光纤激光泵浦周期极化晶体双波段激光器

沈兆国，董 涛，孟冬冬，马俊岭，唐刚锋，羊 毅

（中航工业洛阳电光设备研究所，河南 洛阳471009）

引言

随着现代作战模式变换，在攻击对方武器同时要求保护自身目标，由于新一代制导导弹具有极高精度、超远距、发射后不管等鲜明特点，纷纷被各军事大国装备，在战争中威胁极大，特别某些大型军事作战设备由于自身的特点更易成为这类导弹的袭击目标，对付其最有效的方法就是激光定向干扰系统。该类型系统利用高功率红外激光光源，使红外辐射光能量集中在导弹到达的小立体角内，并把告警装置系统和干扰装置系统一体化，使干扰光束能够及时准确地指向红外制导导弹的红外导引头内探测器，干扰、破坏甚至摧毁红外导引头上的探测器和电路，使导弹丢失目标，从而防护己方作战设备。该系统核心组成部分是红外激光器，其性能直接影响作战效果，为了实现对1μm～3μm和3μm～5μm 2种类型探测器有效干扰，要求激光器也相应双波段输出。目前主要通过光参量振荡器利用晶体差频变换，实现大于1μm激光输出，对于3μm～5μm激光器，主要利用红外激光泵浦非线性周期极化晶体（例如，周期极化钽酸锂PPLT，周期极化铌酸锂PPLN）和磷锗锌（ZGP）［1－3］，国内相关研究单位均采用这2种技术途径实现高功率输出，由于前者采用1μm激光泵浦，后者采用2μm激光泵浦，目前1μm激光种子源相对容易获得，因此文中采用第一种技术途径。1μm激光激光器主要有灯泵激光器、半导体泵浦激光器、光纤激光器，灯泵激光器转化效率较低，半导体泵浦大功率激光器输出光束质量较差，同时灯泵激光器和半导体泵浦激光器体积较大，而光纤激光器具有光束质量好、寿命长、转换效率高、体积小、易集成等优点，非常适用于泵浦光参量振荡器［4－7］。采用高重频高功率光纤激光器泵浦基于周期极化晶体的光参量振荡器，可以利用光纤激光器自由偏振输出特性，通过外加起偏器，实现双光束激光输出，泵浦2个光参量振荡器，实现双波段激光输出。

1 试验装置

通过高重频高功率光纤激光器泵浦周期极化晶体，的光参量振荡器，实现频率变换获得多波段激光输出，试验装置如图1所示，利用光纤激光器自由偏振输出特性，通过外加起偏器，实现双光束激光输出，泵浦2个光参量振荡器，实现双波段激光输出。其中M1为偏振片，M2为光隔离器，M3为1／2波片，M4为聚焦透镜，M5为全反镜，M6为周期极化晶体，M7为输出镜，M8为折转镜，M9为光隔离器，M10为45°全反镜，M11为1／2波片，M12为聚焦透镜，M13为全反镜，M14为周期极化晶体，M15为输出镜，M16为准直镜，M17为和束镜。

图1 试验装置图Fig.1 Laser experiment setup

1.1 光纤激光器组成及参数

光纤激光器主要由脉冲种子源、预放大器、主放大级和耦合等组成。结构组成框图如图2所示。

图2 光纤激光器组成图Fig.2 Fiber laser setup

其中，激光脉冲种子源在窄脉冲驱动器作用下产生小信号脉冲种子激光（mW级），为后续预放大级提供信号光。该种子源能够具备激光脉冲宽度可控、输出频率可调、信号功率可变等功能，因此，可以控制整个光纤激光器输出满足后续系统要求的激光脉宽和重复频率的激光。脉冲种子源信号光经过耦合器件（光隔离器和光束整形透镜组，光隔离器防止预放大级光返回损坏种子源部分光学器件，光束整形透镜组对信号光进行变换，满足预放大级光束匹配），激光预放大器可以将低能量、低功率的种子信号光进行能量和功率预先放大，得到相对较大能量和较高功率的信号光（W级），同时控制脉冲质量。预放大级输出光经过耦合器件（光隔离器和光束整形透镜组，光隔离器防止主放大级光返回损坏预放大级部分光学器件，光束整形透镜组对信号光进行变换，满足预放大级光束模式匹配），功率主放大级可以进一步提升脉冲激光的能量和功率，经过输出耦合器件（隔离器和准直器），达到光纤激光器总体要求的技术指标。另外光纤激光器还有级间连接元件（模场适配器、滤波器等）用来实现控制激光输出参数、稳定性、滤除噪声及减小损耗等功能。最终该光纤激光器输出参数为功率50W，频率50kHz，光斑大小3mm，发散角小于2mrad，M平方因子小于2，脉宽140ns。

1.2 光参量振荡器装置

光参量振荡器是一种利用非线性晶体的混频特性实现光学频率变换的器件，同时它又是波长可调谐的相干光源［8］。目前光参量振荡器利用周期极化晶体产生1μm～3μm和3μm～5μm波段激光是较佳方式，常用的周期极化晶体为周期极化钽酸锂（PPLT）和周期极化铌酸锂（PPLN），PPLT抗损伤阈值较高，但转化效率较低，PPLN转化效率较高，但损伤阈值较低，通常掺杂部分氧化镁以增加损伤阈值，由于1.06μm泵浦周期极化晶体转化为2μm波段转化效率明显高于3.9μm，同时考虑PPLT比PPLN转化效率偏高，试验中产生2μm波段激光采用PPLT，产生3.9μm波段激光采用PPLN。采用1.06μm光纤激光器产生基频光，经过起偏器，分为2束，一束通过耦合器进入光参量振荡器周期极化晶体PPLN内，产生1.46μm信号光，信号光在腔镜的反馈下开始振荡，与入射的1.06μm泵浦光在PPLN内发生差频作用，产生3.9μm闲置光，闲置光工作重复频率与基频光工作频率一致。由于信号光随着温度会逐渐变化（如图3所示），为了实现稳定的3.9μm闲置光输出，温度控制在140℃左右。另一束耦合器进入光参量振荡器周期极化晶体PPLT内，产生2μm信号光，信号光在腔镜的反馈下开始振荡，与入射的1.06μm泵浦光在PPLT内发生差频作用产生2μm闲置光，闲置光工作重复频率与基频光工作频率一致，温度控制在160℃左右。

图3 信号光与温度的关系Fig.3 Relation between signal light and temperature

由图1可知，光纤激光器输出激光器经过M1偏振片一分为二，其中一束P偏振，一束S偏振，P偏振经过M2光隔离器，M3二分之一波片，M4聚焦透镜（平凸曲率200mm），进入3.9μm光参量振荡器（由M5全反镜，M7输出镜，周期极化晶体PPLN组成），M5全反镜镀膜为1.06μm高透，1.4μm～1.6μm和3.7μm～4.0μm 激光全反，M7输出镜镀膜为1.06μm、1.4μm～1.6μm全反、3.7μm～4.0μm激光增透，周期极化晶体PPLN为1.06μm、1.4μm～1.6μm、3.7μm～4.0μm激光增透。S偏振经过M9光隔离器，M10 45°全反镜，M11二分之一波片，M12聚焦透镜（平凸曲率200mm），进入2μm光参量振荡器，它由M13全反镜，M15输出镜，周期极化晶体PPLT组成，M13全反镜镀膜为1.06μm高透，2.0μm激光全反，M15输出镜镀膜为1.06μm、2.0μm 激光增透，周期极化晶体PPLT为1.06μm、2μm激光增透。M6周期极化晶体PPLN周期极化数29μm，厚度1mm，长度50mm，温控设置温度140℃左右，M13周期极化晶体PPLT周期极化数32μm，厚度1mm，长度40mm。通过聚焦泵浦PPLN产生3.9μm激光，发散角比较大，需要整形，利用M8反射聚焦镜（一面镀膜为3.9μm 45°全反，2.0μm 45°增透；另一面镀膜为2.0μm 45°增透，曲率为－800mm），得到一定改善，与另一束泵浦PPLT产生2μm的激光（通过200mm平凸透镜整形），经过M17（一面镀膜为）合成光轴一致激光输出。

2 试验结果及分析

光纤激光器输出1.06μm激光经过起偏器，分为2束激光，经过周期极化频率变换技术实现2.0μm和3.9μm双波段激光输出。在电源输入电流60A，调Q驱动频率50kHz的条件下，获得2μm激光，最高输出功率为7.5W和3.9μm激光，最高输出功率为4.2W，差频转化效率为39.5%。双波段输出功率与输入电流关系如图4所示。由图4可以看出，随着注入电流增大，双波段输出功率增大。在试验中除了人眼不可见的1.06μm泵浦光、2.0μm信号光和3.9μm激光外，还能观察到绿光、红光以及黄光等可见光波段激光，主要由晶体倍频、和频等激光非线性作用产生。为了防止这些杂散激光反馈到光参量振荡器前光学系统，基频光和光参量振荡器之间可以添加一45°双色镜（45°1.06μm 激光增透，45°可见光反射），从而保证返回的可见光经过该镜反射到腔外。

图4 2μm和3.9μm输出功率与注入电压关系Fig.4 Relation between output power and input current of 2μm and 3.9μm lasers

3 总结

通过光纤激光器，获得高功率、高重频、高光束质量、窄脉冲的1.06μm激光输出，经过起偏器分成2束正交偏振激光，采用1／2波片，旋转成偏振态一致的1.06μm基频光，利用基于PPLN和PPLT差频变换构成的光参量振荡器，实现2.0μm和3.9μm双波段高功率激光输出。在电源输入电流60A，调Q驱动频率50kHz的条件下，2μm激光最高输出功率为7.5W和3.9μm激光最高输出功率为4.2W，差频转化效率为39.5%，满足系统试验室应用要求。由于双波段输出功率较高，为下一步相关多波段技术研究及工程应用奠定基础。

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