高功率高重頻中紅外激光器

沈兆國, 郝培育, 翟仲軍, 李程程, 張曉杰, 張鳳霞, 羊 毅

(1.光電控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471000；2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471000； 3.山東華特知新材料有限公司，濟(jì)南 250101)

0 引言

高功率高重頻激光器在激光探測、中紅外激光照明、激光對抗等領(lǐng)域有較高應(yīng)用價(jià)值，尤其在光電對抗領(lǐng)域，高功率高重頻中紅外激光器是光電對抗系統(tǒng)的重要部件，其輸出的性能及穩(wěn)定性直接決定了應(yīng)用效果。隨著中波光電探測器的發(fā)展和應(yīng)用，其性能得到了業(yè)界肯定，中波探測逐漸被用于光電探測系統(tǒng)，目前在1000～3000 nm和3000～5000 nm波段探測器應(yīng)用較為廣泛，為了實(shí)現(xiàn)對該波段的有效干擾，需要研制在該波段之間的激光器[1-6]。獲得中波段輸出的激光器主要有化學(xué)激光器、半導(dǎo)體激光器以及采用頻率變換輸出的激光器。化學(xué)激光器體積較大，并伴隨較多污染氣體，因此不宜采用；半導(dǎo)體激光器，尤其是量子級聯(lián)激光器發(fā)展較迅速，功率在逐漸提高，但是國內(nèi)單管輸出功率較低，集成后的體積較大，不利于現(xiàn)階段工程化應(yīng)用；采用頻率變換輸出的激光器主要利用1000 nm波段附近的激光器直接泵浦頻率變換晶體產(chǎn)生，或者采用2000 nm波段附近的激光器泵浦頻率變換晶體產(chǎn)生[7-10]。為了獲得高峰值功率輸出，本文采用了高峰值功率的1064 nm的激光器泵浦頻率變換晶體KTP產(chǎn)生2100 nm激光，抽運(yùn)ZGP晶體產(chǎn)生4200 nm的激光輸出，利用光參量輸出鏡透過率設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了2100 nm和4200 nm激光雙波段激光輸出。采用了高平均功率的1064 nm的激光器泵浦頻率變換晶體PPLN產(chǎn)生高功率2100 nm激光輸出，泵浦PPLT產(chǎn)生了高功率3900 nm激光輸出。

1 高峰值功率高重頻中紅外激光器研究

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。

圖1 4200 nm光參量振蕩器實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 The 4200 nm OPO experiment setup

激光器采用了傳統(tǒng)平平腔結(jié)構(gòu)，有利于調(diào)節(jié)和高能量激光輸出，M1(反射率R=85%，有利于降低腔內(nèi)功率密度，避免對激光增益介質(zhì)和非線性晶體的損傷)和 M2(S1面:T=80%@1064 nm;S2面:R=99.8%@2 μm,T=80%@1064 nm)1064 nm激光輸出鏡構(gòu)成1064 nm激光諧振腔，腔長L=165 mm。M2和M3的2100 nm激光輸出鏡對1064 nm 部分透過(T=15%,防止OPO調(diào)整時(shí)對器件的損傷)對2 μm部分反射(R=50%)。M3和M4(S1面:T=80%@4200 nm;S2面:R=99.8%@2100 nm,R=80%@1064 nm)中紅外激光輸出鏡構(gòu)成第二級OPO光參量振蕩器諧振腔，腔長L=10 mm。激光增益介質(zhì)為Nd,Ce:YAG螺紋棒，有利于降低激光振蕩閾值和提高泵浦光吸收效率，Nd,Ce:YAG螺紋棒直徑為φ6 mm，長度為85 mm ，兩端面鍍有對1064 nm高透的介質(zhì)膜以減少激光振蕩損耗。實(shí)驗(yàn)中采用脈沖LD作為泵浦源，脈沖LD陣列呈環(huán)形包在激光棒周圍，通過循環(huán)水強(qiáng)制冷卻。為了得到窄脈寬納秒級脈沖，利用了側(cè)面泵浦技術(shù)與電光調(diào)Q技術(shù)，采用高的電光系數(shù)及損傷閾值的LN作為電光調(diào)Q開關(guān)的晶體。其中，Q開關(guān)控制電路產(chǎn)生約為4000～5000 V 可調(diào)電壓，加在Q開關(guān)上，脈沖LD電源產(chǎn)生的觸發(fā)信號輸入Q開關(guān)控制電路，經(jīng)Q開關(guān)控制電路內(nèi)部延時(shí)后，能有效控制電光Q開關(guān)。LN晶體作為調(diào)Q開關(guān)主要有加壓式、退壓式、預(yù)偏置等幾種方式。加壓式一般需要四分之一波片，增加插入損耗；退壓式需要正負(fù)互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電壓，增加電路設(shè)計(jì)復(fù)雜難度；預(yù)偏置式不需要四分之一波片，也不需要互補(bǔ)電壓，因此本文采用預(yù)偏置調(diào)Q方式。預(yù)偏置技術(shù)就是利用鈮酸鋰晶體的自然雙折射效應(yīng)，將初射入光提前偏離一定角度，使得e光和o光的光程差等于四分之一波長，等同于四分之一波片，利用折射率橢球可以計(jì)算出e光和o光的光程差。

(1)

(2)

式中：lz為鈮酸鋰晶體長度；ne和no分別為e光和o光折射率；γ22為LN晶體的電光系數(shù);α為入射光主平面與晶體感應(yīng)主軸X′和Z′組成平面的夾角。

當(dāng)沒有加電場情況(E=0)時(shí)，光程差為

(3)

(4)

LN晶體的ne和no分別為2.233和2.154，所以可以得到

(5)

式中：m=0，1，2，3,…，選用m=0，實(shí)際用的晶體長度為20 mm，因此θ≈0.36°。

OPO頻率變換采用II類相位匹配方式的KTP 晶體，相位匹配角度為51.5°，另一角度為90°，晶體尺寸為8 mm×8 mm×14 mm，兩個(gè)端面均鍍有2100 nm和1064 nm 增透膜；Ⅱ類相位匹配的KTP 晶體作為非線性晶體放置在Nd,Ce:YAG激光器的諧振腔內(nèi)，KTP晶體在150～2180 nm 波段有十分高的透射率，其有效非線性系數(shù)和抗損傷閾值也很大,適合作為產(chǎn)生2100 nm激光的晶體。實(shí)驗(yàn)中，OPO 工作在KTP 晶體的簡并點(diǎn)(信號光和閑置光頻率相等)，既可以獲得高能量的2100 nm激光輸出，又可以降低鍍膜的難度。KTP 和ZGP晶體分別用銦箔包裹側(cè)面后放入水冷鋁塊中進(jìn)行冷卻，水冷鋁塊通過循環(huán)水強(qiáng)制冷卻，溫度控制在23 ℃。

在電源輸入電流100 A、工作頻率50 Hz的條件下，1064 nm輸出能量為260.8 mJ。經(jīng)過KTP-OPO頻率變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)2100 nm激光輸出，采用內(nèi)腔頻率變換，在電源輸入電流100 A、工作頻率50 Hz的條件下，2100 nm激光能量輸出為106.2 mJ， 1.06 μm到2 μm轉(zhuǎn)換效率達(dá)到38.9%。在電源輸入電流80 A、工作頻率50 Hz的條件下，采用內(nèi)腔頻率變換，獲得4200 nm最高能量12 mJ激光輸出，脈寬8 ns，峰值功率高達(dá)12.8 MW，2100 nm到4200 nm轉(zhuǎn)換效率達(dá)到31.2%，剩余的2100 nm波段激光輸出45 mJ。4200 nm激光器注入電流與輸出激光能量關(guān)系如圖2所示。

圖2 4200 nm輸出能量與注入電流關(guān)系Fig.2 The 4200 nm output energy vs input current

2 高平均功率高重頻激光器研究

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3 所示。

圖3 3900 nm光參量振蕩器實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.3 The 3900 nm OPO experiment setup

圖3中，序號1為1064 nm激光器全反鏡，曲率為1 m；2為808 nm泵浦陣列；3為激光增益介質(zhì)Nd:GdVO4，在810 nm與880 nm附近具有兩個(gè)吸收峰，吸收峰值是808.5 nm，半寬是Nd:YAG的近二倍，較適合LD泵浦;4為1064 nm偏振片；5為聲光調(diào)Q，通過高重頻驅(qū)動(dòng)電源實(shí)現(xiàn)高重頻控制及驅(qū)動(dòng)；6為輸出鏡，透過率為20%；7為1064 nm校正鏡；8為2100 nm全反鏡，鍍膜為2100 nm全反，1064 nm增透；9為周期極化晶體PPLT，用于產(chǎn)生2100 nm波段激光；10為2100 nm輸出鏡，對2100 nm透過40%，對1064 nm全透；11為1064 nm折轉(zhuǎn)鏡，對1064 nm為45°反射，對2100 nm波段45°增透；12為3900 nm，45°折轉(zhuǎn)鏡，對1064 nm為45°全反，對3900 nm為增透；13為1064 nm聚焦鏡，對1064 nm聚焦，對3900 nm增透；14為四分之一波片；15為3900 nm輸出鏡；16為周期極化晶體PPLT；17為3900 nm全反鏡，對1064 nm增透，對3900 nm全反，對1463 nm波段全反；18為1064 nm四分之一波片；19為對1064 nm的56.5°折轉(zhuǎn)鏡。激光器接收到工作指令后，激光電源對半導(dǎo)體陣列供電，產(chǎn)生在激光增益介質(zhì)吸收帶內(nèi)的光譜輻射，這些光被耦合到激光增益介質(zhì)上，儲(chǔ)存在激光增益介質(zhì)激發(fā)態(tài)能級。為了提高激光脈沖峰值功率,Q開關(guān)關(guān)閉，阻止在腔鏡的反饋下產(chǎn)生的受激輻射，激光增益介質(zhì)激發(fā)態(tài)能級儲(chǔ)存的粒子數(shù)最大時(shí),Q開關(guān)打開，腔內(nèi)迅速產(chǎn)生激光振蕩，產(chǎn)生波長為1.064 μm的激光脈沖輸出，經(jīng)過差頻晶體PPLT，實(shí)現(xiàn)2100 nm激光輸出；剩余的1064 nm激光進(jìn)入3900 nm光參量振蕩器，實(shí)現(xiàn)3900 nm激光輸出，剩余的1064 nm激光進(jìn)入原始的激光器內(nèi)部，再次實(shí)現(xiàn)注入放大。當(dāng)激光電源以一定頻率工作時(shí)，激光器便產(chǎn)生一定頻率的激光脈沖，這個(gè)過程中產(chǎn)生的熱通過冷卻系統(tǒng)耦合到外界。

利用PPLT-OPO頻率變換技術(shù)，通過外腔頻率變換方式，實(shí)現(xiàn)3900 nm和2100 nm雙波段激光輸出。在電源輸入電流40 A、調(diào)Q驅(qū)動(dòng)頻率10 kHz的條件下，獲得3900 nm激光的最高輸出功率為5.6 W，2100 nm激光的最高輸出功率為8.3 W。雙波段輸出功率與注入電流關(guān)系如圖4所示。由圖4可以看出，隨著注入電流的增大，激光的輸出功率線性增加。

圖4 輸出功率與注入電流關(guān)系Fig.4 The output power vs input current

3 結(jié)論

通過1064 nm泵浦KTP產(chǎn)生高峰值功率2100 nm激光輸出，并抽運(yùn)ZGP晶體，在電源輸入電流80 A、工作頻率50 Hz的條件下，采用內(nèi)腔頻率變換，獲得4.2 μm最高能量12 mJ的激光輸出，2100 nm波段激光輸出45 mJ。通過1064 nm分別泵浦PPLT和PPLN獲得2100 nm激光輸出和3900 nm激光輸出，在電源輸入電流40 A、調(diào)Q驅(qū)動(dòng)頻率10 kHz的條件下，獲得3900 nm激光的最高輸出功率為5.6 W，2100 nm激光的最高輸出功率為8.3 W，均滿足了某系統(tǒng)應(yīng)用要求。