为普朗克常数，c为光速。

为了得到较高的和频效率,两束基频光的功率需要满足一定的配比。在理想状态下，一个1064 nm光子与一个1319 nm光子经过非线性变换，产生一个589 nm光子。因此,腔内1064 nm激光和1319 nm激光功率理论上的最佳配比应该是：

又已知腔内功率可以由下式计算得出：

其中Pout和Pin分别代表激光输出功率和耦合输出镜的反射率，角标i=1064 nm或1319 nm，分别对应着1064 nm和1319 nm激光器的参量。通过选择两束激光合适的LD抽运功率配比，就可以保证腔内两束基频光在非线性晶体上达到最佳的功率配比，从而提高和频效率。

· 不同腔型设计的黄光激光器，

性能各异

1

单谐振腔双波长和频589 nm激光器

采用端面抽运结构，激光腔内含有两块激光晶体，图1紫色左侧的激光晶体是1319 nm的激光晶体，双面镀1319 nm和808 nm双增透膜。图1紫色右侧的激光晶体是1064 nm激光晶体，一面镀1319 nm和808 nm增透膜、1064 nm的高反膜。另一面镀1319 nm、1064 nm和808 nm增透膜。1064 nm的谐振腔是嵌入到在1319 nm谐振腔的内部，实现激光的共轴输出。通过谐振腔的特殊设计，在非线性晶体位置处实现了较小的束腰，提高作用在非线性和频晶体处的峰值功率密度，进一步在谐振腔内插入标准具组，压窄线宽的同时可实现1064 nm和1319 nm的最佳功率匹配实现589 nm黄光的高效输出。

图1  双波长和频单谐振腔结构

利用该腔型设计的激光产品具有体积小、光束质量好、转化效率高等特点，可实现连续体制的单频和低噪声输出，最大功率可实现500 mW，光束质量M²优于1.2，如图1所示。其结构紧凑的特点便于系统的集成与便携式设备的开发。适用于光遗传学、激光拉曼等领域。图2为单谐振腔589nm激光器。

图2  单谐振腔589nm激光器

2

大功率复合腔内和频589 nm激光器

激光模块采用侧面抽运模块结构，1064 nm和1319 nm谐振腔单独成腔，可独立进行抽运功率的控制。M¹和M⁴构成1064 nm谐振腔，M²和M⁴构成1319 nm谐振腔，M³和M⁴是1064 nm和1319 nm谐振腔公共部分，放置激光非线性和频晶体，将这种谐振腔腔型设计称为复合腔，如图3所示。为了提高系统的转化效率，实现脉冲激光的输出，在两谐振腔内分别采用声光调Q技术提高激光的峰值功率，可实现大于30 W的黄光脉冲激光输出。进一步插入标准具组压窄输出激光线宽，可实现平均功率大于6 W，频率为5 kHz，波长精确对准到589.159 nm，线宽为4 pm的黄光脉冲激光。

图3  腔内和频复合谐振腔结构

利用该腔型设计的激光产品具有结构紧凑、转化效率高等特点，可实现脉冲体制的高功率和窄线宽激光输出，589 nm最大功率可实现大于30 W，光束质量M²优于3。适用于动态核极化、城市景观、科学基础研究等领域。图4为大功率复合腔589 nm激光器。

图4 大功率复合腔589 nm激光器

3

大功率宏微脉冲锁模腔外和频589 nm黄光激光器

宏微脉冲锁模体制是指激光器采用大功率LD巴条脉冲抽运和锁模技术的结合，实现在一定宽度的宏包络内部包含由一系列锁模脉冲序列所组成的锁模脉冲体制。激光器系统中的1064 nm和1319 nm激光器分别独立设计，采用激光种子源与放大系统相结合的腔型结构，每个部分的功率可单独进行控制和调节，进一步将两高功率光束进行合束后，通过多程非线性和频系统实现高转化效率的589 nm黄光激光的输出。利用该腔型的设计，黄光输出的平均功率大于25 W，激光中心波长对准至589.159 nm，激光线宽：0.3 GHz ，可实现宏微锁模脉冲体制下，主脉冲宽度：160 μs，微脉冲纵模间隔：~10 ns，重复频率：500 Hz，光束质量：M²<1.4，脉宽：900 ps，如图5所示。

图5  宏微脉冲锁模腔外和频结构

利用该腔型设计的激光产品具有高功率、窄线宽、波长对准、光束质量好、转化效率高等特点，满足对波长、线宽、光束质量、高功率和高稳定性等高端要求较高的设备开发，适用于钠激光信标、测温测风激光雷达和国防军事等领域。图6为大功率宏微脉冲锁模腔外和频589nm激光器。

图6  大功率宏微脉冲锁模腔外和频589nm激光器

·589 nm黄光激光器，

高端应用的必然选择

1

在光遗传学的应用

光遗传学技术可以帮助科学家在体研究特定组织细胞，如某类神经元细胞的功能，在此基础上，可进一步分析病理生理情况下这些细胞的生物学功能的变化，并可通过感光刺激影响调节特定神经元细胞的功能。

所以，光遗传学的研究实际分为两个步骤：一是光敏感蛋白通过病毒或转染的手段转入到基因片段中，比如嗜盐菌紫质（NpHR）的敏感波长为589 nm，对该波长的激光起光敏反映。二是光源，作为一种工具，其不同颜色可以激发不同敏感蛋白的光敏反映。图7为光遗传学原理图。

图7  光遗传学原理图

研究人员对589 nm黄光激光光源在光遗传应用中激光参数提出精确的要求：

1）由于是对活体进行研究，光功率强度和宽度要适中（太长的作用时间会破坏细胞组织，造成不可逆的损伤），满足激发神经元后可以实现光敏反映，控制生物特定的行为。同时也要求激光的功率一致性要好，稳定性要高，采集到生物响应电流数据波动性小，便于科研人员后期提取数据进行分析。

2）同时要求激光器具有调制功能，应具备ms量级的调制相应，在高端领域应用中，为了同时保持激光功率稳定和快的调制速度，通常增加光纤调制器来解决相应问题。

3）要求激光具备光纤耦合输出，要求激光具备高的光束质量，耦合系统与光纤芯径、NA值相匹配，实现高效的光纤耦合。光纤作用到神经元的光斑大小需要进行控制，作用到某一个神经元回路上时，可实现较好的行为反映。如果光斑太大，作用到多个神经元回路，同时刺激不同区域的行为，可能导致控制生物行为消失，所以选择合适的照射面积也是比较重要的。

4）激光器须满足脉冲幅度调制、变占空比调制、变间隔调制等多步骤程序控制，实现对生物刺激模式的控制。

2

在钠导星方面的应用

地面大型望远镜的分辨率因受到大气湍流的干扰无法达到理论上的衍射极限，需要采用自适应光学校正技术对畸变的波前进行补偿，以提高成像质量和清晰度。

在观测较暗的目标时，自适应光学系统工作时还需要一个明亮的点光源才能对大气进行采样，一般是在观测目标附近选取一颗自然星。近些年来迅速发展的激光导星技术可以为大型望远镜提供人造导星，大大扩展了望远镜的探测范围和成像质量，已经是国外各地面大型望远镜必配的系统。

图8  自适应光学原理图

而钠导引星激光技术是钠导引星自适应光学系统研制的主要难点之一。望远镜自适应光学系统要求激光产生的钠导引星亮度高、信噪比高、从而实现对大气造成的波前畸变的高精度探测。图8为自适应光学原理图。

对于钠原子来说，原子可起到一个低通滤波器的作用，即仅考虑宏脉冲下的平均功率，这种宏微脉冲体制不易产生原子饱和的现象，而锁模微脉冲10 ns的间隔更贴近钠原子16 ns的荧光寿命，提高激发效率。激光器配合激光发射望远镜和地基望远镜系统后，在平均功率19 W的条件下，可以实现7.5等星的导星亮度。

结束语

本文介绍了全固态和频589 nm激光器的三种结构和性能，及其目前在光遗传学和钠激光信标领域的热门应用。目前我国连续或脉冲体制下589 nm全固态激光器的激光指标已经取得了不错的研究成果，并已经产品化。如何采取更好的方法，平衡激光器的各参数指标，提高钠原子的激发效率，是钠激光信标研究下一步的重点，同时，也要紧密配合望远镜和自适应光学系统实现闭环控制，以达到地基望远镜系统的实用化要求。

封面来源：htpow.com