窄線寬1 064 nm 光纖激光泵浦高效率中紅外3.8 μm MgO:PPLN 光參量振蕩器

陳柄言，于永吉，吳春婷，金光勇

（長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院吉林省固體激光技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130022）

1 引言

3～5μm 光源作為大氣窗口輸出波段，在遙感技術(shù)、高分辨率光譜學(xué)、激光醫(yī)療及激光通信等領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的研究意義和廣泛的應(yīng)用前景[1-4]?；诜蔷€性光學(xué)變頻技術(shù)的準(zhǔn)相位匹配光參量振蕩器具有調(diào)諧范圍寬、調(diào)諧方式靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，是獲得高效中紅外激光輸出的有效技術(shù)手段[5-9]。然而，傳統(tǒng)的全固態(tài)光參量振蕩器（OPO）存在較嚴(yán)重的熱效應(yīng)問題，并且整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以同時(shí)兼顧高重復(fù)頻率和高峰值功率。近年來，大功率光纖激光系統(tǒng)由于具有穩(wěn)定度高、輸出功率高、便于熱管理等優(yōu)點(diǎn)[10-12]，越來越多地被用作泵浦光源應(yīng)用于固體激光系統(tǒng)中。基于此種技術(shù)體制進(jìn)行結(jié)構(gòu)緊湊、易于調(diào)控的中紅外OPO 系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)成為了目前研究的熱點(diǎn)之一。

近年來，采用光纖泵浦OPO 實(shí)現(xiàn)3～4μm 中紅外激光輸出的相關(guān)報(bào)道很多[13-14]。但針對(duì)波長(zhǎng)大于3.8μm 的光纖泵浦中紅外OPO 的研究，由于泵浦與閑頻光間有存在較大的波長(zhǎng)差會(huì)導(dǎo)致量子虧損，致使變頻效率偏低，而通過提高泵浦功率間接增大中紅外激光輸出功率，又會(huì)導(dǎo)致光纖泵浦源出現(xiàn)非線性效應(yīng)，致使光束質(zhì)量惡化、輸出線寬展寬，這些因素使得該方面的研究相對(duì)較少。同時(shí)PPLN 晶體在中遠(yuǎn)紅外波段（大于4μm）存在的光子吸收，最終導(dǎo)致目前的長(zhǎng)波閑頻光輸出大多限制在1 W 左右[15]。2013 年，清華大學(xué)柳強(qiáng)等人報(bào)道了由高功率摻鐿光纖MOPA 結(jié)構(gòu)泵浦MgO:PPLN OPO 產(chǎn)生4μm 中紅外激光輸出[16]，在泵浦功率為18.5 W 時(shí)，獲得了2.03 W、4μm 的激光輸出，線寬為0.16 nm，斜率效率為11%。但是該研究中部分泵浦被反射回最后一級(jí)光纖放大器中，當(dāng)泵浦功率超過18.5 W 時(shí)，由于高功率的回波反射激光中未能充分隔離，會(huì)導(dǎo)致光纖泵浦源乃至耦合系統(tǒng)的器件損壞。在該研究的基礎(chǔ)上，本文中采用1 064 nm 高重頻摻鐿光纖MOPA作為泵浦源（其最高平均輸出功率為40 W，線寬為2.5 nm，調(diào)制后線寬可達(dá)0.1 nm）進(jìn)一步泵浦MgO:PPLN OPO，研究不同泵浦線寬對(duì)中紅外OPO 激光輸出的影響，證明了窄線寬泵浦條件下能夠有效提高中紅外激光的輸出轉(zhuǎn)換效率，最終在0.1 nm 的窄線寬泵浦光源下，獲得最高平均輸出功率為2.06 W 的3.8μm 激光輸出，光-光轉(zhuǎn)換效率為11.38%。

2 理論分析

一般情況下，激光輸出光譜總會(huì)存在一定的線寬而非單一波長(zhǎng)，而在非線性頻率變換過程中不同泵浦波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的滿足相位匹配條件的參量光波長(zhǎng)不同，因此泵浦光的線寬將影響輸出參量光的變化。對(duì)于某一固定波長(zhǎng)閑頻光來說，相位失配主要來源于泵浦光和信號(hào)光的失配，因此可得泵浦光線寬引起的閑頻光線寬展寬為[17]：

由此給出泵浦光線寬引起的參量光線寬展寬曲線圖，如圖1 所示。從圖中可以看出，隨著泵浦光線寬的增加，閑頻光線寬展寬迅速增加，因此，通過相對(duì)較窄譜線寬度的光纖激光泵浦MgO:PPLN，能夠提高準(zhǔn)相位匹配變頻耦合精度，進(jìn)而間接提升變頻效率，實(shí)現(xiàn)高效率窄線寬中紅外激光輸出。同時(shí)，隨著閑頻光波長(zhǎng)的增加，由泵浦光線寬引起的線寬展寬是逐漸減弱的，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)窄線寬長(zhǎng)波中紅外激光是有利的。

圖1 不同泵浦光線寬下閑頻光線寬展寬與閑頻光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between idle light broadening and idle wavelength under different pump light linewidthes

3 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用的泵浦源為三級(jí)放大的MOPA 1 064 nm 摻鐿光纖激光器，如圖2 所示。采用1 064 nm DFB 半導(dǎo)體激光作為種子源，通過調(diào)制電路控制種子源激光的占空比和脈沖波形。第一級(jí)放大中采用長(zhǎng)度為3 m、纖芯數(shù)值孔徑為0.12 的單模保偏光纖（Nufern PM-YDF-5/130），在976 nm 抽運(yùn)波長(zhǎng)下測(cè)量的光纖包層吸收系數(shù)α=1.80 dB/m，可獲得30 mW 的平均輸出功率；第二級(jí)放大中采用長(zhǎng)度為3 m 的雙包層有源大模場(chǎng)PM光纖（Nufern PLMA-YDF-10/125），纖芯數(shù)值孔徑為0.075，內(nèi)包層的數(shù)值孔徑小于0.46，在976 nm抽運(yùn)波長(zhǎng)下測(cè)量的α=4.95 dB/m，可產(chǎn)生200 mW的平均輸出功率；第三級(jí)放大中的光纖是長(zhǎng)度為1.5 m的雙包層大模場(chǎng)PM 光纖（Nufern PLMA-YDF-30/250），其數(shù)值孔徑及吸收系數(shù)與第二級(jí)放大中的PM 光纖相同，最終得到最高平均輸出功率為40 W 的1 064 nm 激光輸出。

圖21 064 nm 摻鐿光纖激光器裝置圖Fig.2 Schematic diagram of 1 064 nm ytterbium-doped fiber laser

1 064 nm 光纖激光器泵浦MgO:PPLN OPO激光實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖3 所示，光纖激光通過半波片旋轉(zhuǎn)，對(duì)準(zhǔn)MgO:PPLN 晶體的主軸，以獲得最大的OPO 轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)過焦距為150 mm的聚焦透鏡F耦合到摻雜濃度為5%的MgO:PPLN 晶體中心，晶體尺寸為30 mm×2 mm×5 mm，極化周期為29.5μm，晶體兩端鍍有1 064 nm和3.8μm 增透膜。實(shí)驗(yàn)采用雙凹線型腔，其曲率半徑均為150 mm，其中輸入鏡M1表面鍍有1 064 nm高透、3.7～4.2μm 高反膜，輸出鏡M2表面鍍有1 064 nm 高反、1.4～1.5μm 高反、1 064 nm 高透、3.75～3.85μm 高透膜，諧振腔物理長(zhǎng)度為80 mm。

圖31 064 nm 摻鐿光纖激光器泵浦的MgO:PPLN OPO實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of MgO:PPLN OPO laser pumped by 1 064 nm ytterbium-doped fiber laser

圖41 064 nm 摻鐿光纖激光器輸出光譜對(duì)比圖Fig.4 Comparison of output spectrum of the 1 064 nm ytterbium-doped fiber laser

4 結(jié)果與分析

首先對(duì)泵浦源MOPA 1 064 nm 摻鐿光纖激光器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量。圖4 為1 064 nm 摻鐿光纖激光器種子源線寬調(diào)制前后的輸出光譜圖。從圖4 中可以看出，通過引入DFB 半導(dǎo)體激光作為種子源，其輸出線寬可由原來的2.5 nm 壓縮到0.1 nm，信噪比大于50 dB，實(shí)現(xiàn)了窄線寬泵浦光源輸出。在此基礎(chǔ)上，對(duì)兩種線寬下最大平均輸出功率進(jìn)行測(cè)量，如圖5 所示。從圖中可以看出線寬調(diào)制前后其平均輸出功率并沒有明顯變化，最大平均輸出功率可達(dá)40 W。同時(shí)，對(duì)其輸出光束質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，如圖6 所示。由圖6 可見，其光束質(zhì)量為1.38，接近衍射極限，可以作為MgO:PPLN OPO優(yōu)質(zhì)的泵浦光源。

圖5 不同線寬下1 064 nm 摻鐿光纖激光器的平均輸出功率對(duì)比圖Fig.5 Comparison of output power of the 1 064 nm ytterbium-doped fiber laser with different linewidths

圖6 窄線寬1 064 nm 摻鐿光纖激光光束質(zhì)量Fig.6 Beam quality of the narrow linewidth 1 064 nm ytterbium-doped fiber laser

在此基礎(chǔ)上，對(duì)1 064 nm 光纖激光泵浦中紅外3.8μm MgO:PPLN OPO 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。同樣對(duì)比了泵浦源線寬調(diào)制前后MgO:PPLN OPO中紅外激光輸出的情況。圖7 為在光纖激光重頻為1 MHz，脈寬為2 ns 時(shí)，不同線寬下的輸出功率。從圖中可以看出，相對(duì)于0.1 nm 泵浦線寬，2.5 nm 泵浦線寬的平均輸出功率和轉(zhuǎn)換效率明顯小很多。正如之前理論分析的一樣：譜線加寬會(huì)引起一部分光出現(xiàn)相位失配，從而使寬光譜泵浦情況下的一部分光無法產(chǎn)生參量轉(zhuǎn)換，最終導(dǎo)致非線性頻率變換轉(zhuǎn)換效率下降，導(dǎo)致寬光譜泵浦時(shí)輸出功率明顯降低。在泵浦功率為18.1 W、線寬為0.1 nm 時(shí)，獲得3.8μm 閑頻光最大平均輸出功率為2.06 W，轉(zhuǎn)換效率為11.38%。圖8 為所測(cè)量的閑頻光輸出光譜圖，同時(shí)，測(cè)量了在最高輸出功率下的脈沖序列圖和脈沖寬度圖，如圖9 所示，最終獲得的3.8μm 中紅外激光輸出脈寬為1.63 ns。

圖7 不同線寬1 064 nm 摻鐿光纖激光泵浦MgO:PPLN OPO 平均輸出功率Fig.7 The output powers of MgO:PPLN OPO pumped by 1 064 nm ytterbium-doped fiber laser with different linewidths

圖8 窄線寬1 064 nm 摻鐿光纖激光泵浦MgO:PPLN OPO 輸出光譜圖Fig.8 The output spectrum of MgO:PPLN OPO pumped by the narrow linewidth 1 064 nm ytterbium-doped fiber laser

同時(shí)對(duì)MgO:PPLN OPO 3.8μm 閑頻光輸出波長(zhǎng)和光束質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，如圖10 所示。由于實(shí)驗(yàn)采用ARC 傅立葉光譜儀進(jìn)行測(cè)量，其分辨率相對(duì)較低，因此無法準(zhǔn)確獲得其輸出線寬，但是其輸出中心波長(zhǎng)為3 822.5 nm，并且有很高的信噪比。采用PyrocamⅢ熱釋電光束質(zhì)量分析儀基于經(jīng)典的90/10 刀口法測(cè)量得到最高平均輸出功率時(shí)的光束質(zhì)量為M2=2.34。相對(duì)于泵浦光源的光束質(zhì)量，參量光的光束質(zhì)量產(chǎn)生了一定的惡化，這主要是由于參量轉(zhuǎn)換過程中三波耦合出現(xiàn)的輕微走離效應(yīng)，以及晶體溫度控制的輕微波動(dòng)綜合導(dǎo)致的。

圖9 MgO:PPLN OPO 3.8μm 激光輸出脈沖序列和脈沖寬度圖Fig.9 Pulse sequence and pulse width of the MgO:PPLN OPO 3.8μm laser

圖10 窄線寬1 064 nm 摻鐿光 纖激光泵浦MgO:PPLN OPO 輸出光束質(zhì)量Fig.10 Beam quality of MgO:PPLN OPO pumped by the narrow linewidth 1 064 nm ytterbium-doped fiber laser

5 結(jié)論

本文基于MgO:PPLN 晶體，采用性能優(yōu)異的主振蕩功率放大1 064 nm 摻鐿光纖激光器作為泵浦源，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率且結(jié)構(gòu)緊湊的中紅外光參量振蕩器。對(duì)泵浦源采用分布式反饋激光器（DFB）作為種子源，實(shí)現(xiàn)光纖激光泵浦源輸出線寬從2.5 nm 到0.1 nm 的壓縮，最大平均輸出功率為40 W。在此基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)研究了不同泵浦線寬對(duì)中紅外3.8μm MgO:PPLN OPO 激光輸出的影響，發(fā)現(xiàn)泵浦線寬變窄可以明顯提高3.8μm 閑頻光的轉(zhuǎn)換效率。最終在泵浦功率為18.1 W，線寬為0.1 nm，重頻為1 MHz，脈寬為2 ns 條件下，實(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)為3 822.5 nm，最高平均輸出功率為2.06 W 的激光輸出，光-光轉(zhuǎn)換效率為11.38%，光束質(zhì)量為M2=2.34。此項(xiàng)研究提高了窄線寬泵浦對(duì)中紅外MgO:PPLN OPO 激光輸出效率，為高功率中紅外激光的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用深化打下基礎(chǔ)。