光參量振蕩固體激光器研究

張善春,張 鵬,李業(yè)秋,岱 欽

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 理學(xué)院,沈陽(yáng) 110159)

隨著激光技術(shù)在軍事及民用領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,人眼安全激光已成為激光器應(yīng)用的重要方面,尤其在人口密集的地方使用激光器,更需要對(duì)人眼安全的激光。到目前為止，光參量振蕩技術(shù)是獲取人眼安全波段最有效的手段。利用光參量振蕩器技術(shù)獲得的1570nm激光具有大氣紅外窗口、對(duì)煙霧穿透能力強(qiáng)和人眼安全等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在激光預(yù)警、激光雷達(dá)、激光測(cè)距等應(yīng)用領(lǐng)域倍受重視[1-4]。此外,利用光學(xué)參量振蕩器調(diào)諧輸出人眼安全波段激光還具有閾值低、轉(zhuǎn)換效率高,重復(fù)頻率高等特點(diǎn),而且體積小,質(zhì)量輕,可靠性高。與其它人眼安全激光器相比，可重復(fù)頻率工作，能夠滿(mǎn)足在軍事及其它領(lǐng)域上的應(yīng)用[5-7]。

近幾年，光參量振蕩激光器成為國(guó)內(nèi)外激光領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。2003年，W.ZENDAIAN等人[8]采用被動(dòng)調(diào)Q、Nd∶YAG泵浦KTP晶體方式，獲得1.9mJ的1.57μm激光輸出，峰值功率達(dá)650kW，光-光轉(zhuǎn)換效率44%。2004年，美國(guó)PII公司[9]采用聲光調(diào)Q方式實(shí)現(xiàn)了7.2W的1.536μm激光輸出，OPO運(yùn)轉(zhuǎn)重復(fù)頻率16kHz，光束質(zhì)量因子M2<1.1，光-光轉(zhuǎn)換效率為7.2%。2007年，天津大學(xué)激光與光電子研究所[10]采用側(cè)面泵浦聲光調(diào)Q、Nd:YAG/KTP光學(xué)參量振蕩器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了1.2W 1.572μm的信號(hào)激光輸出，重復(fù)頻率為4.3kHz，脈寬8ns。2008年，Liu等人[11]首次采用端面泵浦聲光調(diào)Q、Nd:YAG/KTP結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)1.572μm的輸出，功率為0.72W，重復(fù)頻率為15kHz，峰值功率為7.7kW，光-光轉(zhuǎn)換效率為10.4%。2009年，何京良等人[12]利用聲光調(diào)Q Nd:YAG/KTP結(jié)構(gòu)，當(dāng)重復(fù)頻率為18kHz時(shí)，獲得了平均功率為13W，脈寬為5.46ns的1.53μm激光輸出。2010年，Yang[13]采用二極管側(cè)面泵浦聲光調(diào)Q的Nd:YAG泵浦抗灰跡的KTP晶體，在重復(fù)頻率為6kHz時(shí)，獲得了9.94ns單脈沖能量和峰值功率分別為1.06mJ和107kW、最大平均功率為6.36W的1.57μm激光輸出。

本文利用Ⅱ類(lèi)非臨界相位匹配KTP晶體和非穩(wěn)腔OPO技術(shù)，實(shí)現(xiàn)1.57μm人眼安全波段激光。在腔鏡曲率半徑為2m條件下，分別測(cè)量輸出鏡透過(guò)率為50%和70%時(shí)的輸出能量和脈寬。采用平凸非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)，著重研究在不同輸出鏡透過(guò)率下的輸出能量以及脈寬的變化，通過(guò)對(duì)比獲得最佳透過(guò)率。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為1570nm激光器裝置圖。

圖1 1570nm激光器結(jié)構(gòu)示意圖

圖1所示，沿光傳播方向上依次放置1064nm全反鏡、電光調(diào)Q晶體、1/4波片、偏振片、激光棒、1570nm全反鏡、KTP晶體、1570nm輸出鏡以及濾光鏡。其中M1鏡是曲率半徑為2m的凹鏡、鍍1064nm全反膜；電光調(diào)Q晶體采用加壓模式；偏振片的消光比為3000:1；Nd:YAG激光棒尺寸為φ8mm120mm，棒兩端磨成平行雙圓面，兩端面鍍1064nm增透膜；M2為曲率半徑2m的凸鏡，鍍1064nm增透膜和1570nm全反膜；KTP晶體采用Ⅱ類(lèi)非臨界相位匹配，兩端面鍍1064nm和1570nm增透膜，晶體尺寸為8mm8mm20mm；輸出鏡M3鍍1570nm增透膜以及1064nm全反膜；M4為濾光鏡，濾去非1570nm光。為了防止熱效應(yīng)對(duì)晶體的損傷，對(duì)Nd∶YAG激光棒和KTP晶體采用循環(huán)水冷卻。1064nm光在M1和M3之間振蕩。1570nm光在M2和M3之間振蕩?；l光諧振腔長(zhǎng)為720mm，OPO諧振腔長(zhǎng)為80mm。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

在M1和M2鏡之間加入1064nm輸出鏡，調(diào)節(jié)激光器光路，緩慢增加泵浦電壓，當(dāng)泵浦電壓為800V時(shí)，微調(diào)M1和1064nm輸出鏡使輸出的1064nm光斑處于最佳狀態(tài)。然后移除1064nm輸出鏡以及擋板，使1064nm光通過(guò)KTP晶體，微調(diào)M1、M2和M3鏡，調(diào)出1570nm光使其光斑模式較好。

重復(fù)頻率為1Hz、M2鏡的曲率半徑為2m時(shí)，緩慢增加泵浦電壓，用相干公司的型號(hào)為J-50MB-YAG的能量計(jì)分別測(cè)量M3輸出鏡透過(guò)率為50%、70%的輸出能量。

OPO閾值條件為[14]

(1)

式中：L表示諧振腔腔長(zhǎng)；Pn為閾值處信號(hào)波能量；α為晶體對(duì)信號(hào)光的吸收系數(shù)；l為腔內(nèi)非線(xiàn)性晶體的長(zhǎng)度；2αl表示腔內(nèi)往返損耗；R為光學(xué)參量振蕩器腔的輸出鏡對(duì)信號(hào)光的反射率；tp為泵浦長(zhǎng)度；c為真空中光速；γ為泵浦強(qiáng)度比；leff為晶體有效長(zhǎng)度；gs為模耦合系數(shù)；k為耦合常量。

根據(jù)公式(1)，當(dāng)輸出鏡透過(guò)率太大時(shí)腔內(nèi)往返損耗2αl增大，導(dǎo)致腔總損耗增大，進(jìn)而導(dǎo)致閾值升高，因此采用高透過(guò)率輸出鏡時(shí)，OPO的閾值較高，采用低透過(guò)濾輸出鏡時(shí)，OPO的閾值較低。

圖2為不同透過(guò)率下輸出能量與泵浦電壓的關(guān)系圖。

圖2 不同透過(guò)率下輸出能量與泵浦電壓的關(guān)系

由圖2可以看出，T=70%時(shí)閾值比T=50%閾值要稍微偏高，這與式(1)閾值公式相符合。從圖2還可以看出，輸出鏡透過(guò)率為70%時(shí)的能量曲線(xiàn)斜率比透過(guò)率為50%時(shí)的能量曲線(xiàn)斜率高，這可能是因?yàn)楦咄高^(guò)率有利于1570nm光的輸出，有效的阻礙了逆轉(zhuǎn)換效率的發(fā)生，透過(guò)率為70%時(shí)最大輸出能量為35mJ。

采用DET08CFC型光電探測(cè)器和300MHz泰克存儲(chǔ)示波器記錄光參量振蕩波形，在泵浦電壓為800V時(shí)分別測(cè)量了T=50%和T=70%時(shí)的1570nm激光脈寬，如圖3所示。

圖3 輸出激光脈沖波形圖

由激光調(diào)Q理論，激光的輸出脈寬為[15]

(2)

式中：△t為輸出激光脈沖寬度；T為輸出鏡的透過(guò)率；D為諧振腔除透射損耗之外的其他損耗；d為諧振腔的腔長(zhǎng)；ni、nt、nf分別為初始、閾值和最終反轉(zhuǎn)粒子數(shù)；c為真空中的光速。

由式(2)可知，在其它條件不變的情況下，輸出激光脈寬與透過(guò)率成線(xiàn)性關(guān)系，透過(guò)率越大其輸出脈沖寬度越窄。

由圖3可以看出，輸出鏡透過(guò)率為50%時(shí)，輸出激光脈寬為2.1ns；輸出鏡透過(guò)率為70%時(shí)，輸出激光脈寬為1.5ns。輸出鏡透過(guò)率為70%時(shí)比透過(guò)率為50%時(shí)輸出脈沖寬度較窄，脈沖波型輪廓較好，這與理論相符合。

3 結(jié)論

在腔鏡曲率半徑為2m條件下，分別測(cè)量了不同透過(guò)率輸出鏡時(shí)的脈沖激光輸出能量以及脈寬。通過(guò)對(duì)比分析得到輸出鏡透過(guò)率為70%時(shí)比透過(guò)率為50%時(shí)獲得的脈沖激光能量大、脈沖寬度窄，可以獲得最大輸出能量35mJ、脈沖寬度1.5ns的人眼安全波段的脈沖激光輸出。

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