11_2W中红外3_8_m激光器

第 37 卷，增刊 红外与激光 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 2008 年 9 月 Vol.37 Supplement Infrared and Laser Engineering Sep. 2008 收稿日期：2008-09-25 作者简介：彭跃峰（1978-），男，陕西合阳人, 助研，主要从事二极管抽运固体激光器技术研究工作。Email: qiaopyf@yahoo.com.cn 11.2 W 中红外 3.8 μm 激光器 彭跃峰， 王卫民， 谢 刚， 武德勇， 李德明 （中国工程物理研究院 应用电子学研究所，四川 绵阳 621900） 摘要：报道了采用 1 064 nm 激光抽运 PPMgLN 晶体准相位匹配技术实现 3.8 μm 激光输出的实 验结果。抽运源为二极管激光连续抽运 Nd:YAG 晶体声光调 Q 1 μm 激光器，PPMgLN 晶体（MgO 掺杂浓度 5 mol%)单谐振光参量振荡技术采用 e→e＋e 相位匹配，消除了光束之间的走离效应，利用 了 PPMgLN 晶体的最大非线性系数 d33(27.4 pm/V)。在 1 064 nm 激光抽运功率 94 W，声光 Q 开关工 作频率 8 kHz 的条件下，获得了平均功率 11.2 W，波长 3.84 μm 激光输出，光-光转换斜率效率 14.5％， 对应闲频波长 1.47 μm 激光输出功率约 28 W。3.8 μm 激光水平方向和垂直方向光束质量 M2因子分 别为 2.01 和 5.78。 关键词：3.8 μm 激光器； PPMgLN 晶体； 准相位匹配 中图分类号：TN248.1 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2008)增(激光探测)-0082-04 3.8 μm mid-infrared laser with 11.2 W output power PENG Yue-feng, WANG Wei-min, XIE Gang, WU De-yong, LI De-ming （Institute of Applied Electronics, CAEP, Mianyang 621900, China) Abstract: The experimental results of high-efficiency 3.8 μm laser is demonstrated on quasi-phase-matched single-resonated optical parametric oscillator(OPO) in PPMgLN(5% MgO-doping) pumped by 1 064 nm laser of elliptical beam. The pump source is a acousto-optically Q-switched CW-diode-side-pumped Nd:YAG laser, the pump beam polarization matches the e-ee interaction in PPMgLN, thus maximal nonlinear coefficient d33(27.4 pm/V) is effective and walk-off of beams can be avoided. When pump power was 94 W with repetition rate of 8 kHz, an average output power of 11.2 W at 3.84 μm is obtained with slope efficiency of 14.5%，with 28 W at the corresponding idler wavelength of 1.47 μm. The M2 factor of 3.8 μm laser was 2.01, 5.78 in parellel and perpendicular direction, respctively. Key words: 3.8 μm laser； PPMgLN crystal； Quasi-phase-matching (QPM) 0 引 言 中红外 3～5 μm 波段光在军事对抗、大气环境 监测、特殊环境远距离监控以及光谱学研究等诸多 领域有重要的应用价值[1-2]。具有中等平均功率（十 瓦量级）输出的中红外固体激光器，由于其具有高 重复频率、高稳定性、结构紧凑等特点，在机载激 光制导和光电对抗等方面具有重要的应用价值。目 前，获得中红外固体激光输出的主要方法有 3 种：一 种为二极管直接输出中红外激光[3]；第 2 种为采用二 极管激光直接激射掺杂中红外稀土粒子晶体[4-7]；第 3 种为采用中红外非线性晶体光学参量振荡（OPO） 技术获得[8-12]。光学参量振荡器能够产生宽光谱可调 谐相干输出，并能将现有的激光波长转换到传统激 光器无法达到的波段。随着性能优良抽运源和中红 外非线性晶体技术的发展，OPO 相继实现了从紫外 增刊 彭跃峰等：11.2 W中红外3.8 μm激光器 83 到远红外的全波段调谐、从连续（CW）到超快飞秒 的整个时间谱范围运转。 双折射相位匹配（BPM）只能利用晶体非线性 极化张量中的某些特定的非对角元素，使得一些具 有较大非线性系数的晶体因不能实现相位匹配而不 能被利用，为解决这个问题，准相位匹配（QPM） 的概念被提出。准相位匹配通过对晶体非线性极化 率的周期性调制来补偿光参量过程中由于折射率色 散造成的抽运光和参量光之间的相位失配，因此可 以利用晶体的最大非线性系数，且没有波矢方向和 偏振方向的限制，理论上能够利用晶体的整个透光 范围实现相位匹配。LiNbO3 是典型的负单轴晶体， 其透光波段为 330～5 500 nm，在其所有的二阶非线 性极化张量中，以 d33 为最大，约为 27.4 pm/V，是 常用的 d31 的 7.5 倍，因不能实现双折射相位匹配而 不能被利用，而采用准相位匹配（QPM）方式的周 期性极化铌酸锂（PPLN）却可以利用 d33 实现相位 匹配，具有高增益、低阈值、高效率等优点。由于 掺 MgO 的 PPLN 晶体能显著提高抗激光损伤阈值， 且可以有效降低晶体的极化矫顽场，因此掺 MgO 周 期极化 LiNbO3 晶体(PPMgLN)成为实现准相位匹配 光学参量振荡器最常见的铁电材料。加拿大航空公 司采用 PPMgLN OPO 技术获得了转换效率 20％、 波长 2.94 μm、功率 10 W 激光输出[9]；国内中物院 应用电子学研究所采用 PPMgLN OPO 技术获得功 率 3.2 W、波长 3.7 μm 激光输出[8]。 文中采用 1 064 nm 激光椭圆光斑抽运 PPMgLN 晶体，实验上获得输出功率 11.2 W、波长 3.8 μm 激光输出，对应闲频波长 1.47 μm 激光输出 功率约 28 W。 1 实验研究 1.1 实验装置 实验采用 1 μm 激光抽运 PPMgLN OPO 单谐振 腔结构，实验装置如图 1 所示。1 064 nm 激光谐振 腔由全反镜、输出镜、泵浦模块、Q 开关、石英旋 转片、偏振片等组成。M1 对 1 064 nm 激光高反， M2对1 064 nm激光反射率70％。通过合理设计1 064 nm 激光器参数，获得了高功率、高光束质量 1 μm 激光 输出。在声光 Q 开关工作频率 8 kHz、输出功率 94 W 时，1 064 nm 激光光束质量 M2 因子小于 4。采用高 光束质量 1 μm 激光作为抽运源，有利于获得高效 率、高光束质量中红外激光输出。1 μm 激光经耦合 系统后，以合适功率密度抽运 PPMgLN（MgO 掺杂 浓度 5 mol%)晶体，OPO 输出近红外和中红外波段 激光。OPO 技术采用 e→e＋e 相位匹配，从而消除 了光束之间的走离效应和利用了 PPMgLN 晶体的最 大非线性系数 d33(27.4 pm/V)。M3、M4 构成 PPMgLN OPO 谐振腔，M3 对 1064 nm 高透，对 3.6～4.0 μm 激光高反，M4 对 1.3～1.6 μm 激光高透，对 3.6～4.0 μm 激光部分反射。PPMgLN 晶体周期为 29 μm，两 个通光面对 1 064 nm，1.3～1.6 μm 和 3.6～4.0 μm 激光高透。根据以前我们已发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 文献[8]中波长调谐计 算可知，PPMgLN 周期为 29 μm 时，输出中红外波 长在 3.8 μm 附近。因为晶体加工技术的限制， PPMgLN 晶体加工厚度一般为 0.5～1 mm，并且目 前中红外波段膜层损伤阈值较低，所以也限制了采 用 1 064 nm 激光圆形光斑抽运获得高功率中红外激 光输出。采用 1 064 nm 激光椭圆光斑抽运，可以获 得高效率、高功率激光输出。 图 1 PPMgLN SRO 实验装置 Fig.1 Experimental setup of PPMgLN SRO 1.2 实验结果与分析 开展了实验研究，当1 064 nm激光抽运功率94 W， 频率 8 kHz 时，波长 3.8 μm 激光输出功率 11.2 W， 光-光转换斜率效率 14.5%，对应闲频波长 1.47 μm 激 光输出功率约 28 W，输出功率与抽运功率曲线如图 2 所示，图 2 未给出 1.47 μm 激光输出功率曲线。从 84 红外与激光工程：激光探测、制导与对抗技术 第 37 卷 图 2 可以看出，中红外激光输出功率没有出现饱和效 应，因此随着抽运功率的提高，有可能获得更高功率 3.8 μm 激光输出。在整个实验过程中，遇到的主要问 题是晶体膜层的损伤和晶体质量问题。刚开始实验 时，多次出现膜层损伤，最后通过优化 1 μm 激光光 斑分布和严格控制抽运光功率密度在一定范围内，初 步减少了膜层损伤次数。在实验过程中，也发现 PPMgLN 晶体质量一致性比较差，同样设计参数情况 下，采用不同晶体或者晶体不同位置工作时，中红外 激光转换效率有一定差异。中红外膜层技术和非线性 晶体 PPMgLN 加工技术不成熟是目前限制采用 1 μm 激光抽运PPMgLN晶体获得高功率输出的主要因素。 光谱仪测得的中红外输出激光光谱如图 3 所示，中红 外激光中心波长为 3.84 μm，文中未给出近红外波长 测量曲线，近红外激光中心波长为 1.47 μm。由于所 用光谱仪和采用测量方法测量精度的原因，图 3 并不 能准确反映出 3.84 μm 激光谱线宽度，实际线宽比图 3 所示的要窄。 图 2 激光输出功率与抽运功率关系曲线 Fig.2 Laser output power vs. pump power 图 3 输出激光光谱 Fig. 3 Spectrum of laser 采用刀口法测量光斑大小和双曲线拟合法对3.8 μm 激光光束质量进行了测量，使 3.8 μm 激光光束通过 焦距为 200 mm 的聚焦透镜，首先找到聚焦透镜后光 斑束腰位置，然后通过测量束腰前后不同位置的光斑 大小，最后依据光束传输方程对光斑大小进行双曲线 拟合，根据拟合曲线参数，计算出光束质量 M2因子 大小。实验测量出两个方向的光束质量分别为 Mx2=2.01 和 My2=5.78，如图 4 所示。图 5 为 3.8 μm 激光近场光斑分布。 图 4 光斑半径非线性拟合曲线 Fig.4 Nonlinear fit curve of spot radius 图 5 3.8 μm 激光光斑近场分布 Fig.5 3.8 μm laser intensity distribution of near-field beam 2 结 论 采用 1 064 nm 激光椭圆光斑抽运 PPMgLN 晶体 准相位匹配技术，实验上获得了输出功率 11.2 W， 波长3.84 μm中红外激光输出，对应闲频波长1.47 μm 激光输出功率约 28 W。今后将优化实验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，提高 1 064 nm 激光抽运功率和优化 PPMgLN OPO 谐振腔 参数，以便获得更高功率中红外 3.8 μm 激光输出。 参考文献： [1] 范晋祥. 美国弹道导弹防御系统的红外系统与技术的发展[J]. 红外 与激光工程，2006，35（5）：536-550. [2] 任国光，黄裕年. 用激光红外干扰系统保护军用和民航机[J]. 激光 与红外，2006，36（1）：1-6. [3] MARTINELLI R U, BELENKY G, KIM J G, et al. Room-Temperature High-Power Type-І QW In(Al)GaAsSb/GaSb Diode Lasers with λ=2.7 and 2.8 μm[C]//Martinelli-SSDLTR，2003：48-51. [4] PETERSON R D, SCHEPLER K L. 1.9 μm-Fiber-Pumped Cr:ZnSe 增刊 彭跃峰等：11.2 W中红外3.8 μm激光器 85 Laser[C]//Advanced Solid-State Photonics，2004：236-240. [5] DERGACHEV A, MOULTON P F. High-power operation of Tm:YLF, Ho:YLF and Er:YLF lasers[C]//Moulton-SSDLTR, 2003：43-46. [6] JACKSON S D. Single-transverse-mode 2.5-W holmium-doped fluoride fiber laser operating at 2.86 μm[J]. Optics letters，2004，29 （4）：334-336. [7] ZHU X S, JAIN R. Mid-IR Fiber Laser Achieves-10 W[J]. Optics Letters，2007，32（1）：26-28. [8] 彭跃峰，鲁燕华，谢刚，等. 准相位匹配PPMgLN光参量振荡技术 [J].中国激光，2008，35（5）：670-674. [9] CHEN Da-Wun, ROSE T S. Low noise 10-W OPO generation near 3 μm with MgO doped PPLN[C]//Conference on Lasers &Electro-Optics (CLEO)，2005：1829-1831. [10] ISHIZUKI H, SHOJI I, TAIRA T. High-energy quasi-phase-matched optical parametric oscillation in a 3-mm-thick periodically poled MgO:LiNbO3 device[J]. Optics Letters，2004，29（21）：2527-2529. [11] MEYN J P, WALLENSTEIN R, URENSKI P, et al. Single-frequency continuous-wave optical parametric oscillator system with an ultrawide tuning range of 550 to 2830nm[J]. Optical Society of America，2002， 19（6）：1419-1423. [12] BUDNI P A, POMERANZ L A, LEMONS M L, et al. Efficient mid-infrared laser using 1.9-μm-pumped Ho:YAG and ZnGeP2 optical parametric oscillators[J]. J Opt Soc Am B，2000，17（5）：723-729.