摘要
闡述了一種獲得高功率 3~5 μm 中紅外激光輸出的實驗方案，即先通過高功率 1.94 μm 光源抽運 Ho:YLF 晶體，獲得高重復頻率 2.05 μm 激光輸出，通過端抽運放大方式，提升 2.05 μm 激光功率水平，最終 2.05 μm 激光抽運光參量振蕩器(OPO)實現高功率中波激光輸出。在水冷工作體制下獲得了重復頻率 5 kHz、最大功率 26.9 W 的中波輸出，脈沖寬度為 24.4 ns，2.05 μm 到 3~5 μm 的光光轉換效率達 50%，通過角度調諧獲得不同波長的中紅外激光輸出，驗證了該實驗方案作為一種獲得高功率、高效率、高重復頻率中紅外激光輸出工作方式的可行性。
1 引 言
3~5 μm 波段激光在光譜學、遙感、醫療、環保等諸多領域都有重要的應用價值和前景，尤其在軍事領域高重復頻率大功率的 3~5 μm 中波激光源在定向紅外光電對抗系統中的重要應用[1] ，使得 3~5 μm 波段激光器成為激光技術研究的熱點，其中，中波固體激光器在獲得高功率 3~5 μm 激光輸出方面進展迅速。
在固體激光技術領域內，獲得高功率 3～5 μm 激光輸出的方法有多種，一種是利用準相位匹配技術直接實現從 1.06 μm 到 3~5 μm 的中波輸出，工作物質為周期極化鈮酸鋰晶體(PPLN)或摻 MgO 周期極化鈮酸鋰晶體(PPMgLN)[2-3] ，雖然這類晶體具有較高的非線性系數和簡化中紅外激光器結構的潛在價值，但是在大尺寸晶體制備技術方面距離實際應用仍有相當的距離；另一種實現方式就是先獲得 2 μm 波段的激光輸出，以此作為中波激光器的抽運光源，利用光參量振蕩(OPO)技術，實現 3~5 μm 激光輸出[4-5] ，其中，磷化鍺鋅(ZGP)晶體以其所具備的非線性系數高、導熱性能好、透射光譜范圍寬和損傷閾值高等特性，成為該類技術方案中獲得高功率中波激光輸出的優選非線性材料。文中研究人員采用了摻鈥氟化釔鋰(Ho:YLF)激光器作為光源，抽運磷鍺鋅光參量振蕩器(ZGP OPO)獲得了高功率中波激光輸出。
2 理論研究
2.1 Ho:YLF 激光材料特性研究
可用于產生 2 μm 激光的晶體主要是以 YAG，YAP，YLF 為基質，摻以 Ho，Tm，Er 激活離子的 Ho:YLF、Ho: YAP、Tm:YAP，Tm:YAG，Tm，Ho:YLF 等激光晶體[6-9] 。其中，Ho:YLF 在 2 μm 激光輸出方面具有優良的輸出特性。其基質材料 YLF 分子式為 LiYF4，屬于四方晶系，材料特點是在紫外光譜區吸收損耗小，非線性折射系數小，非常適合于三價稀土金屬離子(如 Ho3+ )的摻雜，摻有 Ho3+ 離子的 YLF 晶體有較高的光存儲容量。與 Ho: YAG 等晶體相比，Ho:YLF 激光器有較高的斜率效率和較低的閾值。此外，由于 YLF 是一種低聲子能材料，使得 Ho:YLF 晶體同其他基質相比，還具有熱穩定性好、上變頻損耗小，抗光學損傷能力強、無熱誘發的雙折射、輸出激光線偏振等優點。
Ho:YLF 晶體作為單軸晶體材料，具有兩個等價的 a 軸和一個 c 軸，其中，a 軸晶體隨著偏振的選擇會體現出不同的吸收特性和發射特性，一種偏振是電矢量方向平行于 c 軸的π偏振光，另一種偏振是電矢量方向垂直于 c 軸的 σ 偏振光。
圖 1 為 Ho:YLF 在π偏振和 σ 偏振方向上的吸收和發射光譜曲線，可以看出π偏振上，Ho:YLF 晶體的吸收峰位于 1940 nm，該波長恰好與 Tm:YAP 激光器的發射波長相匹配，因此，可以采用 Tm:YAP 激光器作為 Ho:YLF 激光器的抽運源，π偏振上，Ho:YLF 激光輸出的中心波長位于 2050 nm。
2.2 ZGP 晶體特性研究
在可獲得中波激光輸出的非線性晶體中，ZGP因其較高的非線性系數(75 pm/V)、寬的透明范圍(0.7~12 μm)、高熱導性[0.36 W/cm·K)]、低閾值和高損傷閾值，成為高功率中紅外波段光參量振蕩器的首選材料[10-11] 。
圖 2 為長度 14 mm、未鍍膜 ZGP 晶體的光譜透射圖，可以看出，2~5 μm 均處于晶體的有效透射光譜波段，同時，可以從圖 2 中 insert1 圖看出，2 μm 波長處于晶體有效透射光譜的邊沿，但晶體的吸收系數一般可以控制在 0.1 db/cm-1 以下，并且通過退火等特殊工藝可以達到 0.05 db/cm-1 ，因此，以 2 μm 作為抽運光，產生的信頻光和閑頻光均位于 3~5 μm 波段范圍內，激光器可以具備較高的轉換效率，圖 2 中的 insert2 圖顯示了 ZGP 晶體的表面鍍膜曲線圖，通過鍍膜 ZGP 晶體表面的對 2 μm 和中波波段的反射率可以控制到 1%以下，滿足中波光參量變換的需求。
ZGP 作為一種可調諧非線性晶體，由于其折射率對溫度的不敏感性，以此，主要通過角度調諧來實現特定波長的激光輸出。當一束波長為 λ 的激光在 ZGP 晶體內沿與晶體主軸夾角 θ 的方向上傳播時，相位匹配可通過計算得到。
4 實驗結果及分析
4.1 高功率 2.05 μm 激光測試結果
Ho:YLF 激光器本振級在高功率 1940 nm 激光抽運下獲得 18.2 W 脈沖激光輸出，激光重復頻率為 5 kHz，采用脈寬探測器測得 2050 nm 激光脈沖寬度為 32 ns。用波長計對 Ho:YLF 激光波長進行測試，測試結果顯示，Ho:YLF 激光中心波長位于 2049.55 nm，與理論分析一致。
以本振級的 18.2 W 的 2050 nm 激光為種子源，在經過一級端抽運放大后 2050 nm 激光功率提升至 53.7 W。 4.2 中紅外激光測試結果圖 6 為不同 2050 nm 激光抽運下，中波激光的功率輸出特性曲線，當 2050 nm 抽運功率為 9.1 W，中波激光達到輸出閾值，在 53.7 W 抽運功率下，中波激光最高輸出達到 26.9 W，光光轉換效率達 50%，輸出斜效率達 54.6%，最高功率輸出狀態下曲線的線性度較好，因此，通過進一步提升 2050 nm 激光功率，中波激光有望獲得更高功率輸出。在最高功率輸出下，采用中紅外(Mid-IR)脈寬探頭對激光脈沖寬度進行測試，中波激光脈沖的半峰全寬 (FWHM)值為 24.4 ns，與 2050 nm 抽運激光的脈寬比較，中波激光脈寬出現一定的壓縮，這是因為在時域上，中波激光是在 2050 nm 抽運光能量上升達到一定閾值后產生的，并隨著抽運光能量下降到一定閾值后消失。采用光譜分析儀，對激光的輸出光譜進行了測試，由于采用雙諧振腔結構，中波將有信頻光和閑頻光兩個波段同時輸出，經測試，中波激光光譜峰值出現在 3520 nm 和 4900 nm 位置，此時 ZGP 角度 θ =56.5°，與理論計算基本相符。通過對 ZGP 晶體 θ 角度的調諧，中波激光的雙峰值伴隨角度的變化發生偏移，圖 9 為增大晶體入射角約為 1°時的中波輸出光譜圖，光譜峰值在 3750 nm 和 4500 nm 實現輸出。
5結 論
對 Ho:YLF 晶體和 ZGP 晶體特性進行了理論研究，通過實驗研究，在室溫條件下，通過 1940 nm 激光抽運 Ho:YLF 激光再放大的方式，獲得 53.7 W 的高功率 2050 nm 高重復頻率激光輸出，并以此為抽運源實現了 26.9 W 的中波激光輸出，測得激光波長為 3520 nm 和 4900 nm，光光轉換效率達到 50%，脈沖寬度 25 ns，重復頻率 5 kHz，通過對 ZGP 角度進行調諧后，獲得 3750 nm 和 4500 nm 激光輸出。通過實驗驗證了 Ho:YLF 激光器抽運 ZGP OPO 獲得高功率、高效率、高重復頻率中紅外激光輸出的方案是可行的。同時，在進一步提升 Ho:YLF 激光器輸出功率的條件下，可以獲得更高功率的中波激光輸出。