窄线宽1 064 nm 光纤激光泵浦高效率中红外3.8 μm MgO:PPLN 光参量振荡器

陈柄言，于永吉，吴春婷，金光勇

（长春理工大学理学院吉林省固体激光技术与应用重点实验室，吉林 长春 130022）

1 引言

3～5μm 光源作为大气窗口输出波段，在遥感技术、高分辨率光谱学、激光医疗及激光通信等领域具有深远的研究意义和广泛的应用前景[1-4]。基于非线性光学变频技术的准相位匹配光参量振荡器具有调谐范围宽、调谐方式灵活、结构简单紧凑、转换效率高等优点，是获得高效中红外激光输出的有效技术手段[5-9]。然而，传统的全固态光参量振荡器（OPO）存在较严重的热效应问题，并且整体结构复杂，难以同时兼顾高重复频率和高峰值功率。近年来，大功率光纤激光系统由于具有稳定度高、输出功率高、便于热管理等优点[10-12]，越来越多地被用作泵浦光源应用于固体激光系统中。基于此种技术体制进行结构紧凑、易于调控的中红外OPO 系统的优化设计成为了目前研究的热点之一。

近年来，采用光纤泵浦OPO 实现3～4μm 中红外激光输出的相关报道很多[13-14]。但针对波长大于3.8μm 的光纤泵浦中红外OPO 的研究，由于泵浦与闲频光间有存在较大的波长差会导致量子亏损，致使变频效率偏低，而通过提高泵浦功率间接增大中红外激光输出功率，又会导致光纤泵浦源出现非线性效应，致使光束质量恶化、输出线宽展宽，这些因素使得该方面的研究相对较少。同时PPLN 晶体在中远红外波段（大于4μm）存在的光子吸收，最终导致目前的长波闲频光输出大多限制在1 W 左右[15]。2013 年，清华大学柳强等人报道了由高功率掺镱光纤MOPA 结构泵浦MgO:PPLN OPO 产生4μm 中红外激光输出[16]，在泵浦功率为18.5 W 时，获得了2.03 W、4μm 的激光输出，线宽为0.16 nm，斜率效率为11%。但是该研究中部分泵浦被反射回最后一级光纤放大器中，当泵浦功率超过18.5 W 时，由于高功率的回波反射激光中未能充分隔离，会导致光纤泵浦源乃至耦合系统的器件损坏。在该研究的基础上，本文中采用1 064 nm 高重频掺镱光纤MOPA作为泵浦源（其最高平均输出功率为40 W，线宽为2.5 nm，调制后线宽可达0.1 nm）进一步泵浦MgO:PPLN OPO，研究不同泵浦线宽对中红外OPO 激光输出的影响，证明了窄线宽泵浦条件下能够有效提高中红外激光的输出转换效率，最终在0.1 nm 的窄线宽泵浦光源下，获得最高平均输出功率为2.06 W 的3.8μm 激光输出，光-光转换效率为11.38%。

2 理论分析

一般情况下，激光输出光谱总会存在一定的线宽而非单一波长，而在非线性频率变换过程中不同泵浦波长所对应的满足相位匹配条件的参量光波长不同，因此泵浦光的线宽将影响输出参量光的变化。对于某一固定波长闲频光来说，相位失配主要来源于泵浦光和信号光的失配，因此可得泵浦光线宽引起的闲频光线宽展宽为[17]：

由此给出泵浦光线宽引起的参量光线宽展宽曲线图，如图1 所示。从图中可以看出，随着泵浦光线宽的增加，闲频光线宽展宽迅速增加，因此，通过相对较窄谱线宽度的光纤激光泵浦MgO:PPLN，能够提高准相位匹配变频耦合精度，进而间接提升变频效率，实现高效率窄线宽中红外激光输出。同时，随着闲频光波长的增加，由泵浦光线宽引起的线宽展宽是逐渐减弱的，这对于实现窄线宽长波中红外激光是有利的。

图1 不同泵浦光线宽下闲频光线宽展宽与闲频光波长的关系曲线Fig.1 Relationship between idle light broadening and idle wavelength under different pump light linewidthes

3 实验装置

本实验采用的泵浦源为三级放大的MOPA 1 064 nm 掺镱光纤激光器，如图2 所示。采用1 064 nm DFB 半导体激光作为种子源，通过调制电路控制种子源激光的占空比和脉冲波形。第一级放大中采用长度为3 m、纤芯数值孔径为0.12 的单模保偏光纤（Nufern PM-YDF-5/130），在976 nm 抽运波长下测量的光纤包层吸收系数α=1.80 dB/m，可获得30 mW 的平均输出功率；第二级放大中采用长度为3 m 的双包层有源大模场PM光纤（Nufern PLMA-YDF-10/125），纤芯数值孔径为0.075，内包层的数值孔径小于0.46，在976 nm抽运波长下测量的α=4.95 dB/m，可产生200 mW的平均输出功率；第三级放大中的光纤是长度为1.5 m的双包层大模场PM 光纤（Nufern PLMA-YDF-30/250），其数值孔径及吸收系数与第二级放大中的PM 光纤相同，最终得到最高平均输出功率为40 W 的1 064 nm 激光输出。

图21 064 nm 掺镱光纤激光器装置图Fig.2 Schematic diagram of 1 064 nm ytterbium-doped fiber laser

1 064 nm 光纤激光器泵浦MgO:PPLN OPO激光实验装置图如图3 所示，光纤激光通过半波片旋转，对准MgO:PPLN 晶体的主轴，以获得最大的OPO 转换效率。经过焦距为150 mm的聚焦透镜F耦合到掺杂浓度为5%的MgO:PPLN 晶体中心，晶体尺寸为30 mm×2 mm×5 mm，极化周期为29.5μm，晶体两端镀有1 064 nm和3.8μm 增透膜。实验采用双凹线型腔，其曲率半径均为150 mm，其中输入镜M1表面镀有1 064 nm高透、3.7～4.2μm 高反膜，输出镜M2表面镀有1 064 nm 高反、1.4～1.5μm 高反、1 064 nm 高透、3.75～3.85μm 高透膜，谐振腔物理长度为80 mm。

图31 064 nm 掺镱光纤激光器泵浦的MgO:PPLN OPO实验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of MgO:PPLN OPO laser pumped by 1 064 nm ytterbium-doped fiber laser

图41 064 nm 掺镱光纤激光器输出光谱对比图Fig.4 Comparison of output spectrum of the 1 064 nm ytterbium-doped fiber laser

4 结果与分析

首先对泵浦源MOPA 1 064 nm 掺镱光纤激光器进行了实验测量。图4 为1 064 nm 掺镱光纤激光器种子源线宽调制前后的输出光谱图。从图4 中可以看出，通过引入DFB 半导体激光作为种子源，其输出线宽可由原来的2.5 nm 压缩到0.1 nm，信噪比大于50 dB，实现了窄线宽泵浦光源输出。在此基础上，对两种线宽下最大平均输出功率进行测量，如图5 所示。从图中可以看出线宽调制前后其平均输出功率并没有明显变化，最大平均输出功率可达40 W。同时，对其输出光束质量进行测量，如图6 所示。由图6 可见，其光束质量为1.38，接近衍射极限，可以作为MgO:PPLN OPO优质的泵浦光源。

图5 不同线宽下1 064 nm 掺镱光纤激光器的平均输出功率对比图Fig.5 Comparison of output power of the 1 064 nm ytterbium-doped fiber laser with different linewidths

图6 窄线宽1 064 nm 掺镱光纤激光光束质量Fig.6 Beam quality of the narrow linewidth 1 064 nm ytterbium-doped fiber laser

在此基础上，对1 064 nm 光纤激光泵浦中红外3.8μm MgO:PPLN OPO 进行实验测量。同样对比了泵浦源线宽调制前后MgO:PPLN OPO中红外激光输出的情况。图7 为在光纤激光重频为1 MHz，脉宽为2 ns 时，不同线宽下的输出功率。从图中可以看出，相对于0.1 nm 泵浦线宽，2.5 nm 泵浦线宽的平均输出功率和转换效率明显小很多。正如之前理论分析的一样：谱线加宽会引起一部分光出现相位失配，从而使宽光谱泵浦情况下的一部分光无法产生参量转换，最终导致非线性频率变换转换效率下降，导致宽光谱泵浦时输出功率明显降低。在泵浦功率为18.1 W、线宽为0.1 nm 时，获得3.8μm 闲频光最大平均输出功率为2.06 W，转换效率为11.38%。图8 为所测量的闲频光输出光谱图，同时，测量了在最高输出功率下的脉冲序列图和脉冲宽度图，如图9 所示，最终获得的3.8μm 中红外激光输出脉宽为1.63 ns。

图7 不同线宽1 064 nm 掺镱光纤激光泵浦MgO:PPLN OPO 平均输出功率Fig.7 The output powers of MgO:PPLN OPO pumped by 1 064 nm ytterbium-doped fiber laser with different linewidths

图8 窄线宽1 064 nm 掺镱光纤激光泵浦MgO:PPLN OPO 输出光谱图Fig.8 The output spectrum of MgO:PPLN OPO pumped by the narrow linewidth 1 064 nm ytterbium-doped fiber laser

同时对MgO:PPLN OPO 3.8μm 闲频光输出波长和光束质量进行测量，如图10 所示。由于实验采用ARC 傅立叶光谱仪进行测量，其分辨率相对较低，因此无法准确获得其输出线宽，但是其输出中心波长为3 822.5 nm，并且有很高的信噪比。采用PyrocamⅢ热释电光束质量分析仪基于经典的90/10 刀口法测量得到最高平均输出功率时的光束质量为M2=2.34。相对于泵浦光源的光束质量，参量光的光束质量产生了一定的恶化，这主要是由于参量转换过程中三波耦合出现的轻微走离效应，以及晶体温度控制的轻微波动综合导致的。

图9 MgO:PPLN OPO 3.8μm 激光输出脉冲序列和脉冲宽度图Fig.9 Pulse sequence and pulse width of the MgO:PPLN OPO 3.8μm laser

图10 窄线宽1 064 nm 掺镱光 纤激光泵浦MgO:PPLN OPO 输出光束质量Fig.10 Beam quality of MgO:PPLN OPO pumped by the narrow linewidth 1 064 nm ytterbium-doped fiber laser

5 结论

本文基于MgO:PPLN 晶体，采用性能优异的主振荡功率放大1 064 nm 掺镱光纤激光器作为泵浦源，实现了高转换效率且结构紧凑的中红外光参量振荡器。对泵浦源采用分布式反馈激光器（DFB）作为种子源，实现光纤激光泵浦源输出线宽从2.5 nm 到0.1 nm 的压缩，最大平均输出功率为40 W。在此基础上，通过实验研究了不同泵浦线宽对中红外3.8μm MgO:PPLN OPO 激光输出的影响，发现泵浦线宽变窄可以明显提高3.8μm 闲频光的转换效率。最终在泵浦功率为18.1 W，线宽为0.1 nm，重频为1 MHz，脉宽为2 ns 条件下，实现了中心波长为3 822.5 nm，最高平均输出功率为2.06 W 的激光输出，光-光转换效率为11.38%，光束质量为M2=2.34。此项研究提高了窄线宽泵浦对中红外MgO:PPLN OPO 激光输出效率，为高功率中红外激光的实现及应用深化打下基础。