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王禹凝¹   田東賀¹   曲大鵬¹   鄭權^1,2

1．長春新產業光電技術有限公司

2．中國科學院長春光學精密機械與物理研究所

波長為589 nm的黃激光可應用于光遺傳學、鈉激光信標、測溫測風激光雷達、激光拉曼、動態核極化、城市景觀、科研及國防軍事等領域。獲得高效率、高光束質量、高穩定性、窄線寬的黃光激光器，是高端應用必然需求。

大家最常用的激光晶體Nd:YAG中，Nd³ 離子具有很強的1064 nm與1319 nm兩條激光發射譜線，進而通過非線性和頻方案，可以很方便地獲得589 nm的黃激光輸出。

采用激光非線性和頻原理獲得589 nm黃光波長主要是利用Nd:YAG晶體的4F11/2→4F11/2和4F11/2→4F13/2兩條躍遷譜線及其相應波長為1064 nm和1319 nm激光進行非線性和頻獲得的。為了使能量有效地從波長為1064 nm和1319 nm的抽運波轉移到波長為589 nm的生成波,在和頻過程必須滿足能量守恒和動量守恒，其中能量守恒可以表示為：

  其中h為普朗克常數，c為光速。

為了得到較高的和頻效率,兩束基頻光的功率需要滿足一定的配比。在理想狀態下，一個1064 nm光子與一個1319 nm光子經過非線性變換，產生一個589 nm光子。因此,腔內1064 nm激光和1319 nm激光功率理論上的最佳配比應該是：

又已知腔內功率可以由下式計算得出：

其中Pout和Pin分別代表激光輸出功率和耦合輸出鏡的反射率，角標i=1064 nm或1319 nm，分別對應著1064 nm和1319 nm激光器的參量。通過選擇兩束激光合適的LD抽運功率配比，就可以保證腔內兩束基頻光在非線性晶體上達到最佳的功率配比，從而提高和頻效率。

采用端面抽運結構，激光腔內含有兩塊激光晶體，圖1紫色左側的激光晶體是1319 nm的激光晶體，雙面鍍1319 nm和808 nm雙增透膜。圖1紫色右側的激光晶體是1064 nm激光晶體，一面鍍1319 nm和808 nm增透膜、1064 nm的高反膜。另一面鍍1319 nm、1064 nm和808 nm增透膜。1064 nm的諧振腔是嵌入到在1319 nm諧振腔的內部，實現激光的共軸輸出。通過諧振腔的特殊設計，在非線性晶體位置處實現了較小的束腰，提高作用在非線性和頻晶體處的峰值功率密度，進一步在諧振腔內插入標準具組，壓窄線寬的同時可實現1064 nm和1319 nm的最佳功率匹配實現589 nm黃光的高效輸出。

圖1  雙波長和頻單諧振腔結構

利用該腔型設計的激光產品具有體積小、光束質量好、轉化效率高等特點，可實現連續體制的單頻和低噪聲輸出，最大功率可實現500 mW，光束質量M²優于1.2，如圖1所示。其結構緊湊的特點便于系統的集成與便攜式設備的開發。適用于光遺傳學、激光拉曼等領域。圖2為單諧振腔589nm激光器。

圖2  單諧振腔589nm激光器

激光模塊采用側面抽運模塊結構，1064 nm和1319 nm諧振腔單獨成腔，可獨立進行抽運功率的控制。M¹和M⁴構成1064 nm諧振腔，M²和M⁴構成1319 nm諧振腔，M³和M⁴是1064 nm和1319 nm諧振腔公共部分，放置激光非線性和頻晶體，將這種諧振腔腔型設計稱為復合腔，如圖3所示。為了提高系統的轉化效率，實現脈沖激光的輸出，在兩諧振腔內分別采用聲光調Q技術提高激光的峰值功率，可實現大于30 W的黃光脈沖激光輸出。進一步插入標準具組壓窄輸出激光線寬，可實現平均功率大于6 W，頻率為5 kHz，波長精確對準到589.159 nm，線寬為4 pm的黃光脈沖激光。

圖3  腔內和頻復合諧振腔結構

利用該腔型設計的激光產品具有結構緊湊、轉化效率高等特點，可實現脈沖體制的高功率和窄線寬激光輸出，589 nm最大功率可實現大于30 W，光束質量M²優于3。適用于動態核極化、城市景觀、科學基礎研究等領域。圖4為大功率復合腔589 nm激光器。

圖4 大功率復合腔589 nm激光器

宏微脈沖鎖模體制是指激光器采用大功率LD巴條脈沖抽運和鎖模技術的結合，實現在一定寬度的宏包絡內部包含由一系列鎖模脈沖序列所組成的鎖模脈沖體制。激光器系統中的1064 nm和1319 nm激光器分別獨立設計，采用激光種子源與放大系統相結合的腔型結構，每個部分的功率可單獨進行控制和調節，進一步將兩高功率光束進行合束后，通過多程非線性和頻系統實現高轉化效率的589 nm黃光激光的輸出。利用該腔型的設計，黃光輸出的平均功率大于25 W，激光中心波長對準至589.159 nm，激光線寬：0.3 GHz ，可實現宏微鎖模脈沖體制下，主脈沖寬度：160 μs，微脈沖縱模間隔：~10 ns，重復頻率：500 Hz，光束質量：M²<1.4，脈寬：900 ps，如圖5所示。

圖5  宏微脈沖鎖模腔外和頻結構

利用該腔型設計的激光產品具有高功率、窄線寬、波長對準、光束質量好、轉化效率高等特點，滿足對波長、線寬、光束質量、高功率和高穩定性等高端要求較高的設備開發，適用于鈉激光信標、測溫測風激光雷達和國防軍事等領域。圖6為大功率宏微脈沖鎖模腔外和頻589nm激光器。

圖6  大功率宏微脈沖鎖模腔外和頻589nm激光器

光遺傳學技術可以幫助科學家在體研究特定組織細胞，如某類神經元細胞的功能，在此基礎上，可進一步分析病理生理情況下這些細胞的生物學功能的變化，并可通過感光刺激影響調節特定神經元細胞的功能。

所以，光遺傳學的研究實際分為兩個步驟：一是光敏感蛋白通過病毒或轉染的手段轉入到基因片段中，比如嗜鹽菌紫質（NpHR）的敏感波長為589 nm，對該波長的激光起光敏反映。二是光源，作為一種工具，其不同顏色可以激發不同敏感蛋白的光敏反映。圖7為光遺傳學原理圖。

圖7  光遺傳學原理圖

研究人員對589 nm黃光激光光源在光遺傳應用中激光參數提出精確的要求：

1）由于是對活體進行研究，光功率強度和寬度要適中（太長的作用時間會破壞細胞組織，造成不可逆的損傷），滿足激發神經元后可以實現光敏反映，控制生物特定的行為。同時也要求激光的功率一致性要好，穩定性要高，采集到生物響應電流數據波動性小，便于科研人員后期提取數據進行分析。

2）同時要求激光器具有調制功能，應具備ms量級的調制相應，在高端領域應用中，為了同時保持激光功率穩定和快的調制速度，通常增加光纖調制器來解決相應問題。

3）要求激光具備光纖耦合輸出，要求激光具備高的光束質量，耦合系統與光纖芯徑、NA值相匹配，實現高效的光纖耦合。光纖作用到神經元的光斑大小需要進行控制，作用到某一個神經元回路上時，可實現較好的行為反映。如果光斑太大，作用到多個神經元回路，同時刺激不同區域的行為，可能導致控制生物行為消失，所以選擇合適的照射面積也是比較重要的。

4）激光器須滿足脈沖幅度調制、變占空比調制、變間隔調制等多步驟程序控制，實現對生物刺激模式的控制。

地面大型望遠鏡的分辨率因受到大氣湍流的干擾無法達到理論上的衍射極限，需要采用自適應光學校正技術對畸變的波前進行補償，以提高成像質量和清晰度。

在觀測較暗的目標時，自適應光學系統工作時還需要一個明亮的點光源才能對大氣進行采樣，一般是在觀測目標附近選取一顆自然星。近些年來迅速發展的激光導星技術可以為大型望遠鏡提供人造導星，大大擴展了望遠鏡的探測范圍和成像質量，已經是國外各地面大型望遠鏡必配的系統。

圖8  自適應光學原理圖

而鈉導引星激光技術是鈉導引星自適應光學系統研制的主要難點之一。望遠鏡自適應光學系統要求激光產生的鈉導引星亮度高、信噪比高、從而實現對大氣造成的波前畸變的高精度探測。圖8為自適應光學原理圖。

對于鈉原子來說，原子可起到一個低通濾波器的作用，即僅考慮宏脈沖下的平均功率，這種宏微脈沖體制不易產生原子飽和的現象，而鎖模微脈沖10 ns的間隔更貼近鈉原子16 ns的熒光壽命，提高激發效率。激光器配合激光發射望遠鏡和地基望遠鏡系統后，在平均功率19 W的條件下，可以實現7.5等星的導星亮度。

本文介紹了全固態和頻589 nm激光器的三種結構和性能，及其目前在光遺傳學和鈉激光信標領域的熱門應用。目前我國連續或脈沖體制下589 nm全固態激光器的激光指標已經取得了不錯的研究成果，并已經產品化。如何采取更好的方法，平衡激光器的各參數指標，提高鈉原子的激發效率，是鈉激光信標研究下一步的重點，同時，也要緊密配合望遠鏡和自適應光學系統實現閉環控制，以達到地基望遠鏡系統的實用化要求。