1.57 μm内腔式KTP光学参量振荡器

钟 艳,韩克祯,何京良

(1.山东英才学院机械制造及自动化工程学院,山东 济南 250104;2.山东理工大学理学院,山东 淄博 255049;3.山东大学晶体材料研究所,山东 济南 250100)

·激光器技术·

1.57 μm内腔式KTP光学参量振荡器

钟 艳1,韩克祯2,何京良3

(1.山东英才学院机械制造及自动化工程学院,山东 济南 250104;2.山东理工大学理学院,山东 淄博 255049;3.山东大学晶体材料研究所,山东 济南 250100)

为了获得1.57 μm人眼安全激光输出,采用了一种声光调Q激光二极管(LD)端面抽运的Nd∶GdVO4全固态激光器作为抽运源的人眼安全波长内腔式KTP光学参量振荡器,获得1.57 μm人眼安全激光输出。在注入泵浦功率为6.33 W,重复频率为15 kHz时,1.57 μm激光平均输出功率达到405 mW,此时由二极管注入泵浦光至OPO信号光输出功率的转换效率达6.4%；在重复频率为5 kHz时,其脉冲宽度约为2 ns,峰值功率达18.9 kW。在重复频率为15 kHz时,信号光脉冲宽度比消耗后的泵浦光脉冲宽度压缩了13.6倍,比泵浦光脉冲压缩了16倍。实验发现1.57 μm的OPO信号光输出功率随脉冲重复频率的增加而有效地增加,此类光参量振荡器有效地压缩了激光脉冲。

激光技术；光参量振荡器(OPO)；人眼安全波长；全固态激光器

1 引 言

高重复频率、高峰值功率1.5～1.6 μm波段的人眼安全激光光源在大气污染遥测、激光水下通讯、相干激光雷达、人眼安全测距及成像等民用及军事领域都有重要应用[1-2]。目前主要有铒玻璃激光器技术、拉曼频移激光器技术和光学参量振荡技术(OPO技术)等获得人眼安全激光的方法,其中,通过OPO技术获得人眼安全激光输出因具有阈值低、转换效率高、体积小、全固态化、可重复频率工作等特点成为获得人眼安全波长激光输出的最有效方法[3-4]。近年来,随着高阈值的非线性光学晶体的不断出现,以LD泵浦的全固态激光器作为抽运源的光学参量振荡器(OPO)成为激光技术研究领域中的热点之一。LD泵浦的内腔式光学参量振荡器(IOPO)因为其相对于外腔式光学参量振荡器(EOPO)具有阈值低、重复频率高、转换效率高等优点而备受关注。过去的许多全固态IOPO实验中,采用Nd∶YAG和Nd∶YVO4作为激光介质的居多[1-2,4-7],此前我们也曾利用LD泵浦的Nd∶YVO4全固态激光器作为泵浦源,成功实现了IOPO的运转[8]。近年来很多实验证明,相比于Nd∶YAG和Nd∶YVO4晶体,Nd∶GdVO4是另一种更有潜质的适用于全固态激光器的激光晶体,尽管如此,LD泵浦的Nd∶GdVO4激光器抽运实现IOPO运转获得人眼安全激光光源的实验研究却很少有人报道。本文利用Nd∶GdVO4作为激光晶体,以KTP作为非线性晶体,实现了1.57 μm人眼安全波长激光输出。实验中,在重复频率由5～15 kHz的变化过程中,信号光脉宽为2～3 ns,在注入泵浦功率为6.33 W,重复频率为15 kHz时,其平均输出功率达到405 mW,此时由二极管注入泵浦光至OPO信号光输出功率的转换效率达6.4%；在重复频率为5 kHz时,其脉冲宽度约为2 ns,峰值功率达18.9 kW。在重复频率为15 kHz时,信号光脉冲宽度比消耗后的泵浦光脉冲宽度压缩了13.6倍,比泵浦光脉冲压缩了16倍。

2 实验研究

2.1 晶体的选择

在过去的许多全固态内腔式OPO实验中,Nd∶YAG和Nd∶YVO4常被用作激光介质,当Nd∶YAG被作为激光晶体时,因Nd∶YAG晶体具有各向同性,实验中会出现热双折射现象,为了提高参量转换效率,必须在腔中插入法拉第旋转体或1/4波片等偏振元件,而这势必会增加腔内损耗。因Nd∶YVO4与Nd∶YAG晶体相比具有高吸收截面、宽吸收带宽、易产生偏振光输出等特点,可避免热双折射现象,是LD泵浦的理想增益介质。而Nd∶GdVO4与Nd∶YVO4是同晶型的激光晶体,激光性能基本相似。Nd∶GdVO4晶体因具有沿〈110〉方向的热导率高于Nd∶YVO4以及在1064 nm的发射截面大于Nd∶YAG,吸收截面大于Nd∶YVO4晶体等优点,被认为是LD端面泵浦高功率激光器较为理想的工作物质[9]。基于以上分析,实验中我们以Nd∶GdVO4作为激光晶体,KTP作为非线性晶体来研究IOPO的特性。KTP晶体因具有损伤阈值高、耐潮解、有效非线性系数大以及易于抛光、镀膜和生长成较大尺寸、透明范围宽等诸多优点,是实现非临界相位匹配,获得1.57 μm激光的理想晶体[10]。实验中KTP晶体采用II类非临界相位匹配,以增大其有效非线性系数,并有效地消除泵浦光、信号光及闲频光束之间的走离,泵浦光、信号光及闲频光的波长分别为1.06 μm、1.57 μm、3.29 μm。

2.2 实验装置

实验采用平凹直腔结构。实验装置如图1所示,泵浦源系Coherent.Inc.公司生产的带光纤耦合输出半导体激光器,室温下它的中心发射波长是808 nm,最大输出功率8 W。输入镜M是曲率半径为200 mm的平凹镜,平面镀膜AR@ 808 nm,凹面镀膜HR@ 1064 nm&HT @808 nm,输出镜M2为平镜,镀膜HR @ 1064 nm&T=30%@1572 nm,M1朝向OPO谐振腔的一面镀膜HR@1572 nm &HT@1064 nm,另一面镀AR@ 1064 nm。M与M2组成1064谐振腔,腔长为115 mm。M1与M2构成OPO谐振腔,腔长为30 mm。将Nd∶GdVO4晶体(1.3at.%,α-cut,3×3×4mm3,两面镀膜AR@ 1064 nm/808 nm)和KTP晶体(长20 mm,两面镀膜AR@ 1064 nm /1572 nm)侧面用铟箔包裹装在带有水循环冷却的紫铜块内,水温保持25 ℃。声光Q开关的超声频率为40 MHz,衍射损耗85%,调制频率1～50 kHz连续可调,工作波长1064 nm。

图1 LD泵浦的声光调Q Nd∶GdVO4激光器抽运的IOPO实验装置示意图

3 实验结果与分析

考虑到泵浦激光器的最大泵浦功率为8 W,并考虑到OPO对功率密度的要求,实验中分别在脉冲重复频率为5 kHz、8 kHz、10 kHz、12 kHz、15kHz下测得1.57 μm波长激光平均输出功率,平均输出功率随泵浦光功率的变化曲线如图2所示。在同一脉冲重复频率下,信号光的平均输出功率随着泵浦功率的增大而增大；在同一泵浦功率下,信号光的平均输出功率随着脉冲重复频率的增加而有效地增加。

图2 不同脉冲重复频率下,1.57 μm波长激光平均输出功率随泵浦光功率的变化曲线

在注入泵浦功率为6.33 W,重复频率为5 kHz时,信号光平均输出功率为189 mW,重复频率为15 kHz时,其平均输出功率可达405 mW,由二极管注入泵浦光至OPO信号光输出功率的转换效率为6.4%。图3给出了泵浦功率为6.33 W,重复频率为5 kHz时,输出信号光的瞬时波形,图中信号光脉冲宽度约为2 ns。此时信号光峰值功率可达18.9 kW,在重复频率为15 kHz时,测得信号光脉冲与消耗后泵浦光脉冲的瞬时波形如图4所示。消耗后的泵浦光脉冲宽度为34 ns,信号光脉宽约为2.5 ns,此时,对输出镜进行微调,使泵浦光、信号光、闲频光不再匹配,测得1064 nm的瞬时波形,如图5所示,泵浦光脉冲宽度为40 ns。图中信号光脉冲宽度比消耗后泵浦光脉冲宽度压缩了13.6倍,比泵浦光脉宽压缩了16倍,可见此类光参量振荡器有效的压缩了激光脉冲。分析此类光参量振荡器有效压缩激光脉冲的原因,除了与Nd∶GdVO4在808 nm附近具有宽吸收带、高吸收系数、较长的上能级寿命、较大的发射截面以及较高的热导率等诸多优异特性有关,还和IOPO中Q开关的重复频率以及输出镜的透过率有关。在激光器抽运初期,由于声光电源产生的高频振荡信号的作用,Q开关“关断”,此时谐振腔处于低Q值状态,不能形成激光振荡；当高频信号的作用突然停止,谐振腔又变为高Q值状态,Q开关“打开”,在Q值突变之前激光器处于高阈值状态,反转粒子数不断积累,增大了工作物质的初始反转粒子数密度,从而达到增强峰值功率,压缩激光脉宽的目的。

图3 泵浦功率为6.33 W,重复频率为5 kHz时,输出的信号光的波形

图4 输出镜透过率为30%条件下,信号光与消耗后泵浦光的瞬时波形

图5 图4同条件下,得到的1064 nm的瞬时波形

图4为信号光与消耗后泵浦光的瞬时波形,信号光脉冲峰值恰好出现在泵浦光脉冲下降沿的斜率最大处,当泵浦能量超过OPO阈值,出现泵浦光向信号光迅速的能量转移的光参量过程,而泵浦能量迅速倒空直至低于OPO阈值,泵浦光束的能量从开始消耗到完全耗尽的速度非常快,如果泵浦能量能在一个脉冲内完全耗尽,就会获得单一OPO脉冲信号。如果在输出一个信号光脉冲之后,剩余的能量仍然达到了参量振荡的阈值,就会有小的信号光脉冲产生。图4中出现了两个信号光脉冲。通过对Q开关的重复频率以及输出镜的透过率进行优化可以消除附属脉冲[11-13]。泵浦光经KTP后主要输出信号光和闲频光,但在KTP中仍有其他的混频现象产生。实验中会观察到由泵浦光的二次谐波产生的532 nm 的绿光。

4 结 论

报道了一种声光调Q激光二极管(LD)端面抽运的Nd∶GdVO4全固态激光器作为抽运源的人眼安全波长内腔式KTP光学参量振荡器。通过实验发现1.57 μm的OPO信号光输出功率随脉冲重复频率的增加而有效的增加,在重复频率为15 kHz时,消耗后的泵浦光脉冲宽度为34 ns,信号光脉宽约为2.5 ns,此时测得1064 nm的脉冲宽度为40 ns,信号光脉冲宽度比消耗后的泵浦光脉冲宽度压缩了13.6倍,比泵浦光脉冲压缩了16倍,此类光参量振荡器有效的压缩了激光脉冲。

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1.57 μm intracavity KTP optical parametric oscillator

ZHONG Yan1,HAN Ke-zhen2,HE Jing-liang3

(1.Department of Mechanical Manufacturing and Automation Engineering,Shandong Yingcai University,Ji′nan 250104,China;2.School of Science,Shandong University of Technology,Zibo,255049,China;3.State Key Laboratory of Crystal Materials,Shandong University,Ji′nan 250100,China)

In order to obtain 1.57μm eye safety laser output,an efficient intracavity optical parametric oscillator based on a KTP crystal inside an Q-switched Nd∶GdVO4laser end pumped by a fiber-coupled diode laser is adopted.In the acousto-optic Q-switched operation with the pulse repetition rate of 15kHz,the average power of 1.57μm eye-safe laser is 405mW at the incident pump power of 6.33W,and the conversion efficiency of the average power is 6.4% from pump diode to OPO signal output.Under the pulse repetition rate of 5 kHz,the pulse width of 2 ns and peak power of 18.9 kW is achieved.The signal pulse duration is about 13.6 times shorter than that of the depleted pump light and it is about 16 times shorter than that of the pump light at a pulse repetition rate of 15 kHz.The experimental results show that the average power of 1.57μm OPO signal output increases effectively with the increase of pulse repetition frequency.This kind of optical parametric oscillator compresses the laser pulse effectively.

laser technique；optical parametric oscillator；eye-safe wavelength；diode pumped solid state laser

钟 艳(1980-)，女，硕士，讲师,主要从事全固态激光技术与器件的研究。E-mail:zhongyan8311@126.com

2014-10-28

1001-5078(2015)07-0782-04

TN248.1

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.010