緊湊型高重頻高功率2.06 μm激光器

李 寶,魏 磊,陳 國,苑利鋼,李一凡,王克強

(固體激光技術重點實驗室,北京 100015)

1 引 言

2 μm激光在過去的20年里發(fā)展迅速,在許多科學應用領域,如醫(yī)療、光譜學、測距、紅外對抗中有重要的應用價值[1-2]。尤其是軍事領域,高重頻、高功率的2 μm激光是中遠紅外光參量振蕩器,特別是以磷化鍺鋅(ZGP)晶體為非線性工作物質(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)散角等是提高中長波紅外光參量輸出功率的重要方法。2017年,安徽光學精密儀器研究所吳海信課題組和合肥物質(zhì)科學研究院江海河課題組通過將光斑直徑為1 mm的2 μm泵浦光整形擴束為光斑直徑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泵浦源是實現(xiàn)有效的泵浦光整形擴束結(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晶體兩級泵浦獲得2 μm激光輸出等方案。對于第一種方案,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2 μm光子的重吸收作用,同時伴有能量傳遞上轉(zhuǎn)換過程和激光態(tài)吸收過程,因此,為降低閾值、提高激光脈沖能量抽取效率,通常需要對其進行低溫液氮制冷[7-9]。

1995年,Karsten Scholle等人第一次報道了采用1.9 μm LD直接泵浦的Ho∶YAG激光器,晶體棒長度為60 mm,激光最大輸出功率達到40 W[10]。2016年,華中光電技術研究所的孫峰等人報道了基于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時獲得了35 W的功率輸出,腔長178 nm[11]。同年,華中光電技術研究所的白云昌等人報道了由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,最終實現(xiàn)最大輸出功率21.5 W[12]。

綜上所述,后兩種方案在實現(xiàn)激光器小型化的同時對溫控條件要求更加寬裕,方便激光器工程化設計。

本文采用Tm激光器泵浦Ho激光器的設計思路,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,最終實現(xiàn)平均功率35W、重頻10～15 kHz可調(diào)、峰值波長為2.06 μm的激光輸出,脈沖波形穩(wěn)定。

2 方案設計

2.1 Tm∶YAP特性

摻銩鋁酸釔(Tm∶YAP)晶體具有優(yōu)秀的物理化學性能,其硬度、機械強度和相對密度較高,化學性能穩(wěn)定,熱導率和擴散系數(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),因此可以獲得線偏振光激光輸出。同時,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在市場上有成熟的產(chǎn)品,有助于實現(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,具有較低的拉伸強度和應力斷裂極限,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、上能級壽命更長、抗光學損傷能力和熱穩(wěn)定性更強、更易貯存。因其具有各向異性,無需將聲光Q開關晶體切成布儒斯特角來保證偏振輸出。Ho∶YLF激光器輸出單一波長,無需在腔內(nèi)加入標準具。在相同抽運條件下,YLF晶體的熱透鏡效應僅為YAG的1/10[14],在高功率下有利于光束質(zhì)量的優(yōu)化。

2.3 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置圖

實驗采用了雙端泵浦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透過率為T=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,通過循環(huán)水對其溫控,水溫恒定于30 ℃。794 nm LD同時通過循環(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,熱沉通過循環(huán)水進行溫控,水溫設置在30 ℃。Ho∶YLF晶體的兩個通光端面經(jīng)過拋光后鍍有1.9～2.1 μm增透膜層,膜層透過率大于99.5% @ 1.9～2.1 μm。聲光Q開光通光孔徑大于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。

3 實驗結(jié)果與脈沖波形分析

3.1 輸出特性

采用L50A激光功率計測量激光輸出功率,結(jié)果如圖2所示。當794 nm LD激光器泵浦光為184 W時獲得68 W 1.94 μm連續(xù)光輸出。當1.94 μm泵浦光為68 W,聲光Q開關信號頻率在15 kHz時,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銦鎵砷探頭測得此時脈沖寬度為32 ns。利用HORIBA iHR320光譜儀測量輸出光光譜,中心波長為2065 nm。

圖2 系統(tǒng)各部分輸出功率

實驗中,利用刀口法測量了35 W功率輸出時偏振方向上的光束遠場發(fā)散角為3.2 mrad,光束質(zhì)量因子≤4.5。以此光源作為信號光對腔長110 mm長波光參量振蕩器進行了泵浦,經(jīng)過光束整形準直后,在18 W信號光入射情況下獲得了1.66 W長波紅外激光輸出,波長7690 nm,光光效率9.2%。對2.06 μm光源進行整形優(yōu)化并對光參量振蕩器結(jié)構(gòu)進行調(diào)整,有望得到更高輸出效率的長波紅外激光,證明該高重頻2.06 μm激光在實現(xiàn)高功率長波OPO上具有較強的實用性。

3.2 脈沖波形穩(wěn)定性研究

ZGP晶體硬度適中,熱導率較高,熱膨脹具有明顯的各向異性,作為一種性能優(yōu)異的紅外非線性晶體,在大能量輸出長波紅外光參量振蕩過程中仍然面對著較大的晶體損傷風險。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信號光是保證長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了Q開關激光器速率方程的解[16]?？梢岳孟率椒謩e表示Q開關激光器的輸出能量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為諧振腔長度,R為輸出鏡反射率,γ為簡并因子,L為包括散射、衍射和吸收等隨機損耗。

(1)

(2)

(3)

Ho∶YLF中的Ho離子由5I4→5I6能級躍遷獲得2.064 μm輻射波長,相應的能級壽命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,因為f?1/τ,在脈沖過程中,初始反轉(zhuǎn)粒子數(shù)ni還沒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,諧振腔長度,輸出鏡反射率等因素的影響會發(fā)生變化。如圖所示,在泵浦功率提升過程中,2.06 μm脈沖波形經(jīng)歷了峰值部分抖動、波形穩(wěn)定、波形整體(峰值部分、前后沿)抖動三個過程,如圖3所示。文章對該三種狀態(tài)進行了簡要的理論分析。

圖3 泵浦功率提升過程中,2.06μm輸出脈沖波形變化過程

(1)脈沖波形峰值部分抖動

當脈沖功率較小(約0～17 W @最大脈沖輸出35 W)時,脈沖波形峰值部分抖動,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的形成

為了驗證理解的正確性,記錄了當1.94 μm激光功率為26 W時,Ho∶YLF腔輸出鏡透過率分別為T=40%和T=20%時脈沖輸出波形在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腔對應不同輸出鏡透過率時在不同調(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。對比圖5a(1)～a(3)與圖6b(1)～b(3)可以看出,輸出鏡透過率為T=20%時,脈沖波形穩(wěn)定性更強。

由式(3)可知,腔長一定條件下,忽略腔內(nèi)散射、吸收損耗,衍射損耗一定,此時,輸出鏡透過率越高,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越劇烈。同樣,隨著脈沖調(diào)制頻率越大,單脈沖過程后剩余光子數(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)束后達到下次脈沖前,腔內(nèi)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度基本能達到一個一致值。這種情況下,示波器上觀察到的脈沖波形整齊穩(wěn)定,近乎沒有抖動。我們在提升泵浦功率過程中,觀察到短腔長情況下采用透過率為20%與40%的輸出鏡均存在以上所說現(xiàn)象,證明了推論的正確性。

(3)脈沖波形整體抖動

隨著泵浦功率的進一步提升,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,這是因為隨著泵浦功率的提升,諧振腔內(nèi)熱效應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險。因此,為了獲得高功率下穩(wěn)定的脈沖輸出,需要同時考慮輸出功率與熱效應。

在諧振腔長度為90 mm情況下,對比了Ho∶YLF晶體冷卻溫度分別為30 ℃與35 ℃時,發(fā)現(xiàn)后者的脈沖波形較前者在更低功率時即發(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泵浦過程中的脈沖輸出波形進行了討論。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,脈沖波長為2.064 μm。經(jīng)實驗驗證,可以作為中長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,以優(yōu)化腔內(nèi)的熱效應,獲得更高功率下的穩(wěn)定脈沖輸出。

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