基于MgO掺杂LiNbO3的高功率2μm光参量振荡器

黄文恺

(广州大学实验中心，广州510006)

2 μm 波段激光对大气和烟雾的穿透能力强，在激光雷达、激光测距和医学等方面显示出广泛的应用前景. 采用固体激光技术实现2 μm 激光输出的方法主要有2 种，分别是激光二极管直接泵浦的Tm、Ho 激光器［1］和1 μm 激光泵浦的简并光参量振荡器(OPO)［2－5］. 稀土元素Tm、Ho 是准三能离子，泵浦阈值高，通常需要对晶体进行超低温控制，转换效率较低，某种程度上限制了其应用. 而采用后一种技术时，为了得到高功率的2 μm 激光输出，常采用腔内抽运方式. Cho 和Rhee［6］利用基于钽酸锂超晶格(PPLT)晶体的内腔式光参量振荡器，当激光二极管功率为160 W 时，得到了9 W 的2 μm 激光输出. 王克强等［7］用Nd:YAG 激光器泵浦的内腔式钛氧磷酸钾光参量振荡器(KTP OPO)，实现了11.2 W的2 μm 波长输出. 谢刚等［8］使用Nd:YAG 模块作为抽运源抽运腔式双晶体走离补偿双谐振光参量振荡器，在7 kHz 声光调Q 频率下，获得23.6 W 的2.12 μm 激光输出. He 等［9］利用1 064 nm Nd:YAG泵浦KTP OPO 获得了输出功率18 W 的2 μm 激光，光束质量因子小于6，脉冲宽度为70 ns.

周期性极化铌酸锂晶体(PPLN)是一种典型的周期性极化晶体［10］. PPLN 在近、中红外波段都能够实现准相位匹配以获得高功率的近中红外激光，因此具有很高的应用价值［11－14］. 由于不作掺杂的PPLN 的损伤阈值较低，容易在应用中产生光折变损伤，目前应用中所使用的PPLN 晶体大部分为掺镁的PPLN 晶体(MgO: PPLN)，具有更好的抗光折变效应性能，损伤阈值较高.

受Nd: YVO4激光器最大输出功率的限制，MgO:PPLN OPO 只能得到最大5.3 W 的激光输出.为了获得更高的功率输出，本文采用1 μm Nd:YVO4激光器泵浦周期性极化掺镁铌酸锂晶体光参量振荡器(MgO: PPLN OPO)，在泵浦功率为7.2 W时，获得了5.3 W 的2 μm 激光输出，转换效率为74%. 为了得到更高功率的参量激光输出，对Nd:YAG 激光器进行了优化设计，在谐振腔内加入凹透镜用于补偿热透镜效应，并对激光器的性能作了理论和实验分析，以获得高功率、高光束质量的激光作为MgO:PPLN OPO 的泵浦光. 使用优化后的Nd:YAG 激光器泵浦MgO:PPLN OPO，在泵浦功率为25 W 时，获得了9.5 W 的2 μm 激光输出.

1 实验方法

1.1 Nd:YVO4 激光器泵浦MgO:PPLN OPO

使用1 台Nd: YVO4激光器泵浦MgO: PPLN OPO. 激光器的重复频率为20 kHz，最大泵浦电流是33 A，最大输出功率为7.2 W，光束质量因子约为1.2，脉冲宽度约为18 ns. MgO:PPLN 具有很大的有效非线性系数(d33= 27 pm/V)、较高的损伤阈值，在0.3 ～5 μm 波长范围内有较高的透过率. MgO:PPLN OPO 使用平平腔结构，采用平面输出镜M1 对1 μm 激光高透，对2 μm 激光高反;输出镜M2 对1 μm 激光高反，对2 μm 激光的反射率约为60%.MgO:PPLN 晶体尺寸为3 mm ×3 mm ×19.5 mm、极化周期为32 μm.

1.2 Nd:YAG 激光器的优化设计

使用1 台Nd: YAG 激光器泵浦MgO: PPLN OPO，并对其进行实验优化. 用Nd: YAG 激光器在最高泵浦功率下泵浦MgO:PPLN OPO 得到的2 μm激光输出功率始终小于1 W，且输出的激光不稳定.虽然泵浦光功率较大，但固体激光工作物质中存在热透镜效应，使得Nd:YAG 激光器输出的激光光束质量变差且功率密度偏低，仅能使MgO: PPLN OPO达到阈值，转换效率偏低，MgO: PPLN OPO 不能形成有效且稳定的激光输出. 欲获得高功率、高光束质量的1 064 nm 激光作为MgO:PPLN OPO 的泵浦光，需解决影响Nd:YAG 激光器谐振腔输出的热透镜效应.对Nd:YAG 激光器进行优化设计. 其增益介质是Nd: YAG 激光棒，长度为120 mm，直径为4 mm，其Nd 掺杂体积分数为1.0%. 激光棒两端面为镀有1 064 nm 增透膜的平面. 通过谐振腔稳定性方法，测量在高泵浦电流下(17 ～20 A)YAG 激光棒的热透镜焦距为350 ～270 mm. 为补偿该热透镜效应，在谐振腔内加入凹透镜.

凹透镜的焦距为250 mm，两面镀有1 064 nm增透膜. 通过ABCD 矩阵方法计算谐振腔内激光的半径分布可知，该补偿凹透镜能够有效增加增益介质中基模光束的模体积，从而抑制高阶模的振荡，提高激光器的光束质量. 使用双头声光Q 开关，能同时在2个相互垂直的方向产生衍射. 它比单头的声光Q 开关具有更高的衍射损耗，能够关断更高功率的激光. Q 开关的重复频率范围为1 ～100 kHz. M1为1 064 nm 输出镜，M2为1 064 nm 高反镜.

1.3 Nd:YAG 激光器泵浦MgO:PPLN OPO

用优化后的Nd: YAG 激光器泵浦MgO: PPLN OPO 的结构如图1 所示.由于Nd:YAG 激光器为随机偏振输出，因此需要在激光输出端加上起偏器与1/2 波片对偏振态作调整，到达MgO: PPLN 晶体的泵浦功率仅为总功率的50%左右. MgO:PPLN 晶体温度设置为50 ℃.

图1 Nd:YAG 激光器泵浦PPLN OPO 实验装置Figure 1 Experimental setup of the PPLN OPO pumped by Nd:YAG laser

2 结果与讨论

2.1 Nd:YVO4 激光器泵浦MgO:PPLN OPO

在OPO 输出功率调整到最佳的情况下，得到2 μm 输出功率及转换效率(图2). OPO 的阈值功率约为0.8 W，2 μm 输出功率随1 μm 泵浦功率的增加而线性增长. OPO 转换效率随泵浦功率的增加初期迅速增大，然后趋于平缓并逐渐饱和. 泵浦功率大于5 W 后，转换效率趋近于恒定值74%. 在泵浦功率为7.2 W 时，获得最高的输出功率5.3 W，其转换效率为74%.

图2 2 μm 输出功率及转换效率随泵浦功率变化Figure 2 2 μm output power and conversion efficiency versus laser diode power

图3 给出了7.2 W 泵浦功率下，OPO 输出光束的光谱图. 由于OPO 工作于近简并状态，信号光和闲频光的光谱出现部分重叠使得光谱半峰宽接近90 nm. 图中谱线具有2个峰值，分别对应于信号光中心波长(约2.01 μm)与闲频光中心波长(约2.16 μm).

图3 OPO 输出的激光光谱Figure 3 Output spectrum of the OPO

2.2 Nd:YAG 激光器的优化设计

Nd:YAG 激光器谐振腔内在未加凹透镜时，测得激光器的抽运电流阈值为11.7 A，而加入凹透镜后，其阈值电流为16.4 A，比前者高，其主要原因是加入凹透镜后，激光器的稳定区向高泵浦电流方向偏移. 虽然加入凹透镜后，抽运电流阈值提高了，但激光器的斜率效率提高. 在高抽运电流状态，谐振腔内有凹透镜比没有凹透镜的激光输出功率高. 用透过率为30%的输出耦合镜，在重复频率为8 kHz时，测得Nd:YAG 激光器输出功率及转换效率随泵浦电流的变化曲线(图4). 在泵浦电流为20 A 时，得到随机偏振的功率为55 W 的1 μm 激光输出，转换效率为14.7%，光束质量因子小于3.

图4 Nd:YAG 激光器输出功率及转换效率随泵浦电流变化Figure 4 Output power and conversion efficiency as the function of pump current of the Nd:YAG laser

2.3 Nd:YAG 激光器泵浦MgO:PPLN OPO

用优化后的Nd: YAG 激光器泵浦MgO: PPLN OPO，在重复频率分别为4、6 及8 kHz 时，测量OPO输出功率随泵浦电流的变化关系(图5). 重复频率越低，产生的单脉冲能量越高，OPO 的转换效率越高，所得到的输出功率也越高. 重复频率为8 kHz时，OPO 的斜效率为42.9%. 在泵浦电流为20 A，重复频率为6 kHz 时，得到最高的2 μm 输出功率为9.5 W.

图5 不同重复频率下泵浦电流与输出功率的关系Figure 5 Output power as the function of pump current at different repetition frequency

3 结论

使用Nd: YVO4激光器产生的1 μm 激光作泵浦源，泵浦MgO:PPLN OPO，产生了最高5.3 W 的2 μm 激光输出，转换效率达74%. 通过改造Nd:YAG激光器，在谐振腔内加入补偿凹透镜，对YAG 激光棒的热透镜效应做补偿，提高了YAG 激光器的光束质量和输出功率.利用其泵浦MgO:PPLN OPO，在重复频率为6 kHz 时，获得了9.5 W 的2 μm 激光输出，为进一步开展高功率红外激光技术研究提供了基础.

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