500 mJ輸出人眼安全環(huán)形腔KTP－OPO激光器

穆 宇，包照日格圖

(華北光電技術(shù)研究所，北京100015)

1 引言

自從20世紀(jì)80年代末非線性晶體的飛躍發(fā)展以來，由于參量振蕩技術(shù)可較為方便地將基波波長頻率變換到人眼安全波段或中遠(yuǎn)紅外波段，成為國際激光學(xué)術(shù)領(lǐng)域的研究熱潮之一。其中采用KTP－OPO方式實現(xiàn)人眼安全激光的研究，因為有明確的應(yīng)用方向及成熟的泵浦光源，是大家追逐的熱點。Rines［1］等人首次報道了輸出能量450 m J、波長1571 nm、轉(zhuǎn)換效率41%的大能量人眼安全 OPO激光器。Webb［2］等人采用環(huán)形腔KTA－OPO方式，實現(xiàn)了輸出能量330 mJ、重復(fù)頻率100 Hz、轉(zhuǎn)換效率35%的人眼安全激光器。Foltynowicz［3］等人采用單模燈泵 Nd ∶YAG 激光器泵浦的 KTA－OPO，實現(xiàn)了 243 m J、M2=15的1533 nm人眼安全激光。本文提出了一種新穎的實驗方案，即雙棱鏡自準(zhǔn)直環(huán)形腔KTP－OPO，實現(xiàn)了輸出能量達(dá)到500 mJ、裝換效率50%的大能量1570 nm人眼安全激光。

2 實驗

產(chǎn)生人眼安全激光的方法很多，基本概括為以下三種:①通過激光晶體直接實現(xiàn)人眼安全激光輸出。②通過拉曼效應(yīng)進行頻率變換，將基波轉(zhuǎn)換到人眼安全波段。③采用參量振蕩技術(shù)，將基波轉(zhuǎn)換到人眼安全波段。由于符合前兩種方法的激光晶體較少、且轉(zhuǎn)換效率偏低，一般情況下都采用參量振蕩技術(shù)，實現(xiàn)波長的轉(zhuǎn)換。本文采用1064 nm激光泵浦的非臨界相位匹配的單諧振KTP－OPO方案，通過特殊的環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了高效率大能量的人眼安全激光。

環(huán)形腔KTP－OPO的泵浦源為美國continuum公司的GCR270系列燈泵浦Q開關(guān)Nd∶YAG固體激光器，輸出波長1064 nm、脈沖寬度7 ns、重復(fù)頻率30 Hz、最大輸出能量1．2 J。OPO諧振腔采用了雙棱鏡自準(zhǔn)直單共振環(huán)形諧振腔，行波腔相對于駐波腔有以下優(yōu)點:①在駐波腔中光來回振蕩傳播，而晶體只對一個方向滿足相位匹配，這就意味著駐波腔的有效腔長要比行波腔長。而在其他參數(shù)相同的情況下，腔長過大會導(dǎo)致效率下降。②駐波腔中來回振蕩的光很容易被反饋到抽運光源里，從而干擾甚至損壞抽運光源，而在行波腔中則不存在這個問題。

圖1為環(huán)形腔KTP－OPO的實驗光路圖S1為45°入射分光鏡，膜系為1064 nm HR、1570 nm AR。S2為45°入射分光鏡，膜系為1064 nm HR、1570 nm OC(R=30%)。S3為 45°入射分光鏡，膜系為1064 nm AR、1570 nm HR。KTP晶體的切割方向為X方向，匹配角為 R=90°，φ =0°，尺寸為 10 m ×10 mm×20 mm。1064 nm泵浦光入射到分光鏡S1，經(jīng)45°反射后經(jīng)過KTP晶體及BK7棱鏡，入射到分光鏡S2實現(xiàn)1064 nm激光耦合輸出，再經(jīng)分光鏡S3分光后實現(xiàn)1570 nm單波長輸出。

圖1 環(huán)形腔KTP－OPO實驗光路圖Fig．1 OPO schematic

3 實驗結(jié)果

圖2是OPO輸出能量與泵浦能量間的關(guān)系曲線，泵浦光的光斑直徑為9 mm、脈沖寬度10 ns，1570 nm激光的振蕩閾值大約400 mJ(60 MW/cm2)，最大輸出量約535 mJ(此時基波的功率密度為150 MW/cm2)，最大轉(zhuǎn)換效率(泵浦光－信號光)處的功率密度為振蕩閾值的2．5倍左右。

圖2 OPO輸出能量與泵浦能量間的實驗曲線Fig．2 OPO output energy vs incident energy

圖3 是OPO轉(zhuǎn)換效率與泵浦能量間的關(guān)系曲線，轉(zhuǎn)換效率隨著注入功率的增大逐漸趨于飽和，最大效率約53%。飽和的原因為當(dāng)OPO諧振腔內(nèi)泵浦光功率密度過大時，將會導(dǎo)致信號光和空閑光復(fù)合還原成泵浦光的逆過程，轉(zhuǎn)換效率下降。

圖3 OPO轉(zhuǎn)換效率與注入能量的關(guān)系Fig．3 OPO efficiency vs incidfent energy

1570 nm的光束質(zhì)量的判定采用套孔法來測量激光的自然發(fā)散角，具體的方法為將一個焦距為1m的平凸透鏡放在輸出激光的光路上，通過測量透過光欄的能量為無光欄時的86%的光欄直徑，精確判定激光的光束角。通過套孔法我們得到的1570 nm激光的光束角為3．5 mrad。光束質(zhì)量之所以不如基波，與OPO諧振腔的腔長、非線性晶體的熱效應(yīng)有關(guān)，可以利用對非線性晶體的溫度控制或冷卻的方法降低非線性晶體的熱透鏡效應(yīng)，提高OPO的光束質(zhì)量。

4 結(jié)論

本文通過分析駐波腔和行波腔的特點分析，提出了一種雙棱鏡自準(zhǔn)直單共振環(huán)形諧振腔方案。實驗證明，棱鏡腔OPO成功實現(xiàn)了非常高的轉(zhuǎn)換效率，泵浦光到信號光的效率達(dá)到53%。OPO的振蕩閾值大約60 MW/cm2，最大輸出能量達(dá)到500 mJ，隨著注入能量的增加還會有所增加，但考慮到非線性晶體的抗激光損傷能力，沒有繼續(xù)加大注入能量?？梢砸姷叫胁ㄖC振腔對參量效率的提升較為明顯，為今后大能量人眼安全激光的實際應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

［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．