光参量振荡固体激光器研究

张善春,张 鹏,李业秋,岱 钦

(沈阳理工大学 理学院,沈阳 110159)

随着激光技术在军事及民用领域的应用越来越广泛,人眼安全激光已成为激光器应用的重要方面,尤其在人口密集的地方使用激光器,更需要对人眼安全的激光。到目前为止，光参量振荡技术是获取人眼安全波段最有效的手段。利用光参量振荡器技术获得的1570nm激光具有大气红外窗口、对烟雾穿透能力强和人眼安全等独特优点，在激光预警、激光雷达、激光测距等应用领域倍受重视[1-4]。此外,利用光学参量振荡器调谐输出人眼安全波段激光还具有阈值低、转换效率高,重复频率高等特点,而且体积小,质量轻,可靠性高。与其它人眼安全激光器相比，可重复频率工作，能够满足在军事及其它领域上的应用[5-7]。

近几年，光参量振荡激光器成为国内外激光领域研究的热点。2003年，W.ZENDAIAN等人[8]采用被动调Q、Nd∶YAG泵浦KTP晶体方式，获得1.9mJ的1.57μm激光输出，峰值功率达650kW，光-光转换效率44%。2004年，美国PII公司[9]采用声光调Q方式实现了7.2W的1.536μm激光输出，OPO运转重复频率16kHz，光束质量因子M2<1.1，光-光转换效率为7.2%。2007年，天津大学激光与光电子研究所[10]采用侧面泵浦声光调Q、Nd:YAG/KTP光学参量振荡器结构实现了1.2W 1.572μm的信号激光输出，重复频率为4.3kHz，脉宽8ns。2008年，Liu等人[11]首次采用端面泵浦声光调Q、Nd:YAG/KTP结构，实现1.572μm的输出，功率为0.72W，重复频率为15kHz，峰值功率为7.7kW，光-光转换效率为10.4%。2009年，何京良等人[12]利用声光调Q Nd:YAG/KTP结构，当重复频率为18kHz时，获得了平均功率为13W，脉宽为5.46ns的1.53μm激光输出。2010年，Yang[13]采用二极管侧面泵浦声光调Q的Nd:YAG泵浦抗灰迹的KTP晶体，在重复频率为6kHz时，获得了9.94ns单脉冲能量和峰值功率分别为1.06mJ和107kW、最大平均功率为6.36W的1.57μm激光输出。

本文利用Ⅱ类非临界相位匹配KTP晶体和非稳腔OPO技术，实现1.57μm人眼安全波段激光。在腔镜曲率半径为2m条件下，分别测量输出镜透过率为50%和70%时的输出能量和脉宽。采用平凸非稳腔结构，着重研究在不同输出镜透过率下的输出能量以及脉宽的变化，通过对比获得最佳透过率。

1 实验装置

图1为1570nm激光器装置图。

图1 1570nm激光器结构示意图

图1所示，沿光传播方向上依次放置1064nm全反镜、电光调Q晶体、1/4波片、偏振片、激光棒、1570nm全反镜、KTP晶体、1570nm输出镜以及滤光镜。其中M1镜是曲率半径为2m的凹镜、镀1064nm全反膜；电光调Q晶体采用加压模式；偏振片的消光比为3000:1；Nd:YAG激光棒尺寸为φ8mm120mm，棒两端磨成平行双圆面，两端面镀1064nm增透膜；M2为曲率半径2m的凸镜，镀1064nm增透膜和1570nm全反膜；KTP晶体采用Ⅱ类非临界相位匹配，两端面镀1064nm和1570nm增透膜，晶体尺寸为8mm8mm20mm；输出镜M3镀1570nm增透膜以及1064nm全反膜；M4为滤光镜，滤去非1570nm光。为了防止热效应对晶体的损伤，对Nd∶YAG激光棒和KTP晶体采用循环水冷却。1064nm光在M1和M3之间振荡。1570nm光在M2和M3之间振荡。基频光谐振腔长为720mm，OPO谐振腔长为80mm。

2 实验测试与结果

在M1和M2镜之间加入1064nm输出镜，调节激光器光路，缓慢增加泵浦电压，当泵浦电压为800V时，微调M1和1064nm输出镜使输出的1064nm光斑处于最佳状态。然后移除1064nm输出镜以及挡板，使1064nm光通过KTP晶体，微调M1、M2和M3镜，调出1570nm光使其光斑模式较好。

重复频率为1Hz、M2镜的曲率半径为2m时，缓慢增加泵浦电压，用相干公司的型号为J-50MB-YAG的能量计分别测量M3输出镜透过率为50%、70%的输出能量。

OPO阈值条件为[14]

(1)

式中：L表示谐振腔腔长；Pn为阈值处信号波能量；α为晶体对信号光的吸收系数；l为腔内非线性晶体的长度；2αl表示腔内往返损耗；R为光学参量振荡器腔的输出镜对信号光的反射率；tp为泵浦长度；c为真空中光速；γ为泵浦强度比；leff为晶体有效长度；gs为模耦合系数；k为耦合常量。

根据公式(1)，当输出镜透过率太大时腔内往返损耗2αl增大，导致腔总损耗增大，进而导致阈值升高，因此采用高透过率输出镜时，OPO的阈值较高，采用低透过滤输出镜时，OPO的阈值较低。

图2为不同透过率下输出能量与泵浦电压的关系图。

图2 不同透过率下输出能量与泵浦电压的关系

由图2可以看出，T=70%时阈值比T=50%阈值要稍微偏高，这与式(1)阈值公式相符合。从图2还可以看出，输出镜透过率为70%时的能量曲线斜率比透过率为50%时的能量曲线斜率高，这可能是因为高透过率有利于1570nm光的输出，有效的阻碍了逆转换效率的发生，透过率为70%时最大输出能量为35mJ。

采用DET08CFC型光电探测器和300MHz泰克存储示波器记录光参量振荡波形，在泵浦电压为800V时分别测量了T=50%和T=70%时的1570nm激光脉宽，如图3所示。

图3 输出激光脉冲波形图

由激光调Q理论，激光的输出脉宽为[15]

(2)

式中：△t为输出激光脉冲宽度；T为输出镜的透过率；D为谐振腔除透射损耗之外的其他损耗；d为谐振腔的腔长；ni、nt、nf分别为初始、阈值和最终反转粒子数；c为真空中的光速。

由式(2)可知，在其它条件不变的情况下，输出激光脉宽与透过率成线性关系，透过率越大其输出脉冲宽度越窄。

由图3可以看出，输出镜透过率为50%时，输出激光脉宽为2.1ns；输出镜透过率为70%时，输出激光脉宽为1.5ns。输出镜透过率为70%时比透过率为50%时输出脉冲宽度较窄，脉冲波型轮廓较好，这与理论相符合。

3 结论

在腔镜曲率半径为2m条件下，分别测量了不同透过率输出镜时的脉冲激光输出能量以及脉宽。通过对比分析得到输出镜透过率为70%时比透过率为50%时获得的脉冲激光能量大、脉冲宽度窄，可以获得最大输出能量35mJ、脉冲宽度1.5ns的人眼安全波段的脉冲激光输出。

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