基于內(nèi)腔的KTP光參量振蕩器的腔型結(jié)構(gòu)研究

李業(yè)秋,張善春,趙 吉,李 漫,岱 欽

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué)理學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.吉林省計(jì)量科學(xué)研究院 計(jì)量測(cè)試儀器與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 130103)

1 引 言

1570 nm人眼安全固體激光對(duì)人眼較為安全,與常用的1064 nm激光相比較,對(duì)煙霧的穿透能力較強(qiáng),因此在激光主動(dòng)成像、激光預(yù)警等方面有很大的應(yīng)用潛力[1-3]。迄今為止,光學(xué)參量振蕩器是獲取人眼安全波段最有效的技術(shù)手段。

國(guó)內(nèi)外對(duì)人眼安全波段激光器進(jìn)行了大量的研究。2005年,Waldemar Zendzian等人[4]利用端面泵浦聲光調(diào)Q的KTP-OPO激光器,獲得了1.572 μm人眼安全激光的輸出,其重復(fù)頻率為40 kHz,平均輸出功率為1.5 W,脈寬為4.5 ns,光-光轉(zhuǎn)換效率為11%。國(guó)內(nèi),西南技術(shù)物理研究所成功研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)二極管泵浦輸出1.57 μm激光全固態(tài)人眼安全OPO激光器,重復(fù)頻率為20 Hz,輸出能量為15 mJ[5]。龍啟強(qiáng)等[6]利用電光調(diào)Q Nd∶YAG和環(huán)形腔KTP-OPO實(shí)現(xiàn)了1.57 μm激光輸出,最大輸出能量為46 mJ,重復(fù)頻率為10 Hz,脈沖寬度為6.9 ns。華北光電技術(shù)研究所的包照日格圖等人[7]采用多模Nd∶YAG 激光器泵浦非臨界相位匹配的KTP-OPO,在重復(fù)頻率20 Hz的條件下,獲得了輸出能量為400 mJ﹑光束發(fā)散角為2.3 mrad﹑光-光轉(zhuǎn)換效率為40%的1572 nm激光器。郭猛等[8]采用940 nm LD端面泵浦Er3+/Yb3+共摻磷酸鹽玻璃和被動(dòng)調(diào)Q方式實(shí)現(xiàn)了微型1.535 μm波段激光器,激光單脈沖能量為130 μJ,重復(fù)頻率為10 Hz,脈沖寬度為5.5 ns。2011年,西安應(yīng)用光電研究所李剛等人[9]通過(guò)分析并計(jì)算繪制出KTP-OPO的相位匹配的角度調(diào)諧曲線(xiàn),當(dāng)工作頻率為5 Hz時(shí),輸出1570 nm人眼安全激光的能量為32 mJ,脈沖寬度為7.22 ns,光-光轉(zhuǎn)換效率為41%。2012年,李剛等人[10]基于內(nèi)腔式虛共焦非穩(wěn)腔的理論優(yōu)化結(jié)果和理論遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角4.05 mrad,對(duì)光參量振蕩器激光器的光束質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)實(shí)驗(yàn),輸出能量可達(dá)到70.6 mJ/脈沖,遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角最小達(dá)5 mrad。2015年,鐘艷等人[11]采用聲光調(diào)Q激光二極管端面抽運(yùn)的Nd∶GdVO4全固態(tài)激光器作為抽運(yùn)源的人眼安全波長(zhǎng)內(nèi)腔式KTP光學(xué)參量振蕩器,在注入泵浦功率為6.33 W,重復(fù)頻率為15 kHz時(shí),平均功率達(dá)到405 mW。

國(guó)內(nèi)外都對(duì)人眼安全激光器進(jìn)行了大量的研究,測(cè)量了激光器的輸出能量和脈寬,計(jì)算了最大光-光轉(zhuǎn)換效率[12-15]。本實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)腔式OPO結(jié)構(gòu)。內(nèi)腔式OPO結(jié)構(gòu)中泵浦光往返通過(guò)KTP晶體,激光諧振腔中的高能量密度激光降低了OPO的閾值,提高了OPO的輸出效率[16-18]。同時(shí)實(shí)驗(yàn)采用平凸非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu),電光調(diào)Q方式、閃光燈泵浦Nd∶YAG晶體實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量的1.064 μm基頻光,利用基頻光對(duì)Π類(lèi)非臨界相位匹配KTP晶體進(jìn)行激發(fā),產(chǎn)生1.57 μm人眼安全波段激光。在不同曲率半徑時(shí)分別測(cè)量了OPO諧振腔輸出鏡透過(guò)率為50%和70%下的輸出能量,并測(cè)量了1570 nm激光的脈寬和光斑。

2 OPO非穩(wěn)諧振腔的理論分析

如圖1所示為OPO諧振腔結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化圖,M2鏡為凸鏡,M3鏡為平面鏡,諧振腔腔型為平凸非穩(wěn)腔。由于激光晶體具有熱效應(yīng),因此KTP晶體等效于一個(gè)焦距為f的熱透鏡。以M3平面為參考平面,根據(jù)光線(xiàn)傳輸矩陣ABCD定律可以得到[19-20]：

圖1 OPO諧振腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖Fig.1 Simplified structure of OPO resonator

式中,r為M2鏡的曲率半徑,因?yàn)橥圭R朝向晶體取負(fù)值;d1、d2、d3、d4分別為30 mm、7.25 mm、7.25 mm、30 mm,圖中兩虛線(xiàn)間的長(zhǎng)度為l,l=L/2n,L為KTP晶體的長(zhǎng)度;n為晶體沿z軸方向的折射率,實(shí)驗(yàn)中KTP晶體的長(zhǎng)度20 mm,n=1.83,計(jì)算得到l約為5.5 mm,假設(shè)熱透鏡的焦距f為8000 mm,將得到的A、B、C、D矩陣元素代入式(1)中[21]:

(1)

對(duì)其進(jìn)行模擬仿真,得到圖2所示的R-ω關(guān)系圖。

圖2 曲率半徑與輸出光斑尺寸關(guān)系圖Fig.2 Relationship between curvature radius and output spot size

從圖中可以看出曲率半徑在2～8 m之間,輸出光斑半徑與M2鏡的曲率半徑近似成線(xiàn)型關(guān)系,隨著曲率半徑的增加輸出光斑半徑逐漸增加,實(shí)驗(yàn)中凸鏡M2采用的是2 m、5 m、8 m,從圖中看出在2～8 m之間,隨著M2鏡的曲率半徑逐漸增加,輸出光斑半徑逐漸增加。

下面通過(guò)理論對(duì)曲率半徑與輸出能量的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步的分析。平凸腔內(nèi)球面波往返一周后的波面自再現(xiàn)放大率為：

(2)

(3)

3 實(shí)驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)研制的激光器結(jié)構(gòu)如圖3所示,激光器采用閃光燈泵浦和電光調(diào)Q技術(shù)。具有電光效應(yīng)的EQ晶體放置在反射鏡M1和偏振片之間,采用退壓模式,兩端面鍍1.064 μm增透膜。為了得到更好的聚光效果,將閃光燈與激光棒分別放置于橢圓柱聚光腔的兩條焦線(xiàn)上,Nd∶YAG中激光棒尺寸為φ6 mm×110 mm,增益介質(zhì)的摻雜濃度為0.9%,激光棒兩端磨成平行雙圓面,兩端面鍍1.064 μm增透膜,Nd∶YAG激光器采用循環(huán)水進(jìn)行冷卻,設(shè)置溫度為20 ℃。KTP晶體采用Ⅱ類(lèi)非臨界相位匹配,兩端面鍍1.064 μm和1.57 μm增透膜,晶體尺寸為4 mm×4 mm×20 mm,對(duì)OPO晶體也進(jìn)行循環(huán)水冷卻。為了得到較好的光束質(zhì)量,OPO諧振腔采用平凸非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu),其中M1鍍1.064 μm高反膜,M2為凸透鏡,鍍1.064 μm的增透膜和1.57 μm高反膜,M3鍍1.064 μm全反膜和1.57 μm的部分透射膜,M4鏡為濾光鏡,濾去非1570 nm光。M1和M3為泵浦光諧振腔,腔長(zhǎng)為720 mm,M2和M3為光參量振蕩器的諧振腔,腔長(zhǎng)為80 mm。

圖3 1.57 μm激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of 1.57 μm laser

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)光路進(jìn)行調(diào)試,在準(zhǔn)直的基礎(chǔ)上反復(fù)調(diào)節(jié)M1和M2鏡,調(diào)出1064 nm激光,移去1064 nm輸出鏡,反復(fù)調(diào)節(jié)M1、M2和M3鏡直到調(diào)出1570 nm光。在重復(fù)頻率為1 Hz下,M3鏡的透過(guò)率為50%時(shí),用coherent公司J-25MB-HE能量計(jì)分別測(cè)量M2腔鏡曲率半徑為2 m、5 m、8 m時(shí)輸出的1570 nm光的能量,得到輸出激光能量與泵浦電壓關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同曲率半徑下輸出能量與泵浦電壓的關(guān)系Fig.4 Relationship between pump voltage and output energy under different radius of curvature

從圖中可以看出,泵浦電壓與輸出能量近似成線(xiàn)型增加關(guān)系,輸出能量隨著泵浦電壓的增加而增加。在泵浦電壓相同時(shí),腔鏡的曲率半徑越大其輸出能量越高。圖中所示,腔鏡曲率半徑為5 m時(shí)曲線(xiàn)斜率略高于2 m的曲線(xiàn),腔鏡曲率半徑為8 m的曲線(xiàn)斜率明顯高于2 m和5 m的曲線(xiàn)。

將輸出鏡M3換成透過(guò)率為70%的鏡片,繼續(xù)測(cè)量不同泵浦電壓下腔鏡曲率半徑為2 m、5 m、8 m時(shí)的能量,繪制圖形如圖5所示。

圖5 不同曲率半徑下泵浦電壓與輸出能量之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between pump voltage and output energy under different radius of curvature

從圖4、圖5中可以看出泵浦電壓與OPO諧振腔輸出能量之間近似成線(xiàn)性關(guān)系,泵浦電壓相同時(shí),M2腔鏡曲率半徑越大輸出能量也越大。曲率半徑越大,整體曲線(xiàn)的斜率仍然較高。與OPO諧振腔輸出境透過(guò)率為50%時(shí)相比較,泵浦電壓與輸出能量之間的曲線(xiàn)較為平滑,3條不同曲線(xiàn)之間的間距較為適中。這些結(jié)論是與前面做的理論分析相一致的,在前面的理論分析中,得出了OPO諧振腔輸出的激光光斑半徑與M2鏡的曲率半徑成近似的線(xiàn)型關(guān)系,隨著M2鏡曲率半徑的增加輸出OPO激光光斑半徑逐漸增加。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)OPO諧振腔曲率半徑與輸出能量的關(guān)系進(jìn)行分析,得出曲率半徑與輸出能量成正比,凸面鏡的曲率半徑越大則輸出激光能量越強(qiáng)。

實(shí)驗(yàn)采用“桶中功率(能量)”理論對(duì)OPO輸出激光光束發(fā)散角進(jìn)行評(píng)價(jià),如圖6在OPO激光輸出處放置一個(gè)焦距為f=1000 mm的透鏡,在透鏡焦點(diǎn)處放置一個(gè)可變小孔光闌,在靠近光闌后放置一個(gè)激光能量計(jì)。通過(guò)調(diào)整小孔光闌的直徑,使透過(guò)小孔的OPO激光能量發(fā)生變化,觀(guān)察能量計(jì)的示數(shù),當(dāng)透過(guò)的激光能量恰好為無(wú)小孔光闌能量的86.5%時(shí),記錄小孔光闌的直徑ε。則發(fā)散角的大小為[22]：

θ=ε/f

(4)

圖6 激光發(fā)散角測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.6 Schematic of divergence angle measurement experiment

根據(jù)公式(4)分別在OPO諧振腔后鏡M2曲率半徑為2 m、5 m、8 m時(shí),對(duì)OPO輸出激光的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角進(jìn)行測(cè)量,當(dāng)OPO諧振腔后鏡M2曲率半徑逐漸增加時(shí),OPO輸出激光的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角呈下降趨勢(shì)。在OPO諧振腔后鏡M2曲率為8 m時(shí),得到最佳遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角θ=4.8 mrad。

在OPO諧振腔的M2腔鏡曲率半徑為8 m,輸出鏡M3透過(guò)率為70%,泵浦電壓為820 V時(shí),輸出1064 nm光能量為310 mJ,輸出1570 nm光能量為44 mJ,其最大光-光轉(zhuǎn)換效率約為14.2%。

在OPO泵浦腔后鏡M2曲率為8 m時(shí),將激光轉(zhuǎn)換片放置在能量計(jì)與濾光鏡之間,利用激光轉(zhuǎn)換片測(cè)得1570 nm激光的光斑如圖7所示。

圖7 1570 nm激光光斑Fig.7 1570 nm laser spot

分別測(cè)量透過(guò)率為50%和70%時(shí)1570 nm激光的脈寬。在濾光鏡和能量計(jì)探頭之間放置一個(gè)對(duì)1570 nm激光的倍頻晶體,采用THORLABS公司的DET10A/M型光電探頭接收1570 nm激光倍頻信號(hào),用Tektronix公司的TDS3034B型號(hào)存儲(chǔ)示波器記錄激光信號(hào)波形。在重復(fù)頻率為1 Hz,輸出鏡透過(guò)率為50%時(shí),如圖8所示,得到了1570 nm輸出光脈寬為2.26 ns,輸出鏡透過(guò)率為70%時(shí),如圖9所示,得到了1570 nm輸出光脈寬為2.74 ns。

圖8 輸出鏡透過(guò)率為50%時(shí)1570 nm激光脈寬圖Fig.8 1570 nm laser pulse width with a signal transmission of50% on the output coupler

圖9 輸出鏡透過(guò)率為70%時(shí)1570 nm激光脈寬圖Fig.9 1570 nm laser pulse width with a signal transmission of 70% on the output coupler

5 總 結(jié)

論文首先利用光線(xiàn)傳輸ABCD矩陣對(duì)OPO諧振腔進(jìn)行了理論分析與軟件模擬,設(shè)計(jì)了平凸非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu)的OPO諧振腔。并在不同曲率半徑時(shí)分別測(cè)量了OPO諧振腔輸出激光能量,繪制了泵浦電壓與激光輸出能量曲線(xiàn),得出了1570 nm激光輸出能量與腔鏡曲率半徑之間的關(guān)系。在OPO諧振腔反射鏡M2的曲率半徑為8 m條件下,得到最大光-光轉(zhuǎn)換效率為14.2%。輸出鏡透過(guò)率為50%時(shí),得到1570 nm輸出激光脈寬為2.26 ns,輸出鏡透過(guò)率為70%時(shí),得到1570 nm輸出激光脈寬為2.74 ns。 這與軟件模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)通過(guò)軟件模擬和實(shí)際測(cè)試確定了OPO諧振腔最佳的參數(shù)設(shè)置,提高了1570 nm激光的輸出能量。進(jìn)一步的為人眼安全激光的實(shí)際應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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