小型化高光束质量MgO: PPLN中红外光参量振荡器 下载: 508次
0 引 言
中红外激光在大气中传输时衰减很小,处于大气红外窗口,而且该波段还位于许多分子的“指纹”区,对应多数分子的特征吸收谱,因此,中红外激光在大气环境监测、遥感测量、光电探测和光电对抗等领域有着重要应用[1-4]。其中,采用波段1 μm激光器泵浦基于MgO:PPLN晶体的光参量振荡器(OPO)可实现中红外激光输出,该OPO具有功率高、效率高、光束质量好和波长可调谐等优点,是实现连续和脉冲中红外激光输出的有效途径[5-7]。通常,基于MgO:PPLN晶体的OPO(MgO:PPLN-OPO)采用光纤激光器或固体激光器作为泵浦源。
掺Yb光纤激光器具备功率高、效率高和散热性能好等优点,可作为MgO:PPLN-OPO的泵浦源。其中,为了提高泵浦光的峰值功率,进而提高OPO的光光转换效率,需采用脉冲掺Yb光纤激光器作为泵浦源。主振荡功率放大(MOPA)结构的掺Yb光纤激光器是获得高峰值功率1 μm波段激光输出的主要技术途径,即通过一级或多级掺Yb光纤放大器对窄脉宽种子光进行功率放大,MOPA光纤激光器作为泵浦源得到了大量实验验证[6, 8-11]。但在工程应用中,MOPA光纤激光器在出光时,若种子源或预放大级出现故障,很容易造成下一级放大器的损坏;而较高的峰值功率易引发光纤内的受激布里渊散射等非线性效应;同时,后向反射光易对光纤激光器造成损伤;此外,为实现线偏振光纤激光输出,需全部采用保偏光纤器件,成本较高。上述因素不利于MOPA光纤激光器在MgO:PPLN-OPO中的工程应用。
固体激光器也可用于泵浦MgO:PPLN-OPO,其中,基于Nd:YVO4晶体的固体激光器易于实现高峰值功率脉冲激光输出,且相比于MOPA光纤激光器,Nd:YVO4激光器结构简单,可直接输出线偏振激光,对后向反射光不敏感,且成本较低,在MgO:PPLN-OPO中得到了应用[12-14]。但Nd:YVO4激光器通常需要水冷散热,水冷机不仅增加了MgO:PPLN-OPO的体积和重量,而且需要定期维护,不利于MgO:PPLN-OPO的工程应用,同时,在高峰值功率泵浦情况下,MgO:PPLN-OPO中的高阶模会产生振荡,降低中红外激光光束质量。因此,文中介绍了一种无水冷Nd:YVO4激光器泵浦的高光束质量MgO:PPLN-OPO,采用声光调Q方法使Nd:YVO4激光器输出高峰值功率脉冲泵浦激光,进而获得高效率、高峰值功率中红外激光输出。在MgO:PPLN-OPO谐振腔中加入光阑,以提高中红外激光光束质量。整个激光器采用热电制冷和风冷相结合的散热方式,极大地缩减了激光器的体积和重量,为MgO:PPLN-OPO的工程应用提供了可行的技术方案。
1 实验装置
实验装置如
Nd:YVO4激光器输出的竖直线偏振1.064 μm激光经过45°反射镜M5和M6反射后入射OPO。OPO主要包括缩束镜组、谐振腔镜、MgO:PPLN晶体、加热炉、扩束镜组和分束镜等。泵浦光首先经过缩束镜组M7和M8压缩光斑直径,以提高泵浦光功率密度,进而提高OPO的光光转换效率。MgO:PPLN 晶体(HCP公司)尺寸为 50 mm×3 mm×2 mm,MgO掺杂浓度为5 mol%,极化周期为29.5 μm,晶体端面镀1.064 μm、1.480 μm和3.800 μm增透膜。MgO:PPLN 晶体固定在加热炉中,工作温度设定在65 ℃,温控精度为±0.1 ℃,对应的信号光和闲频光波长分别为1.480 μm 和3.800 μm。谐振腔由平镜M7和M8组成,采用信号光单谐振方案,M7镀1.064 μm高透、1.480 μm或3.800 μm高反膜,M8镀1.064 μm高反、3.800 μm高透和1.480 μm部分反射膜(反射率70%),谐振腔腔长为100 mm,MgO:PPLN晶体放置在谐振腔的中心位置,在MgO:PPLN晶体和M8之间放置孔径1 mm光阑,以抑制高阶模的振荡,从而优化输出激光的光束质量。泵浦光入射MgO:PPLN晶体后,在谐振腔的反馈下,通过光学参量振荡过程,获得近红外波段的信号光和中红外波段的闲频光输出,由于中红外激光发散角较大,需通过扩束镜组M11和M12进行扩束以压缩发散角,再利用分光镜M13将信号光滤除,最终获得中红外激光输出。
在热控方面,该中红外OPO采用半导体热电制冷器(TEC)和风冷相结合的散热方式,其主要热源器件包括LD、Nd:YVO4晶体和AOM。如
2 实验结果与分析
2.1 声光调Q Nd:YVO4激光器
首先对声光调Q Nd:YVO4激光器的输出特性进行了实验研究。采用方波信号对AOM进行调制,方波信号重复频率为30 kHz,幅值为5 V,占空比为1%,Nd:YVO4激光器输出1.064 μm脉冲激光,采用格兰棱镜将输出激光分为竖直偏振和水平偏振的线偏振激光,采用激光功率计(Ophir公司FL150A-BB-26型)分别对激光功率进行测试,结果如
图 3. 1.064 μm竖直偏振和水平偏振激光输出功率随LD功率变化曲线
Fig. 3. Output power of the vertically and horizontally polarized laser at 1.064 μm as a function of LD power
如
2.2 光参量振荡器
采用上述声光调Q Nd:YVO4激光器泵浦MgO:PPLN-OPO。为了获得高光束质量中红外激光输出,在OPO谐振腔中加入了光阑。如
图 5. 中红外激光功率随泵浦功率变化曲线和中红外激光光谱
Fig. 5. Mid-infrared output power as a function of pump power and mid-infrared spectrum
虽然加入光阑后中红外激光的光光转换效率出现少量下降,但中红外激光的光束质量可获得较大提高。如
图 6. (a)无光阑和(b)有光阑情况下中红外激光M 2因子测试及光斑轮廓
Fig. 6. Mid-infrared M 2 factors and beam profile for (a) no aperture and (b) adding aperture
采用HgCdTe光电探测器(Vigo公司PV-2TE-4型)和示波器(Keysight公司DSO-X 4104A型)对中红外激光脉冲波形进行测试,如
3 结 论
文中介绍了声光调Q Nd:YVO4激光器泵浦MgO:PPLN-OPO的结构和工作原理,该中红外激光器采用热电制冷和风冷相结合的散热方式,并通过在OPO谐振腔中加入光阑对中红外激光的光束质量进行了优化。实验结果表明:采用无水冷的声光调Q Nd:YVO4激光器能够实现最高9.3 W的脉冲激光输出,光光转换效率为27.2%,峰值功率可达~27.5 kW;在Nd:YVO4激光器泵浦下,在无光阑情况下,MgO:PPLN-OPO可实现最高1.20 W的3.765 μm激光输出,Mx2和My2因子分别为1.89和1.98,在谐振腔中加入光阑后,MgO:PPLN-OPO的最高输出功率略降至1.08 W,但光束质量有明显提高,Mx2和My2因子分别为1.20和1.29,同时,激光峰值功率可达~4.3 kW。上述结果证明了热电制冷和风冷能够对Nd:YVO4激光器进行有效地热控,通过在MgO:PPLN-OPO谐振腔中加入光阑不仅能够提高中红外激光光束质量,还可实现高效率、高峰值功率中红外激光输出。此外,声光调Q Nd:YVO4激光器和MgO:PPLN-OPO的输出功率均随泵浦功率的增加呈线性增长,因此若进一步提高泵浦功率,有望实现数瓦级的高功率中红外激光输出。上述实验方案为研制工程化中红外MgO:PPLN-OPO提供了可行的技术途径。
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白翔, 何洋, 于德洋, 张阔, 陈飞. 小型化高光束质量MgO: PPLN中红外光参量振荡器[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(7): 20190512. Xiang Bai, Yang He, Deyang Yu, Kuo Zhang, Fei Chen. Miniaturized mid-infrared MgO: PPLN optical parametric oscillator with high beam quality[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(7): 20190512.