500 mJ输出人眼安全环形腔KTP－OPO激光器

穆 宇，包照日格图

(华北光电技术研究所，北京100015)

1 引言

自从20世纪80年代末非线性晶体的飞跃发展以来，由于参量振荡技术可较为方便地将基波波长频率变换到人眼安全波段或中远红外波段，成为国际激光学术领域的研究热潮之一。其中采用KTP－OPO方式实现人眼安全激光的研究，因为有明确的应用方向及成熟的泵浦光源，是大家追逐的热点。Rines［1］等人首次报道了输出能量450 m J、波长1571 nm、转换效率41%的大能量人眼安全 OPO激光器。Webb［2］等人采用环形腔KTA－OPO方式，实现了输出能量330 mJ、重复频率100 Hz、转换效率35%的人眼安全激光器。Foltynowicz［3］等人采用单模灯泵 Nd ∶YAG 激光器泵浦的 KTA－OPO，实现了 243 m J、M2=15的1533 nm人眼安全激光。本文提出了一种新颖的实验方案，即双棱镜自准直环形腔KTP－OPO，实现了输出能量达到500 mJ、装换效率50%的大能量1570 nm人眼安全激光。

2 实验

产生人眼安全激光的方法很多，基本概括为以下三种:①通过激光晶体直接实现人眼安全激光输出。②通过拉曼效应进行频率变换，将基波转换到人眼安全波段。③采用参量振荡技术，将基波转换到人眼安全波段。由于符合前两种方法的激光晶体较少、且转换效率偏低，一般情况下都采用参量振荡技术，实现波长的转换。本文采用1064 nm激光泵浦的非临界相位匹配的单谐振KTP－OPO方案，通过特殊的环形腔结构，实现了高效率大能量的人眼安全激光。

环形腔KTP－OPO的泵浦源为美国continuum公司的GCR270系列灯泵浦Q开关Nd∶YAG固体激光器，输出波长1064 nm、脉冲宽度7 ns、重复频率30 Hz、最大输出能量1．2 J。OPO谐振腔采用了双棱镜自准直单共振环形谐振腔，行波腔相对于驻波腔有以下优点:①在驻波腔中光来回振荡传播，而晶体只对一个方向满足相位匹配，这就意味着驻波腔的有效腔长要比行波腔长。而在其他参数相同的情况下，腔长过大会导致效率下降。②驻波腔中来回振荡的光很容易被反馈到抽运光源里，从而干扰甚至损坏抽运光源，而在行波腔中则不存在这个问题。

图1为环形腔KTP－OPO的实验光路图S1为45°入射分光镜，膜系为1064 nm HR、1570 nm AR。S2为45°入射分光镜，膜系为1064 nm HR、1570 nm OC(R=30%)。S3为 45°入射分光镜，膜系为1064 nm AR、1570 nm HR。KTP晶体的切割方向为X方向，匹配角为 R=90°，φ =0°，尺寸为 10 m ×10 mm×20 mm。1064 nm泵浦光入射到分光镜S1，经45°反射后经过KTP晶体及BK7棱镜，入射到分光镜S2实现1064 nm激光耦合输出，再经分光镜S3分光后实现1570 nm单波长输出。

图1 环形腔KTP－OPO实验光路图Fig．1 OPO schematic

3 实验结果

图2是OPO输出能量与泵浦能量间的关系曲线，泵浦光的光斑直径为9 mm、脉冲宽度10 ns，1570 nm激光的振荡阈值大约400 mJ(60 MW/cm2)，最大输出量约535 mJ(此时基波的功率密度为150 MW/cm2)，最大转换效率(泵浦光－信号光)处的功率密度为振荡阈值的2．5倍左右。

图2 OPO输出能量与泵浦能量间的实验曲线Fig．2 OPO output energy vs incident energy

图3 是OPO转换效率与泵浦能量间的关系曲线，转换效率随着注入功率的增大逐渐趋于饱和，最大效率约53%。饱和的原因为当OPO谐振腔内泵浦光功率密度过大时，将会导致信号光和空闲光复合还原成泵浦光的逆过程，转换效率下降。

图3 OPO转换效率与注入能量的关系Fig．3 OPO efficiency vs incidfent energy

1570 nm的光束质量的判定采用套孔法来测量激光的自然发散角，具体的方法为将一个焦距为1m的平凸透镜放在输出激光的光路上，通过测量透过光栏的能量为无光栏时的86%的光栏直径，精确判定激光的光束角。通过套孔法我们得到的1570 nm激光的光束角为3．5 mrad。光束质量之所以不如基波，与OPO谐振腔的腔长、非线性晶体的热效应有关，可以利用对非线性晶体的温度控制或冷却的方法降低非线性晶体的热透镜效应，提高OPO的光束质量。

4 结论

本文通过分析驻波腔和行波腔的特点分析，提出了一种双棱镜自准直单共振环形谐振腔方案。实验证明，棱镜腔OPO成功实现了非常高的转换效率，泵浦光到信号光的效率达到53%。OPO的振荡阈值大约60 MW/cm2，最大输出能量达到500 mJ，随着注入能量的增加还会有所增加，但考虑到非线性晶体的抗激光损伤能力，没有继续加大注入能量。可以见到行波谐振腔对参量效率的提升较为明显，为今后大能量人眼安全激光的实际应用奠定了技术基础。

［1］ G A Rines，D G Rines，P F Moulton．OSA proceedings series［J］．Advanced Solid State Lasers，1994(20):461 －463．

［2］ M SWebb，P FMoulton，JJKasinski，et al．High － average － power KTiOAsO4optical parametric oscillator［J］．Opt．Lett．，1998，23(5):1161 －1163．

［3］ R JFoltyno?wicz，M D Wojcik．Demonstration of a high output power 1533 nm optical parametric oscillator pumped at1064 nm［J］．Proc．SPIE，2010，7838:783815．