光纤激光器泵浦光参量振荡器

沈兆国，董 涛，羊 毅，马俊岭，唐刚锋，付 洁，孟冬冬，惠祥云

(中航工业洛阳电光设备研究所，河南洛阳 471009)

光纤激光器泵浦光参量振荡器

沈兆国，董 涛，羊 毅，马俊岭，唐刚锋，付 洁，孟冬冬，惠祥云

(中航工业洛阳电光设备研究所，河南洛阳 471009)

为了获得小体积高功率3～5μm中红外激光输出，通过高重复频率驱动调Q技术和种子注入光放大技术，获得高功率高光束质量1.06μm光纤激光输出，外置起偏器获得两束激光输出，利用波片偏振旋光原理，实现两束偏振态一致的激光输出，泵浦非线性晶体PPLN进行频率变换，实现高功率3～5μm中红外激光输出。在电源输入电流60 A，调Q驱动频率50 kHz的条件下，获得最高功率6.2W的3.8μm中红外激光，1.06μm到3.8μm转化效率为16%。实验结果表明:通过光纤激光器泵浦光参量振荡器，可获得高功率3.8μm中红外激光输出。

调Q;偏振旋光;中红外;光参量振荡器

1 引 言

传统固体激光器在高功率运行时，容易产生大量热能导致出现热透镜、热致双折射等热效应，很难获得高功率高光束质量的激光输出。而光纤激光器增益长度比较长，便于散热，可以实现高功率高光束质量激光输出，非常适用于非线性频率变换。利用高功率脉冲光纤激光器作为抽运源，泵浦基于PPMgLN晶体的光参量振荡器(optical parametric oscillator，OPO)，可以产生高功率中红外激光输出，在光电对抗、大气检测、激光雷达等领域具有重要应用价值［1－4］。

目前采用固体激光器泵浦基于PPMgLN晶体(或PPLT)的光参量振荡器已实现大功率激光输出，采用LD泵浦高功率双棒串接固体激光器泵浦周期极化晶体已实现了约10W输出，采用LD双端泵浦固体激光器泵浦周期极化晶体实现了约4W激光输出，采用板条激光器泵浦周期极化晶体实现了约20W中红外激光输出，这些固体激光器均采用液冷方式，体积较大，不利于工程化应用。本文采用高重频高功率光纤激光器双光束泵浦基于周期极化晶体的光参量振荡器，可以利用周期极化晶体宽度，同时降低单光路激光功率，不仅可以避免晶体损坏，同时可以提高中红外激光输出功率［5－8］。由于该光纤激光器整机供电功率约120W，采用风冷散热技术，适用环境温度－15～45℃，因此通过该光纤激光器泵浦光参量振荡器输出中红外激光，可满足工程化应用。

2 试验装置

该研究所用试验装置的系统组成示意图如图1所示。M1为起偏器，M2为隔离器，M3为四分之一波片，M4为聚焦透镜，M5为反射镜片，M6光隔离器，M7为折转镜，M8为四分之一波片，M9为聚焦透镜，M10为折转镜，M11为合束棱镜，M12为OPO全反镜，M13为OPO折转镜，M14为周期极化晶体，M15为角锥。光路如图1所示，光纤激光器产生自由偏振激光经过偏振器件分为两束正交激光，通过二分之一波片旋转实现偏振一致的激光，由合束棱镜进入光参量振荡器，实现中红外激光输出。

图1 试验装置图Fig.1 Laser experiment setup

2.1 光纤激光器组成及参数

光纤激光器主要由激光脉冲种子源、激光预放大器、功率主放大级和级间连接元件等组成。结构框图如图2所示。

图2 光纤激光器组成图Fig.2 Fiber laser setup

其中，激光脉冲种子源用于产生种子激光脉冲，作为后续放大级的信号光。该种子源应能实现脉冲宽度可控、重复频率可调、输出功率可调等功能，从而控制整个光纤激光系统输出特定脉宽和重复频率的激光。激光预放大器用于将低能量、低功率的种子信号光进行预先放大，得到较大能量和较高功率的信号光，同时控制脉冲质量。功率主放大级用于进一步提升脉冲的能量和功率，达到光纤激光器总体要求的技术指标。级间连接元件(模场适配器、隔离器、滤波器、输出端帽、准直器等)用来实现控制激光输出发散角、滤除噪声及减小损耗等功能。

光纤激光器输出参数，功率50W，频率50kHz，光斑大小3mm，发散角小于2mrad，M平方因子小于2，脉宽140nm，如图3所示。

图3 光纤激光器输出脉宽Fig.3 Fiber laser output pulse

2.2 光参量振荡器装置及参数

图4 光参量振荡器产生中红外激光原理示意图Fig.4 Optical parametric Oscillator produce Mid-IR laser sketch map

图5 信号光与温度的关系Fig.5 The relation of signal light and temperature

由图1可知，光纤激光器输出激光器经过M1偏振片一分为二，其中一束P偏振，一束S偏振，P偏振经过M2光隔离器，M3二分之一波片，M4聚焦透镜，M5 45°反射镜和S偏振经过M6光隔离器，M7 45°反射镜，M8二分之一波片，M9聚焦透镜，M10 45°反射镜两束激光经过M11合束棱镜，进入光参量振荡器，它由M12全反镜，M13分光镜，M14周期极化晶体PPLN以及M15角锥棱镜组成。M12全反镜镀膜为1.06μm高透，1.4～1.6μm和3.7～4.0μm激光全反，M13分光镜一半镀膜为 45° 1.06μm、1.4～1.6μm、3.7～4.0μm激光增透，另一半镀膜为45°1.06μm、1.4～1.6μm激光增透，45°3.7～4.0μm激光全反。M14周期极化晶体PPLN周期极化数29.2μm，双通道，之间距离为6 mm，厚度1 mm，长度30 mm，温控设置温度140℃，晶体两端镀膜对1.06μm、1.4～1.6μm、3.7～4.0μm激光增透。由于PPLN晶体厚度一般为0.5～1.0 mm，宽度可以做到10 mm，使用大光斑进行泵浦晶体，难以完全吸收，需采用聚焦到200～300μm，可以获得中红外激光输出［9－10］。但由于中红外激光复合膜层损伤阈值以及晶体损伤阈值较低，进一步加大泵浦功率，导致中红外膜层损坏，难以获得高功率中红外激光输出。采用两束光束泵浦，使每一束激光工作在中红外膜层损伤阈值之下，同时充分利用PPLN宽度，降低泵浦光强度，大大减小晶体和膜层损伤的风险。

4 试验结果及分析

光纤激光器输出1.06μm激光经过PPLNOPO频率变换技术实现3.8μm激光输出，采用外腔频率变换，在电源输在电源输入电流60A，调Q驱动频率50 kHz的条件下，获得3.8μm激光最高输出功率为 6.2W，1.06μm到 3.8μm转化效率16%。3.8μm输出功率与注入电流关系如图6所示。由图 6可以看出，随着注入电流的增大，3.8μm输出功率增大。在试验中除了人眼不可见的1.06μm泵浦光、1.47μm信号光和3.8μm闲散光外，还能观察到绿光、红光以及黄光出现，主要由1.06μm泵浦光、1.47μm信号光和3.8μm闲散光频率变换产生的。

图6 3.8μm输出功率与注入电压关系Fig.6 The relation of 3.8μm output power and input current

5 总结

利用光纤激光器，获得高功率1.06μm激光输出，通过偏振分束产生两束激光，利用外腔式OPO方式对非线性晶体PPLN进行频率变换，获得高重复频率高功率3.8μm激光输出。在电源输入电流60 A，调Q驱动频率50 kHz的条件下，获得3.8μm激光最高输出功率为6.2 W，1.06μm到3.8μm转化效率16%。由于光纤激光器采用风冷方式，其他部件无需散热，为下一步工程化应用奠定基础。

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Study on fiber laser pum ped optical parametric oscillator

SHEN Zhao-guo，DONG Tao，YANG Yi，MA Jun-ling，TANG Gang-feng，FU 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

沈兆国(1981－)，男，硕士，工程师，主要从事激光技术及激光器总体设计研究。E-mail:shuiyuehun@qq.com

2013-08-05;

2013-10-14