中紅外磷鍺鋅光參量振蕩器實驗研究

何利杰，侯天禹，魏 磊，韓 隆，王克強

(固體激光技術重點實驗室，北京100015)

1 引言

3～5μm中波激光源在紅外干擾武器系統中有重要應用。此波段激光源包括自由電子激光器、氣體激光器、化學激光器和光學參量振蕩器(OPO)等［1］。隨著各種新型、優異的非線性晶體的研制成功，中波紅外光學參量振蕩器逐漸成為國內外研究的熱點。磷鍺鋅(ZnGeP2)晶體，簡稱ZGP，因其具有高非線性系數(75 pm/V)、寬的透明波段(0．7～12 μm)、高導熱率(0．36 W/(cm·K))和較高的損傷閾值(10 J/cm2)［2］成為高功率中紅外光參量振蕩器首選的工作物質。

泵浦ZGP－OPO一般需要波長2μm的激光源。產生2μm激光的主要技術途徑有:1064 nm激光泵浦KTP－OPO技術、摻雜Tm3+激光晶體直接輸出和摻雜Ho3+激光晶體直接輸出等。近年來，摻雜Tm3+、Ho3+晶體直接輸出2μm激光技術途徑發展迅速，KTP－OPO的途徑因為輸出光束質量差，結構復雜而逐漸被淘汰。摻雜Ho3+的激光晶體吸收譜峰值在1．9μm處，目前還不能用LD直接泵浦。摻雜Tm3+的激光晶體在800 nm附近有吸收峰，適合商用激光二極管泵浦。因此，LD泵浦摻雜Tm3+激光晶體成為2μm激光源的主要途徑之一。

本文報道了采用波長795 nm，最高輸出功率110 W的光纖耦合輸出激光二極管端面泵浦Tm∶YAP晶體，泵浦功率110W時獲得32W的2μm激光輸出。以此泵浦Ⅰ類相位匹配的雙諧振ZGP光參量振蕩器，最高得到10．5W中波激光輸出。

2 方案設計

2．1 基波諧振腔的計算

泵浦源采用光纖耦合輸出的激光二極管，泵浦光需要用準直聚焦透鏡聚焦到激光晶體端面。端面泵浦的固體激光器，激光介質的熱效應十分嚴重。在高功率端面泵浦激光器中，激光介質的熱焦距可達到厘米級，短的熱焦距會改變空諧振腔的結構，顯著影響激光器的輸出功率和輸出光束質量。在設計諧振腔之前，必須了解激光介質熱焦距與泵浦功率之間的關系。先用諧振腔穩定性法測量了激光二極管端面泵浦Tm∶YAP晶體熱焦距與其吸收的泵浦光功率的關系。諧振腔穩定性法是一種非常簡便、易于操作的熱透鏡測量方法，但是由于測量時諧振腔內無激光振蕩，這使得熱焦距的測量值比實際有激光輸出時要小。實驗測得的結果是:

式中，ft是Tm∶YAP晶體吸收泵浦光功率時的熱焦距。再根據泵浦光到基波激光的轉換效率和基波激光到中波參量光的轉換效率，可以估算出輸出10 W中波激光時Tm∶YAP晶體的熱焦距約為60 mm。在此基礎上根據熱穩腔的設計流程［3］設計了基波的諧振腔。數值計算了所設計諧振腔腔內基模高斯光束束寬隨熱透鏡焦距的變化規律，如圖1所示。

圖1 基模高斯光束束寬

圖中橫坐標是熱透鏡光焦度，單位是1/mm，縱坐標是基模高斯光束的半徑，單位是mm。三條曲線分別代表全反鏡、輸出鏡和熱透鏡上基模高斯光束的半徑。從圖上可以看出熱透鏡焦距從無窮大到60 mm諧振腔都能穩定振蕩，并且基模高斯光束束寬在熱透鏡焦距大幅變化時基本不變，諧振腔具有熱穩定性。

2．2 ZGP晶體相位匹配角的計算

光參量振蕩器采用ZGP晶體作為非線性晶體，ZGP 的 Sellmeier色散方程為［4］:

再根據光參量過程的能量守恒定律和動量守恒定律:

可以得到2μm激光泵浦ZGP－OPO時的相位匹配曲線，Ⅰ類相位匹配曲線如圖2所示。

圖2 ZGP晶體相位匹配曲線

圖中橫坐標是ZGP晶體切割角度，單位是度，縱坐標是參量光波長，單位是μm。由圖可知，2μm激光泵浦ZGPⅠ類相位匹配的光參量振蕩器，通過角度調諧，可以得到3～5μm波段激光輸出。而Ⅱ類相位匹配時，經過計算，在3～5μm處沒有對應的切割角度，得不到中波激光輸出。因此要獲得3～5μm的中波激光輸出，應選擇Ⅰ類相位匹配的ZGP－OPO。ZGP的切割角度從圖上可以看出約是58．3°。

3 實驗裝置與實驗結果

基波的實驗裝置如圖3所示。

泵浦源采用光纖耦合輸出波長約795 nm的激光二極管，最大輸出功率為110 W，光纖纖芯直徑為400μm，數值孔徑0．22。光纖輸出的泵浦光經過準直聚焦透鏡聚入Tm∶YAP晶體。全反鏡M1雙面鍍795 nm增透膜，腔內面鍍 2μm全反膜。Tm∶YAP晶體直徑5 mm，長約 15 mm，摻雜濃度2%。晶體端面鍍795 nm和2μm增透膜，用紫銅熱沉通水冷卻。M2鏡腔內側鍍2μm部分透過膜，腔外側鍍2μm增透膜。

圖3 激光二極管端面泵浦Tm∶YAP晶體實驗裝置

用L50A激光功率計測量激光輸出功率，結果如圖4所示。當泵浦功率為110 W時輸出激光功率達到32 W，光光效率為29%。激光工作頻率是10 kHz。用脈寬探頭和示波器測量激光脈寬是64 ns。通過測量激光發散角和束腰直徑，計算了輸出激光的光束質量因子M2=3．2。

圖4 基波功率與泵浦功率的關系

把聲光調Q后產生的高重頻2μm激光，入射到ZGP－OPO中，做中波光參量振蕩實驗。聲光Q開關工作在10 kHz時，輸出中波功率如圖5所示。

圖5 中波功率與基波功率的關系

當基波光功率31W時輸出中波激光功率達到10．5W，光光轉換效率為33．8%。測量了中波激光的光譜，如圖6所示。可見中波參量光有兩個峰值波長，分別位于3．45μm和4．8μm處。通過測量中波激光的發散角和束腰直徑，計算了中波激光的光束質量因子M2=4．6。

圖6 中波激光光譜

4 結論

用光纖耦合輸出激光二極管端面泵浦Tm∶YAP晶體實現最高32 W的2μm激光輸出，以此泵浦ZGP－OPO得到10．5 W中波激光輸出。測量了中波激光光譜，峰值波長在3．45μm和4．8μm處。通過測量中波激光的束腰直徑和發散角，計算了中波激光的光束質量，M2約是4．6。在實驗中，當輸出更高功率時，出現鏡片膜面損傷問題，下一步工作將對激光器參數進行優化設計，降低高功率工作時膜面的損傷概率。

［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)卞進田，聶勁松，孫曉泉．中紅外激光技術及其進展［J］．紅外與激光工程，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．