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中红外固体激光技术研究进展

鏃ユ湡;2019-09-23  鏉ユ簮锛毼粗  浣滆咃細admin

  周松,李茂忠,姜杰,康彬,王林,康民强,李剑彬,张帆,郑建刚,邓颖,崔旭东

  中国工程物理研究院激光聚变研究中心,云南北方驰宏光电有限公司,中国工程物理研究院四川省新材料研究中心,成都蓝隼光电科技有限公司

  摘要:波长在3-5um波段的中红外激光由于处于大气窗口波段,同时又是众多原子及分子的吸收峰,因此在光谱学、医学、通信、遥感、环境监测及红外对抗领域有着广泛而重要的应用前景。目前,固体激光器实现中红外激光输出的途径按照工作介质划分主要包括以Fe:ZnSe晶体为代表的过渡金属掺杂硫族化合物激光器、以MgO:PPLN晶体为代表的光参量振荡器,及以ZGP晶体为代表的光参量放大器3种类型。本文分别介绍它们的技术路线及近年来的最新研究进展,讨论了高能高功率中红外固体激光器的关键技术问题,并对其发展趋势进行了展望。

  波长3-5um的中红外激光处于大气传输窗口,同时又覆盖众多分子的振动光谱,在环境污染物检测、通信、红外对抗、光谱学和医学领域有着广泛的应用前景和战略价值。因此,世界各国近年来都十分重视3-5um波段中红外激光技术的研究。固体激光器由于在大能量、高功率激光输出方面具有的明显优势,受到了各国科研人员的广泛关注并取得了长足的发展。

  目前,固体激光器实现中红外输出的增益介质划分主要包括以Fe:ZnSe为代表的过渡金属硫族化合物晶体,氧化镁掺杂周期极化铌酸锂晶体(MgO:PPLN)和磷锗锌晶体(ZGP)3类;激光增益产生的原理则包括基于粒子数布居反转一受激辐射光放大和基于非线性频率转换的光参量振荡(或光参量放大)两种工作模式。这几种固体激光器经过最近十多年的发展,实现了3-5um波段单脉冲能量达数焦耳、平均功率达数十瓦的中红外激光输出。本文将针对基于这3种工作介质的中红外固体激光器,分别介绍近年来的最新研究进展,并对它们的技术路线

  基于Fe:ZnSe晶体的固体激光器1996年,劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)的DeLoach等人首次提出并验证了过渡金属(TM2+)II-VI族化合物用作中红外激光增益介质的可能性。过渡金属(TM2+)掺杂II-VI族化合物材料具有可调谐范围宽、激发态吸收小、吸收和发射截面大、室温下荧光量子效率高、导热性能好以及成本相对低廉等优点,是实现2-6um中红外波段高效、大能量、高功率、宽带可调谐输出的极具潜力的激光增益材料,因而受到广泛关注。其中,Fe2+:ZnSe具有非常宽的吸收带宽,在中红外波段具有很宽的调谐范围,且输出光束质量好,是TM2+:II_VI族化合物中最受关注的对象。1999年,Adams等首次提出Fe2+:ZnSe固体激光器,他们使用Er:YAG(2.698um)激光作为泵浦源,在15K-180K范围内,通过改变温度,实现了波长从3.98um-4.54um的中红外激光输出,并在温度为130K时获得了最大单脉冲能量12uJ。此后十多年,基于Fe:ZnSe晶体的激光器获得了长足的发展。

  2013年,俄罗斯科学院Frolov等人报道了单脉冲能量超过2J的中红外激光输出,实验装置如图1所示。泵浦源为自由运转的Er:YAG激光器(2.94um),总能量8J,Fe:ZnSe晶体口径8mm×8mm。在85K(液氮制冷)时获得了2.1 J,波长4.1um的中红外激光输出,斜效率51%,光一光效率35%;在245K时,输出能量1.3J,斜效率29%,光一光效率23%;在室温295K下,最大输出能量42mJ。该实验展示了使用Fe:ZnSe发展焦耳级中红外光源的可能性。2014年,俄罗斯研究人员Velikanov等人使用类似实验装置,通过将Er:YAG泵浦源的能量提升至15J,并使用口径更大的Fe:ZnSe晶体(9.7mm×10.1mm),在85K温度下,将中红外脉冲输出提升至4.9J。2016年,Frolov等人再次将泵浦源的输出能量提升至高达28J(有效泵浦能量24J),获得了高达10.6J的4.1um波长中红外激光脉冲,斜效率44%。

  在基于Fe:ZnSe的高平均功率输出研究方面,2015年,美国IPG公司的S.Mirov等人将高平均功率Fe:ZnSe激光器的输出能力大幅提升至了数十瓦的水平。使用的Fe:ZnSe晶体掺杂浓度1.5×1019cm-3,并加工成厚度2mm的晶片。系统泵浦源为闪光灯泵浦自由运转Er:YAG(2.94um)激光器,泵浦脉宽250uS。泵浦源最高重复频率100Hz,最大能量1.2J。为了避免热透镜效应,单片Fe:ZnSe增益介质的泵浦频率为50Hz。输出中红外激光波长通过旋转HR镜,可在3.88-4.17um范围内调谐。中红外激光输出平均功率最高达23W,重复频率100 Hz。

  对于Fe:ZnSe激光晶体而言,其上能级寿命随温度升高迅速减少。在T=292 K时,Fe:ZnSe的上能级寿命仅为360ns,而波长在2.9um左右的固体激光器在调Q工作模式下的输出能量受限(小于35mJ)。因此,发展大能量、短脉宽(百纳秒级),且波长在2.5-4.0um的泵浦源成为提升Fe:ZnSe室温中红外输出能力的关键。

  2014年,俄罗斯研究人员S D Velikanov等人首次报道了采用HF激光泵浦的室温Fe2+:ZnSe高能中红外激光器,并获得了30.6 mJ的中红外输出。实验装置如图2所示。HF激光器输出的波长范围2.6-3.1um,脉宽100-150 ns,不仅与室温下Fe:ZnSe的吸收特性完美匹配,而且可以高重频运行。随后,俄罗斯科学院Firsov使用HF激光器作为泵浦源,提升了室温下Fe2+:ZnSe输出能量及转换效率,实验装置如图3所示。使用的Fe:ZnSe晶体直径为20mm,厚度4.5mm,表面损伤阂值约3 J/cm。最终获得了192mJ的中红外激光输出,转换效率达到23%。

  2017年,Velikanov等人使用HF激光器,在室温单脉冲及重频工作模式下获得了波长4-5um,单脉冲能量和平均功率分别为1.67J和20W的中红外激光输出,斜效率27%,是目前Fe:ZnSe输出的最高水平。但HF激光器本身体积庞大,结构复杂,造价昂贵,限制了它的应用范围。

  基于MgO:PPLN晶体的光参量振荡器(Optical ParametricOscillator, OPO)光参量振荡器利用非线性晶体的准相位匹配技术,将频率较高泵浦光wp通过差频产生(Difference Frequency Generation,DFG)过程转换成频率较低的信号光ws和闲频光w1,并遵循动量(波矢匹配)和能量守恒条件。通过合适选择泵浦波长及晶体极化周期,能将1-2um波长的激光转换为所需要的3-5um且波长可调谐的中红外激光。Mgo:PPLN晶体具有非线pm/V),物化性能稳定,损伤阈值高等优点,是理想的非线性材料。

  基于MgO:PPLN的OPO出现较早,因其可调谐和易于实现全固态输出的特点,它的发展一直备受关注。近年来,随着高功率光纤泵浦源及大尺寸晶体生长技术的发展,基于MgO:PPLN的OPO激光输出能力逐步提升。

  2013年,法国和日本的研究人员Kemlin等人报道了基于大尺寸MgO:PPLN晶体的中红外光OPO激光器。他们使用的MgO:PPLN晶体长度38mm,厚度5mm,MgO掺杂浓度为5%。晶体端面加工成柱面,如图4所示。泵浦源为Nd:YAG激光(1.064um),泵浦能量10 mJ,通过旋转晶体改变有效极化周期

  2014年.山东大学刘善德等人报道了掺镱光纤(1.064um)泵浦的MgO:PPLN-OPO中红外激光器,实验装置如图5所示。通过改变晶体极化周期,中红外输出的波长3.0-3.9um可调谐,波长为3um时输出功率最大1.73 W。总转换效率(含信号光)41.7%,斜效率77.9%。波长3.7um和3.9um中红外输出功率分别为1.03W和0.67W,光-光转换效率分别为14.3%和9.3%。2h内的输出功率稳定性RMS优于0.6%。该研究成果展示了使用光纤激光泵浦实现高效、宽可调谐且结构紧凑的中红外激光输出的可能性。

  2015年,英国南安普顿大学L.Xu等人报道了基于光纤激光泵浦的高能皮秒MgO:PPLN-OPO,实验装置如图6所示。泵浦光为全光纤MOPA系统,输出波长1.035um,能量11uJ,脉宽150ps。中红外输出波长2.3-3.5um可调谐,能量1.5uJ,重复频率1MHz,总体转换效率43%。

  2017年,Murray等人报道了基于MgO:PPLN高平均功率中红外输出的实验结果,装置原理和部分参数如图8所示。他们使用掺铒和掺镱光纤激光器作为泵浦源实现了功率大于6W,波长3.31-3.48um的中红外激光输出,是目前单通、光纤MOPA泵浦输出的最高水平。由于泵浦光和信号光具有严格的时间同步,且泵浦源的光束质量好,因此参量转换的效率达75%,红外输出光束质量M2=1.4。

  基于ZnGeP2晶体的光参量振荡器(ZGP-OPO)ZnGeP2(以下简称ZGP)是重要的红外非线性光学材料,具有同类材料中最高的非线pm/V),且透光范围宽(1.9~10.6um)、热导率和损伤阂值高等优点。利用ZGP晶体作为OPO非线性频率转换介质,可实现中红外激光器的全固态、大能量和高功率输出。由于ZGP晶体中存在缺陷引起的近红外吸收,因此必须使用波长大于2um的泵浦源。下面介绍近5年来基于ZGP晶体的中红外固体激光技术的主要研究成果。

  2013年,澳大利亚研究人员Hemming等人报道了基于ZGP-OPO的中红外光源,输出功率高达27W,是当时最高功率的固体中红外激光光源,实验原理如图9所示。泵浦源由掺铥光纤激光器泵浦Ho:YAG棒状放大器,输出波长为2.09um的激光,用于泵浦ZGP-OPO。两块长度为16mm的I类匹配ZGP晶体采用走离补偿的方式串联排布。泵浦激光功率62W,光束质量M21.2,斜效率和转换效率分别为69%和62%。3-5um中红外激光的光束质量在输出功率10.6W时,M2=2.5;当输出功率提升至27W时,M2=4.0。该系统泵浦源光束质量好(M21.2),但从实验结果可以看出,在高平均功率下ZGP晶体的热透镜效应导致了中红外输出光束质量的下降,同时引起元器件损伤风险的增加。

  2014年,MGebhardt等报道了由掺铥光纤激光直接泵浦的高峰值功率ZGP-OPO激光器,实验装置如图10所示。ZGP晶体口径5mm×4mm,泵浦源为掺铥光纤激光器,输出光束质量近衍射极限。泵浦功率3.36W,脉宽7ns,重复频率4kHz。泵浦光单脉冲能量0.84mJ,峰值功率约121kW。利用该泵浦源,获得了峰值功率高达15kW的3.7um波长中红外输出,单脉冲能量90uJ,脉宽7ns,是当时掺铥光纤激光直接泵浦输出的最高水平。该系统的特点是它的泵浦源一一掺铥光子晶体光纤具有大模场(1000um2),能够输出大能量和光束质量极佳的泵浦光,因此大幅提高了ZGP-OPO的输出能量和光束质量。同年,挪威研究人员Magnus等报道了基于ZGP-MOPA的大能量低重频中红外激光器,实验装置如图1 1所示。由于需要获得大能量的单个中红外激光脉冲,该系统采用了主振荡器十功率放大器的系统构型。系统的主振荡器为V型排列3镜环形腔,功率放大器则是基于大口径ZGP晶体的光参量放大器。系统的泵浦源为调Q低温Ho:YLF激光(2.05um),能量0.5J,重复频率1Hz,脉宽16ns,光束质量M2=1.5。输出3-5um中红外激光能量212mJ,重复频率1Hz,脉宽15ns(FWHM),光束质量M2=3。这也是ns级固体中红外激光器输出的最高单脉冲能量。

  2016年,法国研究人员M. Eichhorn等人报道了基于ZGP晶体的大能量、高效率OPO激光器,实验原理如图12所示。两块尺寸为14mm×12mm×6mm的I类相位匹配ZGP晶体(切割角0-54︒)前后串联,获取足够的增益。他们采用了一种称之为“分形图像旋转增强”(FractionalImage Rotation Enhancement,FIRE)的谐振腔技术,其谐振腔中的6片导光镜采用非共面排列,因此光束每次通过镜面反射,光束近场都会旋转一定的角度。这样,光束在谐振腔中多次放大之后,输出光束的近场分布将会呈现高度的旋转对称性。系统泵浦源为波长2.05um的Ho:YLF激光,最大泵浦能量320mJ,最终获得3-5um中红外输出的脉冲能量达120mJ,重复频率1Hz,脉宽约15ns,峰值功率8MW,斜效率达到78%。2018年,他们在前述研究工作的基础上,通过在FIRE环形腔内引入可微调信号光发散度的望远镜光路设计,大幅提高了OPO输出的光束质量。改进的实验装置如图13所示。采用尺寸为9mm×9mm×16 mm的I类匹配ZGP晶体(切割角56︒),在泵浦能量为92mJ时,输出3~5um的中红外激光36mJ,光束质量M21.5。而在不进行发散度补偿时,光束质量M2=4-6。

  结论和展望近年来,基于Fe:ZnSe、MgO:PPLN和ZGP晶体的固体中红外激光器获得了极大发展,输出能量、功率和光束质量等关键技术指标显著提升,大能量、高功率及高光束质量输出始终是中红外固体激光技术发展的方向。就各自的技术特点而言,目前,基于Fe:ZnSe晶体的固体激光器已可在液氮制冷的低温条件下实现单脉冲能量大于10J,平均功率达23W的中红外激光输出。在室温条件下,由于Fe:ZnSe上能级寿命较短,当前合适泵浦源仅限于HF化学激光器,因此其应用范围受到极大限制。

  基于MgO:PPLN的中红外激光器经过多年的发展,目前中红外输出的平均功率达到数十瓦水平,同时也是发展皮秒以下短脉冲中红外激光的首选途径。由于MgO:PPLN的泵浦源波长多在1um附近,参量过程的物理机制决定3-5um中红外闲频光的转换效率低。同时,大口径MgO:PPLN晶体的生产工艺一时难以突破瓶颈,因此泵浦功率密度受到晶体损伤阈值的限制,阻碍了MgO:PPLN中红外激光器输出能力的进一步提升。

  ZGP晶体作为中红外激光晶体具有高非线性系数、高热导率、红外透光范围宽等优异的性质,素有“中红外晶体之王”的美誉。大口径ZGP晶体的生长技术在近年来亦取得了突破性进展。因此,基于ZGP晶体发展高能、高功率的中红外激光器备受关注。目前,己实现单脉冲能量0.5J,平均功率27W的中红外激光输出。同时,掺铥光纤直接泵浦ZGP晶体技术的出现大幅降低了激光系统的复杂度,对于中红外固体激光器的小型化和仪器化具有重要意义。随着2um波长泵浦源技术的发展,基于ZGP晶体实现高能、高功率中红外激光输出的潜力将会得到进一步释放。

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