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小型化高光束质量MgO: PPLN中红外光参量振荡器

白翔 何洋 于德洋 张阔 陈飞

白翔, 何洋, 于德洋, 张阔, 陈飞. 小型化高光束质量MgO: PPLN中红外光参量振荡器[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(7): 20190512. doi: 10.3788/IRLA20190512
引用本文: 白翔, 何洋, 于德洋, 张阔, 陈飞. 小型化高光束质量MgO: PPLN中红外光参量振荡器[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(7): 20190512. doi: 10.3788/IRLA20190512
Bai Xiang, He Yang, Yu Deyang, Zhang Kuo, Chen Fei. Miniaturized mid-infrared MgO: PPLN optical parametric oscillator with high beam quality[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(7): 20190512. doi: 10.3788/IRLA20190512
Citation: Bai Xiang, He Yang, Yu Deyang, Zhang Kuo, Chen Fei. Miniaturized mid-infrared MgO: PPLN optical parametric oscillator with high beam quality[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(7): 20190512. doi: 10.3788/IRLA20190512

小型化高光束质量MgO: PPLN中红外光参量振荡器

doi: 10.3788/IRLA20190512
基金项目: 国家重点研发计划战略性国际科技创新合作重点专项(2018YFE0203203);国家自然科学基金面上项目(61975203);中国科学院青年创新促进会(2017259);激光与物质相互作用国家重点实验室开放基础研究课题(SKLLIM1815)
详细信息
    作者简介:

    白翔(1978-),男,助理研究员,主要从事固体激光器和航天器跟踪测量设备方面的研究。Email:bxiang@sina.com

  • 中图分类号: TN248.1

Miniaturized mid-infrared MgO: PPLN optical parametric oscillator with high beam quality

  • 摘要: 为满足中红外激光的工程应用需求,研制了基于MgO: PPLN晶体的小型化高光束质量中红外光参量振荡器(MgO: PPLN-OPO)。泵浦源采用声光调Q Nd: YVO4激光器,通过泵浦MgO: PPLN晶体,获得了高效率、高峰值功率中红外激光输出,在MgO: PPLN-OPO谐振腔中加入光阑,有效提高了中红外激光光束质量,整个激光器采用热电制冷与风冷相结合的散热方式,实现了激光器的小型化。实验结果表明:采用无水冷的声光调Q Nd: YVO4激光器能够实现最高9.3 W的1.064 μm脉冲激光输出,光光转换效率为27.2%,峰值功率可达~27.5 kW;在Nd: YVO4激光器泵浦下,MgO: PPLN-OPO实现了3.765 μm脉冲激光输出,在谐振腔中加入光阑后,MgO: PPLN-OPO的最高输出功率由1.20 W略降至1.08 W,但光束质量有明显提高,Mx2My2因子分别从1.89和1.98优化至1.20和1.29,中红外激光脉冲宽度为8.4 ns,峰值功率达到~4.3 kW。
  • 图  1  Nd:YVO4激光器泵浦OPO实验装置图

    Figure  1.  Experimental setup of OPO pumped by Nd:YVO4 laser

    图  2  OPO热控结构示意图

    Figure  2.  Schematic of thermal control system for OPO

    图  3  1.064 μm竖直偏振和水平偏振激光输出功率随LD功率变化曲线

    Figure  3.  Output power of the vertically and horizontally polarized laser at 1.064 μm as a function of LD power

    图  4  1.064 μm激光脉冲波形图

    Figure  4.  Waveforms of the pulse laser at 1.064 μm

    图  5  中红外激光功率随泵浦功率变化曲线和中红外激光光谱

    Figure  5.  Mid-infrared output power as a function of pump power and mid-infrared spectrum

    图  6  (a)无光阑和(b)有光阑情况下中红外激光M2因子测试及光斑轮廓

    Figure  6.  Mid-infrared M2 factors and beam profile for (a) no aperture and (b) adding aperture

    图  7  中红外激光脉冲波形图

    Figure  7.  Waveforms of the pulse mid-infrared laser

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-02
  • 修回日期:  2020-05-16
  • 网络出版日期:  2020-07-23
  • 刊出日期:  2020-07-25

小型化高光束质量MgO: PPLN中红外光参量振荡器

doi: 10.3788/IRLA20190512
    作者简介:

    白翔(1978-),男,助理研究员,主要从事固体激光器和航天器跟踪测量设备方面的研究。Email:bxiang@sina.com

基金项目:  国家重点研发计划战略性国际科技创新合作重点专项(2018YFE0203203);国家自然科学基金面上项目(61975203);中国科学院青年创新促进会(2017259);激光与物质相互作用国家重点实验室开放基础研究课题(SKLLIM1815)
  • 中图分类号: TN248.1

摘要: 为满足中红外激光的工程应用需求,研制了基于MgO: PPLN晶体的小型化高光束质量中红外光参量振荡器(MgO: PPLN-OPO)。泵浦源采用声光调Q Nd: YVO4激光器,通过泵浦MgO: PPLN晶体,获得了高效率、高峰值功率中红外激光输出,在MgO: PPLN-OPO谐振腔中加入光阑,有效提高了中红外激光光束质量,整个激光器采用热电制冷与风冷相结合的散热方式,实现了激光器的小型化。实验结果表明:采用无水冷的声光调Q Nd: YVO4激光器能够实现最高9.3 W的1.064 μm脉冲激光输出,光光转换效率为27.2%,峰值功率可达~27.5 kW;在Nd: YVO4激光器泵浦下,MgO: PPLN-OPO实现了3.765 μm脉冲激光输出,在谐振腔中加入光阑后,MgO: PPLN-OPO的最高输出功率由1.20 W略降至1.08 W,但光束质量有明显提高,Mx2My2因子分别从1.89和1.98优化至1.20和1.29,中红外激光脉冲宽度为8.4 ns,峰值功率达到~4.3 kW。

English Abstract

    • 中红外激光在大气中传输时衰减很小,处于大气红外窗口,而且该波段还位于许多分子的“指纹”区,对应多数分子的特征吸收谱,因此,中红外激光在大气环境监测、遥感测量、光电探测和光电对抗等领域有着重要应用[1-4]。其中,采用波段1 μm激光器泵浦基于MgO:PPLN晶体的光参量振荡器(OPO)可实现中红外激光输出,该OPO具有功率高、效率高、光束质量好和波长可调谐等优点,是实现连续和脉冲中红外激光输出的有效途径[5-7]。通常,基于MgO:PPLN晶体的OPO(MgO:PPLN-OPO)采用光纤激光器或固体激光器作为泵浦源。

      掺Yb光纤激光器具备功率高、效率高和散热性能好等优点,可作为MgO:PPLN-OPO的泵浦源。其中,为了提高泵浦光的峰值功率,进而提高OPO的光光转换效率,需采用脉冲掺Yb光纤激光器作为泵浦源。主振荡功率放大(MOPA)结构的掺Yb光纤激光器是获得高峰值功率1 μm波段激光输出的主要技术途径,即通过一级或多级掺Yb光纤放大器对窄脉宽种子光进行功率放大,MOPA光纤激光器作为泵浦源得到了大量实验验证[6, 8-11]。但在工程应用中,MOPA光纤激光器在出光时,若种子源或预放大级出现故障,很容易造成下一级放大器的损坏;而较高的峰值功率易引发光纤内的受激布里渊散射等非线性效应;同时,后向反射光易对光纤激光器造成损伤;此外,为实现线偏振光纤激光输出,需全部采用保偏光纤器件,成本较高。上述因素不利于MOPA光纤激光器在MgO:PPLN-OPO中的工程应用。

      固体激光器也可用于泵浦MgO:PPLN-OPO,其中,基于Nd:YVO4晶体的固体激光器易于实现高峰值功率脉冲激光输出,且相比于MOPA光纤激光器,Nd:YVO4激光器结构简单,可直接输出线偏振激光,对后向反射光不敏感,且成本较低,在MgO:PPLN-OPO中得到了应用[12-14]。但Nd:YVO4激光器通常需要水冷散热,水冷机不仅增加了MgO:PPLN-OPO的体积和重量,而且需要定期维护,不利于MgO:PPLN-OPO的工程应用,同时,在高峰值功率泵浦情况下,MgO:PPLN-OPO中的高阶模会产生振荡,降低中红外激光光束质量。因此,文中介绍了一种无水冷Nd:YVO4激光器泵浦的高光束质量MgO:PPLN-OPO,采用声光调Q方法使Nd:YVO4激光器输出高峰值功率脉冲泵浦激光,进而获得高效率、高峰值功率中红外激光输出。在MgO:PPLN-OPO谐振腔中加入光阑,以提高中红外激光光束质量。整个激光器采用热电制冷和风冷相结合的散热方式,极大地缩减了激光器的体积和重量,为MgO:PPLN-OPO的工程应用提供了可行的技术方案。

    • 实验装置如图1所示,OPO的泵浦源为声光调Q Nd:YVO4激光器,采用0.879 μm LD端面泵浦,LD泵浦光经光纤耦合输出,由耦合镜组M1M2准直聚焦后进入Nd:YVO4晶体端面。Nd:YVO4晶体尺寸为3 mm×3 mm×20 mm,固定于冷却热沉中,通过调整Nd:YVO4晶体摆放位置,可实现竖直线偏振1.064 μm激光输出,从而满足MgO:PPLN晶体的相位匹配条件。激光谐振腔由平面二色镜M3和平面输出耦合镜M4组成,M3镀0.879 μm高透、1.064 μm高反膜,M4在1.064 μm处的反射率为70%。在Nd:YVO4晶体和M2之间为声光调制器(AOM),AOM由射频信号驱动,使用方波调制信号控制AOM状态:在方波信号处于低电平状态时,驱动器输出射频信号,声光晶体中产生超声波使光束发生衍射,谐振腔处于高损耗低Q值状态;当方波信号变为高电平状态时,驱动器停止输出射频信号,谐振腔处于低损耗高Q值状态,形成激光振荡,引发激光脉冲输出。

      图  1  Nd:YVO4激光器泵浦OPO实验装置图

      Figure 1.  Experimental setup of OPO pumped by Nd:YVO4 laser

      Nd:YVO4激光器输出的竖直线偏振1.064 μm激光经过45°反射镜M5M6反射后入射OPO。OPO主要包括缩束镜组、谐振腔镜、MgO:PPLN晶体、加热炉、扩束镜组和分束镜等。泵浦光首先经过缩束镜组M7M8压缩光斑直径,以提高泵浦光功率密度,进而提高OPO的光光转换效率。MgO:PPLN 晶体(HCP公司)尺寸为 50 mm×3 mm×2 mm,MgO掺杂浓度为5 mol%,极化周期为29.5 μm,晶体端面镀1.064 μm、1.480 μm和3.800 μm增透膜。MgO:PPLN 晶体固定在加热炉中,工作温度设定在65 ℃,温控精度为±0.1 ℃,对应的信号光和闲频光波长分别为1.480 μm 和3.800 μm。谐振腔由平镜M7M8组成,采用信号光单谐振方案,M7镀1.064 μm高透、1.480 μm或3.800 μm高反膜,M8镀1.064 μm高反、3.800 μm高透和1.480 μm部分反射膜(反射率70%),谐振腔腔长为100 mm,MgO:PPLN晶体放置在谐振腔的中心位置,在MgO:PPLN晶体和M8之间放置孔径1 mm光阑,以抑制高阶模的振荡,从而优化输出激光的光束质量。泵浦光入射MgO:PPLN晶体后,在谐振腔的反馈下,通过光学参量振荡过程,获得近红外波段的信号光和中红外波段的闲频光输出,由于中红外激光发散角较大,需通过扩束镜组M11M12进行扩束以压缩发散角,再利用分光镜M13将信号光滤除,最终获得中红外激光输出。

      在热控方面,该中红外OPO采用半导体热电制冷器(TEC)和风冷相结合的散热方式,其主要热源器件包括LD、Nd:YVO4晶体和AOM。如图2所示,对于LD和Nd:YVO4晶体,其温度需稳定在20 ℃,因此通过TEC对LD和Nd:YVO4晶体温度进行精确控制,温控精度可达±0.1 ℃,TEC将热量导入铝合金底板和散热翅片,通过风冷对底板和散热翅片进行散热。AOM则采用热传导的方式,将热量导入铝合金底板和散热翅片,并通过风冷散热。对于MgO:PPLN晶体,为防止加热炉热量导入铝合金底板,采用聚四氟乙烯对其进行隔热。

      图  2  OPO热控结构示意图

      Figure 2.  Schematic of thermal control system for OPO

    • 首先对声光调Q Nd:YVO4激光器的输出特性进行了实验研究。采用方波信号对AOM进行调制,方波信号重复频率为30 kHz,幅值为5 V,占空比为1%,Nd:YVO4激光器输出1.064 μm脉冲激光,采用格兰棱镜将输出激光分为竖直偏振和水平偏振的线偏振激光,采用激光功率计(Ophir公司FL150A-BB-26型)分别对激光功率进行测试,结果如图3所示。可见,激光功率随泵浦功率呈线性增长,且竖直激光偏振分量远远大于水平偏振分量,在LD最高功率为34.2 W情况下,竖直偏振和水平偏振激光最高分别为9.3 W和0.4 W,偏振消光比>13 dB,不考虑水平偏振分量,Nd:YVO4激光器的光光转换效率为27.2%。

      图  3  1.064 μm竖直偏振和水平偏振激光输出功率随LD功率变化曲线

      Figure 3.  Output power of the vertically and horizontally polarized laser at 1.064 μm as a function of LD power

      图4所示为Nd:YVO4激光器在最高输出功率情况下,使用光电探测器(滨松公司C5658型)和示波器(Agilent公司DSO-X 3024A型)测得的1.064 μm激光脉冲波形图。由图4可知,激光重复频率与方波信号一致,均为30 kHz,激光脉冲宽度为11.3 ns,因此,在最高输出功率情况下,1.064 μm激光的峰值功率可达~27.5 kW。采用刀口法对Nd:YVO4激光器的光束质量进行了测量,在激光输出功率为9.3 W时,水平方向Mx2因子与竖直方向My2因子分别为1.41和1.52。

      图  4  1.064 μm激光脉冲波形图

      Figure 4.  Waveforms of the pulse laser at 1.064 μm

    • 采用上述声光调Q Nd:YVO4激光器泵浦MgO:PPLN-OPO。为了获得高光束质量中红外激光输出,在OPO谐振腔中加入了光阑。如图5所示为无光阑和有光阑情况下中红外激光光谱和功率随1.064 μm泵浦光功率变化曲线。可见,当泵浦功率低于4 W时,有光阑和无光阑情况下的阈值泵浦功率均为~1.6 W,且中红外激光功率相差较小,因为在泵浦功率较低时,谐振腔中的高阶模成分较少,光阑对光参量振荡过程影响较小。但随着泵浦功率的增加,谐振腔中的高阶模开始振荡,加入光阑可对高阶模的振荡进行抑制,并提高低阶模的转换效率,但是中红外激光功率会出现一定程度的下降。采用中红外傅里叶光谱仪(Arcoptix公司FIT-MIR 2−6型,波长分辨率~0.006 μm)对中红外激光光谱进行测量,在最高泵浦功率为9.3 W时,激光峰值波长为3.765 μm,无光阑和有光阑情况下,中红外激光功率分别为1.20 W和1.08 W,相应的光光转换效率分别为12.9%和11.6%。

      图  5  中红外激光功率随泵浦功率变化曲线和中红外激光光谱

      Figure 5.  Mid-infrared output power as a function of pump power and mid-infrared spectrum

      虽然加入光阑后中红外激光的光光转换效率出现少量下降,但中红外激光的光束质量可获得较大提高。如图6所示为中红外激光功率达到最大值时,采用刀口法对中红外激光M2因子进行测试的结果。可见,在无光阑情况下,水平方向Mx2因子与竖直方向My2因子分别为1.89和1.98,而在加入光阑后,中红外激光的Mx2因子和My2因子分别为1.20和1.29,这说明光阑有效地抑制了高阶模产生,能够提高中红外激光的光束质量,加入光阑后的中红外激光光斑轮廓图如图6(b)所示。

      图  6  (a)无光阑和(b)有光阑情况下中红外激光M2因子测试及光斑轮廓

      Figure 6.  Mid-infrared M2 factors and beam profile for (a) no aperture and (b) adding aperture

      采用HgCdTe光电探测器(Vigo公司PV-2TE-4型)和示波器(Keysight公司DSO-X 4104A型)对中红外激光脉冲波形进行测试,如图7所示为加入光阑情况下,中红外激光功率为1.08 W时的脉冲波形图。可见,当重复频率为30 kHz时,中红外激光的脉冲宽度可达8.4 ns,相应的中红外脉冲激光的峰值功率可达~4.3 kW。上述结果表明,通过在谐振腔中加入光阑,在提高MgO:PPLN-OPO光束质量的同时,还可实现高效率、高峰值功率中红外激光输出。

      图  7  中红外激光脉冲波形图

      Figure 7.  Waveforms of the pulse mid-infrared laser

    • 文中介绍了声光调Q Nd:YVO4激光器泵浦MgO:PPLN-OPO的结构和工作原理,该中红外激光器采用热电制冷和风冷相结合的散热方式,并通过在OPO谐振腔中加入光阑对中红外激光的光束质量进行了优化。实验结果表明:采用无水冷的声光调Q Nd:YVO4激光器能够实现最高9.3 W的脉冲激光输出,光光转换效率为27.2%,峰值功率可达~27.5 kW;在Nd:YVO4激光器泵浦下,在无光阑情况下,MgO:PPLN-OPO可实现最高1.20 W的3.765 μm激光输出,Mx2My2因子分别为1.89和1.98,在谐振腔中加入光阑后,MgO:PPLN-OPO的最高输出功率略降至1.08 W,但光束质量有明显提高,Mx2My2因子分别为1.20和1.29,同时,激光峰值功率可达~4.3 kW。上述结果证明了热电制冷和风冷能够对Nd:YVO4激光器进行有效地热控,通过在MgO:PPLN-OPO谐振腔中加入光阑不仅能够提高中红外激光光束质量,还可实现高效率、高峰值功率中红外激光输出。此外,声光调Q Nd:YVO4激光器和MgO:PPLN-OPO的输出功率均随泵浦功率的增加呈线性增长,因此若进一步提高泵浦功率,有望实现数瓦级的高功率中红外激光输出。上述实验方案为研制工程化中红外MgO:PPLN-OPO提供了可行的技术途径。

参考文献 (14)

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