阅读说明：本技术 镱离子掺杂abgs晶体及自倍频超短脉冲激光器 (Ytterbium ion doped ABGS crystal and self-frequency-doubling ultrashort pulse laser ) 是由 张栩朝 郭世义 王正平 许心光 于 2020-05-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及镱离子掺杂ABGS晶体及自倍频超短脉冲激光器,该激光器包括沿光路设置的半导体激光泵浦源、聚焦系统、第一谐振腔镜M<Sub>1</Sub>、自倍频激光晶体、第二谐振腔镜M<Sub>2</Sub>、GTI镜、第三谐振腔镜M<Sub>3</Sub>、第四谐振腔镜M<Sub>4</Sub>、可饱和吸收体；自倍频激光晶体为镱离子掺杂A<Sub>3</Sub>BGa<Sub>3</Sub>Si<Sub>2</Sub>O<Sub>14</Sub>晶体,A＝Ca或Sr,B＝Nb或Ta。该晶体同时具有激光发射和非线性光学效应,使用一块自倍频晶体通过锁模技术,实现超短脉冲自倍频绿光输出。本发明成本低,采用一块自倍频激光晶体替代激光晶体和非线性晶体两块晶体,生产成本大大降低,同时也简化了加工和装配环节,提高了生产效率。(The invention relates to an ytterbium ion doped ABGS crystal and a self-frequency doubling ultrashort pulse laser, wherein the laser comprises a semiconductor laser pumping source, a focusing system and a first resonant cavity mirror M which are arranged along a light path 1 Self-frequency-doubling laser crystal and second resonant cavity mirror M 2 GTI mirror, third resonant cavity mirror M 3 And the fourth resonant cavity mirror M 4 A saturable absorber; the self-frequency-doubling laser crystal is ytterbium ion doped A 3 BGa 3 Si 2 O 14 Crystal, A ═ Ca or Sr, B ═ Nb or Ta. The crystal has both laser emission and nonlinear optical effects, and realizes ultrashort pulse self-frequency-doubling green light output by using a self-frequency-doubling crystal through a mode locking technology. The invention has low cost, adopts a piece of self-frequency doubling laser crystal to replace two crystals, namely the laser crystal and the nonlinear crystal, greatly reduces the production cost, simplifies the processing and assembling links and improves the production efficiency.)

镱离子掺杂ABGS晶体及自倍频超短脉冲激光器

技术领域

本发明涉及一种被动锁模自倍频超短脉冲激光器，特别是基于镱离子掺杂A₃BGa₃Si₂O₁₄(A＝Ca,Sr；B＝Nb,Ta)晶体的自倍频激光器，属于激光技术领域，涉及激光和非线性晶体器件。

背景技术

可见波段(380nm-760nm)脉冲激光，特别是超短脉冲激光(皮秒、飞秒量级)作为研究客观世界超快现象的重要技术手段，被广泛应用于微纳加工、光学检测、军事防御等领域。例如，在战争时期对进入军事禁区的未知人员，利用绿色(～532nm)脉冲激光可以让闯入者暂时致盲并停止行动，该波长的脉冲激光光源可以实现有效但无害的区域防御。目前，获得全固态可见脉冲激光较为常见的方式是利用掺Nd，Yb激光晶体通过锁模技术获得近红外超短脉冲激光然后利用非线性晶体进行倍频，或者利用蓝光LD泵浦的掺Pr³⁺,Sm³⁺,Tb³⁺,Dy³⁺,Ho³⁺,Er³⁺激光器。

然而，传统掺Nd，Yb激光器要获得可见波段脉冲激光需要多个光学元件，结构复杂；尤其是对锁模激光运转，在引入非线性晶体后腔内损耗增加，不利于获得超短脉冲；而腔外变频又会使激光装置变的更加复杂。蓝光LD泵浦的掺Pr³⁺,Sm³⁺,Tb³⁺,Dy³⁺,Ho³⁺,Er³⁺激光器可以实现多个波长的激光输出，在连续激光运转方面可以获得较高的转换效率，但蓝光LD发展相对滞后且价格昂贵，其输出功率低、温度稳定性差等因素不利于获得高能量、高峰值功率以及超短脉冲激光，而缺少成熟稳定的可见波段光调制器件是限制其脉冲激光性能的另一个重要因素。

利用自倍频晶体的可见波段锁模脉冲激光器只需要一块自倍频晶体就可以同时实现激光产生和非线性倍频，利用锁模技术可以直接获得可见波段超短脉冲激光，这种激光器结构紧凑、光学元件少、调整方便、成本低。

专利文件CN 104659648A公开了一种掺钕硅酸镓镧(Nd:LGS)自倍频超短脉冲激光器，是一种基于Nd:LGS晶体的非相位匹配自倍频脉冲激光。然而，LGS晶体不满足相位匹配条件，因此无法实现连续自倍频输出，只有在锁模激光较高的脉冲能量密度条件下才能实现这种非相位匹配的自倍频，这种自倍频脉冲激光器倍频转换效率低，激光功率低，并且需要较准确的温度控制(14℃)，无法满足实际应用的需求。此外，本发明的发明人在前期专利文件中公开了自倍频激光晶体，例如：CN104018225A公开了掺钕A3BGa3Si2O14系列晶体及其制备方法与应用，CN105048274A公开了一种被动调Q的脉冲式自倍频绿光激光器，CN106801257A公开了一种掺镱晶体及其生长方法和应用，CN105603529A公开了一种掺镱晶体及其生长方法和应用，CN109698461A公开了一种被动调Q的脉冲式自倍频绿光激光器。但是，这些专利中都未涉及镱离子掺杂自倍频激光晶体的脉冲激光性能，特别是针对锁模技术所实现的超短脉冲激光。

现有技术中，能够实现相位匹配自倍频锁模输出的是掺镱四硼酸铝钇(Yb:YAB)晶体(Opt.Lett.,2002,27,436-438.)，但该晶体发射带宽窄不利于超短脉冲激光输出；只能通过助溶剂法生长，生长难度大、周期长。该晶体的复杂苛刻的生长条件，导致了成本增加，也不利于大规模产业化应用。因此，寻找生长简单、成本低廉、脉冲性能优异的自倍频激光晶体，成为全固态可见波段超短脉冲激光器发展中亟待解决的问题。

利用自倍频晶体进行锁模实现可见波段的超短脉冲激光，相比其他方式具有技术成熟、结构简单、性能稳定、易于调节、成本低的明显优势，要实现自倍频锁模脉冲对晶体材料具有较高的要求：(1)必须具有优良的光学特性、机械特性以及非线性效应；(2)晶体晶格能够实现离子掺杂且有与稀土离子尺寸接近的原子格位；(3)能在短周期内生长出大尺寸的掺杂晶体且具有好的光学质量；(4)掺入稀土离子之后要具有大的发射截面、宽的荧光光谱和长的荧光寿命等。

目前，现有技术中还未发现能够同时满足以上条件的理想晶体材料，受到晶体材料的限制，自倍频晶体在全固态可见波段脉冲激光领域一直没有取得突破。为此，提出本发明。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于镱离子掺杂ABGS晶体的全固态自倍频超短脉冲激光器。

发明概述：本发明的核心是发明了镱离子掺杂A₃BGa₃Si₂O₁₄(A＝Ca,Sr；B＝Nb,Ta)晶体。该晶体沿相位匹配方向切割加工后，可以通过锁模技术直接实现可见绿光超短脉冲激光输出。本发明还提供基于镱离子掺杂ABGS晶体的自倍频超短脉冲激光器。

术语解释：

1.LD，半导体激光器的简称；

2.Yb:ABGS，掺镱硅酸镓AB晶体的简称；例如，Yb:CNGS为掺镱硅酸镓铌钙晶体；

3.SESAM，半导体可饱和吸收镜的简称；

4.GTI，Gires-Tournois干涉镜的简称。

本发明的技术方案如下：

基于镱离子掺杂ABGS晶体的自倍频超短脉冲激光器，包括沿光路设置的半导体激光泵浦源、聚焦系统、第一谐振腔镜M₁、自倍频激光晶体、第二谐振腔镜M₂、GTI镜、第三谐振腔镜M₃、第四谐振腔镜M₄、可饱和吸收体；所述自倍频激光晶体为镱离子掺杂A₃BGa₃Si₂O₁₄晶体，A＝Ca或Sr，B＝Nb或Ta。

根据本发明，所述自倍频激光晶体可选择四种晶体，即：镱离子掺杂Ca₃NbGa₃Si₂O₁₄晶体，简称Yb：CNGS；镱离子掺杂Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄晶体，简称Yb：CTGS；镱离子掺杂Sr₃NbGa₃Si₂O₁₄晶体，简称Yb：SNGS；镱离子掺杂Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄晶体，简称Yb：STGS；

根据本发明，优选的，所述的镱离子掺杂A₃BGa₃Si₂O₁₄晶体的通光方向长度为0.1-100mm，进一步优选0.1-20mm。

根据本发明，优选的，所述的镱离子掺杂A₃BGa₃Si₂O₁₄晶体的切割方向均为沿1064nm倍频相位匹配方向，倍频后将实现532nm绿光激光输出，具体输出波长受实验条件的影响，会因泵浦源波长和谐振腔镜参数的不同而有所变化。

根据本发明，优选的，所述的镱离子掺杂A₃BGa₃Si₂O₁₄晶体的镱离子掺杂浓度为(0.1-50)at.％，进一步优选为1-5at.％。当掺杂浓度过低时，晶体对泵浦光的吸收减弱，不利于高性能激光输出；而过高的掺杂浓度会改变晶体的晶格结构，导致晶体生长难度增加，晶体质量下降。

根据本发明，优选的，所述的镱离子掺杂A₃BGa₃Si₂O₁₄晶体为长方体或圆柱体。

根据本发明，优选的，所述的镱离子掺杂A₃BGa₃Si₂O₁₄晶体的I类相位匹配的切割角为(θ,φ)，其中，θ的取值范围为31.6°-41.6°，φ的取值范围伟-180.0°-180.0°；

优选的，所述镱离子掺杂A₃BGa₃Si₂O₁₄晶体的II类相位匹配的切割角为(θ1,φ1)，θ1的取值范围为51.5°-61.5°，φ1的取值范围为-180°-180°。考虑到φ和φ1的取值在整个圆周内具有相似的效果，因此范围取整个圆周。此处设计的优势在于，沿相位匹配方向切割的晶体具有最大的非线性倍频效应，能有效提高基频激光到自倍频绿光的转换，利于获得最优的自倍频锁模脉冲激光输出。

根据本发明，优选的，所述自倍频激光晶体的左侧与右侧通光端面上分别镀有(960-990)nm、(1000-1100)nm、(500-550)nm增透膜。此处设计的优势在于，利于泵浦激光的吸收和基频激光的腔内振荡，以及倍频激光在谐振腔输出端的输出。

根据本发明，优选的，所述半导体激光泵浦源为中心波长为(960-990)nm的直接输出半导体激光器或光纤耦合输出半导体激光器；

优选的，所述第一谐振腔镜M₁至少镀有对(960-990)nm光高透、对(1000-1100)nm光高反的介质膜；所述第二谐振腔镜M₂至少镀有对(960-990)nm光和(1000-1100)nm光高反的介质膜；所述第四谐振腔镜M₄至少镀有对(1000-1100)nm光高反的介质膜；以上三个谐振腔镜的镜片曲率半径可根据具体实验进行优化。

根据本发明，优选的，所述第三谐振腔镜M₃至少镀有对(1000-1100)nm光透过率为(0.1-20)％的介质膜。此处设计的优势在于，利于泵浦激光的透过、基频激光的振荡及倍频激光在谐振腔输出端的输出。

根据本发明，优选的，所述GTI镜用于进行腔内色散补偿，具体参数可根据实验和材料的特性进行调整和优化。同时根据实验中使用晶体的不同(长度、掺杂浓度等)，可在第一谐振腔镜M₁和第四谐振腔镜M₄之间的光路中添加额外的GTI镜以实现最优的色散补偿。同样的原理，也可在GTI镜前后的光路中添加额外的GTI镜。

根据本发明，优选的，所述可饱和吸收体为Cr:YAG晶体、SESAM、石墨烯、MoS₂、WS₂中的任一种。

本发明所述基于镱离子掺杂ABGS晶体的自倍频超短脉冲激光器的工作过程为：半导体激光泵浦源发射泵浦激光，通过所述聚焦系统安放在所述半导体激光泵浦源及所述第一谐振腔镜M₁之间，所述自倍频激光晶体安放在所述聚焦系统的焦点上；所述自倍频激光晶体，在谐振腔内产生1064nm的近红外激光；再经过第四谐振腔镜M₄到达可饱和吸收体，在可饱和吸收体的作用下实现被动锁模激光运转，即由连续波转变为脉冲波；经自倍频激光晶体的非线性倍频产生532nm的脉冲绿光。腔内两种激光模式同时震荡，其中，倍频532nm锁模脉冲第二谐振腔镜M₂输出，基频1064nm锁模脉冲激光经第三谐振腔镜M₃输出。

本发明还提供上述镱离子掺杂A₃BGa₃Si₂O₁₄晶体，A＝Ca或Sr，B＝Nb或Ta。

本发明还提供镱离子掺杂A₃BGa₃Si₂O₁₄晶体的应用，A＝Ca或Sr，B＝Nb或Ta，在自倍频锁膜激光中的应用。

本发明的镱离子掺杂A₃BGa₃Si₂O₁₄晶体A＝Ca或Sr，B＝Nb或Ta，采用提拉法生长，具有生长速度快、光学质量好、尺寸大、抗光损伤阈值高等优点，具体的晶体生长可参考现有技术进行。解决了现有技术中采用助溶剂法生长，生长难度大、周期长，导致了成本增加，不利于大规模产业化应用的缺点。本发明的镱离子掺杂A₃BGa₃Si₂O₁₄晶体同时具有激光发射和非线性光学效应，作为自倍频激光晶体，可利用一块自倍频激光晶体替代激光晶体和非线性晶体两块晶体，由其制成的全固态可见波段超短脉冲激光器结构简单、光学元件少、易于调整，生产成本大大降低，同时也简化了加工和装配环节，提高了生产效率。

本发明的有益效果为：

1、相比于之前的自倍频锁模晶体材料，本发明中的镱离子掺杂A₃BGa₃Si₂O₁₄晶体易于生长、发射带宽宽，有利于实现可见波段锁模超短脉冲激光，具有明显优势。

2、本发明的激光器结构简单，配套技术成熟。本发明的自倍频激光晶体为镱离子掺杂A₃BGa₃Si₂O₁₄晶体，A＝Ca或Sr，B＝Nb或Ta，自倍频晶体沿相位匹配方向切割，同时起到激光和非线性变频两种功能，由其制成的可见波段超短脉冲激光器结构简单，只需要传统锁模激光器的装置和光学元件，减少了多元件引起的腔内损耗，易于调试。不需要考虑腔内或腔外插入倍频晶体而引起的脉冲激光性能的衰减。

3、本发明成本低，采用一块自倍频激光晶体替代激光晶体和非线性晶体两块晶体，生产成本大大降低，同时也简化了加工和装配环节，提高了生产效率。

4、本发明易于产业化应用。本发明的镱离子掺杂A₃BGa₃Si₂O₁₄晶体，A＝Ca或Sr，B＝Nb或Ta，可采用提拉法生长，可在短周期内获得高光学质量的体块单晶，容易实现大尺寸批量生产，并在自倍频超短脉冲激光方面具有优异的性能，具有广阔应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例3所述Yb:Ca₃NbGa₃Si₂O₁₄晶体沿I类相位匹配的切割角(36.0°，30.0°)切割并抛光的晶体样品图片；

图2为本发明实施例3所述绿光自倍频超短脉冲激光器的结构示意图；

图3为本发明自倍频超短脉冲的强度自相关曲线；

其中，1、半导体激光泵浦源，2、聚焦系统，3、第一谐振腔镜M₁，4、自倍频激光晶体，5、第二谐振腔镜M₂，6、GTI镜，7、第三谐振腔镜M₃，8、第四谐振腔镜M₄，9、可饱和吸收体，10、基频锁模脉冲激光，11、自倍频锁模脉冲激光。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

考虑到本领域研究人员的公知公识，本发明描述了基于Yb:A₃BGa₃Si₂O₁₄(A＝Ca,Sr；B＝Nb,Ta)晶体锁模脉冲激光器的多个实施例，但是，考虑到激光实验的可变性和调整性，可以根据本发明公开的内容直接推到出符合本发明原理的许多其他的变型或修改，如腔形变化、使用板条或薄片状晶体、GTI镜个数的变化、色散补偿方式的变化(棱镜对色散补偿)等。因此本发明应该被理解和认定为包括所有这些变型或修改。

实施例中所述的自倍频激光晶体，镱离子掺杂A₃BGa₃Si₂O₁₄晶体A＝Ca或Sr，B＝Nb或Ta，采用现有技术中的提拉法生长得到。具体生长方法可参考《Nd:CNGS晶体和Yb:CNGS晶体的生长及激光性能研究》[张栩朝，山东大学博士学位论文，2018。]第二章。

实施例1

自倍频激光晶体，所述自倍频激光晶体为镱离子掺杂Ca₃NbGa₃Si₂O₁₄晶体，简称Yb：CNGS，镱离子掺杂浓度为0.1at.％。

实施例2

自倍频激光晶体，所述自倍频激光晶体为镱离子掺杂Ca₃NbGa₃Si₂O₁₄晶体，简称Yb：CNGS，镱离子掺杂浓度为50.0at.％。

实施例3

自倍频激光晶体，所述自倍频激光晶体为镱离子掺杂Ca₃NbGa₃Si₂O₁₄晶体，简称Yb：CNGS，镱离子掺杂浓度为5at.％。

实施例4

自倍频激光晶体，所述自倍频激光晶体为镱离子掺杂Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄晶体，简称Yb：CTGS，镱离子掺杂浓度为0.1at.％。

实施例5

自倍频激光晶体，所述自倍频激光晶体为镱离子掺杂Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄晶体，简称Yb：CTGS，镱离子掺杂浓度为50.0at.％。

实施例6

自倍频激光晶体，所述自倍频激光晶体为镱离子掺杂Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄晶体，简称Yb：CTGS，镱离子掺杂浓度为5.0at.％。

实施例7

自倍频激光晶体，所述自倍频激光晶体为镱离子掺杂Sr₃NbGa₃Si₂O₁₄晶体，简称Yb：SNGS，镱离子掺杂浓度为0.1at.％。

实施例8

自倍频激光晶体，所述自倍频激光晶体为镱离子掺杂Sr₃NbGa₃Si₂O₁₄晶体，简称Yb：SNGS，镱离子掺杂浓度为50.0at.％。

实施例9

自倍频激光晶体，所述自倍频激光晶体为镱离子掺杂Sr₃NbGa₃Si₂O₁₄晶体，简称Yb：SNGS，镱离子掺杂浓度为5.0at.％。

实施例10

自倍频激光晶体，所述自倍频激光晶体为镱离子掺杂Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄晶体，简称Yb：STGS；镱离子掺杂浓度为0.1at.％。

实施例11

自倍频激光晶体，所述自倍频激光晶体为镱离子掺杂Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄晶体，简称Yb：STGS；镱离子掺杂浓度为50.0at.％。

实施例12

自倍频激光晶体，所述自倍频激光晶体为镱离子掺杂Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄晶体，简称Yb：STGS；镱离子掺杂浓度为5.0at.％。

实施例13

对实施例1-12所述的自倍频激光晶体进行加工，然后组装自倍频超短脉冲激光器；自倍频激光晶体切割成长方体或圆柱体。晶体的通光方向长度为0.1-100mm，优选0.1-20mm。晶体的切割方向均为沿1064nm倍频相位匹配方向。晶体的I类相位匹配的切割角为(θ,φ)，其中，θ的取值范围为31.6°-41.6°，φ的取值范围为-180.0°-180.0°；晶体的II类相位匹配的切割角为(θ1,φ1)，θ1的取值范围为51.5°-61.5°，φ1的取值范围为-180°-180°。

如图2所示，基于镱离子掺杂ABGS晶体的自倍频超短脉冲激光器，包括沿光路设置的半导体激光泵浦源1、聚焦系统2、第一谐振腔镜M₁3、自倍频激光晶体4、第二谐振腔镜M₂5、GTI镜6、第三谐振腔镜M₃7、第四谐振腔镜M₄8、可饱和吸收体9；所述自倍频激光晶体4为镱离子掺杂A₃BGa₃Si₂O₁₄晶体，A＝Ca或Sr，B＝Nb或Ta。

自倍频激光晶体4的左侧与右侧通光端面上分别镀有(960-990)nm、(1000-1100)nm、(500-550)nm增透膜。此处设计的优势在于，利于泵浦激光的吸收和基频激光的腔内振荡，以及倍频激光在谐振腔输出端的输出。

所述半导体激光泵浦源1为中心波长为(960-990)nm的直接输出半导体激光器或光纤耦合输出半导体激光器；

所述第一谐振腔镜M₁3至少镀有对(960-990)nm光高透、对(1000-1100)nm光高反的介质膜；所述第二谐振腔镜M₂5至少镀有对(960-990)nm光和(1000-1100)nm光高反的介质膜；所述第四谐振腔镜M₄8至少镀有对(1000-1100)nm光高反的介质膜；以上三个谐振腔镜的镜片曲率半径可根据具体实验进行优化。

所述第三谐振腔镜M₃7至少镀有对(1000-1100)nm光透过率为(0.1-20)％的介质膜。此处设计的优势在于，利于泵浦激光的透过、基频激光的振荡及倍频激光在谐振腔输出端的输出。

所述GTI镜6用于进行腔内色散补偿，具体参数可根据实验和材料的特性进行调整和优化。同时根据实验中使用晶体的不同(长度、掺杂浓度等)，可在第一谐振腔镜M₁3和第四谐振腔镜M₄8之间的光路中添加额外的GTI镜以实现最优的色散补偿。同样的原理，也可在GTI镜6前后的光路中添加额外的GTI镜。

所述可饱和吸收体9为Cr:YAG晶体、SESAM、石墨烯、MoS₂、WS₂中的任一种。

本实施例所述基于镱离子掺杂ABGS晶体的自倍频超短脉冲激光器的工作过程为：半导体激光泵浦源1发射泵浦激光，通过所述聚焦系统2安放在所述半导体激光泵浦源及所述第一谐振腔镜M₁3之间，所述自倍频激光晶体4安放在所述聚焦系统2的焦点上；所述自倍频激光晶体4，在谐振腔内产生1064nm的近红外激光；再经过第四谐振腔镜M₄8到达可饱和吸收体9，在可饱和吸收体9的作用下实现被动锁模激光运转，即由连续波转变为脉冲波；经自倍频激光晶体4的非线性倍频产生532nm的脉冲绿光。腔内两种激光模式同时震荡，其中，倍频532nm锁模脉冲经第二谐振腔镜M₂5输出，基频1064nm锁模脉冲激光经第三谐振腔镜M₃7输出。

对比例1

目前，现有技术中，镱离子掺杂晶体能够实现相位匹配的全固态自倍频超短脉冲激光输出的只有Yb:YAB晶体。

本发明基于Yb:CNGS晶体的自倍频超短脉冲激光器可以实现243fs的532nm脉冲激光输出(图3)，性能优于Yb:YAB晶体(245fs)，这主要是由于Yb:CNGS晶体具有更宽的发射半峰宽，Yb:CNGS为13nm，而Yb:YAB约为10nm。[CrysEngComm,2016,18,5338-5343.,J.RareEarths,1999,17,312-315.]。而Yb:YAB晶体只能采用助溶剂法生长，生长周期通常大于一个月，生长过程无法直接观察，晶体生长难度较高。Yb:CNGS晶体通过提拉法生长，生长周期短，通常为一周左右；生长过程可通过窗口观察，生长过程可控；晶体生长简单，晶体质量高，具有明显优势。

而利用传统的激光晶体，要实现可见波段的锁模脉冲激光输出，通常需要通过腔外倍频等技术，这种方式的激光器需要的光学元件多，调试过程复杂，价格昂贵[例如文献Opt.Lett.,2016,41,1885-1888.中图1所示]。

试验例1

对实施例3中，镱离子掺杂浓度为5at.％的Ca₃NbGa₃Si₂O₁₄自倍频激光晶体进行加工，然后组装自倍频超短脉冲激光器。自倍频激光晶体切割成如图1所示的长方体，晶体为沿I类相位匹配方向(36.0°,30.0°)加工，通光方向长度约为3.0mm，晶体的左侧与右侧通光端面上分别镀有(960-990)nm、(1000-1100)nm、(500-550)nm增透膜；第一谐振腔镜M₁3镀有对(960-990)nm光高透、对(1000-1100)nm光高反的介质膜，曲率半径为100mm；第二谐振腔镜M₂5镀有对(960-990)nm光和(1000-1100)nm光高反的介质膜，曲率半径为100mm；第四谐振腔镜M₄8镀有对(1000-1100)nm光高反的介质膜，曲率半径为50mm。第三谐振腔镜M₃7镀有对(1000-1100)nm光透过率为2％的介质膜。GTI镜6用于进行腔内色散补偿，可以引入-800fs²的色散量。可饱和吸收体9为SESAM，调制深度0.4％，弛豫时间500fs。

实验装置如图2所示，半导体激光泵浦源为中心波长为979nm的光纤耦合输出半导体激光器，半导体激光泵浦源1发射泵浦激光，通过聚焦系统2聚焦到Yb:CNGS晶体上，并在谐振腔内产生1064nm的近红外激光；再经过第四谐振腔镜M₄8将腔内光束聚焦到SESAM(可饱和吸收体9)上实现被动锁模激光运转，光束半径约为30μm；1064nm的锁模脉冲激光经Yb:CNGS晶体的非线性倍频产生532nm的脉冲绿光。激光运转过程中晶体不需要冷却。实验过程中腔内两种激光模式同时震荡，基频1064nm锁模脉冲激光经第三谐振腔镜M₃7输出，倍频532nm锁模脉冲经第二谐振腔镜M₂5输出，最短脉冲宽度达243fs。