中红外磷锗锌光参量振荡器实验研究

何利杰，侯天禹，魏 磊，韩 隆，王克强

(固体激光技术重点实验室，北京100015)

1 引言

3～5μm中波激光源在红外干扰武器系统中有重要应用。此波段激光源包括自由电子激光器、气体激光器、化学激光器和光学参量振荡器(OPO)等［1］。随着各种新型、优异的非线性晶体的研制成功，中波红外光学参量振荡器逐渐成为国内外研究的热点。磷锗锌(ZnGeP2)晶体，简称ZGP，因其具有高非线性系数(75 pm/V)、宽的透明波段(0．7～12 μm)、高导热率(0．36 W/(cm·K))和较高的损伤阈值(10 J/cm2)［2］成为高功率中红外光参量振荡器首选的工作物质。

泵浦ZGP－OPO一般需要波长2μm的激光源。产生2μm激光的主要技术途径有:1064 nm激光泵浦KTP－OPO技术、掺杂Tm3+激光晶体直接输出和掺杂Ho3+激光晶体直接输出等。近年来，掺杂Tm3+、Ho3+晶体直接输出2μm激光技术途径发展迅速，KTP－OPO的途径因为输出光束质量差，结构复杂而逐渐被淘汰。掺杂Ho3+的激光晶体吸收谱峰值在1．9μm处，目前还不能用LD直接泵浦。掺杂Tm3+的激光晶体在800 nm附近有吸收峰，适合商用激光二极管泵浦。因此，LD泵浦掺杂Tm3+激光晶体成为2μm激光源的主要途径之一。

本文报道了采用波长795 nm，最高输出功率110 W的光纤耦合输出激光二极管端面泵浦Tm∶YAP晶体，泵浦功率110W时获得32W的2μm激光输出。以此泵浦Ⅰ类相位匹配的双谐振ZGP光参量振荡器，最高得到10．5W中波激光输出。

2 方案设计

2．1 基波谐振腔的计算

泵浦源采用光纤耦合输出的激光二极管，泵浦光需要用准直聚焦透镜聚焦到激光晶体端面。端面泵浦的固体激光器，激光介质的热效应十分严重。在高功率端面泵浦激光器中，激光介质的热焦距可达到厘米级，短的热焦距会改变空谐振腔的结构，显著影响激光器的输出功率和输出光束质量。在设计谐振腔之前，必须了解激光介质热焦距与泵浦功率之间的关系。先用谐振腔稳定性法测量了激光二极管端面泵浦Tm∶YAP晶体热焦距与其吸收的泵浦光功率的关系。谐振腔稳定性法是一种非常简便、易于操作的热透镜测量方法，但是由于测量时谐振腔内无激光振荡，这使得热焦距的测量值比实际有激光输出时要小。实验测得的结果是:

式中，ft是Tm∶YAP晶体吸收泵浦光功率时的热焦距。再根据泵浦光到基波激光的转换效率和基波激光到中波参量光的转换效率，可以估算出输出10 W中波激光时Tm∶YAP晶体的热焦距约为60 mm。在此基础上根据热稳腔的设计流程［3］设计了基波的谐振腔。数值计算了所设计谐振腔腔内基模高斯光束束宽随热透镜焦距的变化规律，如图1所示。

图1 基模高斯光束束宽

图中横坐标是热透镜光焦度，单位是1/mm，纵坐标是基模高斯光束的半径，单位是mm。三条曲线分别代表全反镜、输出镜和热透镜上基模高斯光束的半径。从图上可以看出热透镜焦距从无穷大到60 mm谐振腔都能稳定振荡，并且基模高斯光束束宽在热透镜焦距大幅变化时基本不变，谐振腔具有热稳定性。

2．2 ZGP晶体相位匹配角的计算

光参量振荡器采用ZGP晶体作为非线性晶体，ZGP 的 Sellmeier色散方程为［4］:

再根据光参量过程的能量守恒定律和动量守恒定律:

可以得到2μm激光泵浦ZGP－OPO时的相位匹配曲线，Ⅰ类相位匹配曲线如图2所示。

图2 ZGP晶体相位匹配曲线

图中横坐标是ZGP晶体切割角度，单位是度，纵坐标是参量光波长，单位是μm。由图可知，2μm激光泵浦ZGPⅠ类相位匹配的光参量振荡器，通过角度调谐，可以得到3～5μm波段激光输出。而Ⅱ类相位匹配时，经过计算，在3～5μm处没有对应的切割角度，得不到中波激光输出。因此要获得3～5μm的中波激光输出，应选择Ⅰ类相位匹配的ZGP－OPO。ZGP的切割角度从图上可以看出约是58．3°。

3 实验装置与实验结果

基波的实验装置如图3所示。

泵浦源采用光纤耦合输出波长约795 nm的激光二极管，最大输出功率为110 W，光纤纤芯直径为400μm，数值孔径0．22。光纤输出的泵浦光经过准直聚焦透镜聚入Tm∶YAP晶体。全反镜M1双面镀795 nm增透膜，腔内面镀 2μm全反膜。Tm∶YAP晶体直径5 mm，长约 15 mm，掺杂浓度2%。晶体端面镀795 nm和2μm增透膜，用紫铜热沉通水冷却。M2镜腔内侧镀2μm部分透过膜，腔外侧镀2μm增透膜。

图3 激光二极管端面泵浦Tm∶YAP晶体实验装置

用L50A激光功率计测量激光输出功率，结果如图4所示。当泵浦功率为110 W时输出激光功率达到32 W，光光效率为29%。激光工作频率是10 kHz。用脉宽探头和示波器测量激光脉宽是64 ns。通过测量激光发散角和束腰直径，计算了输出激光的光束质量因子M2=3．2。

图4 基波功率与泵浦功率的关系

把声光调Q后产生的高重频2μm激光，入射到ZGP－OPO中，做中波光参量振荡实验。声光Q开关工作在10 kHz时，输出中波功率如图5所示。

图5 中波功率与基波功率的关系

当基波光功率31W时输出中波激光功率达到10．5W，光光转换效率为33．8%。测量了中波激光的光谱，如图6所示。可见中波参量光有两个峰值波长，分别位于3．45μm和4．8μm处。通过测量中波激光的发散角和束腰直径，计算了中波激光的光束质量因子M2=4．6。

图6 中波激光光谱

4 结论

用光纤耦合输出激光二极管端面泵浦Tm∶YAP晶体实现最高32 W的2μm激光输出，以此泵浦ZGP－OPO得到10．5 W中波激光输出。测量了中波激光光谱，峰值波长在3．45μm和4．8μm处。通过测量中波激光的束腰直径和发散角，计算了中波激光的光束质量，M2约是4．6。在实验中，当输出更高功率时，出现镜片膜面损伤问题，下一步工作将对激光器参数进行优化设计，降低高功率工作时膜面的损伤概率。

［1］ BIAN Jintian，NIE Jinsong，SUN Xiaoquan．Mid － infrared laser technology and its progress［J］．Infrared and Laser Engineering，2006，35(supplement):188 － 193．(in China)卞进田，聂劲松，孙晓泉．中红外激光技术及其进展［J］．红外与激光工程，2006，35(增刊):188 －193．

［2］ Kevin T Zawilski，et al．Increasing the laser － induced damage threshold of single － crystal ZnGeP2［J］．J．Opt Soc Am．B，2006，23(11):2310 －2316．

［3］ Lortscher JP，SteffenJ，et al．Dynamic stable resonators:a design procedure［J］．Opt Quantum Electron，1975，7:505．

［4］ G Ghosh．Sellmeiere coefficients for the birefringence and refractive indies of ZnGeP2nonlinear crystal at different temperatures ［J］．Applied Opt，1998，37(7):1205－1212．