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3~5 μm中红外激光处在大气可透过的窗口，在遥感技术、高分辨率光谱学、激光医疗、大气监测及激光通信等应用和基础研究领域均具有重要的应用价值和前景[1-3]。传统的3~5 μm中红外激光主要是采用全固态1064 nm激光器作为泵浦源，并结合非线性频率变换技术获得[4-5]。2012年，中国科学院大学研究了一种由全固态激光器泵浦MgO:PPLN光学参量振荡器（OPO），从而获得了中红外波段的闲频光[6]。
随着高功率半导体泵浦源的发展以及低损耗光纤的发明，使光纤激光器得到了长足的发展。与传统的全固态激光器相比，光纤激光器具有稳定性好、输出功率高、线宽较窄、便于热管理等优点[7-9]。基于准相位匹配技术的OPO具有高增益、无走离、结构简单紧凑等优点，所以利用相干性较强的光纤激光器作为泵浦源泵浦非线性晶体，成为新研究热点。2015年，浙江大学秦薪镇在理论方面对OPO技术加以分析，在实验方面采用1064 nm光纤激光泵浦MgO:PPLN晶体，最后实现了2.9 μm中红外激光输出[10] 。
近年来，很多课题组针对光纤泵浦OPO产生波长在3 μm左右的激光做了大量研究[11-12]。2016年，国防科技大学研究了一种由光纤激光器泵浦MgO:PPLN-OPO，实现了3148 nm的闲频光输出[13] 。2019年，华中科技大学[14]研究了一种基于掺镱光纤激光器泵浦MgO:PPLN-OPO，当泵浦功率为11.6 W时，获得671 mW的3704 nm闲频光输出，线宽为1.5 nm。2021年，上海理工大学董文乾等人采用波长为1029.75 nm、线宽为2.34 nm的全保偏光纤激光器泵浦MgO:PPLN-OPO，当泵浦功率为608.9 mW时，获得66.13 mW的3180 nm闲频光输出[15]。当波长在4 μm左右（中远红外波段）时，MgO:PPLN晶体存在光子吸收；同时，若通过采用提高泵浦光功率来增大中红外激光输出功率，将引起泵浦源产生非线性效应，导致激光光束质量降低、输出激光线宽展宽，从而影响闲频光光谱精度和转换效率，因此闲频光输出功率往往限制在1 W左右，以上均是限制4 μm左右波长中红外激光发展的主要因素。
针对以上研究中存在的由于泵浦源线宽过宽导致泵浦光能量集中性差，致使转换效率降低等问题，文中采用1064 nm掺镱光纤MOPA作为泵浦源，其线宽为2.5 nm，经引入光纤布拉格光栅调制后线宽可压窄至0.1 nm。运用该泵浦源泵浦MgO:PPLN-OPO，可在实现紧凑结构的同时，有效提高转换效率，在泵浦功率为18 W时，获得最高功率为1.98 W的3.83 μm激光输出，光-光转换效率为11%。
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根据Byer等人针对泵浦光、参量光在空域以及时域上呈现高斯型的泵浦单谐振光学参量振荡器（SRO）提出的理论模型，可计算单谐振OPO的阈值[16]：
$$ {J_{th}} = \frac{{2.25\tau }}{{k{g_{sj}}l_{eff}^2}}{\left[ {\frac{L}{{2\tau c}}\ln \left( {\frac{{{P_{{n}}}}}{{{P_{{\textit{0}}}}}}} \right) + 2\alpha l + \ln \left( {\frac{1}{{\sqrt R }}} \right) + \ln 2} \right]^2} $$ (1) 式中：耦合常数
$k = \dfrac{{2{\omega _{sj}}{\omega _{ij}}d_{Qj}^2}}{{{n_p}{n_{sj}}{n_{ij}}{c^3}{\varepsilon _0}}}$ ；耦合系数${g_{sj}} = \dfrac{{w_p^2}}{{w_{{sj}}^2 + w_p^2}}$ ；wp、wsj表示泵浦光、信号光的所对应光斑的半径；τ表示入射光脉宽；准相位匹配时相互作用长度leff近似等于MgO:PPLN具体总长；L为谐振腔总长；Pn、P0是信号光及其要发生噪声的极值，同时彼此具有${{{P_n}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{P_n}} {{P_\textit{0}}}}} \right. } {{P_{\textit{0}}}}} \leqslant 1{0^{14}}$ ；α为晶体吸收信号光时所对应的系数；R表示输出镜在谐振信号光波段的反射率。从公式（1）可知，泵浦光斑和参量光斑的差距越小模式匹配越好，以此来优化OPO阈值，图1为聚焦镜F到泵浦源距离分别为125、145、160 mm时，总腔长为80 mm情况下，模拟出聚焦镜在四个不同位置时，参量光的光束变化情况。由于聚焦镜F位置距离输入镜的长度逐渐变小，OPO腔中光斑的匹配效果也随之变差，将导致效率极大的下降，所以通过模拟分析可知，当聚焦透镜F与光纤激光器距离为125 mm时，OPO腔内光斑模式匹配效果最好。
图 1 聚焦镜位置对参量光光斑影响
Figure 1. Effect of focusing mirror position on parametric light spot
图2为宽线宽光纤激光器和窄线宽光纤激光器输出高斯光束示意图，输出高斯光束中心波长为1064 nm，阴影部分为靠近中心波长的其他波长，谱线较宽的情况下其他波长占用了1064 nm贡献了较大一部分功率，也就是1064 nm的总功率，致使1064 nm泵浦光泵浦OPO达到阈值时功率提高，所以使用具有窄线宽的光纤激光器泵浦MgO:PPLN，可以有效增强相位匹配的效果，从而提升参量光的转换效率。而且当闲频光的实际波长变大时，泵浦光的线宽展宽对参量光线宽影响呈正比，所以采用窄线宽光纤激光器泵浦光学参量振荡器有实质性意义。
图 2 光纤激光器输出波长与增益强度示意图
Figure 2. Schematic diagram of output wavelength and gain intensity of fiber laser
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实验中，OPO泵浦源采用最高输出功率为40.3 W的1064 nm全光纤MOPA模块，消光比优于15 dB，装置如图3所示。使用电控方法对1064 nm激光器有源波导区界面附近制作周期光栅来提供反馈；半导体管作为种子源，DFB种子源线宽为3 MHz。以调节电路的方式，对激光器的通电时间和总时间比值及脉冲的波形状加以控制，再根据对电路的控制程度来决定脉宽等各项参数。进行一级放大时，使用长度为3 m、纤芯数值孔径NA=0.12的偏振光传输光纤，当给定泵浦波长为976 nm时，测得其包层所对应的吸收率α=1.80 dB/m，能够达到30 mW输出；进行二级放大时，使用长度为3 m、具有两个包层的光纤，光纤纤芯和所对应的最内层孔径分别为NA=0.075、NA<0.46，同样泵浦976 nm时，测得吸收率α=4.95 dB/m，能够达到200 mW输出；进行第三级放大时，与上一级使用同一光纤，同样泵浦波长为976 nm时，测得吸收率α=4.95 dB/m，最后输出40 W脉冲光，脉宽为2 ns，重复频率0~5 MHz可调。1064 nm激光泵浦MgO:PPLN-OPO实验装置如图4所示，1064 nm光纤激光器输出的偏转基频光通过半波片后，使其对准MgO:PPLN晶体的主轴，以获得最大的OPO转换效率。泵浦光经过焦距为150 mm的聚焦透镜F聚焦到掺杂浓度为5%MgO的PPLN晶体中心，晶体尺寸为30 mm×2 mm×5 mm，周期为29.5 μm，晶体两端镀有1064 nm /3.8 μm增透膜，将其放置在相应尺寸的晶体夹中，正常室温下开展实验研究。实验中谐振腔是由曲率半径均为150 mm的M1和M2组成的双凹线型腔，腔长为80 mm，其中输入镜M1表面镀有1064 nm高透、1.4~1.5 μm和3.7~4.2 μm高反膜，输出镜M2表面镀有1064 nm高反、1.4~1.5 μm高反、3750~3850 nm高透膜。
图 3 光纤激光器结构图
Figure 3. Structure diagram of fiber laser
图 4 1064 nm光纤泵浦MgO:PPLN-OPO实验装置示意图
Figure 4. Schematic diagram of 1 064 nm fiber pumped MgO:PPLN-OPO experimental device
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首先开展1064 nm YDFL（Ytterbium-doped Fiber Laser）输出特性实验。当设定电流8 A时，输出激光中心波长为1064.17 nm，获得输出功率为40.3 W，线宽为2.5 nm。为了能获得1064 nm 窄线宽激光输出，采用了一个电调制1064 nm的分布式反馈激光器（Distributed Feedback Laser, DFB）半导体管作为种子源，可将线宽从原来2.5 nm压窄至0.1 nm，同时在此结构下还能实现光反馈，不但使频率能够更加稳定，而且还可忽略光栅与掺镱光纤相熔接所存在的损耗问题。经调制后在相同的电流下，输出激光中心波长为1064.1 nm，线宽压窄至0.1 nm，输出功率为39.6 W。对线宽压窄前后激光的输出光谱进行测量，光谱图如图5 （a）(未经压窄时的泵浦源线宽)和图5（b）（压窄后的泵浦源的线宽）所示。通过对比可以看出，线宽压窄前后中心波长变化极小，而且引入光纤布拉格光栅的方式可将1064 nm激光线宽极大程度的压窄，线宽可由2.5 nm压窄到0.1 nm。线宽压窄前后1064 nm YDFL输出功率如图6所示。
图 5 1064 nm YDFL不同线宽光谱图
Figure 5. Spectra of 1064 nm YDFL with different linewidths
图 6 压窄线宽前后1064 nmYDFL功率对比
Figure 6. 1 064 nm YDFL power comparison before and after linewidth narrowing
基于上述研究，采用1064 nm光纤激光作用于MgO:PPLN晶体的OPO，在晶体温度控制在20 ℃时，参量光输出光谱如图7所示，其中心波长为3832.9 nm。根据理论分析，开展了相同泵浦条件下，透镜位置与输出特性关系实验，不同透镜位置时输出3.8 μm参量光的功率曲线如图8所示。由于聚焦镜F距离输入镜的长度逐渐变小，OPO腔内光斑的匹配效果也随之变差，参量光转换效率受到不同程度影响。当透镜F距离泵浦源长度为125 mm，此时转换效率最佳，把其同上文模拟部分加以对比分析，模拟与实验结果一致。在不同占空比情况下开展1064 nm激光线宽压窄前后分别作用于OPO的实验，并对测得功率加以对比，实验结果如图9所示。通过对图9(a)和9 (b)中的实验数据对比分析可知，泵浦源占空比为0.2%时，起振阈值、输出功率均优于占空比为0.3%时。由于1064 nm YDFL注入功率过高，晶体会出现不同程度损坏，因此泵浦功率应不超过20 W。在给定功率18 W时，采用线宽压窄前1064 nm掺镱光纤激光器泵浦MgO:PPLN晶体，测得最大输出功率达1.42 W，光-光效率为7.9%；对泵浦光线宽进行压窄，其他实验参数不变的情况下，获得最大输出达到1.98 W的3.83 μm激光输出，光-光转换效率为11%，输出效率提高了39.2%，光束质量M2=1.89。通过实验可知，相同泵浦功率时，采用窄线宽1064 nm光纤激光器作为泵浦源作用于MgO:PPLN-OPO获得的激光功率更高。光束质量分析图如图10所示。
图 7 输出光谱
Figure 7. Output spectrum
图 8 泵浦一致透镜位置变化时对应的输出情况
Figure 8. The corresponding output condition when the position of the pump uniform lens changes
图 9 不同泵浦占空比下输出对比
Figure 9. Output comparison before and after different pump duty cyclies
图 10 3.8 μm光束质量因子
Figure 10. 3.8 μm beam quality factor
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综上所述，采用性能优异的1064 nm全光纤MOPA结构作为泵浦源，实现了高转换效率、结构紧凑的中红外光学参量振荡器。当1064 nm 光纤激光器输出功率为18 W时，线宽为2.5 nm，获得输出功率为1.42 W的3.8 μm激光输出，光-光转换效率为7.9%；当泵浦源线宽调制为0.1 nm，相同泵浦功率时，获得最大平均功率为1.98 W的3.83 μm激光输出，光-光转换效率为11%，MgO:PPLN光学参量振荡器的输出效率提高了39.2%，光束质量M2=1.89。
Study on mid-infrared optical parametric oscillator based on MgO:PPLN pumped by narrow linewidth 1064 nm fiber laser
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摘要: 提出了一种基于1064 nm掺镱光纤激光器泵浦MgO:PPLN的3.83 μm中红外光学参量振荡器。基于单谐振光学参量振荡器的阈值理论和线宽压窄前后的光束能量集中性理论，分析了不同泵浦光束聚焦深度下，谐振腔内光束分布情况以及线宽调制前后能量的不同集中程度对阈值和光-光转换效率所产生的影响。通过采用单个光纤布拉格光栅的方式压窄了泵浦光线宽，对比分析了在不同占空比下，泵浦光线宽压窄前后对中红外光学参量振荡器输出特性的影响。当泵浦功率为18 W，脉冲激光占空比为0.2%，脉宽为100 ns，泵浦光线宽为2.5 nm时，MgO:PPLN中红外光学参量振荡器获得功率为1.42 W的3.83 μm激光输出，光-光转换效率为7.9%。将线宽压窄到0.1 nm后，脉宽为2 ns，MgO:PPLN中红外光学参量振荡器获得最高功率为1.98 W的3.83 μm激光输出，光-光转换效率为11%，光束质量M2=1.89；同时相比于线宽压窄前激光输出效率提高了39.2%。Abstract: A 3.83 μm mid-infrared optical parametric oscillator based on 1064 nm Yb-doped fiber laser pumped MgO:PPLN is proposed. Based on the threshold theory of single resonant optical parametric oscillator and the beam energy concentration theory before and after linewidth narrowing, the effects of the beam distribution in the resonant cavity and the different energy concentration levels before and after linewidth modulation on the threshold and optical-optical conversion efficiency under different pump beam focusing depths are analyzed. By using a single fiber Bragg grating to narrow the pump light width, the influence of the pump light width on the output characteristics of the mid-infrared optical parametric oscillator is analyzed under different duty ratios. When the pump power is 18 W, the pulse laser duty cycle is 0.2%, the pulse width is 100 ns, and the pump light width is 2.5 nm, the MgO:PPLN mid-infrared optical parametric oscillator obtains 3.83 μm laser output with a power of 1.42 W, and the optical-optical conversion efficiency is 7.9%. When the linewidth is narrowed to 0.1 nm and the pulse width is 2 ns, the infrared optical parametric oscillator in MgO:PPLN achieves 3.83 μm laser output with the highest power of 1.98 W. The optical-optical conversion efficiency is 11% and the beam quality M2=1.89. At the same time, the laser output efficiency is increased by 39.2% compared with that before linewidth narrowing.
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Key words:
- optical parametric oscillatoin /
- narrow linewidth /
- fiber laser /
- mid-infrared /
- duty cycle
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图 1 聚焦镜位置对参量光光斑影响
Figure 1. Effect of focusing mirror position on parametric light spot
图 2 光纤激光器输出波长与增益强度示意图
Figure 2. Schematic diagram of output wavelength and gain intensity of fiber laser
图 4 1064 nm光纤泵浦MgO:PPLN-OPO实验装置示意图
Figure 4. Schematic diagram of 1 064 nm fiber pumped MgO:PPLN-OPO experimental device
图 6 压窄线宽前后1064 nmYDFL功率对比
Figure 6. 1 064 nm YDFL power comparison before and after linewidth narrowing
图 8 泵浦一致透镜位置变化时对应的输出情况
Figure 8. The corresponding output condition when the position of the pump uniform lens changes
图 9 不同泵浦占空比下输出对比
Figure 9. Output comparison before and after different pump duty cyclies
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