Laser research of output wavelength controlled common aperture 0.532μm/1.064μm/3.9μm

多波段可控输出激光器在光电对抗领域有重要应用。这类激光器输出波段范围跨度大，激光器设计、镀膜难度较大，本文中对该类激光器进行了实验探索。实验中采用一级激光放大技术、非线性周期极化钽酸锂(periodically poled LiTaO₃, PPLT)晶体光参量振荡(optical parametric oscillator, OPO)技术、双MgO:LN电光开关激光切换技术及电控扫描反射镜技术, 实现了多种波长共孔径激光的高功率输出，试验为该类激光器的工程应用积累了经验。

由于激光器要求输出3种波长，而在这3种波长中，0.532μm和1.064μm技术成熟，实现较为简单，3.9μm激光波长跨度大，激光转换效率低，因此1.064μm激光器在功率选择由3.9μm激光输出来确定。1.064μm激光通过OPO转换到3.9μm输出效率可达10%以上，因此要实现十几瓦的3.9μm激光输出，至少需要100W左右的1.064μm激光输出。为了降低1.064μm激光器中元器件的功率负荷，在1.064μm激光实现上，采用一级放大装置，在调Q选择上，选择容易实现高频输出的声光开关，由于倍频及OPO需要偏振光，在光路中增加了起偏器^[1]。为了防止杂散光对振荡级的影响，在输出镜放大级中添加了隔离器，其光路原理如图 1所示。其工作原理如下：激光器工作时激光电源触发二极管阵列放电，产生在钇铝石榴石(yttrium aluminum garnet, YAG)激光晶体吸收带内808nm的光谱辐射。这些光谱辐射由聚光腔^[2]反射聚焦到激光工作物质上，完成基态离子的跃迁。为了提高激光脉冲能量及峰值功率，这时以声光Q开关组成的开关关闭，阻止腔镜的反馈，进而阻断谐振腔激光振荡。当激光工作介质激发态能级储存的反转粒子数达到极大值时，Q开关迅速打开，腔内形成激光振荡，产生高峰值功率1.064μm波长激光脉冲。再经由放大级种子光放大，产生大功率的激光脉冲^[3-5]。实验过程中对聚光腔和声光调Q开关采用循环液体冷却，水温为22℃。

Figure 1.  Experimental light path diagram of fundamental frequency light

用于1.064μm激光非线性变换常用的晶体有磷酸钛氧钾(KTiOPO₄，KTP)、三硼酸锂(LiB₃O₅, LBO)、偏硼酸钡(BaB₂O₄, BBO)等。KTP晶体光学性能好、透光范围大、走离小、价格低廉。在1.064μm的二次谐波时可产生70%左右的效率。在本方案中选用了Ⅱ类临界相位匹配KTP晶体进行腔外倍频^[6]，KTP晶体两端面镀1.064μm和0.532μm增透膜，尺寸为6mm×6mm×20mm, 在切割角度θ=90°，φ=26.5°条件下，有效非线性系数为3.28pm/V。本方案中晶体在较高温度切割，主要是提高其抗损伤能力和提高激光的稳定性。在光路实现上，使用基频1.06μm激光一次通过实现，其光路示意图如图 2所示。

Figure 2.  Principle diagram of laser frequency doubling

本方案中选用基频1.06μm激光抽运非线性周期极化钽酸锂(periodically poled LiTaO₃，PPLT)晶体OPO技术来产生3.9μm激光。OPO中的波长转换需要同时满足能量和动量守恒(相位匹配)方程^[7]，守恒方程如下：

式中，λ_p为抽运光波长；λ_i为闲频光波长；λ_s为信号光波长；T为晶体温度；n_p(λ_p, T)为抽运光在温度T时的折射率；n_i(λ_i, T)为闲频光在温度T时的折射率；n_s(λ_s, T)为信号光在温度T时的折射率；Λ(T)为非线性晶体的极化周期。

当晶体温度控温在25℃、抽运光为1.06μm、信号光为1.46μm时，输出3.9μm激光，由上式计算出PPLT晶体的极化周期Λ=29.2μm。原理光路如图 3所示。

Figure 3.  Principle diagram of OPO

综上所示，最终设计的激光器总体光路如图 4所示。图中, Ⅰ为1.064μm基频激光器，其主要作用是产生高功率高频1.064μm激光; Ⅱ为波长输出可控的共孔径输出激光器核心部分，主要用于完成0.532μm和3.9μm激光的产生、1.064μm激光的分光以及3种波长的共孔径选择输出^[7-9]。

Figure 4.  General layout of experimental light path (Ⅰ—fundamental frequency light path diagram; Ⅱ—the output wavelength controllable common aperture laser output optical path; 1—total reflection mirror; 2—acousto-optic Q switch; 3, 7—pump chambers; 4, 9, 17—polarizer; 5—output mirror; 6—isolator; 8, 16—electro-optical crystal(LN); 10—focusing lens; 11—OPO total reflection mirror; 12—PPLT; 13—OPO output mirror; 14, 19—splitter mirror; 15, 21—dump; 18—KTP; 20, 22, 23—45°reflection mirror)

图 4中1，2，3，4，5组成激光器振荡级，用于产生1.06μm激光。其中1为平凹的基频激光器全反镜，凹面镀1.064μm高反介质硬膜(反射率R>99.5%)，曲率半径ρ₁=2m；2为声光调Q开关，频率10kHz；3为激光二极管(laser diode，LD)侧抽运模块，由激光二极管抽运阵列和激光增益介质Nd:YAG组成；4为偏振片；5为输出镜，平平镜，对1.06μm透过率t=20%；6为隔离器；7为与3同样功率的LD侧抽运模块，用于激光能量的放大。

图 4中8，9，16，17组成光路切换装置，主要用于基频1.06μm激光到3.9μm和0.532μm激光光路的切换。其中9，17为偏振器，8，16为掺镁铌酸锂晶体，该晶体掺锂0.486mol，掺镁0.065mol，掺锌0.04mol，晶体内部均匀性Δn_e < 3×10^-5，晶体大小为8mm×8mm×16mm。

图 4中10~15组成3.9μm激光产生光路，用于产生3.9μm激光。其中10为聚焦透镜，镀1.064μm增透介质硬膜，透镜曲率半径ρ₂=-300mm。11，12，13组成光参量振荡器，实现3.9μm波段激光输出。11为中红外OPO腔全反镜，靠近抽运源端镀1.064μm增透介质硬膜(t>99.9%)，靠近PPLT晶体的面镀1.4μm~1.6μm高反膜(R> 99.9%)和3.7μm~4.0μm高反膜(R> 99%)。13为中红外OPO腔输出镜，内侧镀1.06μm介质硬增透膜(t>98%)，1.4μm~1.6μm高反介质硬膜(R>99.8%)和3.7μm~4.0μm部分透过介质硬膜(t=20%)。12为周期极化晶体PPLT晶体，尺寸为50mm×10mm×1mm, 极化周期为29.2μm，用于实现2阶非线性频率变换产生3μm~5μm波段激光输出。当1.06μm抽运光入射OPO腔，抽运周期极化晶体PPLT晶体，产生1.46μm信号光，信号光在腔镜的反馈下开始振荡，其和1.06μm抽运光在PPLT内发生光参量振荡效应$\left( {\frac{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{{3.9{\rm{ \mathsf{ μ} m}}}} = \frac{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{{1.06{\rm{ \mathsf{ μ} m}}}} - \frac{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}}}{{1.46{\rm{ \mathsf{ μ} m}}}}} \right)$，产生3.9μm闲频光^[10]。14为谐波反射镜，对3.9μm高反，对剩余未转换激光增透。15为光吸收器主要吸收剩余光^[11]。

图 4中18，19，21组成0.532μm激光产生光路，用于产生0.532μm激光。其中18为KTP晶体, 尺寸为10mm×10mm×7mm; 19为谐波反射镜; 21为光吸收器，用以吸收剩余1.064μm激光。

图 4中22，23组成1.064μm激光耦合光路，用于将1.064μm激光反射进电控扫描反射镜20，实现共孔径输出。其中22和23为1.064μm 45°反射镜，反射率为99.9%。

当激光器需要输出3.9μm激光时，8号晶体加半波电压，1.064μm激光偏振面产生旋转，激光经过偏振器9反射，光进入3.9μm OPO激光光路产生3.9μm激光，再经谐波反射镜14反射后，进入反射镜20然后输出(电机控制的公用45°反射镜，镀3种波长全反膜，当需要那个波长输出，电机控制反射镜对准那个激光输出口)，剩余未转换激光通过吸收器吸收^[12-13]。

当激光器需要输出0.532μm激光时，16号晶体加半波电压，1.064μm激光偏振面产生旋转，激光经过偏振器17反射，光进入0.532μm激光光路产生0.532μm激光，经谐波反射镜19反射后，进入反射镜20然后输出，剩余未转换激光通过吸收器吸收^[13-14]。

当激光器需要输出1.064μm激光时，8号和16号晶体不加半波电压，激光经过反射镜22，23反射，进入反射镜20然后输出。

当电源电流42A、调Q频率为10kHz的时，在反射镜20后测得的1.064μm激光最高输出功率为100W。当8号晶体加电，在反射镜20后测得的3.9μm激光输出功率如图 5所示。实验中发现, PPLT晶体出现绿、红及黄闪烁现象，这是因为晶体产生了2阶非线性效应，出现红绿黄光所致。

Figure 5.  3.9μm laser output power

当16号晶体加半波电压时，在反射镜20后测得的光斑如图 6所示。0.532μm激光输出功率为40W，如图 7所示。

Figure 6.  0.532μm laser image

Figure 7.  0.532μm laser output power

利用激光放大技术，非线性周期极化PPLT晶体OPO技术，双MgO:LN电光开关激光切换技术及扫描反射镜技术, 可以实现多种波长同口径激光高功率输出，实验结果表明：在电源电流42A、调Q频率10kHz及共孔径条件下，可实现40W的0.532μm、100W的1.064μm、12.6W的3.9μm激光选择性输出。