基于台阶声光调Q 外腔泵浦MgO:PPLN 光参量振荡器的3.4 μm 中红外脉冲串激光器*

姚晓岱 吴爽 赵锐 吴淼鑫 刘航 金光勇 于永吉2)

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

2) (长春理工大学重庆研究院,重庆 401135)

本文报道了一种台阶声光调Q 外腔泵浦MgO:PPLN 光参量振荡器的3.4 μm 中红外脉冲串激光器.建立了基频台阶声光调Q 理论模型,模拟了不同台阶调Q 间隔时光子数密度随时间变化趋势,获得了台阶信号最优触发时间,确定了台阶声光调Q 获得脉冲串激光输出的可能性.根据理论模拟设计台阶信号触发时间,并应用于台阶声光调Q 外腔泵浦MgO:PPLN 光参量振荡器的中红外脉冲串激光器实验中,在每个重复周期内声光Q 开关分三次开启,获得了单脉冲包络含三个子脉冲的3.4 μm 中红外脉冲串激光输出.脉冲包络内子脉冲间隔为5 μs,最窄脉宽为12.8 ns,脉冲包络重频为20 kHz,理论和是实验中均发现脉冲包络内子脉冲宽度逐渐增大.在最大平均输出功率为1.08 W时,1064 nm 基频光与3.4 μm 参量光的光-光转换效率为10.05%,光束质量因子M 2 为2.01.

1 引言

中红外(3—5 μm)波段激光涵盖了大气中许多原子和分子的基频吸收峰,并且其在大气中的穿透能力较强,因此该波段激光被称为“分子指纹区”和“大气窗口区”[1,2].其中3.4 μm 的中红外激光是CH4,NO2等分子的吸收峰特征谱线[3–5],可用于差分吸收雷达(differential absorption lidar,DIAL)测量大气中该痕量气体的浓度[6–9],因此中红外激光器是DIAL 的核心器件.近年来人们发现脉冲串模式的激光器能够增强DIAL 性能,提高探测精度.2015 年美国国家航空航天局(NASA)采用三脉冲2 μm DIAL 系统成功以0.5%和0.2%的精度测量了水蒸气和CO2的差分光学深度,并验证采用三脉冲模式比单脉冲具有更高的回波信噪比,能够提高探测精度[10,11].2018年,Shayeganrad[12]通过从高重频脉冲激光器中提取脉冲串,并应用DIAL 技术进行大气O2浓度测量,成功将测量精度提升至1×10–6以下.因此脉冲串激光能够增加DIAL 测量的回波信噪比,提高探测精度[13,14].所以在当前“双碳”(“碳达峰”、“碳中和”)战略背景下开展中红外脉冲串激光器研究,为DIAL 提供核心光源,将推动中红外激光技术在雷达探测、环境监测、光谱分析等领域的进一步应用[15–17],并具有很高的研究价值.

目前,产生脉冲串激光的方法主要有腔外调制法[18,19]和腔内调制法[20,21].腔外调制法得到的脉冲串是从脉冲振荡级输出的脉冲序列中选取一部分得到的,所以振荡级的能量利用率较低[22].而腔内调制法通过控制腔内损耗直接获得脉冲串输出,具有能量利用率高的优点.2017年,武文涛等[20]通过脉冲泵浦Nd:YAG 并进行腔内电光调Q,经过两级放大,在脉冲泵浦频率为10 Hz,调Q重频为100 Hz时,获得脉冲串能量1.89 J 的1064 nm多子脉冲脉冲串激光输出.但采用脉冲泵浦结合腔内调Q的传统腔内调制法时,由于脉冲上升沿和下降沿的限制,导致脉冲串整体强度失衡,甚至出现脉冲丢失现象,无法达到精确控制.而台阶调Q通过连续泵浦仅靠控制腔内损耗台阶式变化即可实现脉冲串激光输出.2021 年本课题组的毛洁等[23]在808 nm 连续泵浦时,通过台阶电光调QNd:YAG,获得脉冲串能量32.5 mJ、子脉冲个数为3 个的1064 nm 脉冲串激光输出,实现子脉冲个数精确控制.因此相较于传统腔内调制法,台阶调,具有结构简单、能量利用率高、控制精确的优点.但是迄今为止,国内外对脉冲串的报道主要集中在近红外,对于中红外脉冲串鲜有报道.

由此,本文开展了台阶声光调Q(acousto-opticQ-switch,AOQS)外腔泵浦周期极化铌酸锂晶体(MgO:PPLN)光参量振荡器(optical parametric oscillator,OPO) 3.4 μm 中红外脉冲串激光器的理论与实验研究.建立了AOQS 理论模型,模拟了台阶AOQS 反转粒子数与光子数随时间的变化关系,获得了台阶信号最优触发时间.根据模拟结果进行实验成功获得了单脉冲包络内包含3 个子脉冲的3.4 μm 中红外脉冲串激光输出.

2 理论模型及实验装置

2.1 基频台阶AOQS 理论模型

根据光子数与反转粒子数之间的关系,建立了基频台阶AOQS 脉冲串激光输出的速率方程[24],如(1)式—(5)式所示:

这里,N表示反转粒子数密度;Rp表示泵浦速率;γ是能级反转因子;σ 是Nd:YVO4晶体受激发射截面;c是光速;φ 是光子数密度;τ 是粒子的上能级寿命;l和Llaser分别是Nd:YVO4晶体长度和谐振腔长度;τc是腔内光子衰变时间.Pin是泵浦功率;νa是Nd:YVO4晶体对泵浦光的吸收系数;ℏνa 是泵浦源发出单个光子的能量;ωa是泵浦源的光斑半径;τr光子在腔内的往返时间;Li代表往返过程中的损耗;Lp是AOQS 引起的阶跃损耗函数;Ra是输出镜对1064 nm 的反射率.

在一个调Q周期内,设定AOQS 分3 步打开,谐振腔内由AOQS 引起的损耗的变化可以用如下函数表示:

ηi,Ti,ti(i=1,2,3,4)分别表示声光晶体的不同衍射效率、AOQS 阶跃损耗、台阶信号触发时间.在0—t1时刻衍射损耗处于最高值T1,AOQS 完全“关门”;在t1—t2时刻衍射损耗处于次高值T2,AOQS 部分打开;t2—t3时刻衍射损耗降低到T3,AOQS 再次打开一部分;t3—t4时刻衍射损耗为0,AOQS 完全“开门”,激光完全透过AOQS.在一个调Q周期内由AOQS 引起腔内损耗台阶式下降,反转粒子数在一个调Q周期内释放三次,通过调整三个阶跃损耗的幅值比例、台阶信号触发时间、泵浦功率,可以输出等间隔等幅值的一个脉冲包络包含3 个子脉冲的脉冲串激光.

(6)式中声光晶体的衍射效率ηi(i=1,2,3)可以表示为[25]

其中,λ 是激光波长;Qac是声光晶体的品质因数;K是换能器的长宽之比;Pi是声光功率,因此对于给定的AOQS,衍射效率只与声光功率有关.所以通过改变声光调Q信号台阶幅值来改变加到声光晶体上的声光功率,以实现对腔内损耗台阶式调控.

为了获得最优台阶触发时间,将表1 中的数据代入(1)式—(6)式中,同时保持其他参数一致的情况下,模拟了台阶间隔分别为4,5,6,7 μs 时一个周期内光子数密度随时间变化情况,模拟结果如图1 所示.当台阶间隔为4,6,7 μs时,由于腔内损耗的变化,导致在当前泵浦速率下,反转粒子数并不能迅速积累到饱和值,导致脉冲并不能在规定的台阶处输出,因此出现输出脉冲间隔、幅值不相等,且有明显的弛豫振荡现象.而在台阶间隔为5 μs时,输出脉冲间隔、幅值基本相等,能够满足脉冲串输出要求,此时对应的三个台阶触发时间分别为16,21 和26 μs.

图1 光子数密度在不同台阶间隔下的变化趋势Fig.1.Change trend of photon number density under different step spacings.

表1 台阶AOQS 速率方程模拟主要参数Table 1.Simulating key parameters of step AOQS equation.

图2 是在台阶触发时间为16,21,26 μs时,模拟的反转粒子数密度与光子数密度随时间的变化情况.其中图2(a)和图2(b)是三个周期内反转粒子数密度与光子数密度随时间变化情况,图2(c)和图2(d)是对图2(a)和图2(b)中第一个周期的放大显示.其中图2(c)中蓝色虚线表示AOQS 阶跃损耗幅值,拐点处对应台阶触发时间.图2(e)和图2(f)是第一个周期内AOQS 完全“开门”时,反转粒子数与光子数随时间变化的详细情况.

图2 反转粒子数密度、光子数密度随时间变化情况(a) 反转粒子数密度随时间变化;(b) 光子数密度随时间变化;(c) 第一个周期内反转粒子数密度随时间变化;(d) 第一个周期内光子数密度随时间变化;(e) t3—t4 时反转粒子数密度随时间变化;(f) t3—t4 时光子数密度随时间变化Fig.2.Inversion population density and photon density change with time: (a) Inversion population density changing over time;(b) photon number density changing over time;(c) number density of inversion particles changes with time in the first period;(d) photon number density changes with time during the first cycle;(e) number density of inversion particles changes with time at t3–t4;(f) number density of photons changes with time at t3–t4.

由图2(a)和图2(b)可以看出,每个周期内子脉冲高度基本一致,第一个子脉冲结束后反转粒子数并没有维持在当前值,而是继续积累,到下一次损耗变化点处输出第二个子脉冲,然后反转粒子数继续积累输出第三个子脉冲.产生这一现象的原因是台阶调Q影响了腔内损耗的变化,由高损耗向低损耗变化的瞬态过程中,反转粒子数被大量消耗,使剩余反转粒子数远低于此时低损耗所对应的反转粒子数饱和值,因此第一个脉冲结束后反转粒子数还会继续积累,直到下一次损耗改变.因此一个周期内反转粒子数积累三次,释放三次,输出三个子脉冲.同时在图2(d)中发现一个周期内的子脉冲宽度逐渐增宽,这是因为反转粒子数和脉冲宽度呈负相关,由于在一个周期内台阶调Q使腔内损耗台阶式减小,上能级积累的反转粒子数也逐渐减少,因此导致脉冲宽度逐渐增加.由图2(e)和图2(f)可以看出在t3—t4时间段,出现了微弱的弛豫振荡.由于此时腔内损耗较低,反转粒子数并不会一直在上能级积累,当反转粒子数超过阈值反转粒子数后,便会输出微弱的脉冲激光,之后反转粒子数再次积累,再次释放,并逐渐降低最终维持在阈值反转粒子数附近.

2.2 实验装置

台阶声光调Q外腔泵浦MgO:PPLN-OPO 3.4 μm 中红外脉冲串激光器实验装置如图3 所示.基频光谐振腔由M1 和M2 组成,抽运源为光纤耦合808 nm LD 连续泵浦源,最大输出功率为30 W.使用纤芯直径为400 μm,数值孔径NA为0.22 的光纤进行传输,光纤的另一端链接1∶1.5 的耦合镜组,使808 nm 泵浦光聚焦到Nd:YVO4晶体中心.采用英国G&H 公司生产的AOQS 组件对基频光腔内损耗进行阶跃调控.OPO 腔由M3 和M4 组成,采用MgO:PPLN 晶体作为非线性频率变换介质[27],晶体尺寸为40 mm×5 mm×2 mm,极化周期为30.44 μm,MgO 掺杂浓度为5%,MgO:PPLN晶体两端分别镀有1064 nm,1.4—1.7 μm,3.0—4.0 μm 增透膜,并将晶体放在HCP 公司生产的精度为±0.1 K 的温控炉中.在M2 输出镜片后依次放置焦距为200 mm 的1064 nm 聚焦镜F1、自由空间隔离器(Thorlabs IO-8-1064-HP)、1/2 波片(HWP)、焦距为100 mm 的1064 nm 聚焦镜F2,F1 的作用是对1064 nm 输出光的发散角压束,隔离器用于回光隔离,起到保护Nd:YVO4晶体的作用,HWP 用于调整1064 nm 激光偏振方向,使之满足MgO:PPLN 偏振匹配需求,F2 的作用是将1064 nm 激光聚焦耦合到MgO:PPLN 晶体内.表2列出了镜片M1,M2,M3,M4 镀膜情况.

图3 3.4 μm 中红外脉冲串激光器实验装置示意图Fig.3.Schematic of 3.4 μm mid-infrared pulse-train laser experimental setup.

表2 镜片M1,M2,M3,M4 镀膜情况Table 2.Coating status of lenses M1,M2,M3,and M4.

3 实验结果与讨论

首先进行基频1064 nm 台阶声光调Q实验.根据前文模拟的数值设定信号发生器台阶的触发时间t1,t2,t3和t4分别为16,21,26 和50 μs,重复频率为20 kHz.采用脉宽探测器(Thorlabs DET10D/M)将捕获到的基频光输出波形信号连接至数字示波器(Tektronix MDO3054)上,测量结果如图4 所示.可以看出加入台阶信号后,输出了一个重频为20 kHz,每个脉冲包络内包含3 个子脉冲的脉冲串.其中第一个脉冲包络内的子脉冲脉宽分别为24.3,39.46,45.00 ns,这与模拟所得子脉冲宽度逐渐增大的趋势一致.根据示波器测量结果计算了单个脉冲包络内的子脉冲信噪比(SNR)为30.45 dB.同时测量了AOQS 驱动器衰减后的射频(radio frequency,RF)信号,并将一个周期内基频脉冲串输出波形信号的实验值和理论值进行了对比,如图5 所示.AOQS 驱动器输出台阶式RF信号,并在RF 信号的下降沿输出子脉冲,脉冲包络内子脉冲间隔、子脉冲输出位置与理论模拟基本一致.

图4 基频脉冲串输出波形图及子脉冲脉宽Fig.4.Output waveform of fundamental frequency pulse train and pulse width of sub-pulse.

图5 射频信号及三子脉冲输出波形实验与理论对比Fig.5.Experimental and theoretical comparison of RF signal and triple-pulse output waveforms.

接着进行外腔OPO 中红外脉冲串输出实验.用傅里叶光谱仪测量经过OPO 过程后输出的闲频光波长,测量结果如图6 所示,其中心波长为3.44 μm.图7 是用中红外脉宽探头(Vigo PCI-3TE-12)测量的3.4 μm 中红外脉冲串输出波形及脉宽,测量结果显示中红外脉冲串输出重频为20 kHz,一个脉冲包络内包含3 个子脉冲子,在最大输出功率时,子脉冲宽度分别为12.8,15.3 和25.8 ns,子脉冲间隔为5 μs.同基频1064 nm 脉冲串子脉冲脉宽对比发现中红外的脉冲串子脉冲宽度比基频的小,这是由于在每个基频子脉冲上升沿和下降沿功率密度较低不能达到OPO 阈值,脉冲中间部分达到OPO 阈值进行了非线性频率变换,所以输出中红外脉冲串脉宽变窄.同时通过测量单个脉冲包络内子脉冲幅值平均值与背景噪声幅值平均值,通过计算得中红外脉冲串子脉冲信噪比为46.39 dB.对比基频子脉冲和中红外子脉冲信噪比,发现中红外子脉冲信噪比更高,这是由于连续或低功率的本底非线性转换效率较低甚至并未达到OPO 阈值,噪声被得到抑制,因此中红外子脉冲信噪比明显优于基频子脉冲信噪比.

图6 中红外脉冲串输出光谱图Fig.6.Mid-infrared pulse train output spectrum.

图7 3.4 μm 脉冲串输出波形及子脉冲宽度Fig.7.3.4 μm pulse train output waveform and sub-pulse width.

图8 显示了中红外3.4 μm 脉冲串输出平均功率、转换效率与泵浦功率的关系.随着基频1064 nm脉冲串泵浦功率的增加,中红外3.4 μm 脉冲串平均输出功率先增加后降低,在1064 nm 抽运功率为10.74 W时,得到了3.4 μm 脉冲串最大平均输出功率为1.08 W,此时OPO 的光-光转换效率为10.05%.1064 nm 与3.4 μm 的光-光转换效率先迅速升高后逐渐趋于平稳,并在达到最大值后逐渐降低.产生这种现象的原因是当基频光功率达到OPO 阈值后参量光功率迅速增加,导致转换效率迅速增加.随着基频光功率的增加参量光功率也逐渐增加,然而,因谐振腔耦合作用,基频光在多次通过MgO:PPLN 晶体时几乎被彻底消耗,导致参量光倒流至基频光,产生逆转换效应[28],因此转换效率又逐渐降低.图8 中的插图是在3.4 μm脉冲串最大输出功率时用焦热电阵列相机(Ophir PyrocamIII)通过刀口法测量的不同位置的光斑大小,通过数据拟合计算出光束质量因子M2为2.01.

图8 3.4 μm 脉冲串平均输出功率、转换效率随泵浦功率的变化Fig.8.Changes in average output power and conversion efficiency of 3.4 μm pulse train with pump power.

4 结论

本文报道了一种台阶AOQS 外腔泵浦MgO:PPLN-OPO 3.4 μm 中红外脉冲串激光器.建立了基频台阶AOQS 理论模型,在重频为20 kHz 时模拟了不同台阶信号间隔下光子数密度变化趋势,获得最佳台阶信号间隔为5 μs.依据理论模型设计台阶信号触发时间为16,21 和26 μs,进行台阶AOQS外腔MgO:PPLN-OPO 实验,获得了单个脉冲包络内包含3 个子脉冲的3.4 μm 中红外脉冲串激光输出.子脉冲间隔为5 μs,最窄脉宽为12.8 ns,脉冲包络重频为20 kHz,在最大平均输出功率为1.08 W时,1064 nm 基频光与3.4 μm 参量光的最高光-光转换效率为10.05%,光束质量因子M2为2.01.实验中每个重复周期内子脉冲的输出位置与理论模拟基本一致,并且理论和实验中均发现,每个脉冲包络内子脉冲宽度逐渐增大.实验结果表明,采用台阶AOQS 并结合OPO 的方式能够获得3.4 μm 中红外脉冲串激光输出,从而为获得中红外脉冲串激光开辟了新的技术途径,为中红外脉冲串激光大气污染物浓度的检测提供理论与技术支撑.后续我们将进一步优化台阶幅值比例、台阶间隔、腔型结构,以获得等间隔、等幅值、稳定的脉冲串激光输出.