基于内腔的KTP光参量振荡器的腔型结构研究

李业秋,张善春,赵 吉,李 漫,岱 钦

(1.沈阳理工大学理学院,辽宁 沈阳 110159；2.吉林省计量科学研究院 计量测试仪器与技术重点实验室,吉林 长春 130103)

1 引 言

1570 nm人眼安全固体激光对人眼较为安全,与常用的1064 nm激光相比较,对烟雾的穿透能力较强,因此在激光主动成像、激光预警等方面有很大的应用潜力[1-3]。迄今为止,光学参量振荡器是获取人眼安全波段最有效的技术手段。

国内外对人眼安全波段激光器进行了大量的研究。2005年,Waldemar Zendzian等人[4]利用端面泵浦声光调Q的KTP-OPO激光器,获得了1.572 μm人眼安全激光的输出,其重复频率为40 kHz,平均输出功率为1.5 W,脉宽为4.5 ns,光-光转换效率为11%。国内,西南技术物理研究所成功研制了国内首台二极管泵浦输出1.57 μm激光全固态人眼安全OPO激光器,重复频率为20 Hz,输出能量为15 mJ[5]。龙启强等[6]利用电光调Q Nd∶YAG和环形腔KTP-OPO实现了1.57 μm激光输出,最大输出能量为46 mJ,重复频率为10 Hz,脉冲宽度为6.9 ns。华北光电技术研究所的包照日格图等人[7]采用多模Nd∶YAG 激光器泵浦非临界相位匹配的KTP-OPO,在重复频率20 Hz的条件下,获得了输出能量为400 mJ﹑光束发散角为2.3 mrad﹑光-光转换效率为40%的1572 nm激光器。郭猛等[8]采用940 nm LD端面泵浦Er3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃和被动调Q方式实现了微型1.535 μm波段激光器,激光单脉冲能量为130 μJ,重复频率为10 Hz,脉冲宽度为5.5 ns。2011年,西安应用光电研究所李刚等人[9]通过分析并计算绘制出KTP-OPO的相位匹配的角度调谐曲线,当工作频率为5 Hz时,输出1570 nm人眼安全激光的能量为32 mJ,脉冲宽度为7.22 ns,光-光转换效率为41%。2012年,李刚等人[10]基于内腔式虚共焦非稳腔的理论优化结果和理论远场发散角4.05 mrad,对光参量振荡器激光器的光束质量进行了检测实验,输出能量可达到70.6 mJ/脉冲,远场发散角最小达5 mrad。2015年,钟艳等人[11]采用声光调Q激光二极管端面抽运的Nd∶GdVO4全固态激光器作为抽运源的人眼安全波长内腔式KTP光学参量振荡器,在注入泵浦功率为6.33 W,重复频率为15 kHz时,平均功率达到405 mW。

国内外都对人眼安全激光器进行了大量的研究,测量了激光器的输出能量和脉宽,计算了最大光-光转换效率[12-15]。本实验采用内腔式OPO结构。内腔式OPO结构中泵浦光往返通过KTP晶体,激光谐振腔中的高能量密度激光降低了OPO的阈值,提高了OPO的输出效率[16-18]。同时实验采用平凸非稳腔结构,电光调Q方式、闪光灯泵浦Nd∶YAG晶体实现高光束质量的1.064 μm基频光,利用基频光对Π类非临界相位匹配KTP晶体进行激发,产生1.57 μm人眼安全波段激光。在不同曲率半径时分别测量了OPO谐振腔输出镜透过率为50%和70%下的输出能量,并测量了1570 nm激光的脉宽和光斑。

2 OPO非稳谐振腔的理论分析

如图1所示为OPO谐振腔结构的简化图,M2镜为凸镜,M3镜为平面镜,谐振腔腔型为平凸非稳腔。由于激光晶体具有热效应,因此KTP晶体等效于一个焦距为f的热透镜。以M3平面为参考平面,根据光线传输矩阵ABCD定律可以得到[19-20]：

图1 OPO谐振腔结构简化图Fig.1 Simplified structure of OPO resonator

式中,r为M2镜的曲率半径,因为凸镜朝向晶体取负值;d1、d2、d3、d4分别为30 mm、7.25 mm、7.25 mm、30 mm,图中两虚线间的长度为l,l=L/2n,L为KTP晶体的长度;n为晶体沿z轴方向的折射率,实验中KTP晶体的长度20 mm,n=1.83,计算得到l约为5.5 mm,假设热透镜的焦距f为8000 mm,将得到的A、B、C、D矩阵元素代入式(1)中[21]:

(1)

对其进行模拟仿真,得到图2所示的R-ω关系图。

图2 曲率半径与输出光斑尺寸关系图Fig.2 Relationship between curvature radius and output spot size

从图中可以看出曲率半径在2～8 m之间,输出光斑半径与M2镜的曲率半径近似成线型关系,随着曲率半径的增加输出光斑半径逐渐增加,实验中凸镜M2采用的是2 m、5 m、8 m,从图中看出在2～8 m之间,随着M2镜的曲率半径逐渐增加,输出光斑半径逐渐增加。

下面通过理论对曲率半径与输出能量的关系进行进一步的分析。平凸腔内球面波往返一周后的波面自再现放大率为：

(2)

(3)

3 实验装置

设计研制的激光器结构如图3所示,激光器采用闪光灯泵浦和电光调Q技术。具有电光效应的EQ晶体放置在反射镜M1和偏振片之间,采用退压模式,两端面镀1.064 μm增透膜。为了得到更好的聚光效果,将闪光灯与激光棒分别放置于椭圆柱聚光腔的两条焦线上,Nd∶YAG中激光棒尺寸为φ6 mm×110 mm,增益介质的掺杂浓度为0.9%,激光棒两端磨成平行双圆面,两端面镀1.064 μm增透膜,Nd∶YAG激光器采用循环水进行冷却,设置温度为20 ℃。KTP晶体采用Ⅱ类非临界相位匹配,两端面镀1.064 μm和1.57 μm增透膜,晶体尺寸为4 mm×4 mm×20 mm,对OPO晶体也进行循环水冷却。为了得到较好的光束质量,OPO谐振腔采用平凸非稳腔结构,其中M1镀1.064 μm高反膜,M2为凸透镜,镀1.064 μm的增透膜和1.57 μm高反膜,M3镀1.064 μm全反膜和1.57 μm的部分透射膜,M4镜为滤光镜,滤去非1570 nm光。M1和M3为泵浦光谐振腔,腔长为720 mm,M2和M3为光参量振荡器的谐振腔,腔长为80 mm。

图3 1.57 μm激光器结构示意图Fig.3 Schematic diagram of 1.57 μm laser

4 实验结果与分析

对光路进行调试,在准直的基础上反复调节M1和M2镜,调出1064 nm激光,移去1064 nm输出镜,反复调节M1、M2和M3镜直到调出1570 nm光。在重复频率为1 Hz下,M3镜的透过率为50%时,用coherent公司J-25MB-HE能量计分别测量M2腔镜曲率半径为2 m、5 m、8 m时输出的1570 nm光的能量,得到输出激光能量与泵浦电压关系如图4所示。

图4 不同曲率半径下输出能量与泵浦电压的关系Fig.4 Relationship between pump voltage and output energy under different radius of curvature

从图中可以看出,泵浦电压与输出能量近似成线型增加关系,输出能量随着泵浦电压的增加而增加。在泵浦电压相同时,腔镜的曲率半径越大其输出能量越高。图中所示,腔镜曲率半径为5 m时曲线斜率略高于2 m的曲线,腔镜曲率半径为8 m的曲线斜率明显高于2 m和5 m的曲线。

将输出镜M3换成透过率为70%的镜片,继续测量不同泵浦电压下腔镜曲率半径为2 m、5 m、8 m时的能量,绘制图形如图5所示。

图5 不同曲率半径下泵浦电压与输出能量之间的关系Fig.5 Relationship between pump voltage and output energy under different radius of curvature

从图4、图5中可以看出泵浦电压与OPO谐振腔输出能量之间近似成线性关系,泵浦电压相同时,M2腔镜曲率半径越大输出能量也越大。曲率半径越大,整体曲线的斜率仍然较高。与OPO谐振腔输出境透过率为50%时相比较,泵浦电压与输出能量之间的曲线较为平滑,3条不同曲线之间的间距较为适中。这些结论是与前面做的理论分析相一致的,在前面的理论分析中,得出了OPO谐振腔输出的激光光斑半径与M2镜的曲率半径成近似的线型关系,随着M2镜曲率半径的增加输出OPO激光光斑半径逐渐增加。通过进一步对OPO谐振腔曲率半径与输出能量的关系进行分析,得出曲率半径与输出能量成正比,凸面镜的曲率半径越大则输出激光能量越强。

实验采用“桶中功率(能量)”理论对OPO输出激光光束发散角进行评价,如图6在OPO激光输出处放置一个焦距为f=1000 mm的透镜,在透镜焦点处放置一个可变小孔光阑,在靠近光阑后放置一个激光能量计。通过调整小孔光阑的直径,使透过小孔的OPO激光能量发生变化,观察能量计的示数,当透过的激光能量恰好为无小孔光阑能量的86.5%时,记录小孔光阑的直径ε。则发散角的大小为[22]：

θ=ε/f

(4)

图6 激光发散角测量实验装置图Fig.6 Schematic of divergence angle measurement experiment

根据公式(4)分别在OPO谐振腔后镜M2曲率半径为2 m、5 m、8 m时,对OPO输出激光的远场发散角进行测量,当OPO谐振腔后镜M2曲率半径逐渐增加时,OPO输出激光的远场发散角呈下降趋势。在OPO谐振腔后镜M2曲率为8 m时,得到最佳远场发散角θ=4.8 mrad。

在OPO谐振腔的M2腔镜曲率半径为8 m,输出镜M3透过率为70%,泵浦电压为820 V时,输出1064 nm光能量为310 mJ,输出1570 nm光能量为44 mJ,其最大光-光转换效率约为14.2%。

在OPO泵浦腔后镜M2曲率为8 m时,将激光转换片放置在能量计与滤光镜之间,利用激光转换片测得1570 nm激光的光斑如图7所示。

图7 1570 nm激光光斑Fig.7 1570 nm laser spot

分别测量透过率为50%和70%时1570 nm激光的脉宽。在滤光镜和能量计探头之间放置一个对1570 nm激光的倍频晶体,采用THORLABS公司的DET10A/M型光电探头接收1570 nm激光倍频信号,用Tektronix公司的TDS3034B型号存储示波器记录激光信号波形。在重复频率为1 Hz,输出镜透过率为50%时,如图8所示,得到了1570 nm输出光脉宽为2.26 ns,输出镜透过率为70%时,如图9所示,得到了1570 nm输出光脉宽为2.74 ns。

图8 输出镜透过率为50%时1570 nm激光脉宽图Fig.8 1570 nm laser pulse width with a signal transmission of50% on the output coupler

图9 输出镜透过率为70%时1570 nm激光脉宽图Fig.9 1570 nm laser pulse width with a signal transmission of 70% on the output coupler

5 总 结

论文首先利用光线传输ABCD矩阵对OPO谐振腔进行了理论分析与软件模拟,设计了平凸非稳腔结构的OPO谐振腔。并在不同曲率半径时分别测量了OPO谐振腔输出激光能量,绘制了泵浦电压与激光输出能量曲线,得出了1570 nm激光输出能量与腔镜曲率半径之间的关系。在OPO谐振腔反射镜M2的曲率半径为8 m条件下,得到最大光-光转换效率为14.2%。输出镜透过率为50%时,得到1570 nm输出激光脉宽为2.26 ns,输出镜透过率为70%时,得到1570 nm输出激光脉宽为2.74 ns。 这与软件模拟的实验结果一致。实验通过软件模拟和实际测试确定了OPO谐振腔最佳的参数设置,提高了1570 nm激光的输出能量。进一步的为人眼安全激光的实际应用奠定了技术基础。

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