1.57 μm內(nèi)腔式KTP光學參量振蕩器

鐘 艷,韓克禎,何京良

(1.山東英才學院機械制造及自動化工程學院,山東 濟南 250104;2.山東理工大學理學院,山東 淄博 255049;3.山東大學晶體材料研究所,山東 濟南 250100)

·激光器技術(shù)·

1.57 μm內(nèi)腔式KTP光學參量振蕩器

鐘 艷1,韓克禎2,何京良3

(1.山東英才學院機械制造及自動化工程學院,山東 濟南 250104;2.山東理工大學理學院,山東 淄博 255049;3.山東大學晶體材料研究所,山東 濟南 250100)

為了獲得1.57 μm人眼安全激光輸出,采用了一種聲光調(diào)Q激光二極管(LD)端面抽運的Nd∶GdVO4全固態(tài)激光器作為抽運源的人眼安全波長內(nèi)腔式KTP光學參量振蕩器,獲得1.57 μm人眼安全激光輸出。在注入泵浦功率為6.33 W,重復頻率為15 kHz時,1.57 μm激光平均輸出功率達到405 mW,此時由二極管注入泵浦光至OPO信號光輸出功率的轉(zhuǎn)換效率達6.4%；在重復頻率為5 kHz時,其脈沖寬度約為2 ns,峰值功率達18.9 kW。在重復頻率為15 kHz時,信號光脈沖寬度比消耗后的泵浦光脈沖寬度壓縮了13.6倍,比泵浦光脈沖壓縮了16倍。實驗發(fā)現(xiàn)1.57 μm的OPO信號光輸出功率隨脈沖重復頻率的增加而有效地增加,此類光參量振蕩器有效地壓縮了激光脈沖。

激光技術(shù)；光參量振蕩器(OPO)；人眼安全波長；全固態(tài)激光器

1 引 言

高重復頻率、高峰值功率1.5～1.6 μm波段的人眼安全激光光源在大氣污染遙測、激光水下通訊、相干激光雷達、人眼安全測距及成像等民用及軍事領(lǐng)域都有重要應用[1-2]。目前主要有鉺玻璃激光器技術(shù)、拉曼頻移激光器技術(shù)和光學參量振蕩技術(shù)(OPO技術(shù))等獲得人眼安全激光的方法,其中,通過OPO技術(shù)獲得人眼安全激光輸出因具有閾值低、轉(zhuǎn)換效率高、體積小、全固態(tài)化、可重復頻率工作等特點成為獲得人眼安全波長激光輸出的最有效方法[3-4]。近年來,隨著高閾值的非線性光學晶體的不斷出現(xiàn),以LD泵浦的全固態(tài)激光器作為抽運源的光學參量振蕩器(OPO)成為激光技術(shù)研究領(lǐng)域中的熱點之一。LD泵浦的內(nèi)腔式光學參量振蕩器(IOPO)因為其相對于外腔式光學參量振蕩器(EOPO)具有閾值低、重復頻率高、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點而備受關(guān)注。過去的許多全固態(tài)IOPO實驗中,采用Nd∶YAG和Nd∶YVO4作為激光介質(zhì)的居多[1-2,4-7],此前我們也曾利用LD泵浦的Nd∶YVO4全固態(tài)激光器作為泵浦源,成功實現(xiàn)了IOPO的運轉(zhuǎn)[8]。近年來很多實驗證明,相比于Nd∶YAG和Nd∶YVO4晶體,Nd∶GdVO4是另一種更有潛質(zhì)的適用于全固態(tài)激光器的激光晶體,盡管如此,LD泵浦的Nd∶GdVO4激光器抽運實現(xiàn)IOPO運轉(zhuǎn)獲得人眼安全激光光源的實驗研究卻很少有人報道。本文利用Nd∶GdVO4作為激光晶體,以KTP作為非線性晶體,實現(xiàn)了1.57 μm人眼安全波長激光輸出。實驗中,在重復頻率由5～15 kHz的變化過程中,信號光脈寬為2～3 ns,在注入泵浦功率為6.33 W,重復頻率為15 kHz時,其平均輸出功率達到405 mW,此時由二極管注入泵浦光至OPO信號光輸出功率的轉(zhuǎn)換效率達6.4%；在重復頻率為5 kHz時,其脈沖寬度約為2 ns,峰值功率達18.9 kW。在重復頻率為15 kHz時,信號光脈沖寬度比消耗后的泵浦光脈沖寬度壓縮了13.6倍,比泵浦光脈沖壓縮了16倍。

2 實驗研究

2.1 晶體的選擇

在過去的許多全固態(tài)內(nèi)腔式OPO實驗中,Nd∶YAG和Nd∶YVO4常被用作激光介質(zhì),當Nd∶YAG被作為激光晶體時,因Nd∶YAG晶體具有各向同性,實驗中會出現(xiàn)熱雙折射現(xiàn)象,為了提高參量轉(zhuǎn)換效率,必須在腔中插入法拉第旋轉(zhuǎn)體或1/4波片等偏振元件,而這勢必會增加腔內(nèi)損耗。因Nd∶YVO4與Nd∶YAG晶體相比具有高吸收截面、寬吸收帶寬、易產(chǎn)生偏振光輸出等特點,可避免熱雙折射現(xiàn)象,是LD泵浦的理想增益介質(zhì)。而Nd∶GdVO4與Nd∶YVO4是同晶型的激光晶體,激光性能基本相似。Nd∶GdVO4晶體因具有沿〈110〉方向的熱導率高于Nd∶YVO4以及在1064 nm的發(fā)射截面大于Nd∶YAG,吸收截面大于Nd∶YVO4晶體等優(yōu)點,被認為是LD端面泵浦高功率激光器較為理想的工作物質(zhì)[9]。基于以上分析,實驗中我們以Nd∶GdVO4作為激光晶體,KTP作為非線性晶體來研究IOPO的特性。KTP晶體因具有損傷閾值高、耐潮解、有效非線性系數(shù)大以及易于拋光、鍍膜和生長成較大尺寸、透明范圍寬等諸多優(yōu)點,是實現(xiàn)非臨界相位匹配,獲得1.57 μm激光的理想晶體[10]。實驗中KTP晶體采用II類非臨界相位匹配,以增大其有效非線性系數(shù),并有效地消除泵浦光、信號光及閑頻光束之間的走離,泵浦光、信號光及閑頻光的波長分別為1.06 μm、1.57 μm、3.29 μm。

2.2 實驗裝置

實驗采用平凹直腔結(jié)構(gòu)。實驗裝置如圖1所示,泵浦源系Coherent.Inc.公司生產(chǎn)的帶光纖耦合輸出半導體激光器,室溫下它的中心發(fā)射波長是808 nm,最大輸出功率8 W。輸入鏡M是曲率半徑為200 mm的平凹鏡,平面鍍膜AR@ 808 nm,凹面鍍膜HR@ 1064 nm&HT @808 nm,輸出鏡M2為平鏡,鍍膜HR @ 1064 nm&T=30%@1572 nm,M1朝向OPO諧振腔的一面鍍膜HR@1572 nm &HT@1064 nm,另一面鍍AR@ 1064 nm。M與M2組成1064諧振腔,腔長為115 mm。M1與M2構(gòu)成OPO諧振腔,腔長為30 mm。將Nd∶GdVO4晶體(1.3at.%,α-cut,3×3×4mm3,兩面鍍膜AR@ 1064 nm/808 nm)和KTP晶體(長20 mm,兩面鍍膜AR@ 1064 nm /1572 nm)側(cè)面用銦箔包裹裝在帶有水循環(huán)冷卻的紫銅塊內(nèi),水溫保持25 ℃。聲光Q開關(guān)的超聲頻率為40 MHz,衍射損耗85%,調(diào)制頻率1～50 kHz連續(xù)可調(diào),工作波長1064 nm。

圖1 LD泵浦的聲光調(diào)Q Nd∶GdVO4激光器抽運的IOPO實驗裝置示意圖

3 實驗結(jié)果與分析

考慮到泵浦激光器的最大泵浦功率為8 W,并考慮到OPO對功率密度的要求,實驗中分別在脈沖重復頻率為5 kHz、8 kHz、10 kHz、12 kHz、15kHz下測得1.57 μm波長激光平均輸出功率,平均輸出功率隨泵浦光功率的變化曲線如圖2所示。在同一脈沖重復頻率下,信號光的平均輸出功率隨著泵浦功率的增大而增大；在同一泵浦功率下,信號光的平均輸出功率隨著脈沖重復頻率的增加而有效地增加。

圖2 不同脈沖重復頻率下,1.57 μm波長激光平均輸出功率隨泵浦光功率的變化曲線

在注入泵浦功率為6.33 W,重復頻率為5 kHz時,信號光平均輸出功率為189 mW,重復頻率為15 kHz時,其平均輸出功率可達405 mW,由二極管注入泵浦光至OPO信號光輸出功率的轉(zhuǎn)換效率為6.4%。圖3給出了泵浦功率為6.33 W,重復頻率為5 kHz時,輸出信號光的瞬時波形,圖中信號光脈沖寬度約為2 ns。此時信號光峰值功率可達18.9 kW,在重復頻率為15 kHz時,測得信號光脈沖與消耗后泵浦光脈沖的瞬時波形如圖4所示。消耗后的泵浦光脈沖寬度為34 ns,信號光脈寬約為2.5 ns,此時,對輸出鏡進行微調(diào),使泵浦光、信號光、閑頻光不再匹配,測得1064 nm的瞬時波形,如圖5所示,泵浦光脈沖寬度為40 ns。圖中信號光脈沖寬度比消耗后泵浦光脈沖寬度壓縮了13.6倍,比泵浦光脈寬壓縮了16倍,可見此類光參量振蕩器有效的壓縮了激光脈沖。分析此類光參量振蕩器有效壓縮激光脈沖的原因,除了與Nd∶GdVO4在808 nm附近具有寬吸收帶、高吸收系數(shù)、較長的上能級壽命、較大的發(fā)射截面以及較高的熱導率等諸多優(yōu)異特性有關(guān),還和IOPO中Q開關(guān)的重復頻率以及輸出鏡的透過率有關(guān)。在激光器抽運初期,由于聲光電源產(chǎn)生的高頻振蕩信號的作用,Q開關(guān)“關(guān)斷”,此時諧振腔處于低Q值狀態(tài),不能形成激光振蕩；當高頻信號的作用突然停止,諧振腔又變?yōu)楦逹值狀態(tài),Q開關(guān)“打開”,在Q值突變之前激光器處于高閾值狀態(tài),反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不斷積累,增大了工作物質(zhì)的初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度,從而達到增強峰值功率,壓縮激光脈寬的目的。

圖3 泵浦功率為6.33 W,重復頻率為5 kHz時,輸出的信號光的波形

圖4 輸出鏡透過率為30%條件下,信號光與消耗后泵浦光的瞬時波形

圖5 圖4同條件下,得到的1064 nm的瞬時波形

圖4為信號光與消耗后泵浦光的瞬時波形,信號光脈沖峰值恰好出現(xiàn)在泵浦光脈沖下降沿的斜率最大處,當泵浦能量超過OPO閾值,出現(xiàn)泵浦光向信號光迅速的能量轉(zhuǎn)移的光參量過程,而泵浦能量迅速倒空直至低于OPO閾值,泵浦光束的能量從開始消耗到完全耗盡的速度非?？?如果泵浦能量能在一個脈沖內(nèi)完全耗盡,就會獲得單一OPO脈沖信號。如果在輸出一個信號光脈沖之后,剩余的能量仍然達到了參量振蕩的閾值,就會有小的信號光脈沖產(chǎn)生。圖4中出現(xiàn)了兩個信號光脈沖。通過對Q開關(guān)的重復頻率以及輸出鏡的透過率進行優(yōu)化可以消除附屬脈沖[11-13]。泵浦光經(jīng)KTP后主要輸出信號光和閑頻光,但在KTP中仍有其他的混頻現(xiàn)象產(chǎn)生。實驗中會觀察到由泵浦光的二次諧波產(chǎn)生的532 nm 的綠光。

4 結(jié) 論

報道了一種聲光調(diào)Q激光二極管(LD)端面抽運的Nd∶GdVO4全固態(tài)激光器作為抽運源的人眼安全波長內(nèi)腔式KTP光學參量振蕩器。通過實驗發(fā)現(xiàn)1.57 μm的OPO信號光輸出功率隨脈沖重復頻率的增加而有效的增加,在重復頻率為15 kHz時,消耗后的泵浦光脈沖寬度為34 ns,信號光脈寬約為2.5 ns,此時測得1064 nm的脈沖寬度為40 ns,信號光脈沖寬度比消耗后的泵浦光脈沖寬度壓縮了13.6倍,比泵浦光脈沖壓縮了16倍,此類光參量振蕩器有效的壓縮了激光脈沖。

[1] Zendzian W,Jabczynski J K,Wachulak P,et al.High-repetition-rate intracavitypumped KTP OPO at 1572nm[J].Applied Physics B,2004,80(3):329-332.

[2] Razvan D,Constantin F,Aurel S.Intracavity pumped nanosecond optical parametric oscillator emitting in the eye-safe range[J].Appl.Opt,2001,40(24):4334-4340.

[3] BAO Zhaorigetu,ZHOU Shouhuan,ZHAO Haixia,et al.High beam quality 1.57μm OPO[J].Chinese Journal of Lasers,2003,30(5):395-397.(in Chinese) 包照日格圖,周壽桓,趙海霞,等.高光束質(zhì)量1.57μm的光參量振蕩器[J].中國激光,2003,30(5):395-397.

[4] MU Yu,BAO Zhaorigetu.Eye-safe ring cavity KTP-OPO with 500mJ output[J].Laser & Infrared,2014,44(9):998-999.(in Chinese) 穆宇,包照日格圖.500mJ輸出人眼安全環(huán)形腔 KTP-OPO激光器[J].激光與紅外,2014,44(9):998-999.

[5] Zendzian W,Jabczynski J K,Kwiatkowski J.Intracavity optical parametric oscillator at 1572nm wavelength pumped by passively Q-switched diode-pumped Nd∶YAG laser[J].Applied Physics B,2003,76(5):355-358.

[6] Chen Y F,Chen S W,Tsai S W,et al.Output optimization of a high-repetition-rate diode-pumped Q-switched intracavity optical parametric oscillator at 1.57μm[J].Applied Physics B,2003,77(5):505-508.

[7] Chen Y F,Chen S W,Chen Y C,et al.Compact efficient intracavity optical parametric oscillator with a passively Q-switched Nd∶YVO4/Cr4+:YAG laser in a hemispherical cavity[J].Applied Physics B,2003,77(5):493-495.

[8] ZHONG Yan,FAN Xiuwei,HUANG Haitao,et al.An eff icient intracavity-pumped KTP optical parametric oscillator at 1572 nm[J].Chinese Optics letters,2006,11,(4):646-648.

[9] WANG Yun,FAN Xiuwei,PENG Qianqian,et al.Laser-diode pumped Nd∶GdVO4ultraviolet laser with LBO frequency tripling[J].Optoelectronics Letters,2005,1 (2):0110-0112.

[10]YAO Baoquan,WANG Yuezhu,WANG Qi,et al.Efficient noncritically phase-matched KTP optical parametric oscillator[J].Chinese Journal of Lasers,1999,26 (11):969-972.(in Chinese) 姚寶權(quán),王月姝,王騏,等.高效率非臨界相位匹配KTP光學參量振蕩器[J].中國激光,1999,26(11):969-972.

[11]JIN Feng,ZHAI Gang,LI Jing,et al.Experimental study of high-repetition-rate eye-safe optical parametric oscillator[J].Laser Technology,2006,30(1):20-22.(in Chinese) 金鋒,翟剛,李晶,等.高重頻人眼安全光參變振蕩器實驗研究[J].激光技術(shù)，2006,30(1):20-22.

[12]LIU Qiang,GONG Mali,YAN Ping,et al.Passively Q-switched laser with intracavity optical parametric oscillator for eye-safe-output[J].Chinese Journal of Lasers,2003,30(2):113-116.(in Chinese) 柳強,鞏馬理,閆平,等.被動調(diào)Q人眼安全內(nèi)腔光學參量振蕩器[J].中國激光，2003,30(2):113-116.

[13]Guohua Xiao,Michael Bass,Madhu Acharekar.Passively Q-switched solid-state lasers with intracavity optical parametric oscillators[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1998,34(11):2241-2245.

1.57 μm intracavity KTP optical parametric oscillator

ZHONG Yan1,HAN Ke-zhen2,HE Jing-liang3

(1.Department of Mechanical Manufacturing and Automation Engineering,Shandong Yingcai University,Ji′nan 250104,China;2.School of Science,Shandong University of Technology,Zibo,255049,China;3.State Key Laboratory of Crystal Materials,Shandong University,Ji′nan 250100,China)

In order to obtain 1.57μm eye safety laser output,an efficient intracavity optical parametric oscillator based on a KTP crystal inside an Q-switched Nd∶GdVO4laser end pumped by a fiber-coupled diode laser is adopted.In the acousto-optic Q-switched operation with the pulse repetition rate of 15kHz,the average power of 1.57μm eye-safe laser is 405mW at the incident pump power of 6.33W,and the conversion efficiency of the average power is 6.4% from pump diode to OPO signal output.Under the pulse repetition rate of 5 kHz,the pulse width of 2 ns and peak power of 18.9 kW is achieved.The signal pulse duration is about 13.6 times shorter than that of the depleted pump light and it is about 16 times shorter than that of the pump light at a pulse repetition rate of 15 kHz.The experimental results show that the average power of 1.57μm OPO signal output increases effectively with the increase of pulse repetition frequency.This kind of optical parametric oscillator compresses the laser pulse effectively.

laser technique；optical parametric oscillator；eye-safe wavelength；diode pumped solid state laser

鐘 艷(1980-)，女，碩士，講師,主要從事全固態(tài)激光技術(shù)與器件的研究。E-mail:zhongyan8311@126.com

2014-10-28

1001-5078(2015)07-0782-04

TN248.1

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.010