基于MgO摻雜LiNbO3的高功率2μm光參量振蕩器

黃文愷

(廣州大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心，廣州510006)

2 μm 波段激光對(duì)大氣和煙霧的穿透能力強(qiáng)，在激光雷達(dá)、激光測(cè)距和醫(yī)學(xué)等方面顯示出廣泛的應(yīng)用前景. 采用固體激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)2 μm 激光輸出的方法主要有2 種，分別是激光二極管直接泵浦的Tm、Ho 激光器［1］和1 μm 激光泵浦的簡(jiǎn)并光參量振蕩器(OPO)［2－5］. 稀土元素Tm、Ho 是準(zhǔn)三能離子，泵浦閾值高，通常需要對(duì)晶體進(jìn)行超低溫控制，轉(zhuǎn)換效率較低，某種程度上限制了其應(yīng)用. 而采用后一種技術(shù)時(shí)，為了得到高功率的2 μm 激光輸出，常采用腔內(nèi)抽運(yùn)方式. Cho 和Rhee［6］利用基于鉭酸鋰超晶格(PPLT)晶體的內(nèi)腔式光參量振蕩器，當(dāng)激光二極管功率為160 W 時(shí)，得到了9 W 的2 μm 激光輸出. 王克強(qiáng)等［7］用Nd:YAG 激光器泵浦的內(nèi)腔式鈦氧磷酸鉀光參量振蕩器(KTP OPO)，實(shí)現(xiàn)了11.2 W的2 μm 波長(zhǎng)輸出. 謝剛等［8］使用Nd:YAG 模塊作為抽運(yùn)源抽運(yùn)腔式雙晶體走離補(bǔ)償雙諧振光參量振蕩器，在7 kHz 聲光調(diào)Q 頻率下，獲得23.6 W 的2.12 μm 激光輸出. He 等［9］利用1 064 nm Nd:YAG泵浦KTP OPO 獲得了輸出功率18 W 的2 μm 激光，光束質(zhì)量因子小于6，脈沖寬度為70 ns.

周期性極化鈮酸鋰晶體(PPLN)是一種典型的周期性極化晶體［10］. PPLN 在近、中紅外波段都能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)相位匹配以獲得高功率的近中紅外激光，因此具有很高的應(yīng)用價(jià)值［11－14］. 由于不作摻雜的PPLN 的損傷閾值較低，容易在應(yīng)用中產(chǎn)生光折變損傷，目前應(yīng)用中所使用的PPLN 晶體大部分為摻鎂的PPLN 晶體(MgO: PPLN)，具有更好的抗光折變效應(yīng)性能，損傷閾值較高.

受Nd: YVO4激光器最大輸出功率的限制，MgO:PPLN OPO 只能得到最大5.3 W 的激光輸出.為了獲得更高的功率輸出，本文采用1 μm Nd:YVO4激光器泵浦周期性極化摻鎂鈮酸鋰晶體光參量振蕩器(MgO: PPLN OPO)，在泵浦功率為7.2 W時(shí)，獲得了5.3 W 的2 μm 激光輸出，轉(zhuǎn)換效率為74%. 為了得到更高功率的參量激光輸出，對(duì)Nd:YAG 激光器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在諧振腔內(nèi)加入凹透鏡用于補(bǔ)償熱透鏡效應(yīng)，并對(duì)激光器的性能作了理論和實(shí)驗(yàn)分析，以獲得高功率、高光束質(zhì)量的激光作為MgO:PPLN OPO 的泵浦光. 使用優(yōu)化后的Nd:YAG 激光器泵浦MgO:PPLN OPO，在泵浦功率為25 W 時(shí)，獲得了9.5 W 的2 μm 激光輸出.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 Nd:YVO4 激光器泵浦MgO:PPLN OPO

使用1 臺(tái)Nd: YVO4激光器泵浦MgO: PPLN OPO. 激光器的重復(fù)頻率為20 kHz，最大泵浦電流是33 A，最大輸出功率為7.2 W，光束質(zhì)量因子約為1.2，脈沖寬度約為18 ns. MgO:PPLN 具有很大的有效非線性系數(shù)(d33= 27 pm/V)、較高的損傷閾值，在0.3 ～5 μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)有較高的透過率. MgO:PPLN OPO 使用平平腔結(jié)構(gòu)，采用平面輸出鏡M1 對(duì)1 μm 激光高透，對(duì)2 μm 激光高反;輸出鏡M2 對(duì)1 μm 激光高反，對(duì)2 μm 激光的反射率約為60%.MgO:PPLN 晶體尺寸為3 mm ×3 mm ×19.5 mm、極化周期為32 μm.

1.2 Nd:YAG 激光器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

使用1 臺(tái)Nd: YAG 激光器泵浦MgO: PPLN OPO，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化. 用Nd: YAG 激光器在最高泵浦功率下泵浦MgO:PPLN OPO 得到的2 μm激光輸出功率始終小于1 W，且輸出的激光不穩(wěn)定.雖然泵浦光功率較大，但固體激光工作物質(zhì)中存在熱透鏡效應(yīng)，使得Nd:YAG 激光器輸出的激光光束質(zhì)量變差且功率密度偏低，僅能使MgO: PPLN OPO達(dá)到閾值，轉(zhuǎn)換效率偏低，MgO: PPLN OPO 不能形成有效且穩(wěn)定的激光輸出. 欲獲得高功率、高光束質(zhì)量的1 064 nm 激光作為MgO:PPLN OPO 的泵浦光，需解決影響Nd:YAG 激光器諧振腔輸出的熱透鏡效應(yīng).對(duì)Nd:YAG 激光器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì). 其增益介質(zhì)是Nd: YAG 激光棒，長(zhǎng)度為120 mm，直徑為4 mm，其Nd 摻雜體積分?jǐn)?shù)為1.0%. 激光棒兩端面為鍍有1 064 nm 增透膜的平面. 通過諧振腔穩(wěn)定性方法，測(cè)量在高泵浦電流下(17 ～20 A)YAG 激光棒的熱透鏡焦距為350 ～270 mm. 為補(bǔ)償該熱透鏡效應(yīng)，在諧振腔內(nèi)加入凹透鏡.

凹透鏡的焦距為250 mm，兩面鍍有1 064 nm增透膜. 通過ABCD 矩陣方法計(jì)算諧振腔內(nèi)激光的半徑分布可知，該補(bǔ)償凹透鏡能夠有效增加增益介質(zhì)中基模光束的模體積，從而抑制高階模的振蕩，提高激光器的光束質(zhì)量. 使用雙頭聲光Q 開關(guān)，能同時(shí)在2個(gè)相互垂直的方向產(chǎn)生衍射. 它比單頭的聲光Q 開關(guān)具有更高的衍射損耗，能夠關(guān)斷更高功率的激光. Q 開關(guān)的重復(fù)頻率范圍為1 ～100 kHz. M1為1 064 nm 輸出鏡，M2為1 064 nm 高反鏡.

1.3 Nd:YAG 激光器泵浦MgO:PPLN OPO

用優(yōu)化后的Nd: YAG 激光器泵浦MgO: PPLN OPO 的結(jié)構(gòu)如圖1 所示.由于Nd:YAG 激光器為隨機(jī)偏振輸出，因此需要在激光輸出端加上起偏器與1/2 波片對(duì)偏振態(tài)作調(diào)整，到達(dá)MgO: PPLN 晶體的泵浦功率僅為總功率的50%左右. MgO:PPLN 晶體溫度設(shè)置為50 ℃.

圖1 Nd:YAG 激光器泵浦PPLN OPO 實(shí)驗(yàn)裝置Figure 1 Experimental setup of the PPLN OPO pumped by Nd:YAG laser

2 結(jié)果與討論

2.1 Nd:YVO4 激光器泵浦MgO:PPLN OPO

在OPO 輸出功率調(diào)整到最佳的情況下，得到2 μm 輸出功率及轉(zhuǎn)換效率(圖2). OPO 的閾值功率約為0.8 W，2 μm 輸出功率隨1 μm 泵浦功率的增加而線性增長(zhǎng). OPO 轉(zhuǎn)換效率隨泵浦功率的增加初期迅速增大，然后趨于平緩并逐漸飽和. 泵浦功率大于5 W 后，轉(zhuǎn)換效率趨近于恒定值74%. 在泵浦功率為7.2 W 時(shí)，獲得最高的輸出功率5.3 W，其轉(zhuǎn)換效率為74%.

圖2 2 μm 輸出功率及轉(zhuǎn)換效率隨泵浦功率變化Figure 2 2 μm output power and conversion efficiency versus laser diode power

圖3 給出了7.2 W 泵浦功率下，OPO 輸出光束的光譜圖. 由于OPO 工作于近簡(jiǎn)并狀態(tài)，信號(hào)光和閑頻光的光譜出現(xiàn)部分重疊使得光譜半峰寬接近90 nm. 圖中譜線具有2個(gè)峰值，分別對(duì)應(yīng)于信號(hào)光中心波長(zhǎng)(約2.01 μm)與閑頻光中心波長(zhǎng)(約2.16 μm).

圖3 OPO 輸出的激光光譜Figure 3 Output spectrum of the OPO

2.2 Nd:YAG 激光器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

Nd:YAG 激光器諧振腔內(nèi)在未加凹透鏡時(shí)，測(cè)得激光器的抽運(yùn)電流閾值為11.7 A，而加入凹透鏡后，其閾值電流為16.4 A，比前者高，其主要原因是加入凹透鏡后，激光器的穩(wěn)定區(qū)向高泵浦電流方向偏移. 雖然加入凹透鏡后，抽運(yùn)電流閾值提高了，但激光器的斜率效率提高. 在高抽運(yùn)電流狀態(tài)，諧振腔內(nèi)有凹透鏡比沒有凹透鏡的激光輸出功率高. 用透過率為30%的輸出耦合鏡，在重復(fù)頻率為8 kHz時(shí)，測(cè)得Nd:YAG 激光器輸出功率及轉(zhuǎn)換效率隨泵浦電流的變化曲線(圖4). 在泵浦電流為20 A 時(shí)，得到隨機(jī)偏振的功率為55 W 的1 μm 激光輸出，轉(zhuǎn)換效率為14.7%，光束質(zhì)量因子小于3.

圖4 Nd:YAG 激光器輸出功率及轉(zhuǎn)換效率隨泵浦電流變化Figure 4 Output power and conversion efficiency as the function of pump current of the Nd:YAG laser

2.3 Nd:YAG 激光器泵浦MgO:PPLN OPO

用優(yōu)化后的Nd: YAG 激光器泵浦MgO: PPLN OPO，在重復(fù)頻率分別為4、6 及8 kHz 時(shí)，測(cè)量OPO輸出功率隨泵浦電流的變化關(guān)系(圖5). 重復(fù)頻率越低，產(chǎn)生的單脈沖能量越高，OPO 的轉(zhuǎn)換效率越高，所得到的輸出功率也越高. 重復(fù)頻率為8 kHz時(shí)，OPO 的斜效率為42.9%. 在泵浦電流為20 A，重復(fù)頻率為6 kHz 時(shí)，得到最高的2 μm 輸出功率為9.5 W.

圖5 不同重復(fù)頻率下泵浦電流與輸出功率的關(guān)系Figure 5 Output power as the function of pump current at different repetition frequency

3 結(jié)論

使用Nd: YVO4激光器產(chǎn)生的1 μm 激光作泵浦源，泵浦MgO:PPLN OPO，產(chǎn)生了最高5.3 W 的2 μm 激光輸出，轉(zhuǎn)換效率達(dá)74%. 通過改造Nd:YAG激光器，在諧振腔內(nèi)加入補(bǔ)償凹透鏡，對(duì)YAG 激光棒的熱透鏡效應(yīng)做補(bǔ)償，提高了YAG 激光器的光束質(zhì)量和輸出功率.利用其泵浦MgO:PPLN OPO，在重復(fù)頻率為6 kHz 時(shí)，獲得了9.5 W 的2 μm 激光輸出，為進(jìn)一步開展高功率紅外激光技術(shù)研究提供了基礎(chǔ).

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