何利杰，侯天禹，魏 磊，韓 隆，王克強(qiáng)

(固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100015)

1 引言

3～5μm中波激光源在紅外干擾武器系統(tǒng)中有重要應(yīng)用。此波段激光源包括自由電子激光器、氣體激光器、化學(xué)激光器和光學(xué)參量振蕩器(OPO)等［1］。隨著各種新型、優(yōu)異的非線性晶體的研制成功，中波紅外光學(xué)參量振蕩器逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。磷鍺鋅(ZnGeP2)晶體，簡稱ZGP，因其具有高非線性系數(shù)(75 pm/V)、寬的透明波段(0．7～12 μm)、高導(dǎo)熱率(0．36 W/(cm·K))和較高的損傷閾值(10 J/cm2)［2］成為高功率中紅外光參量振蕩器首選的工作物質(zhì)。

泵浦ZGP－OPO一般需要波長2μm的激光源。產(chǎn)生2μm激光的主要技術(shù)途徑有:1064 nm激光泵浦KTP－OPO技術(shù)、摻雜Tm3+激光晶體直接輸出和摻雜Ho3+激光晶體直接輸出等。近年來，摻雜Tm3+、Ho3+晶體直接輸出2μm激光技術(shù)途徑發(fā)展迅速，KTP－OPO的途徑因?yàn)檩敵龉馐|(zhì)量差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜而逐漸被淘汰。摻雜Ho3+的激光晶體吸收譜峰值在1．9μm處，目前還不能用LD直接泵浦。摻雜Tm3+的激光晶體在800 nm附近有吸收峰，適合商用激光二極管泵浦。因此，LD泵浦摻雜Tm3+激光晶體成為2μm激光源的主要途徑之一。

本文報(bào)道了采用波長795 nm，最高輸出功率110 W的光纖耦合輸出激光二極管端面泵浦Tm∶YAP晶體，泵浦功率110W時(shí)獲得32W的2μm激光輸出。以此泵浦Ⅰ類相位匹配的雙諧振ZGP光參量振蕩器，最高得到10．5W中波激光輸出。

2 方案設(shè)計(jì)

2．1 基波諧振腔的計(jì)算

泵浦源采用光纖耦合輸出的激光二極管，泵浦光需要用準(zhǔn)直聚焦透鏡聚焦到激光晶體端面。端面泵浦的固體激光器，激光介質(zhì)的熱效應(yīng)十分嚴(yán)重。在高功率端面泵浦激光器中，激光介質(zhì)的熱焦距可達(dá)到厘米級(jí)，短的熱焦距會(huì)改變空諧振腔的結(jié)構(gòu)，顯著影響激光器的輸出功率和輸出光束質(zhì)量。在設(shè)計(jì)諧振腔之前，必須了解激光介質(zhì)熱焦距與泵浦功率之間的關(guān)系。先用諧振腔穩(wěn)定性法測量了激光二極管端面泵浦Tm∶YAP晶體熱焦距與其吸收的泵浦光功率的關(guān)系。諧振腔穩(wěn)定性法是一種非常簡便、易于操作的熱透鏡測量方法，但是由于測量時(shí)諧振腔內(nèi)無激光振蕩，這使得熱焦距的測量值比實(shí)際有激光輸出時(shí)要小。實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果是:

式中，ft是Tm∶YAP晶體吸收泵浦光功率時(shí)的熱焦距。再根據(jù)泵浦光到基波激光的轉(zhuǎn)換效率和基波激光到中波參量光的轉(zhuǎn)換效率，可以估算出輸出10 W中波激光時(shí)Tm∶YAP晶體的熱焦距約為60 mm。在此基礎(chǔ)上根據(jù)熱穩(wěn)腔的設(shè)計(jì)流程［3］設(shè)計(jì)了基波的諧振腔。數(shù)值計(jì)算了所設(shè)計(jì)諧振腔腔內(nèi)基模高斯光束束寬隨熱透鏡焦距的變化規(guī)律，如圖1所示。

圖1 基模高斯光束束寬

圖中橫坐標(biāo)是熱透鏡光焦度，單位是1/mm，縱坐標(biāo)是基模高斯光束的半徑，單位是mm。三條曲線分別代表全反鏡、輸出鏡和熱透鏡上基模高斯光束的半徑。從圖上可以看出熱透鏡焦距從無窮大到60 mm諧振腔都能穩(wěn)定振蕩，并且基模高斯光束束寬在熱透鏡焦距大幅變化時(shí)基本不變，諧振腔具有熱穩(wěn)定性。

2．2 ZGP晶體相位匹配角的計(jì)算

光參量振蕩器采用ZGP晶體作為非線性晶體，ZGP 的 Sellmeier色散方程為［4］:

再根據(jù)光參量過程的能量守恒定律和動(dòng)量守恒定律:

可以得到2μm激光泵浦ZGP－OPO時(shí)的相位匹配曲線，Ⅰ類相位匹配曲線如圖2所示。

圖2 ZGP晶體相位匹配曲線

圖中橫坐標(biāo)是ZGP晶體切割角度，單位是度，縱坐標(biāo)是參量光波長，單位是μm。由圖可知，2μm激光泵浦ZGPⅠ類相位匹配的光參量振蕩器，通過角度調(diào)諧，可以得到3～5μm波段激光輸出。而Ⅱ類相位匹配時(shí)，經(jīng)過計(jì)算，在3～5μm處沒有對(duì)應(yīng)的切割角度，得不到中波激光輸出。因此要獲得3～5μm的中波激光輸出，應(yīng)選擇Ⅰ類相位匹配的ZGP－OPO。ZGP的切割角度從圖上可以看出約是58．3°。

3 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基波的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

泵浦源采用光纖耦合輸出波長約795 nm的激光二極管，最大輸出功率為110 W，光纖纖芯直徑為400μm，數(shù)值孔徑0．22。光纖輸出的泵浦光經(jīng)過準(zhǔn)直聚焦透鏡聚入Tm∶YAP晶體。全反鏡M1雙面鍍795 nm增透膜，腔內(nèi)面鍍 2μm全反膜。Tm∶YAP晶體直徑5 mm，長約 15 mm，摻雜濃度2%。晶體端面鍍795 nm和2μm增透膜，用紫銅熱沉通水冷卻。M2鏡腔內(nèi)側(cè)鍍2μm部分透過膜，腔外側(cè)鍍2μm增透膜。

圖3 激光二極管端面泵浦Tm∶YAP晶體實(shí)驗(yàn)裝置

用L50A激光功率計(jì)測量激光輸出功率，結(jié)果如圖4所示。當(dāng)泵浦功率為110 W時(shí)輸出激光功率達(dá)到32 W，光光效率為29%。激光工作頻率是10 kHz。用脈寬探頭和示波器測量激光脈寬是64 ns。通過測量激光發(fā)散角和束腰直徑，計(jì)算了輸出激光的光束質(zhì)量因子M2=3．2。

圖4 基波功率與泵浦功率的關(guān)系

把聲光調(diào)Q后產(chǎn)生的高重頻2μm激光，入射到ZGP－OPO中，做中波光參量振蕩實(shí)驗(yàn)。聲光Q開關(guān)工作在10 kHz時(shí)，輸出中波功率如圖5所示。

圖5 中波功率與基波功率的關(guān)系

當(dāng)基波光功率31W時(shí)輸出中波激光功率達(dá)到10．5W，光光轉(zhuǎn)換效率為33．8%。測量了中波激光的光譜，如圖6所示?？梢娭胁▍⒘抗庥袃蓚€(gè)峰值波長，分別位于3．45μm和4．8μm處。通過測量中波激光的發(fā)散角和束腰直徑，計(jì)算了中波激光的光束質(zhì)量因子M2=4．6。

圖6 中波激光光譜

4 結(jié)論

用光纖耦合輸出激光二極管端面泵浦Tm∶YAP晶體實(shí)現(xiàn)最高32 W的2μm激光輸出，以此泵浦ZGP－OPO得到10．5 W中波激光輸出。測量了中波激光光譜，峰值波長在3．45μm和4．8μm處。通過測量中波激光的束腰直徑和發(fā)散角，計(jì)算了中波激光的光束質(zhì)量，M2約是4．6。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)輸出更高功率時(shí)，出現(xiàn)鏡片膜面損傷問題，下一步工作將對(duì)激光器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低高功率工作時(shí)膜面的損傷概率。

［1］ BIAN Jintian，NIE Jinsong，SUN Xiaoquan．Mid － infrared laser technology and its progress［J］．Infrared and Laser Engineering，2006，35(supplement):188 － 193．(in China)卞進(jìn)田，聶勁松，孫曉泉．中紅外激光技術(shù)及其進(jìn)展［J］．紅外與激光工程，2006，35(增刊):188 －193．

［2］ Kevin T Zawilski，et al．Increasing the laser － induced damage threshold of single － crystal ZnGeP2［J］．J．Opt Soc Am．B，2006，23(11):2310 －2316．

［3］ Lortscher JP，SteffenJ，et al．Dynamic stable resonators:a design procedure［J］．Opt Quantum Electron，1975，7:505．

［4］ G Ghosh．Sellmeiere coefficients for the birefringence and refractive indies of ZnGeP2nonlinear crystal at different temperatures ［J］．Applied Opt，1998，37(7):1205－1212．