李 寶,魏 磊,陳 國(guó),苑利鋼,李一凡,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

2 μm激光在過(guò)去的20年里發(fā)展迅速,在許多科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域,如醫(yī)療、光譜學(xué)、測(cè)距、紅外對(duì)抗中有重要的應(yīng)用價(jià)值[1-2]。尤其是軍事領(lǐng)域,高重頻、高功率的2 μm激光是中遠(yuǎn)紅外光參量振蕩器,特別是以磷化鍺鋅(ZGP)晶體為非線(xiàn)性工作物質(zhì)的激光器的重要光源[3]。

優(yōu)化2 μm激光特性以獲得合適的光斑半徑、較小的發(fā)散角等是提高中長(zhǎng)波紅外光參量輸出功率的重要方法。2017年,安徽光學(xué)精密儀器研究所吳海信課題組和合肥物質(zhì)科學(xué)研究院江海河課題組通過(guò)將光斑直徑為1 mm的2 μm泵浦光整形擴(kuò)束為光斑直徑2.1 mm的非聚焦光,提高了光斑的空間均勻性,減小發(fā)散角,成功將光光轉(zhuǎn)換效率提高至75.7%,為目前中紅外ZGP參量轉(zhuǎn)換效率的最高紀(jì)錄。特定的光參量泵浦結(jié)構(gòu)同樣有助于提升光參量轉(zhuǎn)換效率[4]。2008年,挪威人Espen Lippert等人采用雙晶體走離補(bǔ)償結(jié)構(gòu)獲得0.95 W的8.0 μm輸出[5]。2016年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)的姚寶權(quán)等人采用OPO環(huán)形腔結(jié)構(gòu)獲得了5.04 W的長(zhǎng)波輸出,光束質(zhì)量M2～1.6[6]。

因而在有限空間結(jié)構(gòu)條件下,緊湊型高重頻、高功率2 μm泵浦源是實(shí)現(xiàn)有效的泵浦光整形擴(kuò)束結(jié)構(gòu)和光參量振蕩器結(jié)構(gòu)的前提與要求。

目前獲得2 μm激光的主要途徑有795 nm LD激光器光纖耦合泵浦的Tm,Ho雙摻激光器、1940 nm光纖耦合LD或1940 nm光纖激光器直接泵浦的Ho激光器以及摻Tm晶體與摻Ho晶體兩級(jí)泵浦獲得2 μm激光輸出等方案。對(duì)于第一種方案,由于在室溫條件下,Tm與Ho共摻晶體存在較明顯的基態(tài)對(duì)2 μm光子的重吸收作用,同時(shí)伴有能量傳遞上轉(zhuǎn)換過(guò)程和激光態(tài)吸收過(guò)程,因此,為降低閾值、提高激光脈沖能量抽取效率,通常需要對(duì)其進(jìn)行低溫液氮制冷[7-9]。

1995年,Karsten Scholle等人第一次報(bào)道了采用1.9 μm LD直接泵浦的Ho∶YAG激光器,晶體棒長(zhǎng)度為60 mm,激光最大輸出功率達(dá)到40 W[10]。2016年,華中光電技術(shù)研究所的孫峰等人報(bào)道了基于1.94 μm光纖激光器泵浦的Ho∶YLF激光器,晶體處于20 ℃水冷條件下,采用雙棒串接L型腔結(jié)構(gòu)在工作頻率20 kHz時(shí)獲得了35 W的功率輸出,腔長(zhǎng)178 nm[11]。同年,華中光電技術(shù)研究所的白云昌等人報(bào)道了由1.9 μm的Tm∶YLF激光器做泵浦源,采用聲光調(diào)Q的Ho∶YAG激光器,其中Ho∶YAG晶體采用雙端鍵合方式且處在水冷20 ℃工作條件下,最終實(shí)現(xiàn)最大輸出功率21.5 W[12]。

綜上所述,后兩種方案在實(shí)現(xiàn)激光器小型化的同時(shí)對(duì)溫控條件要求更加寬裕,方便激光器工程化設(shè)計(jì)。

本文采用Tm激光器泵浦Ho激光器的設(shè)計(jì)思路,制訂了如下研究方案:采用794 nm光纖耦合輸出LD雙端泵浦1.94 μm Tm∶YAP激光器,其輸出激光經(jīng)光束整形后泵浦Ho∶YLF晶體,并采用聲光調(diào)Q方式,最終實(shí)現(xiàn)平均功率35W、重頻10～15 kHz可調(diào)、峰值波長(zhǎng)為2.06 μm的激光輸出,脈沖波形穩(wěn)定。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 Tm∶YAP特性

摻銩鋁酸釔(Tm∶YAP)晶體具有優(yōu)秀的物理化學(xué)性能,其硬度、機(jī)械強(qiáng)度和相對(duì)密度較高,化學(xué)性能穩(wěn)定,熱導(dǎo)率和擴(kuò)散系數(shù)較大。YAP晶體屬于正交晶系結(jié)構(gòu),具有各向異性,由于其具有自然雙折射性質(zhì),因此可以獲得線(xiàn)偏振光激光輸出。同時(shí),Tm∶YAP晶體在1.9～2 μm的受激發(fā)射截面是Tm∶YAG的兩倍[13],對(duì)溫度的敏感性也較低,因而更容易獲得高功率、高光束質(zhì)量的輸出。794 nm處于該晶體的吸收峰處,吸收線(xiàn)寬約為30 nm,可以作為高效的泵浦源；該輸出波段的LD在市場(chǎng)上有成熟的產(chǎn)品,有助于實(shí)現(xiàn)2 μm激光器的工程化。

2.2 Ho∶YLF特性

摻鈥氟化釔鋰(Ho∶YLF)晶體具有各向異性,屬于四方晶系,莫氏硬度為4～5,具有較低的拉伸強(qiáng)度和應(yīng)力斷裂極限,具有較小的極化損耗。與Ho∶YAP晶體相比,Ho∶YLF晶體的發(fā)射截面更大、上能級(jí)壽命更長(zhǎng)、抗光學(xué)損傷能力和熱穩(wěn)定性更強(qiáng)、更易貯存。因其具有各向異性,無(wú)需將聲光Q開(kāi)關(guān)晶體切成布儒斯特角來(lái)保證偏振輸出。Ho∶YLF激光器輸出單一波長(zhǎng),無(wú)需在腔內(nèi)加入標(biāo)準(zhǔn)具。在相同抽運(yùn)條件下,YLF晶體的熱透鏡效應(yīng)僅為YAG的1/10[14],在高功率下有利于光束質(zhì)量的優(yōu)化。

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)采用了雙端泵浦Tm∶YAP晶體產(chǎn)生1.94 μm連續(xù)光輸出,經(jīng)光束整形后泵浦Ho∶YLF晶體,并通過(guò)聲光調(diào)Q輸出2.06 μm激光脈沖。1.94 μm輸出光部分由激光腔鏡M1和M3以及起反射作用的M2鏡組成U型諧振腔[15],腔長(zhǎng)66 mm,其中M1為R=150 mm的平凹鏡,凹面朝向腔內(nèi),平面鍍有794 nm高透膜層,凹面鍍1.94 μm高反膜層。輸出鏡M3為R=110 mm的平凹鏡,凹面鍍有1.94 μm透過(guò)率為T(mén)=24%的膜層,平面鍍有1.94 μm高透膜層。M2為45°全返鏡,鍍有794 nm高透、1.94 μm P偏振分量45°高反膜,保證在腔內(nèi)振蕩光為P偏振光。Tm∶YAP晶體兩端鍍有794 nm和1.94 μm P增透膜,Tm∶YAP晶體被銦箔包裹置于紫銅熱沉中,通過(guò)循環(huán)水對(duì)其溫控,水溫恒定于30 ℃。794 nm LD同時(shí)通過(guò)循環(huán)水溫控,水溫控制在30 ℃。泵浦光在晶體內(nèi)部泵浦光斑直徑約為0.8 mm(1/e2)。1.94 μm輸出光束經(jīng)M4鏡整形后進(jìn)入到Ho∶YLF晶體中心。

Ho∶YLF激光器諧振腔為直腔結(jié)構(gòu),由激光腔鏡M5與M6構(gòu)成,總腔長(zhǎng)為90 mm,其中M5為R=200 mm的彎月形鏡片,凹面朝向腔內(nèi),凸面鍍1.94 μm高透膜膜層,凹面鍍有1.94 μm高透膜膜層和2.06 μm高反膜層。輸出鏡M6為R=180 mm的彎月形鏡片,鍍透過(guò)率為20%@2.06 μm的膜層。Ho∶YLF晶體采用C軸切割,晶體由銦箔包裹后用銅質(zhì)熱沉夾持,熱沉通過(guò)循環(huán)水進(jìn)行溫控,水溫設(shè)置在30 ℃。Ho∶YLF晶體的兩個(gè)通光端面經(jīng)過(guò)拋光后鍍有1.9～2.1 μm增透膜層,膜層透過(guò)率大于99.5% @ 1.9～2.1 μm。聲光Q開(kāi)光通光孔徑大于3 mm×3 mm,晶體兩端面鍍有1.9～2.1 μm增透膜,聲光(AO)調(diào)制驅(qū)動(dòng)器可以提供頻率在1～100 kHz之間連續(xù)可調(diào)的調(diào)制信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與脈沖波形分析

3.1 輸出特性

采用L50A激光功率計(jì)測(cè)量激光輸出功率,結(jié)果如圖2所示。當(dāng)794 nm LD激光器泵浦光為184 W時(shí)獲得68 W 1.94 μm連續(xù)光輸出。當(dāng)1.94 μm泵浦光為68 W,聲光Q開(kāi)關(guān)信號(hào)頻率在15 kHz時(shí),獲得2.06 μm脈沖輸出35 W,光光轉(zhuǎn)換效率51.47%,脈沖波形穩(wěn)定,采用Thorlabs PDA10D-EC銦鎵砷探頭測(cè)得此時(shí)脈沖寬度為32 ns。利用HORIBA iHR320光譜儀測(cè)量輸出光光譜,中心波長(zhǎng)為2065 nm。

圖2 系統(tǒng)各部分輸出功率

實(shí)驗(yàn)中,利用刀口法測(cè)量了35 W功率輸出時(shí)偏振方向上的光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角為3.2 mrad,光束質(zhì)量因子≤4.5。以此光源作為信號(hào)光對(duì)腔長(zhǎng)110 mm長(zhǎng)波光參量振蕩器進(jìn)行了泵浦,經(jīng)過(guò)光束整形準(zhǔn)直后,在18 W信號(hào)光入射情況下獲得了1.66 W長(zhǎng)波紅外激光輸出,波長(zhǎng)7690 nm,光光效率9.2%。對(duì)2.06 μm光源進(jìn)行整形優(yōu)化并對(duì)光參量振蕩器結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,有望得到更高輸出效率的長(zhǎng)波紅外激光,證明該高重頻2.06 μm激光在實(shí)現(xiàn)高功率長(zhǎng)波OPO上具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

3.2 脈沖波形穩(wěn)定性研究

ZGP晶體硬度適中,熱導(dǎo)率較高,熱膨脹具有明顯的各向異性,作為一種性能優(yōu)異的紅外非線(xiàn)性晶體,在大能量輸出長(zhǎng)波紅外光參量振蕩過(guò)程中仍然面對(duì)著較大的晶體損傷風(fēng)險(xiǎn)。因此不僅平均功率穩(wěn)定,脈沖波形也同樣穩(wěn)定的2.06 μm信號(hào)光是保證長(zhǎng)波紅外激光器高可靠性工作的前提條件。

Wagner等人的著作首先推導(dǎo)了Q開(kāi)關(guān)激光器速率方程的解[16]?？梢岳孟率椒謩e表示Q開(kāi)關(guān)激光器的輸出能量E、初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)ni和最終反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度nf關(guān)系、閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度nt。式中,hν是光子能量,A為有效光束截面,σ為受激發(fā)射截面,l為諧振腔長(zhǎng)度,R為輸出鏡反射率,γ為簡(jiǎn)并因子,L為包括散射、衍射和吸收等隨機(jī)損耗。

(1)

(2)

(3)

Ho∶YLF中的Ho離子由5I4→5I6能級(jí)躍遷獲得2.064 μm輻射波長(zhǎng),相應(yīng)的能級(jí)壽命τ=15.8502 ms,在頻率f=10～15 kHz條件下,考慮ni受調(diào)Q重頻頻率f的約束,因?yàn)閒?1/τ,在脈沖過(guò)程中,初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)ni還沒(méi)有積累到飽和值就產(chǎn)生脈沖輸出。因此單脈沖輸出能量受脈沖頻率,諧振腔長(zhǎng)度,輸出鏡反射率等因素的影響會(huì)發(fā)生變化。如圖所示,在泵浦功率提升過(guò)程中,2.06 μm脈沖波形經(jīng)歷了峰值部分抖動(dòng)、波形穩(wěn)定、波形整體(峰值部分、前后沿)抖動(dòng)三個(gè)過(guò)程,如圖3所示。文章對(duì)該三種狀態(tài)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的理論分析。

圖3 泵浦功率提升過(guò)程中,2.06μm輸出脈沖波形變化過(guò)程

(1)脈沖波形峰值部分抖動(dòng)

當(dāng)脈沖功率較小(約0～17 W @最大脈沖輸出35 W)時(shí),脈沖波形峰值部分抖動(dòng),脈沖前沿及后沿穩(wěn)定。

圖4 低功率泵浦條件下脈沖峰值波形抖動(dòng)的形成

為了驗(yàn)證理解的正確性,記錄了當(dāng)1.94 μm激光功率為26 W時(shí),Ho∶YLF腔輸出鏡透過(guò)率分別為T(mén)=40%和T=20%時(shí)脈沖輸出波形在16 kHz,13 kHz,10 kHz三種頻率下波形變化的規(guī)律,如圖5所示。

圖5 Ho∶YLF腔對(duì)應(yīng)不同輸出鏡透過(guò)率時(shí)在不同調(diào)Q頻率下的脈沖波形圖

從圖中可以看出,隨著調(diào)Q頻率的升高,脈沖波形穩(wěn)定性均出現(xiàn)了不同程度惡化。對(duì)比圖5a(1)～a(3)與圖6b(1)～b(3)可以看出,輸出鏡透過(guò)率為T(mén)=20%時(shí),脈沖波形穩(wěn)定性更強(qiáng)。

由式(3)可知,腔長(zhǎng)一定條件下,忽略腔內(nèi)散射、吸收損耗,衍射損耗一定,此時(shí),輸出鏡透過(guò)率越高,閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度nt越高。初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度相同情況下,腔內(nèi)剩余光子數(shù)密度越低,單脈沖輸出過(guò)程后剩余反轉(zhuǎn)粒子數(shù)越多,因而示波器觀察到的脈沖波形峰值部分抖動(dòng)越劇烈。同樣,隨著脈沖調(diào)制頻率越大,單脈沖過(guò)程后剩余光子數(shù)密度越低,示波器觀察到的脈沖波形峰值部分抖動(dòng)越劇烈。

(2)脈沖波形穩(wěn)定

隨著泵浦功率的提升(約17～35 W @最大脈沖輸出35 W),激活物質(zhì)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度在泵浦之后顯著的超過(guò)閾值反轉(zhuǎn)例子數(shù)密度,腔內(nèi)剩余光子數(shù)足夠大,能夠保證迅速消除剩余的反轉(zhuǎn)粒子數(shù),使其迅速為零。因而每次脈沖結(jié)束后達(dá)到下次脈沖前,腔內(nèi)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度基本能達(dá)到一個(gè)一致值。這種情況下,示波器上觀察到的脈沖波形整齊穩(wěn)定,近乎沒(méi)有抖動(dòng)。我們?cè)谔嵘闷止β蔬^(guò)程中,觀察到短腔長(zhǎng)情況下采用透過(guò)率為20%與40%的輸出鏡均存在以上所說(shuō)現(xiàn)象,證明了推論的正確性。

(3)脈沖波形整體抖動(dòng)

隨著泵浦功率的進(jìn)一步提升,脈沖波形穩(wěn)定性突然惡化,不僅脈沖波形頂峰部分,前沿與后沿也發(fā)生了劇烈的抖動(dòng),這是因?yàn)殡S著泵浦功率的提升,諧振腔內(nèi)熱效應(yīng)增大使諧振腔失去了穩(wěn)定性,這將極大增加泵浦晶體損傷的風(fēng)險(xiǎn)。因此,為了獲得高功率下穩(wěn)定的脈沖輸出,需要同時(shí)考慮輸出功率與熱效應(yīng)。

在諧振腔長(zhǎng)度為90 mm情況下,對(duì)比了Ho∶YLF晶體冷卻溫度分別為30 ℃與35 ℃時(shí),發(fā)現(xiàn)后者的脈沖波形較前者在更低功率時(shí)即發(fā)生了前、后沿的振蕩,與推論相符。

4 結(jié) 論

介紹了一種緊湊型高重頻、高功率的2 μm脈沖激光輸出方案并對(duì)泵浦過(guò)程中的脈沖輸出波形進(jìn)行了討論。采用794 nm雙端泵浦Tm∶YAP晶體獲得1.94 μm連續(xù)光輸出,接著泵浦Ho∶YLF晶體,通過(guò)聲光調(diào)Q方式在15 kHz調(diào)制頻率下獲得了功率為35 W的穩(wěn)定脈沖輸出,脈沖波長(zhǎng)為2.064 μm。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,可以作為中長(zhǎng)波紅外光參量振蕩器有效的泵浦源。下一步工作將采用雙端鍵合的Tm∶YAP與Ho∶YLF晶體,以?xún)?yōu)化腔內(nèi)的熱效應(yīng),獲得更高功率下的穩(wěn)定脈沖輸出。

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