沈兆國(guó)，董 濤，羊 毅，馬俊嶺，唐剛鋒，付 潔，孟冬冬，惠祥云

(中航工業(yè)洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南洛陽(yáng) 471009)

光纖激光器泵浦光參量振蕩器

沈兆國(guó)，董 濤，羊 毅，馬俊嶺，唐剛鋒，付 潔，孟冬冬，惠祥云

(中航工業(yè)洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南洛陽(yáng) 471009)

為了獲得小體積高功率3～5μm中紅外激光輸出，通過(guò)高重復(fù)頻率驅(qū)動(dòng)調(diào)Q技術(shù)和種子注入光放大技術(shù)，獲得高功率高光束質(zhì)量1.06μm光纖激光輸出，外置起偏器獲得兩束激光輸出，利用波片偏振旋光原理，實(shí)現(xiàn)兩束偏振態(tài)一致的激光輸出，泵浦非線性晶體PPLN進(jìn)行頻率變換，實(shí)現(xiàn)高功率3～5μm中紅外激光輸出。在電源輸入電流60 A，調(diào)Q驅(qū)動(dòng)頻率50 kHz的條件下，獲得最高功率6.2W的3.8μm中紅外激光，1.06μm到3.8μm轉(zhuǎn)化效率為16%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:通過(guò)光纖激光器泵浦光參量振蕩器，可獲得高功率3.8μm中紅外激光輸出。

調(diào)Q;偏振旋光;中紅外;光參量振蕩器

1 引 言

傳統(tǒng)固體激光器在高功率運(yùn)行時(shí)，容易產(chǎn)生大量熱能導(dǎo)致出現(xiàn)熱透鏡、熱致雙折射等熱效應(yīng)，很難獲得高功率高光束質(zhì)量的激光輸出。而光纖激光器增益長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，便于散熱，可以實(shí)現(xiàn)高功率高光束質(zhì)量激光輸出，非常適用于非線性頻率變換。利用高功率脈沖光纖激光器作為抽運(yùn)源，泵浦基于PPMgLN晶體的光參量振蕩器(optical parametric oscillator，OPO)，可以產(chǎn)生高功率中紅外激光輸出，在光電對(duì)抗、大氣檢測(cè)、激光雷達(dá)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值［1－4］。

目前采用固體激光器泵浦基于PPMgLN晶體(或PPLT)的光參量振蕩器已實(shí)現(xiàn)大功率激光輸出，采用LD泵浦高功率雙棒串接固體激光器泵浦周期極化晶體已實(shí)現(xiàn)了約10W輸出，采用LD雙端泵浦固體激光器泵浦周期極化晶體實(shí)現(xiàn)了約4W激光輸出，采用板條激光器泵浦周期極化晶體實(shí)現(xiàn)了約20W中紅外激光輸出，這些固體激光器均采用液冷方式，體積較大，不利于工程化應(yīng)用。本文采用高重頻高功率光纖激光器雙光束泵浦基于周期極化晶體的光參量振蕩器，可以利用周期極化晶體寬度，同時(shí)降低單光路激光功率，不僅可以避免晶體損壞，同時(shí)可以提高中紅外激光輸出功率［5－8］。由于該光纖激光器整機(jī)供電功率約120W，采用風(fēng)冷散熱技術(shù)，適用環(huán)境溫度－15～45℃，因此通過(guò)該光纖激光器泵浦光參量振蕩器輸出中紅外激光，可滿足工程化應(yīng)用。

2 試驗(yàn)裝置

該研究所用試驗(yàn)裝置的系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。M1為起偏器，M2為隔離器，M3為四分之一波片，M4為聚焦透鏡，M5為反射鏡片，M6光隔離器，M7為折轉(zhuǎn)鏡，M8為四分之一波片，M9為聚焦透鏡，M10為折轉(zhuǎn)鏡，M11為合束棱鏡，M12為OPO全反鏡，M13為OPO折轉(zhuǎn)鏡，M14為周期極化晶體，M15為角錐。光路如圖1所示，光纖激光器產(chǎn)生自由偏振激光經(jīng)過(guò)偏振器件分為兩束正交激光，通過(guò)二分之一波片旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)偏振一致的激光，由合束棱鏡進(jìn)入光參量振蕩器，實(shí)現(xiàn)中紅外激光輸出。

圖1 試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Laser experiment setup

2.1 光纖激光器組成及參數(shù)

光纖激光器主要由激光脈沖種子源、激光預(yù)放大器、功率主放大級(jí)和級(jí)間連接元件等組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 光纖激光器組成圖Fig.2 Fiber laser setup

其中，激光脈沖種子源用于產(chǎn)生種子激光脈沖，作為后續(xù)放大級(jí)的信號(hào)光。該種子源應(yīng)能實(shí)現(xiàn)脈沖寬度可控、重復(fù)頻率可調(diào)、輸出功率可調(diào)等功能，從而控制整個(gè)光纖激光系統(tǒng)輸出特定脈寬和重復(fù)頻率的激光。激光預(yù)放大器用于將低能量、低功率的種子信號(hào)光進(jìn)行預(yù)先放大，得到較大能量和較高功率的信號(hào)光，同時(shí)控制脈沖質(zhì)量。功率主放大級(jí)用于進(jìn)一步提升脈沖的能量和功率，達(dá)到光纖激光器總體要求的技術(shù)指標(biāo)。級(jí)間連接元件(模場(chǎng)適配器、隔離器、濾波器、輸出端帽、準(zhǔn)直器等)用來(lái)實(shí)現(xiàn)控制激光輸出發(fā)散角、濾除噪聲及減小損耗等功能。

光纖激光器輸出參數(shù)，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140nm，如圖3所示。

圖3 光纖激光器輸出脈寬Fig.3 Fiber laser output pulse

2.2 光參量振蕩器裝置及參數(shù)

圖4 光參量振蕩器產(chǎn)生中紅外激光原理示意圖Fig.4 Optical parametric Oscillator produce Mid-IR laser sketch map

圖5 信號(hào)光與溫度的關(guān)系Fig.5 The relation of signal light and temperature

由圖1可知，光纖激光器輸出激光器經(jīng)過(guò)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(guò)M2光隔離器，M3二分之一波片，M4聚焦透鏡，M5 45°反射鏡和S偏振經(jīng)過(guò)M6光隔離器，M7 45°反射鏡，M8二分之一波片，M9聚焦透鏡，M10 45°反射鏡兩束激光經(jīng)過(guò)M11合束棱鏡，進(jìn)入光參量振蕩器，它由M12全反鏡，M13分光鏡，M14周期極化晶體PPLN以及M15角錐棱鏡組成。M12全反鏡鍍膜為1.06μm高透，1.4～1.6μm和3.7～4.0μm激光全反，M13分光鏡一半鍍膜為 45° 1.06μm、1.4～1.6μm、3.7～4.0μm激光增透，另一半鍍膜為45°1.06μm、1.4～1.6μm激光增透，45°3.7～4.0μm激光全反。M14周期極化晶體PPLN周期極化數(shù)29.2μm，雙通道，之間距離為6 mm，厚度1 mm，長(zhǎng)度30 mm，溫控設(shè)置溫度140℃，晶體兩端鍍膜對(duì)1.06μm、1.4～1.6μm、3.7～4.0μm激光增透。由于PPLN晶體厚度一般為0.5～1.0 mm，寬度可以做到10 mm，使用大光斑進(jìn)行泵浦晶體，難以完全吸收，需采用聚焦到200～300μm，可以獲得中紅外激光輸出［9－10］。但由于中紅外激光復(fù)合膜層損傷閾值以及晶體損傷閾值較低，進(jìn)一步加大泵浦功率，導(dǎo)致中紅外膜層損壞，難以獲得高功率中紅外激光輸出。采用兩束光束泵浦，使每一束激光工作在中紅外膜層損傷閾值之下，同時(shí)充分利用PPLN寬度，降低泵浦光強(qiáng)度，大大減小晶體和膜層損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

光纖激光器輸出1.06μm激光經(jīng)過(guò)PPLNOPO頻率變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)3.8μm激光輸出，采用外腔頻率變換，在電源輸在電源輸入電流60A，調(diào)Q驅(qū)動(dòng)頻率50 kHz的條件下，獲得3.8μm激光最高輸出功率為 6.2W，1.06μm到 3.8μm轉(zhuǎn)化效率16%。3.8μm輸出功率與注入電流關(guān)系如圖6所示。由圖 6可以看出，隨著注入電流的增大，3.8μm輸出功率增大。在試驗(yàn)中除了人眼不可見(jiàn)的1.06μm泵浦光、1.47μm信號(hào)光和3.8μm閑散光外，還能觀察到綠光、紅光以及黃光出現(xiàn)，主要由1.06μm泵浦光、1.47μm信號(hào)光和3.8μm閑散光頻率變換產(chǎn)生的。

圖6 3.8μm輸出功率與注入電壓關(guān)系Fig.6 The relation of 3.8μm output power and input current

5 總結(jié)

利用光纖激光器，獲得高功率1.06μm激光輸出，通過(guò)偏振分束產(chǎn)生兩束激光，利用外腔式OPO方式對(duì)非線性晶體PPLN進(jìn)行頻率變換，獲得高重復(fù)頻率高功率3.8μm激光輸出。在電源輸入電流60 A，調(diào)Q驅(qū)動(dòng)頻率50 kHz的條件下，獲得3.8μm激光最高輸出功率為6.2 W，1.06μm到3.8μm轉(zhuǎn)化效率16%。由于光纖激光器采用風(fēng)冷方式，其他部件無(wú)需散熱，為下一步工程化應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

［1］Maarten van Herpen，Sacco te Lintel Hekkert，Scott E Bisson，et al.The development of a powerful continuous tunable，mid inf rared，cw PPLN OPO for gas detection［C］.SPIE，2002，4762:16－21.

［2］Kirchner G，Kucharski D，Cristea E，et al.Satellite’s spin parameters determination from kHz data［C］.//ILRS FallWorkshop，Presentations－7:kHz SLR，2007，7.

［3］Jackson SD，Sabella A，Hemming A，et al.High-power 83 W holmium-doped silica fiber laser operating with high beam quality［J］.Optics Letters，2007，32(3): 241－243.

［4］Tuttie R.Large aircraft infrared countermeasures system［J］.Aerospace Daily＆Defense Report，2004，210(7): 6－8.

［5］ZHANG Dongyan，WANG Rongrui.Prongress on mid-infrared lasers［J］.Laser＆Infrared，2011，41(5):487－489.(in Chinese)

張冬燕，王戎瑞.高功率中紅外激光器進(jìn)展［J］.激光與紅外，2011，41(5):487－489.

［6］PENG Yuefeng，XIE Gang，WANG Weimin，et al.High efficiency periodically poled lihium niobate with MgO optical paramet ricoscillator2.7μm laserwith 11.8Woutput power［J］.Chinese J.Lasers，2009，36(9):2262－2265.(in Chinese)

彭躍峰，謝剛，王衛(wèi)民，等.11.8 W高效率摻氧化鎂的周期極化鈮酸鋰晶體光參量振蕩2.7μm激光器［J］.中國(guó)激光，2009，36(9):2262－2265.

［7］YANG Dingzhong，JIANG Peipei，CHEN Tao，et al.PPMgLN-based high power optical parametric oscillator pumped by a pulsed fiber laser［J］.Chinese J.Lasers，2010，37(1):34－37.(in Chinese)

楊丁中，姜陪陪，陳淘，等.基于周期性疇極化反轉(zhuǎn)摻鎂鈮酸鋰晶體的脈沖光纖激光器抽運(yùn)的高功率光參量振蕩器［J］.中國(guó)激光，2010，37(1):34－37.

［8］YANG Jian，LIXiaoqin，YAO Jianquan，et al.High power temperat ure tunable periodically poled lit hium niobate optical parametric oscillator［J］.Chinese J.Lasers，2008，35(10):1459－1462.(in Chinese)

楊劍，李曉芹，姚建銓?zhuān)?基于周期極化鈮酸鋰晶體的高功率可調(diào)諧光參量振蕩器［J］.中國(guó)激光，2008，35(10):1459－1462.

［9］L Xinjie，ZHAOGang，LIGuijun，et al.Mid-infrared laserwith 1.2W output power based on PPLT［J］.Sci China Ser，2009，39(11):1594－1598.(in Chinese)

呂新杰，趙剛，李桂君，等.基于PPLT晶體的瓦級(jí)中紅外光參量振蕩器研究［J］.中國(guó)科學(xué)，2009，39(11): 1594－1598.

［10］SHEN Zhaoguo，F(xiàn)U Jie，TANG Gangfeng，et al.Study on multi-beam pumpingmid-IR laser［J］.Journal of Applied Optics，2013，34(3):517－519.(in Chinese)

沈兆國(guó)，付潔，唐剛鋒，等.多光束泵浦中紅外激光器［J］.應(yīng)用光學(xué)，2013，34(3):517－519.

Study on fiber laser pum ped optical parametric oscillator

SHEN Zhao-guo，DONG Tao，YANG Yi，MA Jun-ling，TANG Gang-feng，F(xiàn)U Jie，MENG Dong-dong，HUIXiang-yun

(Electro-Optical Equipment Research Institute of AVIC，Luoyang 471009，China)

To acquire small volume and high powermid-IR laser，1.06μm high power and high beam quality fiber laser output is obtained by using high repetition frequency driving Q-switched synchronization technology and seed injection magnify technology.The outputs of two beam laser are obtained in exterior polarizer，and plates polarized optical principle is adopted to acquire laser outputs of two beam polarizer identity，PPLN is pumped to obtain high power 3～5μm Mid-IR laser output.As the input current is 60 A and the Q-switched frequency is 50 kHz，themax power of3.8μm laser output is 6.2W，1.06μm to 3.8μm conversion efficiency is 16%.Experiment results indicate that fiber laser pumped optical parametric oscillator can be used to obtain 3.8μm high power Mid-IR laser output.

Q-switched;polarized rotation;mid-IR;OPO

TN248

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.05.006

1001-5078(2014)05-0502-04

沈兆國(guó)(1981－)，男，碩士，工程師，主要從事激光技術(shù)及激光器總體設(shè)計(jì)研究。E-mail:shuiyuehun@qq.com

2013-08-05;

2013-10-14