高功率高重频中红外激光器

沈兆国, 郝培育, 翟仲军, 李程程, 张晓杰, 张凤霞, 羊 毅

(1.光电控制技术重点实验室，河南 洛阳 471000；2.中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471000； 3.山东华特知新材料有限公司，济南 250101)

0 引言

高功率高重频激光器在激光探测、中红外激光照明、激光对抗等领域有较高应用价值，尤其在光电对抗领域，高功率高重频中红外激光器是光电对抗系统的重要部件，其输出的性能及稳定性直接决定了应用效果。随着中波光电探测器的发展和应用，其性能得到了业界肯定，中波探测逐渐被用于光电探测系统，目前在1000～3000 nm和3000～5000 nm波段探测器应用较为广泛，为了实现对该波段的有效干扰，需要研制在该波段之间的激光器[1-6]。获得中波段输出的激光器主要有化学激光器、半导体激光器以及采用频率变换输出的激光器。化学激光器体积较大，并伴随较多污染气体，因此不宜采用；半导体激光器，尤其是量子级联激光器发展较迅速，功率在逐渐提高，但是国内单管输出功率较低，集成后的体积较大，不利于现阶段工程化应用；采用频率变换输出的激光器主要利用1000 nm波段附近的激光器直接泵浦频率变换晶体产生，或者采用2000 nm波段附近的激光器泵浦频率变换晶体产生[7-10]。为了获得高峰值功率输出，本文采用了高峰值功率的1064 nm的激光器泵浦频率变换晶体KTP产生2100 nm激光，抽运ZGP晶体产生4200 nm的激光输出，利用光参量输出镜透过率设计实现了2100 nm和4200 nm激光双波段激光输出。采用了高平均功率的1064 nm的激光器泵浦频率变换晶体PPLN产生高功率2100 nm激光输出，泵浦PPLT产生了高功率3900 nm激光输出。

1 高峰值功率高重频中红外激光器研究

实验装置如图1 所示。

图1 4200 nm光参量振荡器实验装置图Fig.1 The 4200 nm OPO experiment setup

激光器采用了传统平平腔结构，有利于调节和高能量激光输出，M1(反射率R=85%，有利于降低腔内功率密度，避免对激光增益介质和非线性晶体的损伤)和 M2(S1面:T=80%@1064 nm;S2面:R=99.8%@2 μm,T=80%@1064 nm)1064 nm激光输出镜构成1064 nm激光谐振腔，腔长L=165 mm。M2和M3的2100 nm激光输出镜对1064 nm 部分透过(T=15%,防止OPO调整时对器件的损伤)对2 μm部分反射(R=50%)。M3和M4(S1面:T=80%@4200 nm;S2面:R=99.8%@2100 nm,R=80%@1064 nm)中红外激光输出镜构成第二级OPO光参量振荡器谐振腔，腔长L=10 mm。激光增益介质为Nd,Ce:YAG螺纹棒，有利于降低激光振荡阈值和提高泵浦光吸收效率，Nd,Ce:YAG螺纹棒直径为φ6 mm，长度为85 mm ，两端面镀有对1064 nm高透的介质膜以减少激光振荡损耗。实验中采用脉冲LD作为泵浦源，脉冲LD阵列呈环形包在激光棒周围，通过循环水强制冷却。为了得到窄脉宽纳秒级脉冲，利用了侧面泵浦技术与电光调Q技术，采用高的电光系数及损伤阈值的LN作为电光调Q开关的晶体。其中，Q开关控制电路产生约为4000～5000 V 可调电压，加在Q开关上，脉冲LD电源产生的触发信号输入Q开关控制电路，经Q开关控制电路内部延时后，能有效控制电光Q开关。LN晶体作为调Q开关主要有加压式、退压式、预偏置等几种方式。加压式一般需要四分之一波片，增加插入损耗；退压式需要正负互补驱动电压，增加电路设计复杂难度；预偏置式不需要四分之一波片，也不需要互补电压，因此本文采用预偏置调Q方式。预偏置技术就是利用铌酸锂晶体的自然双折射效应，将初射入光提前偏离一定角度，使得e光和o光的光程差等于四分之一波长，等同于四分之一波片，利用折射率椭球可以计算出e光和o光的光程差。

(1)

(2)

式中：lz为铌酸锂晶体长度；ne和no分别为e光和o光折射率；γ22为LN晶体的电光系数;α为入射光主平面与晶体感应主轴X′和Z′组成平面的夹角。

当没有加电场情况(E=0)时，光程差为

(3)

(4)

LN晶体的ne和no分别为2.233和2.154，所以可以得到

(5)

式中：m=0，1，2，3,…，选用m=0，实际用的晶体长度为20 mm，因此θ≈0.36°。

OPO频率变换采用II类相位匹配方式的KTP 晶体，相位匹配角度为51.5°，另一角度为90°，晶体尺寸为8 mm×8 mm×14 mm，两个端面均镀有2100 nm和1064 nm 增透膜；Ⅱ类相位匹配的KTP 晶体作为非线性晶体放置在Nd,Ce:YAG激光器的谐振腔内，KTP晶体在150～2180 nm 波段有十分高的透射率，其有效非线性系数和抗损伤阈值也很大,适合作为产生2100 nm激光的晶体。实验中，OPO 工作在KTP 晶体的简并点(信号光和闲置光频率相等)，既可以获得高能量的2100 nm激光输出，又可以降低镀膜的难度。KTP 和ZGP晶体分别用铟箔包裹侧面后放入水冷铝块中进行冷却，水冷铝块通过循环水强制冷却，温度控制在23 ℃。

在电源输入电流100 A、工作频率50 Hz的条件下，1064 nm输出能量为260.8 mJ。经过KTP-OPO频率变换技术实现2100 nm激光输出，采用内腔频率变换，在电源输入电流100 A、工作频率50 Hz的条件下，2100 nm激光能量输出为106.2 mJ， 1.06 μm到2 μm转换效率达到38.9%。在电源输入电流80 A、工作频率50 Hz的条件下，采用内腔频率变换，获得4200 nm最高能量12 mJ激光输出，脉宽8 ns，峰值功率高达12.8 MW，2100 nm到4200 nm转换效率达到31.2%，剩余的2100 nm波段激光输出45 mJ。4200 nm激光器注入电流与输出激光能量关系如图2所示。

图2 4200 nm输出能量与注入电流关系Fig.2 The 4200 nm output energy vs input current

2 高平均功率高重频激光器研究

实验装置如图3 所示。

图3 3900 nm光参量振荡器实验装置图Fig.3 The 3900 nm OPO experiment setup

图3中，序号1为1064 nm激光器全反镜，曲率为1 m；2为808 nm泵浦阵列；3为激光增益介质Nd:GdVO4，在810 nm与880 nm附近具有两个吸收峰，吸收峰值是808.5 nm，半宽是Nd:YAG的近二倍，较适合LD泵浦;4为1064 nm偏振片；5为声光调Q，通过高重频驱动电源实现高重频控制及驱动；6为输出镜，透过率为20%；7为1064 nm校正镜；8为2100 nm全反镜，镀膜为2100 nm全反，1064 nm增透；9为周期极化晶体PPLT，用于产生2100 nm波段激光；10为2100 nm输出镜，对2100 nm透过40%，对1064 nm全透；11为1064 nm折转镜，对1064 nm为45°反射，对2100 nm波段45°增透；12为3900 nm，45°折转镜，对1064 nm为45°全反，对3900 nm为增透；13为1064 nm聚焦镜，对1064 nm聚焦，对3900 nm增透；14为四分之一波片；15为3900 nm输出镜；16为周期极化晶体PPLT；17为3900 nm全反镜，对1064 nm增透，对3900 nm全反，对1463 nm波段全反；18为1064 nm四分之一波片；19为对1064 nm的56.5°折转镜。激光器接收到工作指令后，激光电源对半导体阵列供电，产生在激光增益介质吸收带内的光谱辐射，这些光被耦合到激光增益介质上，储存在激光增益介质激发态能级。为了提高激光脉冲峰值功率,Q开关关闭，阻止在腔镜的反馈下产生的受激辐射，激光增益介质激发态能级储存的粒子数最大时,Q开关打开，腔内迅速产生激光振荡，产生波长为1.064 μm的激光脉冲输出，经过差频晶体PPLT，实现2100 nm激光输出；剩余的1064 nm激光进入3900 nm光参量振荡器，实现3900 nm激光输出，剩余的1064 nm激光进入原始的激光器内部，再次实现注入放大。当激光电源以一定频率工作时，激光器便产生一定频率的激光脉冲，这个过程中产生的热通过冷却系统耦合到外界。

利用PPLT-OPO频率变换技术，通过外腔频率变换方式，实现3900 nm和2100 nm双波段激光输出。在电源输入电流40 A、调Q驱动频率10 kHz的条件下，获得3900 nm激光的最高输出功率为5.6 W，2100 nm激光的最高输出功率为8.3 W。双波段输出功率与注入电流关系如图4所示。由图4可以看出，随着注入电流的增大，激光的输出功率线性增加。

图4 输出功率与注入电流关系Fig.4 The output power vs input current

3 结论

通过1064 nm泵浦KTP产生高峰值功率2100 nm激光输出，并抽运ZGP晶体，在电源输入电流80 A、工作频率50 Hz的条件下，采用内腔频率变换，获得4.2 μm最高能量12 mJ的激光输出，2100 nm波段激光输出45 mJ。通过1064 nm分别泵浦PPLT和PPLN获得2100 nm激光输出和3900 nm激光输出，在电源输入电流40 A、调Q驱动频率10 kHz的条件下，获得3900 nm激光的最高输出功率为5.6 W，2100 nm激光的最高输出功率为8.3 W，均满足了某系统应用要求。