文/亓玉凯，青岛镭视光电科技有限公司

什么是激光倍频？

激光倍频也称二次谐波（SHG），是利用非线性晶体在强激光作用下的二次非线性效应，使频率为ω的激光通过晶体后变为频率为2ω的倍频光，也是首个在实验上被观测到的非线性光学效应。

1961年，美国密歇根大学的Franken等人发现红宝石激光(694.3 nm)通过石英晶体后产生了一条波长为347.15 nm的新谱线[1]，新产生的光的频率正好是原入射光的两倍，也就是光倍频现象。这不同于以往的线性光学现象，标志着非线性光学的开端。

图1 Franken实验原理图

激光倍频技术大大扩展了激光的波段，是将激光向短波长方向变换的主要技术方法。激光倍频在激光技术中被广泛采用，为得到波长更短的激光可多级倍频，目前已达到实用化的程度，并且有商品化的器件和装置，具有非常广泛的应用。

自倍频晶体

自倍频激光晶体是通过在非线性光学晶体中掺入激活离子（通常是Nd3+或Yb3+），使其同时具有激光发射和非线性光学倍频两种功能，在产生红外波长的基频光的同时对其进行倍频。

典型的自倍频晶体有掺杂钕离子的四硼酸铝钇（NYAB）、掺杂镱离子的四硼酸铝钇（Yb:YAB）、掺杂钕或镱离子的硼酸钙氧盐（Nd/Yb:RECOB）等晶体。

NYAB晶体

用半导体激光器（LD）抽运NYAB晶体最高可获得225 mW的自倍频绿光输出（光光转换效率为14％），而用钛宝石作为抽运源绿光输出功率可提高到450 mW[2]。但是，NYAB晶体的不均匀性很难通过改善晶体生长条件或其它措施来解决，极难获得高光学质量的单晶。除此之外，NYAB晶体在530 nm倍频光处存在较强的吸收，不利于自倍频绿光的产生。这使得NYAB自倍频激光器的应用受到限制。

Yb:YAB晶体

Yb:YAB晶体的主吸收峰在976 nm处，用功率11 W的LD抽运Yb:YAB晶体，可获得4.3 W的基频光波输出（斜效率为48％），最终实现了1.1 W的自倍频绿光输出（光光转换效率为10％）[3]。Yb:YAB晶体采用助熔剂法生长，生长速度慢、尺寸小、均匀性较差。除晶体本身缺陷外，Yb:YAB晶体的转换效率较低也限制了其广泛应用。

Nd/Yb:RECOB 晶体

硼酸钙氧盐（RECOB）晶体是20世纪90年代后期发展出来的一类新型晶体，可用提拉法生长较大尺寸、较高质量的单晶，是一种优良的非线性光学晶体。该类晶体掺稀土激活离子后可以实现高效基频激光输出，从发现以来就成为激光自倍频领域研究的重点。法国固体化学实验室的Aka等人用LD抽运主平面切割的Nd:GdCOB晶体，实现了115 mW自倍频绿光输出（效率小于10%），输出功率和激光效率较低，不能满足实用化要求。

国内山东大学在Nd:GdCOB和Yb:YCOB晶体制备和自倍频特性研究中取得重大突破，获得了十瓦级的激光自倍频输出。在此基础上，实现了激光自倍频晶体元件和激光自倍频绿光器件模组的商品化生产，并已获得广泛应用。其中，基于Nd:GdCOB晶体的“硼酸盐激光自倍频晶体制备技术及其小功率绿光激光器件商品化应用”项目获得2012年国家技术发明二等奖。

图2 Yb:YCOB晶体

自倍频晶体的特点

自倍频晶体同时具备激光发射和非线性光学倍频效应两种功能。基于自倍频晶体制作的全固态激光器有着结构简单、体积小、成本低、结构紧凑、稳定性高等优点,在激光器的小型化方面有着良好的应用前景。同时Yb:YCOB晶体的荧光光谱在1000-1200 nm谱段，有多个激光发射峰，通过优化抽运源和Yb:YCOB晶体的端面镀膜，可实现多个波长激光稳定输出。

图3 自倍频激光器与胶合晶体激光器原理图

图3展示了自倍频晶体激光器与传统胶合晶体激光器的差异，因自倍频晶体同时具有激光和倍频效应，所以单块晶体便可实现绿光或黄光（500-600 nm）激光输出。

图4 自倍频晶体激光器温宽测试

图4展示了自倍频晶体温度带宽测试曲线，它具有优良的宽温稳定性，在-30℃~50℃范围内性能稳定，适合很多特种应用。

图5 Yb:YCOB荧光光谱

图5是Yb:YCOB荧光光谱，此晶体可稳定输出的波长:510 nm、530 nm、537 nm、545 nm、555 nm、561 nm、570 nm、589 nm。

山东大学与青岛镭视光电科技有限公司合作，国际上首次实现了自倍频绿光激光晶体及模组的商品化和自倍频黄光激光的研发，已经在军民两用的众多产品中获得实用，产生了良好的社会和经济效益。

自倍频激光晶体的应用

黄绿光激光（500-600 nm）处于人眼敏感区域，在医疗DNA 检测、荧光生化检测、工业标示、科研、激光显示等领域有重要的需求和应用。

自倍频黄光激光器在激光标示应用中的优势

图6 明视觉人眼视效函数

图6显示了明视觉人眼的光谱光视效率（明视觉:与暗视觉相对，是不同频率的光刺激在两种亮度范围内作用于视觉器官而产生的视觉现象），波峰位于555 nm。基于自倍频晶体制作的555 nm激光器在激光标示、指示等应用场景下，有明显优势。

自倍频黄光激光器在医疗应用中的优势

自倍频黄光应用于血痕测定

图7 氧合血红蛋白（HbO2）和血红蛋白（Hb）吸收光谱对比图

从图7可以看出，418 nm是HbO2最大的吸收峰值，如果只考虑吸收能力，这一波长的激光无疑是最理想的，但418 nm激光的穿透能力差，达不到皮肤真皮的多数血管组织，而且418 nm激光还能被皮肤中的黑色素很好地吸收，有可能造成术后皮肤色素减退等问题。

HbO2在542 nm、577 nm处，Hb在555 nm处与HbO2在418 nm处相比，尽管激光吸收峰值相对较小，但555 nm穿透性较好，且黑色素对它们的吸收不如418 nm那样多，故黄绿激光是治疗血管性病变理想的激光波长。

555 nm波长是人体血红蛋白原型（Hb)的吸收峰，可用于CO中毒的快速检测；555 nm光源是血色原微量分光法主波长之一，可用于血痕的高灵敏度测定[4]。

自倍频510 nm激光器应用于光动力治疗鲜红斑痣

图8 海南301医院使用510 nm 10 W激光器

光动力治疗鲜红斑痣常用药物为国家化学1.1类新药-海姆泊芬。海姆泊芬最佳吸收波长在510 nm附近，山东大学与青岛镭视合作开发的10 W@510 nm激光器目前在海南301医院使用。

自倍频激光器应用于激光显示

激光显示作为第四代显示技术，具有色域空间大、色彩表现强、节能环保、使用寿命长、对人眼损害小等优点。自倍频黄绿色激光是激光显示中重要组成部分。

除了应用于目前传统的RGB激光合光外，自倍频黄光激光可直接同蓝光激光合光得到白色激光。相较于目前应用较多的蓝色激光激发荧光粉或激光陶瓷，因荧光粉或激光陶瓷发光面较大，破坏了激光原有较小的光束参数积（BPP）。自倍频晶体黄光激光与蓝色激光合束，可得到BPP较小的白色激光。

图9展示了目前常用的显示技术CRT、LCD、LED 和 LASER的色域范围。可以看到相对传统的显示方案，激光显示的色域覆盖率更大，色彩重现能力更强，色彩饱和度更高。

图9 不同显示光源色域范围

小结

自1960年第一台激光器诞生以来，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且产生了激光这一新兴产业。随着非线性光学效应的发现，人们发现采用倍频技术可实现红外激光的高效上转换，更推动了可见激光的发展和应用。

激光自倍频晶体技术经过多年的理论发展和技术进步，在500-600 nm这一波段的激光产生上有着突出的特色和优势。同时因其技术特点，自倍频晶体激光器具有结构简单、体积小、成本低、结构紧凑、稳定性高、输出波长多等优点。在激光标示、激光医疗、激光显示等应用场景中有广泛应用。

参考文献

[1]Franken, P.A., Hill, A.E., Peters, C.W. and Weinreich, G. (1961) Generation of Second Harmonic. Physical Review Letters, 7, 118.

[2]J.Bartschkei,IEEE.J.Quantum Electron.,33,2265(1997).

[3]李静,王继扬,胡晓波,刘耀岗,谭浩.新型激光自倍频Yb:YAB晶体的性质研究[J].无机材料学报,2003(01):207-210.

[4]李亚琴, 赵贵森, 陈炯, et al. 血色原微量分光法血痕确证试验[J]. 中国法医学杂志, 2016, 031(006):601-604.

作者简介

亓玉凯，青岛镭视光电科技有限公司研发部部长，长期从事激光器光学设计，拥有光路设计、激光应用开发的丰富经验。

封面来源：spro.so.com

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