光纖激光器泵浦光參量振蕩器

沈兆國，董 濤，羊 毅，馬俊嶺，唐剛鋒，付 潔，孟冬冬，惠祥云

(中航工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南洛陽 471009)

光纖激光器泵浦光參量振蕩器

沈兆國，董 濤，羊 毅，馬俊嶺，唐剛鋒，付 潔，孟冬冬，惠祥云

(中航工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南洛陽 471009)

為了獲得小體積高功率3～5μm中紅外激光輸出，通過高重復(fù)頻率驅(qū)動調(diào)Q技術(shù)和種子注入光放大技術(shù)，獲得高功率高光束質(zhì)量1.06μm光纖激光輸出，外置起偏器獲得兩束激光輸出，利用波片偏振旋光原理，實現(xiàn)兩束偏振態(tài)一致的激光輸出，泵浦非線性晶體PPLN進行頻率變換，實現(xiàn)高功率3～5μm中紅外激光輸出。在電源輸入電流60 A，調(diào)Q驅(qū)動頻率50 kHz的條件下，獲得最高功率6.2W的3.8μm中紅外激光，1.06μm到3.8μm轉(zhuǎn)化效率為16%。實驗結(jié)果表明:通過光纖激光器泵浦光參量振蕩器，可獲得高功率3.8μm中紅外激光輸出。

調(diào)Q;偏振旋光;中紅外;光參量振蕩器

1 引 言

傳統(tǒng)固體激光器在高功率運行時，容易產(chǎn)生大量熱能導(dǎo)致出現(xiàn)熱透鏡、熱致雙折射等熱效應(yīng)，很難獲得高功率高光束質(zhì)量的激光輸出。而光纖激光器增益長度比較長，便于散熱，可以實現(xiàn)高功率高光束質(zhì)量激光輸出，非常適用于非線性頻率變換。利用高功率脈沖光纖激光器作為抽運源，泵浦基于PPMgLN晶體的光參量振蕩器(optical parametric oscillator，OPO)，可以產(chǎn)生高功率中紅外激光輸出，在光電對抗、大氣檢測、激光雷達等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值［1－4］。

目前采用固體激光器泵浦基于PPMgLN晶體(或PPLT)的光參量振蕩器已實現(xiàn)大功率激光輸出，采用LD泵浦高功率雙棒串接固體激光器泵浦周期極化晶體已實現(xiàn)了約10W輸出，采用LD雙端泵浦固體激光器泵浦周期極化晶體實現(xiàn)了約4W激光輸出，采用板條激光器泵浦周期極化晶體實現(xiàn)了約20W中紅外激光輸出，這些固體激光器均采用液冷方式，體積較大，不利于工程化應(yīng)用。本文采用高重頻高功率光纖激光器雙光束泵浦基于周期極化晶體的光參量振蕩器，可以利用周期極化晶體寬度，同時降低單光路激光功率，不僅可以避免晶體損壞，同時可以提高中紅外激光輸出功率［5－8］。由于該光纖激光器整機供電功率約120W，采用風(fēng)冷散熱技術(shù)，適用環(huán)境溫度－15～45℃，因此通過該光纖激光器泵浦光參量振蕩器輸出中紅外激光，可滿足工程化應(yīng)用。

2 試驗裝置

該研究所用試驗裝置的系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。M1為起偏器，M2為隔離器，M3為四分之一波片，M4為聚焦透鏡，M5為反射鏡片，M6光隔離器，M7為折轉(zhuǎn)鏡，M8為四分之一波片，M9為聚焦透鏡，M10為折轉(zhuǎn)鏡，M11為合束棱鏡，M12為OPO全反鏡，M13為OPO折轉(zhuǎn)鏡，M14為周期極化晶體，M15為角錐。光路如圖1所示，光纖激光器產(chǎn)生自由偏振激光經(jīng)過偏振器件分為兩束正交激光，通過二分之一波片旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)偏振一致的激光，由合束棱鏡進入光參量振蕩器，實現(xiàn)中紅外激光輸出。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Laser experiment setup

2.1 光纖激光器組成及參數(shù)

光纖激光器主要由激光脈沖種子源、激光預(yù)放大器、功率主放大級和級間連接元件等組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 光纖激光器組成圖Fig.2 Fiber laser setup

其中，激光脈沖種子源用于產(chǎn)生種子激光脈沖，作為后續(xù)放大級的信號光。該種子源應(yīng)能實現(xiàn)脈沖寬度可控、重復(fù)頻率可調(diào)、輸出功率可調(diào)等功能，從而控制整個光纖激光系統(tǒng)輸出特定脈寬和重復(fù)頻率的激光。激光預(yù)放大器用于將低能量、低功率的種子信號光進行預(yù)先放大，得到較大能量和較高功率的信號光，同時控制脈沖質(zhì)量。功率主放大級用于進一步提升脈沖的能量和功率，達到光纖激光器總體要求的技術(shù)指標(biāo)。級間連接元件(模場適配器、隔離器、濾波器、輸出端帽、準(zhǔn)直器等)用來實現(xiàn)控制激光輸出發(fā)散角、濾除噪聲及減小損耗等功能。

光纖激光器輸出參數(shù)，功率50W，頻率50kHz，光斑大小3mm，發(fā)散角小于2mrad，M平方因子小于2，脈寬140nm，如圖3所示。

圖3 光纖激光器輸出脈寬Fig.3 Fiber laser output pulse

2.2 光參量振蕩器裝置及參數(shù)

圖4 光參量振蕩器產(chǎn)生中紅外激光原理示意圖Fig.4 Optical parametric Oscillator produce Mid-IR laser sketch map

圖5 信號光與溫度的關(guān)系Fig.5 The relation of signal light and temperature

由圖1可知，光纖激光器輸出激光器經(jīng)過M1偏振片一分為二，其中一束P偏振，一束S偏振，P偏振經(jīng)過M2光隔離器，M3二分之一波片，M4聚焦透鏡，M5 45°反射鏡和S偏振經(jīng)過M6光隔離器，M7 45°反射鏡，M8二分之一波片，M9聚焦透鏡，M10 45°反射鏡兩束激光經(jīng)過M11合束棱鏡，進入光參量振蕩器，它由M12全反鏡，M13分光鏡，M14周期極化晶體PPLN以及M15角錐棱鏡組成。M12全反鏡鍍膜為1.06μm高透，1.4～1.6μm和3.7～4.0μm激光全反，M13分光鏡一半鍍膜為 45° 1.06μm、1.4～1.6μm、3.7～4.0μm激光增透，另一半鍍膜為45°1.06μm、1.4～1.6μm激光增透，45°3.7～4.0μm激光全反。M14周期極化晶體PPLN周期極化數(shù)29.2μm，雙通道，之間距離為6 mm，厚度1 mm，長度30 mm，溫控設(shè)置溫度140℃，晶體兩端鍍膜對1.06μm、1.4～1.6μm、3.7～4.0μm激光增透。由于PPLN晶體厚度一般為0.5～1.0 mm，寬度可以做到10 mm，使用大光斑進行泵浦晶體，難以完全吸收，需采用聚焦到200～300μm，可以獲得中紅外激光輸出［9－10］。但由于中紅外激光復(fù)合膜層損傷閾值以及晶體損傷閾值較低，進一步加大泵浦功率，導(dǎo)致中紅外膜層損壞，難以獲得高功率中紅外激光輸出。采用兩束光束泵浦，使每一束激光工作在中紅外膜層損傷閾值之下，同時充分利用PPLN寬度，降低泵浦光強度，大大減小晶體和膜層損傷的風(fēng)險。

4 試驗結(jié)果及分析

光纖激光器輸出1.06μm激光經(jīng)過PPLNOPO頻率變換技術(shù)實現(xiàn)3.8μm激光輸出，采用外腔頻率變換，在電源輸在電源輸入電流60A，調(diào)Q驅(qū)動頻率50 kHz的條件下，獲得3.8μm激光最高輸出功率為 6.2W，1.06μm到 3.8μm轉(zhuǎn)化效率16%。3.8μm輸出功率與注入電流關(guān)系如圖6所示。由圖 6可以看出，隨著注入電流的增大，3.8μm輸出功率增大。在試驗中除了人眼不可見的1.06μm泵浦光、1.47μm信號光和3.8μm閑散光外，還能觀察到綠光、紅光以及黃光出現(xiàn)，主要由1.06μm泵浦光、1.47μm信號光和3.8μm閑散光頻率變換產(chǎn)生的。

圖6 3.8μm輸出功率與注入電壓關(guān)系Fig.6 The relation of 3.8μm output power and input current

5 總結(jié)

利用光纖激光器，獲得高功率1.06μm激光輸出，通過偏振分束產(chǎn)生兩束激光，利用外腔式OPO方式對非線性晶體PPLN進行頻率變換，獲得高重復(fù)頻率高功率3.8μm激光輸出。在電源輸入電流60 A，調(diào)Q驅(qū)動頻率50 kHz的條件下，獲得3.8μm激光最高輸出功率為6.2 W，1.06μm到3.8μm轉(zhuǎn)化效率16%。由于光纖激光器采用風(fēng)冷方式，其他部件無需散熱，為下一步工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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Study on fiber laser pum ped optical parametric oscillator

SHEN Zhao-guo，DONG Tao，YANG Yi，MA Jun-ling，TANG Gang-feng，F(xiàn)U Jie，MENG Dong-dong，HUIXiang-yun

(Electro-Optical Equipment Research Institute of AVIC，Luoyang 471009，China)

To acquire small volume and high powermid-IR laser，1.06μm high power and high beam quality fiber laser output is obtained by using high repetition frequency driving Q-switched synchronization technology and seed injection magnify technology.The outputs of two beam laser are obtained in exterior polarizer，and plates polarized optical principle is adopted to acquire laser outputs of two beam polarizer identity，PPLN is pumped to obtain high power 3～5μm Mid-IR laser output.As the input current is 60 A and the Q-switched frequency is 50 kHz，themax power of3.8μm laser output is 6.2W，1.06μm to 3.8μm conversion efficiency is 16%.Experiment results indicate that fiber laser pumped optical parametric oscillator can be used to obtain 3.8μm high power Mid-IR laser output.

Q-switched;polarized rotation;mid-IR;OPO

TN248

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.05.006

1001-5078(2014)05-0502-04

沈兆國(1981－)，男，碩士，工程師，主要從事激光技術(shù)及激光器總體設(shè)計研究。E-mail:shuiyuehun@qq.com

2013-08-05;

2013-10-14