1 引言
中红外可调谐激光在大气分子中的吸收特性使得该波段激光在**、医疗、遥感、通信,以及工业加工等领域有着重要的应用价值[1-3]。在光谱学、大气监测等领域,因H2O、CO2、CO等大气中众多原子和分子的吸收峰处于中红外波段,故可以根据大气分子对激光的选择性吸收强度来确定气体浓度[4]。在定向红外对抗系统中需要匹配中红外光谱区域的大气透射窗口,在大气传输窗口内实现波长的多样性时,不易受到对抗的影响[5]。基于2.0~2.5 μm波段的激光在大气中的传播衰减速度很小,且处于大气窗口,适用于自由空间光通信[6]。2.6 μm波段处于水的吸收峰,故2.6 μm的激光可以被人体生物组织中的水分子强烈吸收,对周围组织的热损伤较小,已被广泛应用于生物医疗等领域[7]。
目前,获得2.6 μm中红外激光输出的方法主要有光参量振荡技术(OPO)、量子级联激光器,以及半导体激光器等。其中基于OPO的可调谐中红外固体激光器具有转换效率高、调谐范围宽、光束质量好,以及结构简单等优点[8-11]。在众多非线性晶体中,磷酸钛氧钾(KTP)晶体具有非线性光学系数大、热导率高、失配度小、走离角小、不潮解,以及稳定的化学和机械性能等特点,是目前OPO常用的非线性晶体之一
。光参量振荡器的理论最早是由Kroll[15]提出的,1965年美国贝尔实验室的Giordmaine等[16]首先用脉冲泵浦光实现了光参量振荡输出。1989年Burnham等[17]首次利用1.06 μm的Nd∶YAG激光抽运KTP晶体实现了中红外波段参量激光输出。此后,基于KTP晶体的OPO向着高转换效率、高光束质量方向发展。2014年Cui等[18]搭建了一台高功率腔内抽运双谐振光学参量振荡器,其声光Q开关的调制频率设置为5 kHz,获得的最大输出功率为70 W。同年Verma等[19]采用高抗灰迹磷酸钛氧钾(HGTR KTP)非线性晶体,在20 W泵浦功率下,实现了7 W的2.1 μm的激光输出,转化效率为35%。2016年Mei等[20]将两块KTP晶体相向放置以补偿走离效应,提高转换效率,实现了2.068~2.191 μm波长连续可调谐,最大输出功率为3.29 W,光光转换效率为20.69%。同年,谢小兵等[21]在重复频率为400 Hz、泵浦能量为5 mJ下实现了单脉冲能量0.9 mJ的2.05 μm激光输出,光光转换效率达到了18%,光束质量因子M2在x、y方向上分别为2.08和3.03。2018年Verma等[22]采用Nd∶YVO4作为泵浦源,在10 kHz的重复频率下实现了3 W的2.1 μm激光输出,斜效率为23.6%。上述报道中的平平腔KTP-OPO的波长大多工作在2.1 μm,即KTP晶体的简并点附近,可以实现极高的转化效率。而基于KTP晶体的2.6 μm波段附近的OPO激光器却鲜有报道。2010年彭跃峰等[23]通过1064 nm激光抽运两块相向放置的KTP晶体腔内光参量振荡技术,在重复频率7 kHz下,获得了功率为7.6 W,光光转换效率为15.2%,光束质量M2小于1.6的2.68 μm激光输出。2017年卞进田[24]同样采用两块晶体相向放置的OPO结构,在低重复频率10 Hz下,利用89 mJ的泵浦能量获得了脉冲能量为7.5 mJ,光光转换效率为8.4%的2.7 μm激光输出。
在临界相位匹配OPO系统中,采用双晶体结构虽然可以补偿走离,但也极大地增加了整个激光器的体积。对于晶体切割角较大的2.6 μm KTP-OPO,其走离效应对于激光输出的影响相对较小,因此,可以采用单晶体的结构设计来满足小体积KTP-OPO的需求。本文设计了一台中心波长为2.6 μm的紧凑型光参量振荡器,在单晶体、单谐振结构下获得了较高转换效率的可调谐中红外激光输出。
2 实验设计
实验采用KTP晶体作为参量转换晶体,在双程泵浦条件下,根据KTP-OPO的阈值表达式[25-27]拟合得到OPO阈值与晶体长度之间的关系,并且通过o光和e光之间的距离来表征晶体的走离效应,如图1所示,在KTP晶体长度较小时,OPO的阈值能量密度会随着晶体长度的增加而降低,当晶体长度增加到一定值之后,阈值能量密度会达到一个最小点。之后受光波的走离效应、非线性晶体的吸收和泵浦光发散角等的影响,KTP晶体的能量阈值会有所增加,晶体的有效增益长度leff=45 mm。实验采用单晶体结构,走离角一定时,晶体越长,o光和e光的距离就越远,相应的其走离效应对于激光器转换效率的影响也就越明显。为了平衡两者之间的关系,实验晶体长度选取曲线交点处的20 mm,振荡阈值约为0.2 J/cm2。
图 1. 晶体长度对阈值和走离的影响
Fig. 1. Effect of crystal length on threshold and distance between o and e polarization light
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根据以上分析进行实验方案设计,具体的光路如图2所示。泵浦源为Nd∶YAG激光器(DW300,镭宝光电),波长为1064 nm,脉冲宽度为6 ns,重复频率为10 Hz。泵浦激光望远镜系统将光斑缩束至入射光斑的2/3,其中凸面镜焦距fF1=150 mm,凹面镜焦距fF2=-100 mm。OPO的腔型结构为平平腔,腔长为26 mm,M1镜片对基频光1064 nm高透,对信号光1800 nm高反,M2对基频光和信号光高反,对闲频光2600 nm高透。KTP晶体I类和II类相位匹配的有效非线性系数deff分别为0~1.2 pm/V和0~3.5 pm/V[28]。有效非线性系数越大,转换效率就越大,故本文选择非线性系数高的II类相位匹配角进行切割。根据KTP晶体在XZ平面内的II类相位匹配角度调谐曲线[29-30]可知:当晶体切割角度为59.8°时,闲频光输出中心波长为2.6 μm。
图 2. KTP-OPO激光器示意图
Fig. 2. Schematic of KTP-OPO laser
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3 实验结果与分析
3.1 光谱调谐
实验中腔内的信号光和闲频光的强度较高,通过调节腔镜可以观测到可见光束中的红光和绿光,其中红光为泵浦光与闲频光的和频,绿光为泵浦光的倍频,利用和频光可以辅助判断是否有闲频光输出[31]。由于OPO输出的激光为中红外波段,而本实验室缺少低重复频率中红外光谱测量设备,因此实验中通过测量和频光的光谱来间接获得中红外激光的波长,如图3所示。通过调节晶体角度,可以实现输出激光波长调谐。但受到腔内插入损耗、通光面的尺寸,以及腔镜的镀膜等的影响,目前实验上获得的波长调谐范围仅为2.4~2.8 μm。
图 3. 光参量振荡器输出波长的调谐范围
Fig. 3. Wavelength tuning range of OPO
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3.2 输出能量与转换效率
在平平腔结构下,KTP-OPO输出的2.6 μm激光能量随输入能量变化的曲线如图4所示,输出闲频光能量随泵浦能量的增大而线性增大,获得的最大单脉冲能量为12.6 mJ,转化效率为8.1%,与文献[
24]报道的双晶体结构的转化效率8.4%接近。这主要是因为本文采用单晶体结构缩短了OPO的腔长,从而获得了较高转化效率的激光输出。利用线性拟合得到的OPO的起振阈值为84 mJ。OPO腔相对于光束以一定的角度倾斜放置是为了防止激光反射损伤光腔,但该做法会使得激光损耗增加,导致实验阈值(0.37 J/cm2)与理论值(0.2 J/cm2)间有存在一定的偏差。
图 4. 闲频光能量随泵浦能量的变化曲线
Fig. 4. Energy of idlerlight versus pump energy
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图5展示了在泵浦能量140 mJ下,KTP-OPO闲频光输出能量随腔长的变化关系。由图可知,随着腔长的减小,OPO的振荡阈值减小,转换效率随之增加,输出能量变大。这是因为腔长的增加使得腔内衍射损耗增大,从而造成输出闲频光能量下降,该结果与文献[
32]报道的结果一致。
图 5. 闲频光能量随腔长的变化曲线
Fig. 5. Energy of idlerlight versus cavity length
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3.3 光束质量
在**、大气光谱测量等应用中,往往需要远距离传输激光束,这就要求中红外激光具有较好的光束质量。因此,测量和提高中红外激光光束质量对于光源的应用具有重要意义。目前,常用的激光光束质量测量方法主要有:套孔法、CCD法,以及刀口法等。套孔法的精度较差,很少被使用;CCD法的精度较高,但价格也比较昂贵,且难以适用于峰值功率较高的脉冲激光测量;刀口法的操作相对简单,精度也较高,且能适用于峰值功率高的脉冲激光测量[33-34]。结合上述分析,本文自行搭建了一套刀口测量装置来测量所产生的中红外激光光束质量,图6为该装置的示意图。
图 6. 刀口法激光光束质量测量装置示意图
Fig. 6. Setup for beam quality measurement by knife edge method
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光束质量的评价参数通常有光束远场发散角θ、焦斑尺寸、衍射极限倍数β、M2因子、Strehl比和环围功率比等。本文采用比较理想和实用的衍射极限倍数评价光束质量,其定义为
式中:θ为实际远场发散角;θ0为理想远场发散角。根据光波衍射理论,能够计算得到圆形实心均匀光束的理想远场发散角,即衍射极限角为
式中:D为光束直径。已知输出激光的波长,通过测量输出激光的光斑大小,就可得到理想远场发散角。在实际的测量中,通常是采用近场方法来测量远场发散角,即利用一个聚焦光学系统将被测激光束聚焦。如图6所示,在激光传播z轴方向上的某一位置放置刀口,当刀口没有遮挡激光光束时,此时的激光能量最大;当刀口沿y方向移动,光斑被遮挡的面积变大,激光能量下降;当激光光斑被完全遮挡时,此时的激光能量最小。分别测量透射能量为最大激光能量的16%与84%时对应的刀口在y轴方向上的位置y1与y2,即得刀口位置处光斑直径y=2
。通过测量z轴方向不同位置的光斑大小,利用双曲线拟合即可得到光束束斑大小,如图7所示,所产生的OPO光的光束质量为5倍衍射极限,这与文献[
22]报道的结果相近。
图 7. 聚焦光斑直径
Fig. 7. Diameter of focus spot
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4 结论
设计了一台基于光参量振荡技术高脉冲能量的2.6 μm可调谐激光器,在单晶体结构下实现了单脉冲能量为12.6 mJ,光光转换效率为8.1%,调谐范围为2.4~2.8 μm的中红外激光输出。2.6 μm激光单脉冲能量的提高主要受限于光学元器件的损伤。为了给**、环境监测,以及有机光谱测量等方面的应用提供更为优质的激光源,后续可采用更优的光学器件、双晶体结构和环形腔设计,来进一步提高中红外激光的单脉冲能量和光束质量。
致谢 感谢西南大学高子叶博士给予的帮助和有益讨论。
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