光纖激光泵浦周期極化晶體雙波段激光器

沈兆國，董 濤，孟冬冬，馬俊嶺，唐剛鋒，羊 毅

（中航工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽471009）

引言

隨著現(xiàn)代作戰(zhàn)模式變換，在攻擊對方武器同時要求保護(hù)自身目標(biāo)，由于新一代制導(dǎo)導(dǎo)彈具有極高精度、超遠(yuǎn)距、發(fā)射后不管等鮮明特點，紛紛被各軍事大國裝備，在戰(zhàn)爭中威脅極大，特別某些大型軍事作戰(zhàn)設(shè)備由于自身的特點更易成為這類導(dǎo)彈的襲擊目標(biāo)，對付其最有效的方法就是激光定向干擾系統(tǒng)。該類型系統(tǒng)利用高功率紅外激光光源，使紅外輻射光能量集中在導(dǎo)彈到達(dá)的小立體角內(nèi)，并把告警裝置系統(tǒng)和干擾裝置系統(tǒng)一體化，使干擾光束能夠及時準(zhǔn)確地指向紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的紅外導(dǎo)引頭內(nèi)探測器，干擾、破壞甚至摧毀紅外導(dǎo)引頭上的探測器和電路，使導(dǎo)彈丟失目標(biāo)，從而防護(hù)己方作戰(zhàn)設(shè)備。該系統(tǒng)核心組成部分是紅外激光器，其性能直接影響作戰(zhàn)效果，為了實現(xiàn)對1μm～3μm和3μm～5μm 2種類型探測器有效干擾，要求激光器也相應(yīng)雙波段輸出。目前主要通過光參量振蕩器利用晶體差頻變換，實現(xiàn)大于1μm激光輸出，對于3μm～5μm激光器，主要利用紅外激光泵浦非線性周期極化晶體（例如，周期極化鉭酸鋰PPLT，周期極化鈮酸鋰PPLN）和磷鍺鋅（ZGP）［1－3］，國內(nèi)相關(guān)研究單位均采用這2種技術(shù)途徑實現(xiàn)高功率輸出，由于前者采用1μm激光泵浦，后者采用2μm激光泵浦，目前1μm激光種子源相對容易獲得，因此文中采用第一種技術(shù)途徑。1μm激光激光器主要有燈泵激光器、半導(dǎo)體泵浦激光器、光纖激光器，燈泵激光器轉(zhuǎn)化效率較低，半導(dǎo)體泵浦大功率激光器輸出光束質(zhì)量較差，同時燈泵激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器體積較大，而光纖激光器具有光束質(zhì)量好、壽命長、轉(zhuǎn)換效率高、體積小、易集成等優(yōu)點，非常適用于泵浦光參量振蕩器［4－7］。采用高重頻高功率光纖激光器泵浦基于周期極化晶體的光參量振蕩器，可以利用光纖激光器自由偏振輸出特性，通過外加起偏器，實現(xiàn)雙光束激光輸出，泵浦2個光參量振蕩器，實現(xiàn)雙波段激光輸出。

1 試驗裝置

通過高重頻高功率光纖激光器泵浦周期極化晶體，的光參量振蕩器，實現(xiàn)頻率變換獲得多波段激光輸出，試驗裝置如圖1所示，利用光纖激光器自由偏振輸出特性，通過外加起偏器，實現(xiàn)雙光束激光輸出，泵浦2個光參量振蕩器，實現(xiàn)雙波段激光輸出。其中M1為偏振片，M2為光隔離器，M3為1／2波片，M4為聚焦透鏡，M5為全反鏡，M6為周期極化晶體，M7為輸出鏡，M8為折轉(zhuǎn)鏡，M9為光隔離器，M10為45°全反鏡，M11為1／2波片，M12為聚焦透鏡，M13為全反鏡，M14為周期極化晶體，M15為輸出鏡，M16為準(zhǔn)直鏡，M17為和束鏡。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Laser experiment setup

1.1 光纖激光器組成及參數(shù)

光纖激光器主要由脈沖種子源、預(yù)放大器、主放大級和耦合等組成。結(jié)構(gòu)組成框圖如圖2所示。

圖2 光纖激光器組成圖Fig.2 Fiber laser setup

其中，激光脈沖種子源在窄脈沖驅(qū)動器作用下產(chǎn)生小信號脈沖種子激光（mW級），為后續(xù)預(yù)放大級提供信號光。該種子源能夠具備激光脈沖寬度可控、輸出頻率可調(diào)、信號功率可變等功能，因此，可以控制整個光纖激光器輸出滿足后續(xù)系統(tǒng)要求的激光脈寬和重復(fù)頻率的激光。脈沖種子源信號光經(jīng)過耦合器件（光隔離器和光束整形透鏡組，光隔離器防止預(yù)放大級光返回?fù)p壞種子源部分光學(xué)器件，光束整形透鏡組對信號光進(jìn)行變換，滿足預(yù)放大級光束匹配），激光預(yù)放大器可以將低能量、低功率的種子信號光進(jìn)行能量和功率預(yù)先放大，得到相對較大能量和較高功率的信號光（W級），同時控制脈沖質(zhì)量。預(yù)放大級輸出光經(jīng)過耦合器件（光隔離器和光束整形透鏡組，光隔離器防止主放大級光返回?fù)p壞預(yù)放大級部分光學(xué)器件，光束整形透鏡組對信號光進(jìn)行變換，滿足預(yù)放大級光束模式匹配），功率主放大級可以進(jìn)一步提升脈沖激光的能量和功率，經(jīng)過輸出耦合器件（隔離器和準(zhǔn)直器），達(dá)到光纖激光器總體要求的技術(shù)指標(biāo)。另外光纖激光器還有級間連接元件（模場適配器、濾波器等）用來實現(xiàn)控制激光輸出參數(shù)、穩(wěn)定性、濾除噪聲及減小損耗等功能。最終該光纖激光器輸出參數(shù)為功率50W，頻率50kHz，光斑大小3mm，發(fā)散角小于2mrad，M平方因子小于2，脈寬140ns。

1.2 光參量振蕩器裝置

光參量振蕩器是一種利用非線性晶體的混頻特性實現(xiàn)光學(xué)頻率變換的器件，同時它又是波長可調(diào)諧的相干光源［8］。目前光參量振蕩器利用周期極化晶體產(chǎn)生1μm～3μm和3μm～5μm波段激光是較佳方式，常用的周期極化晶體為周期極化鉭酸鋰（PPLT）和周期極化鈮酸鋰（PPLN），PPLT抗損傷閾值較高，但轉(zhuǎn)化效率較低，PPLN轉(zhuǎn)化效率較高，但損傷閾值較低，通常摻雜部分氧化鎂以增加損傷閾值，由于1.06μm泵浦周期極化晶體轉(zhuǎn)化為2μm波段轉(zhuǎn)化效率明顯高于3.9μm，同時考慮PPLT比PPLN轉(zhuǎn)化效率偏高，試驗中產(chǎn)生2μm波段激光采用PPLT，產(chǎn)生3.9μm波段激光采用PPLN。采用1.06μm光纖激光器產(chǎn)生基頻光，經(jīng)過起偏器，分為2束，一束通過耦合器進(jìn)入光參量振蕩器周期極化晶體PPLN內(nèi)，產(chǎn)生1.46μm信號光，信號光在腔鏡的反饋下開始振蕩，與入射的1.06μm泵浦光在PPLN內(nèi)發(fā)生差頻作用，產(chǎn)生3.9μm閑置光，閑置光工作重復(fù)頻率與基頻光工作頻率一致。由于信號光隨著溫度會逐漸變化（如圖3所示），為了實現(xiàn)穩(wěn)定的3.9μm閑置光輸出，溫度控制在140℃左右。另一束耦合器進(jìn)入光參量振蕩器周期極化晶體PPLT內(nèi)，產(chǎn)生2μm信號光，信號光在腔鏡的反饋下開始振蕩，與入射的1.06μm泵浦光在PPLT內(nèi)發(fā)生差頻作用產(chǎn)生2μm閑置光，閑置光工作重復(fù)頻率與基頻光工作頻率一致，溫度控制在160℃左右。

圖3 信號光與溫度的關(guān)系Fig.3 Relation between signal light and temperature

由圖1可知，光纖激光器輸出激光器經(jīng)過M1偏振片一分為二，其中一束P偏振，一束S偏振，P偏振經(jīng)過M2光隔離器，M3二分之一波片，M4聚焦透鏡（平凸曲率200mm），進(jìn)入3.9μm光參量振蕩器（由M5全反鏡，M7輸出鏡，周期極化晶體PPLN組成），M5全反鏡鍍膜為1.06μm高透，1.4μm～1.6μm和3.7μm～4.0μm 激光全反，M7輸出鏡鍍膜為1.06μm、1.4μm～1.6μm全反、3.7μm～4.0μm激光增透，周期極化晶體PPLN為1.06μm、1.4μm～1.6μm、3.7μm～4.0μm激光增透。S偏振經(jīng)過M9光隔離器，M10 45°全反鏡，M11二分之一波片，M12聚焦透鏡（平凸曲率200mm），進(jìn)入2μm光參量振蕩器，它由M13全反鏡，M15輸出鏡，周期極化晶體PPLT組成，M13全反鏡鍍膜為1.06μm高透，2.0μm激光全反，M15輸出鏡鍍膜為1.06μm、2.0μm 激光增透，周期極化晶體PPLT為1.06μm、2μm激光增透。M6周期極化晶體PPLN周期極化數(shù)29μm，厚度1mm，長度50mm，溫控設(shè)置溫度140℃左右，M13周期極化晶體PPLT周期極化數(shù)32μm，厚度1mm，長度40mm。通過聚焦泵浦PPLN產(chǎn)生3.9μm激光，發(fā)散角比較大，需要整形，利用M8反射聚焦鏡（一面鍍膜為3.9μm 45°全反，2.0μm 45°增透；另一面鍍膜為2.0μm 45°增透，曲率為－800mm），得到一定改善，與另一束泵浦PPLT產(chǎn)生2μm的激光（通過200mm平凸透鏡整形），經(jīng)過M17（一面鍍膜為）合成光軸一致激光輸出。

2 試驗結(jié)果及分析

光纖激光器輸出1.06μm激光經(jīng)過起偏器，分為2束激光，經(jīng)過周期極化頻率變換技術(shù)實現(xiàn)2.0μm和3.9μm雙波段激光輸出。在電源輸入電流60A，調(diào)Q驅(qū)動頻率50kHz的條件下，獲得2μm激光，最高輸出功率為7.5W和3.9μm激光，最高輸出功率為4.2W，差頻轉(zhuǎn)化效率為39.5%。雙波段輸出功率與輸入電流關(guān)系如圖4所示。由圖4可以看出，隨著注入電流增大，雙波段輸出功率增大。在試驗中除了人眼不可見的1.06μm泵浦光、2.0μm信號光和3.9μm激光外，還能觀察到綠光、紅光以及黃光等可見光波段激光，主要由晶體倍頻、和頻等激光非線性作用產(chǎn)生。為了防止這些雜散激光反饋到光參量振蕩器前光學(xué)系統(tǒng)，基頻光和光參量振蕩器之間可以添加一45°雙色鏡（45°1.06μm 激光增透，45°可見光反射），從而保證返回的可見光經(jīng)過該鏡反射到腔外。

圖4 2μm和3.9μm輸出功率與注入電壓關(guān)系Fig.4 Relation between output power and input current of 2μm and 3.9μm lasers

3 總結(jié)

通過光纖激光器，獲得高功率、高重頻、高光束質(zhì)量、窄脈沖的1.06μm激光輸出，經(jīng)過起偏器分成2束正交偏振激光，采用1／2波片，旋轉(zhuǎn)成偏振態(tài)一致的1.06μm基頻光，利用基于PPLN和PPLT差頻變換構(gòu)成的光參量振蕩器，實現(xiàn)2.0μm和3.9μm雙波段高功率激光輸出。在電源輸入電流60A，調(diào)Q驅(qū)動頻率50kHz的條件下，2μm激光最高輸出功率為7.5W和3.9μm激光最高輸出功率為4.2W，差頻轉(zhuǎn)化效率為39.5%，滿足系統(tǒng)試驗室應(yīng)用要求。由于雙波段輸出功率較高，為下一步相關(guān)多波段技術(shù)研究及工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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