鐘 艷,韓克禎,何京良

(1.山東英才學(xué)院機(jī)械制造及自動(dòng)化工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250104;2.山東理工大學(xué)理學(xué)院,山東 淄博 255049;3.山東大學(xué)晶體材料研究所,山東 濟(jì)南 250100)

·激光器技術(shù)·

1.57 μm內(nèi)腔式KTP光學(xué)參量振蕩器

鐘 艷1,韓克禎2,何京良3

(1.山東英才學(xué)院機(jī)械制造及自動(dòng)化工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250104;2.山東理工大學(xué)理學(xué)院,山東 淄博 255049;3.山東大學(xué)晶體材料研究所,山東 濟(jì)南 250100)

為了獲得1.57 μm人眼安全激光輸出,采用了一種聲光調(diào)Q激光二極管(LD)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,獲得1.57 μm人眼安全激光輸出。在注入泵浦功率為6.33 W,重復(fù)頻率為15 kHz時(shí),1.57 μm激光平均輸出功率達(dá)到405 mW,此時(shí)由二極管注入泵浦光至OPO信號(hào)光輸出功率的轉(zhuǎn)換效率達(dá)6.4%；在重復(fù)頻率為5 kHz時(shí),其脈沖寬度約為2 ns,峰值功率達(dá)18.9 kW。在重復(fù)頻率為15 kHz時(shí),信號(hào)光脈沖寬度比消耗后的泵浦光脈沖寬度壓縮了13.6倍,比泵浦光脈沖壓縮了16倍。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1.57 μm的OPO信號(hào)光輸出功率隨脈沖重復(fù)頻率的增加而有效地增加,此類光參量振蕩器有效地壓縮了激光脈沖。

激光技術(shù)；光參量振蕩器(OPO)；人眼安全波長(zhǎng)；全固態(tài)激光器

1 引 言

高重復(fù)頻率、高峰值功率1.5～1.6 μm波段的人眼安全激光光源在大氣污染遙測(cè)、激光水下通訊、相干激光雷達(dá)、人眼安全測(cè)距及成像等民用及軍事領(lǐng)域都有重要應(yīng)用[1-2]。目前主要有鉺玻璃激光器技術(shù)、拉曼頻移激光器技術(shù)和光學(xué)參量振蕩技術(shù)(OPO技術(shù))等獲得人眼安全激光的方法,其中,通過(guò)OPO技術(shù)獲得人眼安全激光輸出因具有閾值低、轉(zhuǎn)換效率高、體積小、全固態(tài)化、可重復(fù)頻率工作等特點(diǎn)成為獲得人眼安全波長(zhǎng)激光輸出的最有效方法[3-4]。近年來(lái),隨著高閾值的非線性光學(xué)晶體的不斷出現(xiàn),以LD泵浦的全固態(tài)激光器作為抽運(yùn)源的光學(xué)參量振蕩器(OPO)成為激光技術(shù)研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)之一。LD泵浦的內(nèi)腔式光學(xué)參量振蕩器(IOPO)因?yàn)槠湎鄬?duì)于外腔式光學(xué)參量振蕩器(EOPO)具有閾值低、重復(fù)頻率高、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。過(guò)去的許多全固態(tài)IOPO實(shí)驗(yàn)中,采用Nd∶YAG和Nd∶YVO4作為激光介質(zhì)的居多[1-2,4-7],此前我們也曾利用LD泵浦的Nd∶YVO4全固態(tài)激光器作為泵浦源,成功實(shí)現(xiàn)了IOPO的運(yùn)轉(zhuǎn)[8]。近年來(lái)很多實(shí)驗(yàn)證明,相比于Nd∶YAG和Nd∶YVO4晶體,Nd∶GdVO4是另一種更有潛質(zhì)的適用于全固態(tài)激光器的激光晶體,盡管如此,LD泵浦的Nd∶GdVO4激光器抽運(yùn)實(shí)現(xiàn)IOPO運(yùn)轉(zhuǎn)獲得人眼安全激光光源的實(shí)驗(yàn)研究卻很少有人報(bào)道。本文利用Nd∶GdVO4作為激光晶體,以KTP作為非線性晶體,實(shí)現(xiàn)了1.57 μm人眼安全波長(zhǎng)激光輸出。實(shí)驗(yàn)中,在重復(fù)頻率由5～15 kHz的變化過(guò)程中,信號(hào)光脈寬為2～3 ns,在注入泵浦功率為6.33 W,重復(fù)頻率為15 kHz時(shí),其平均輸出功率達(dá)到405 mW,此時(shí)由二極管注入泵浦光至OPO信號(hào)光輸出功率的轉(zhuǎn)換效率達(dá)6.4%；在重復(fù)頻率為5 kHz時(shí),其脈沖寬度約為2 ns,峰值功率達(dá)18.9 kW。在重復(fù)頻率為15 kHz時(shí),信號(hào)光脈沖寬度比消耗后的泵浦光脈沖寬度壓縮了13.6倍,比泵浦光脈沖壓縮了16倍。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 晶體的選擇

在過(guò)去的許多全固態(tài)內(nèi)腔式OPO實(shí)驗(yàn)中,Nd∶YAG和Nd∶YVO4常被用作激光介質(zhì),當(dāng)Nd∶YAG被作為激光晶體時(shí),因Nd∶YAG晶體具有各向同性,實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)熱雙折射現(xiàn)象,為了提高參量轉(zhuǎn)換效率,必須在腔中插入法拉第旋轉(zhuǎn)體或1/4波片等偏振元件,而這勢(shì)必會(huì)增加腔內(nèi)損耗。因Nd∶YVO4與Nd∶YAG晶體相比具有高吸收截面、寬吸收帶寬、易產(chǎn)生偏振光輸出等特點(diǎn),可避免熱雙折射現(xiàn)象,是LD泵浦的理想增益介質(zhì)。而Nd∶GdVO4與Nd∶YVO4是同晶型的激光晶體,激光性能基本相似。Nd∶GdVO4晶體因具有沿〈110〉方向的熱導(dǎo)率高于Nd∶YVO4以及在1064 nm的發(fā)射截面大于Nd∶YAG,吸收截面大于Nd∶YVO4晶體等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是LD端面泵浦高功率激光器較為理想的工作物質(zhì)[9]?；谝陨戏治?實(shí)驗(yàn)中我們以Nd∶GdVO4作為激光晶體,KTP作為非線性晶體來(lái)研究IOPO的特性。KTP晶體因具有損傷閾值高、耐潮解、有效非線性系數(shù)大以及易于拋光、鍍膜和生長(zhǎng)成較大尺寸、透明范圍寬等諸多優(yōu)點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)非臨界相位匹配,獲得1.57 μm激光的理想晶體[10]。實(shí)驗(yàn)中KTP晶體采用II類非臨界相位匹配,以增大其有效非線性系數(shù),并有效地消除泵浦光、信號(hào)光及閑頻光束之間的走離,泵浦光、信號(hào)光及閑頻光的波長(zhǎng)分別為1.06 μm、1.57 μm、3.29 μm。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用平凹直腔結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,泵浦源系Coherent.Inc.公司生產(chǎn)的帶光纖耦合輸出半導(dǎo)體激光器,室溫下它的中心發(fā)射波長(zhǎng)是808 nm,最大輸出功率8 W。輸入鏡M是曲率半徑為200 mm的平凹鏡,平面鍍膜AR@ 808 nm,凹面鍍膜HR@ 1064 nm&HT @808 nm,輸出鏡M2為平鏡,鍍膜HR @ 1064 nm&T=30%@1572 nm,M1朝向OPO諧振腔的一面鍍膜HR@1572 nm &HT@1064 nm,另一面鍍AR@ 1064 nm。M與M2組成1064諧振腔,腔長(zhǎng)為115 mm。M1與M2構(gòu)成OPO諧振腔,腔長(zhǎng)為30 mm。將Nd∶GdVO4晶體(1.3at.%,α-cut,3×3×4mm3,兩面鍍膜AR@ 1064 nm/808 nm)和KTP晶體(長(zhǎng)20 mm,兩面鍍膜AR@ 1064 nm /1572 nm)側(cè)面用銦箔包裹裝在帶有水循環(huán)冷卻的紫銅塊內(nèi),水溫保持25 ℃。聲光Q開(kāi)關(guān)的超聲頻率為40 MHz,衍射損耗85%,調(diào)制頻率1～50 kHz連續(xù)可調(diào),工作波長(zhǎng)1064 nm。

圖1 LD泵浦的聲光調(diào)Q Nd∶GdVO4激光器抽運(yùn)的IOPO實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

考慮到泵浦激光器的最大泵浦功率為8 W,并考慮到OPO對(duì)功率密度的要求,實(shí)驗(yàn)中分別在脈沖重復(fù)頻率為5 kHz、8 kHz、10 kHz、12 kHz、15kHz下測(cè)得1.57 μm波長(zhǎng)激光平均輸出功率,平均輸出功率隨泵浦光功率的變化曲線如圖2所示。在同一脈沖重復(fù)頻率下,信號(hào)光的平均輸出功率隨著泵浦功率的增大而增大；在同一泵浦功率下,信號(hào)光的平均輸出功率隨著脈沖重復(fù)頻率的增加而有效地增加。

圖2 不同脈沖重復(fù)頻率下,1.57 μm波長(zhǎng)激光平均輸出功率隨泵浦光功率的變化曲線

在注入泵浦功率為6.33 W,重復(fù)頻率為5 kHz時(shí),信號(hào)光平均輸出功率為189 mW,重復(fù)頻率為15 kHz時(shí),其平均輸出功率可達(dá)405 mW,由二極管注入泵浦光至OPO信號(hào)光輸出功率的轉(zhuǎn)換效率為6.4%。圖3給出了泵浦功率為6.33 W,重復(fù)頻率為5 kHz時(shí),輸出信號(hào)光的瞬時(shí)波形,圖中信號(hào)光脈沖寬度約為2 ns。此時(shí)信號(hào)光峰值功率可達(dá)18.9 kW,在重復(fù)頻率為15 kHz時(shí),測(cè)得信號(hào)光脈沖與消耗后泵浦光脈沖的瞬時(shí)波形如圖4所示。消耗后的泵浦光脈沖寬度為34 ns,信號(hào)光脈寬約為2.5 ns,此時(shí),對(duì)輸出鏡進(jìn)行微調(diào),使泵浦光、信號(hào)光、閑頻光不再匹配,測(cè)得1064 nm的瞬時(shí)波形,如圖5所示,泵浦光脈沖寬度為40 ns。圖中信號(hào)光脈沖寬度比消耗后泵浦光脈沖寬度壓縮了13.6倍,比泵浦光脈寬壓縮了16倍,可見(jiàn)此類光參量振蕩器有效的壓縮了激光脈沖。分析此類光參量振蕩器有效壓縮激光脈沖的原因,除了與Nd∶GdVO4在808 nm附近具有寬吸收帶、高吸收系數(shù)、較長(zhǎng)的上能級(jí)壽命、較大的發(fā)射截面以及較高的熱導(dǎo)率等諸多優(yōu)異特性有關(guān),還和IOPO中Q開(kāi)關(guān)的重復(fù)頻率以及輸出鏡的透過(guò)率有關(guān)。在激光器抽運(yùn)初期,由于聲光電源產(chǎn)生的高頻振蕩信號(hào)的作用,Q開(kāi)關(guān)“關(guān)斷”,此時(shí)諧振腔處于低Q值狀態(tài),不能形成激光振蕩；當(dāng)高頻信號(hào)的作用突然停止,諧振腔又變?yōu)楦逹值狀態(tài),Q開(kāi)關(guān)“打開(kāi)”,在Q值突變之前激光器處于高閾值狀態(tài),反轉(zhuǎn)粒子數(shù)不斷積累,增大了工作物質(zhì)的初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度,從而達(dá)到增強(qiáng)峰值功率,壓縮激光脈寬的目的。

圖3 泵浦功率為6.33 W,重復(fù)頻率為5 kHz時(shí),輸出的信號(hào)光的波形

圖4 輸出鏡透過(guò)率為30%條件下,信號(hào)光與消耗后泵浦光的瞬時(shí)波形

圖5 圖4同條件下,得到的1064 nm的瞬時(shí)波形

圖4為信號(hào)光與消耗后泵浦光的瞬時(shí)波形,信號(hào)光脈沖峰值恰好出現(xiàn)在泵浦光脈沖下降沿的斜率最大處,當(dāng)泵浦能量超過(guò)OPO閾值,出現(xiàn)泵浦光向信號(hào)光迅速的能量轉(zhuǎn)移的光參量過(guò)程,而泵浦能量迅速倒空直至低于OPO閾值,泵浦光束的能量從開(kāi)始消耗到完全耗盡的速度非?？?如果泵浦能量能在一個(gè)脈沖內(nèi)完全耗盡,就會(huì)獲得單一OPO脈沖信號(hào)。如果在輸出一個(gè)信號(hào)光脈沖之后,剩余的能量仍然達(dá)到了參量振蕩的閾值,就會(huì)有小的信號(hào)光脈沖產(chǎn)生。圖4中出現(xiàn)了兩個(gè)信號(hào)光脈沖。通過(guò)對(duì)Q開(kāi)關(guān)的重復(fù)頻率以及輸出鏡的透過(guò)率進(jìn)行優(yōu)化可以消除附屬脈沖[11-13]。泵浦光經(jīng)KTP后主要輸出信號(hào)光和閑頻光,但在KTP中仍有其他的混頻現(xiàn)象產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)中會(huì)觀察到由泵浦光的二次諧波產(chǎn)生的532 nm 的綠光。

4 結(jié) 論

報(bào)道了一種聲光調(diào)Q激光二極管(LD)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。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)1.57 μm的OPO信號(hào)光輸出功率隨脈沖重復(fù)頻率的增加而有效的增加,在重復(fù)頻率為15 kHz時(shí),消耗后的泵浦光脈沖寬度為34 ns,信號(hào)光脈寬約為2.5 ns,此時(shí)測(cè)得1064 nm的脈沖寬度為40 ns,信號(hào)光脈沖寬度比消耗后的泵浦光脈沖寬度壓縮了13.6倍,比泵浦光脈沖壓縮了16倍,此類光參量振蕩器有效的壓縮了激光脈沖。

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1.57 μm intracavity KTP optical parametric oscillator

ZHONG Yan1,HAN Ke-zhen2,HE Jing-liang3

(1.Department of Mechanical Manufacturing and Automation Engineering,Shandong Yingcai University,Ji′nan 250104,China;2.School of Science,Shandong University of Technology,Zibo,255049,China;3.State Key Laboratory of Crystal Materials,Shandong University,Ji′nan 250100,China)

In order to obtain 1.57μm eye safety laser output,an efficient intracavity optical parametric oscillator based on a KTP crystal inside an Q-switched Nd∶GdVO4laser end pumped by a fiber-coupled diode laser is adopted.In the acousto-optic Q-switched operation with the pulse repetition rate of 15kHz,the average power of 1.57μm eye-safe laser is 405mW at the incident pump power of 6.33W,and the conversion efficiency of the average power is 6.4% from pump diode to OPO signal output.Under the pulse repetition rate of 5 kHz,the pulse width of 2 ns and peak power of 18.9 kW is achieved.The signal pulse duration is about 13.6 times shorter than that of the depleted pump light and it is about 16 times shorter than that of the pump light at a pulse repetition rate of 15 kHz.The experimental results show that the average power of 1.57μm OPO signal output increases effectively with the increase of pulse repetition frequency.This kind of optical parametric oscillator compresses the laser pulse effectively.

laser technique；optical parametric oscillator；eye-safe wavelength；diode pumped solid state laser

鐘 艷(1980-)，女，碩士，講師,主要從事全固態(tài)激光技術(shù)與器件的研究。E-mail:zhongyan8311@126.com

2014-10-28

1001-5078(2015)07-0782-04

TN248.1

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.010