基于周期性畴极化反转掺镁铌酸锂晶体的脉冲光纤激光器抽运的高功率光参量振荡器

第 37卷 � 第 1期 中 � 国 � 激 � 光 Vol. 37, No. 1 2010 年 1 月 CHINESE JOURNAL OF LASERS January, 2010 � � 文章编号: 0258�7025( 2010) 01�0034�04 基于周期性畴极化反转掺镁铌酸锂晶体的脉冲光纤 激光器抽运的高功率光参量振荡器 杨丁中 � 姜培培 � 陈 � 滔 � 吴 � 波 � 孔 � 剑 � 沈永行 (浙江大学现代光学仪器国家重点实验室, 浙江大学光电系, 浙江 杭州 310027) 摘要 � 报道了研制高功率全光纤化线偏振掺镱脉冲激光器,并用其抽运光参量振荡器( OPO )的研究工作。激光器 以光纤化的声光调 Q掺镱光纤激光器作为种子源, 用大直径双包层保偏光纤作为增益放大介质。在 40 kH z 重复 频率下, 得到 1064. 2 nm 处最大23. 5 W 的线偏振脉冲激光输出 ,脉冲宽度约 46 ns, 偏振消光比( PER )优于 10 dB, 光束质量因子( M2 )约为 1. 3。利用该全光纤激光器抽运基于周期性畴极化反转掺镁铌酸锂( PPMgLN)晶体的宽 带可调谐 OPO ,在信号光 1602 nm 通道, 获得 11. 05 W 最大光参量输出, 其中 3168 nm 处闲散光功率为 3. 01 W。 OPO 能量转换效率为 56% , 斜率效率为 63%。在信号光 1508 nm 通道, 获得 9. 87 W 最大光参量输出, 其中 3614 nm波长功率为 2. 75 W。 关键词 � 激光器; 脉冲光纤激光器; 光参量振荡器; 周期性畴极化反转掺镁铌酸锂晶体 中图分类号 � O437. 4 � � � 文献标识码 � A � � � doi: 10. 3788/ CJL20103701. 0034 PPMgLN�Based High Power Optical Parametric Oscillator Pumped by a Pulsed Fiber Laser Yang Dingzhong � Jiang Peipei � Chen Tao � Wu Bo � Kong Jian � Shen Yonghang ( St at e Key Labor at or y of Modern Opt ical In st r um ent at ion , Depar t m en t of Optical Engineer ing , Zhejian g Univ er sit y , Hangzhou , Zhejiang 310027, China ) Abstract � This paper reports the development of our recent work on an all�fiberized high power linearly polarized pulsed Yb fiber laser and using the fiber laser to pump a PPMgLN� based optical parametric oscillator ( OPO). The pulsed fiber laser used a fiberized acousto�optic ( AO) Q�switched Yb doped fiber laser as a seed and a largemode area double cladding polarization�maintaining fiber as the gain medium. I t delivered a linearly polarized pulsed laser output working at 1064. 2 nm with an average power of 23. 5 W at a repetition rate of 40 kHz. The polarization extinction ratio ( PER) of the emission was better than 10 dB. The pulse duration was about 46 ns and the beam quality factor (M 2 ) was about 1. 3. Using this all�fiberized laser as a pump source to pump a PPMgLN�based OPO, we obtained a maximum parametric output power of 11. 05 W at signal wavelength of 1602 nm with 3. 01 W of idler power at 3168 nm. The total conversion efficiency and the slope efficiency was 56% and 63% respectively. At signal wavelength of 1508 nm, a maximum parametric output power of 9. 87 W was obtained with 2. 75 W idler power at 3614 nm. Key words � lasers; pulsed fiber laser; optical parametric oscillator; PPMgLN crystal � � 收稿日期: 2009�03�01; 收到修改稿日期: 2009�04�06 基金项目: 国家自然科学基金( 60778001)和浙江省重大科技专项( 2008C01052�4)资助项目。 作者简介: 杨丁中( 1983� ) ,男, 博士研究生,主要从事光纤激光器和中红外光参量振荡器等方面的研究。 E�mail: y angding zhongok@ 163. com 导师简介: 沈永行( 1965� ) ,男, 博士,教授, 主要从事光纤激光器、中红外光参量振荡器、光纤传感和光纤光谱仪等方面 的研究。E�mail: physyh@ zju. edu. cn(通信联系人) 1 � 引 � � 言 中红外波段的激光光源在医学、生物、工业以及 国防领域都有重要的作用,基于非线性光学转换的光 参量振荡器( OPO)可以实现大功率中红外波段的激 光输出。实现非线性光学转换的晶体主要有周期性 畴极化的锂酸铌 ( PPLN) [ 1] 晶体、砷酸钛氧钾 1 期 杨丁中等: � 基于周期性畴极化反转掺镁铌酸锂晶体的脉冲光纤激光器抽运的高功率光参量振荡器 ( KTA ) [ 2,3] 、磷 酸 钛 氧 钾 ( KTP ) [ 4, 5]、磷 锗 锌 ( ZnGeP2 ) [ 6]以及周期性畴极化反转的氧化镁掺杂的 铌酸锂( PPMgLN)晶体 [7] 。由于 PPMgLN 晶体具有 非线性系数大、抗损伤阈值高以及极化矫顽场低等优 点[ 8, 9] ,因此基于 PPMgLN 晶体的 OPO获得了较快 的发展。OPO 的抽运源较多采用Nd: YVO4激光 器[ 10] , Nd: YLF 激光器[ 11] , Nd: YAG 激光器[ 12, 13] , Ho: YAG激光器[ 14] 和 Tm , Ho: GdVO4激光器[ 15]等。 随着高功率光纤激光器的发展, 最近几年,已有用光 纤激光器作为 OPO抽运源的报道[ 16~ 18] 。2005年, Chen等[ 19] 用连续的 50 W 掺镱光纤激光器抽运 PPMgLN 晶体,在2. 94 �m 获得了10 W以上的OPO 激光 输出。2008 年 姜培 培等[ 20] 用 主振�放大 ( MOAP) 结构的高功率保偏脉冲激光器抽运 PPMgLN 光参量振荡器, 获得 9 W 的 OPO输出,其 中 3. 5 �m处闲散光功率达到2. 43 W。 本文报道了研制全光纤化的高功率线偏振掺镱 脉冲激光器,并用其抽运光参量振荡器的研究工作。 激光器以光纤化的声光调 Q掺镱光纤激光器作为种 子源,用大直径双包层保偏光纤作为增益放大介质, 在 40 kHz重复频率下, 得到平均功率为23. 5 W,波 长为 1064. 2 nm 的线偏振脉冲激光输出, 脉宽为 46 ns, 偏振消光比( PER)优于 10 dB。利用该全光纤 激光器抽运基于周期性畴极化反转掺镁铌酸锂晶体 的宽带可调谐 OPO, 在信号光 1508 nm 和 1602 nm 通道实现了较高功率的激光输出。 2 � 实验装置 图 1 全光纤线偏振脉冲激光系统工作原理图 Fig. 1 Schematic diag ram of the all fiber ized linear ly po lar ized pulsed Yb fiber laser 全光纤激光器系统原理图如图 1 所示, 整个系 统分为光纤激光种子源和光纤激光功率放大器两部 分。在种子源部分, 抽运源为 915 nm 波长工作的 10 W 输出的带尾纤半导体激光器( JDSU )。由两个 1064 nm 处反射率分别为 99. 9%和 30%的光纤布 拉格光栅( FBG)构成激光谐振腔, 增益光纤为 Yb 高掺杂的双包层光纤, 长度为 1 m。在增益光纤和 输出端 FBG 之间熔接光纤化的声光调制器 ( AOM) , 得到平均功率为 2 W 的脉冲激光输出, 重 复频率从 20~ 50 kHz可调。在 40 kHz重复频率 下,最高输出功率时脉冲宽度为36 ns。种子激光输 出连接到一个偏振相关的保偏隔离器, 保偏隔离器 的作用是使随机偏振的种子源激光变为线偏振的激 光,同时避免后级的放大级激光反馈回种子源损坏 种子。在放大级部分,抽运源采用 6个 915 nm 的半 导体激光器, 单个半导体激光器最大输出功率为 10 W, 输出 光纤为 105/ 125 多模光 纤。一 个 ( 6+ 1) 1的保偏光纤合束器将线偏振激光种子源 和抽运源耦合到大直径双包层保偏增益光纤中。增 益光纤采用 Coract ive 公司的大直径双包层熊猫型 保偏光纤, 长度为 5 m。光纤纤芯直径为 29 �m ,数值孔径( NA)为 0. 07; 内包层直径为 250 �m, 数 值孔径为 0. 47。光纤在 915 nm 波长处小信号吸收 约为 2. 2 dB / m。为了防止输出端面反射引起寄生 振荡,输出端光纤端面抛成 8!。同时将光纤绕成直 径为 120 mm 左右的圆,以抑制高阶模,使激光输出 模式接近基模。图 2 所示为光纤激光器抽运 OPO 的原理图。其中法拉第旋转器 ( FR)、石英旋转片 ( QR)和两个偏振分光棱镜( PBS)组成了高功率的 激光隔离器。两个 �/ 2波片( HWP)用于调节激光 输出的偏振状态。一个焦距为 150 mm 的聚焦透镜 把经过隔离器后的激光进行聚焦后直接抽运基于 PPM gLN 晶体的光参量振荡器。光参量振荡器采 用线性腔结构。输入镜 DM 1 在 1064 nm 处高透, 在 1400~ 1600 nm 和3500~ 4000 nm波段高反。输 出镜 DM2 在1064 nm处高反, 3500~ 4000 nm 波段高 透,在 1602 nm 和1508 nm处的反射率分别为 48%和 50%。非线性晶体采用项目组自行制备的 PPMgLN 晶体,晶体尺寸为 50 mm 10 mm 1 mm。晶体两 个端面抛光后都镀有对 1064 nm , 1400~ 1600 nm 以及 3500~ 4000 nm 波段的增透膜。 3 � 实验结果与分析 全光纤化的线偏振脉冲激光器的种子源在重复 频率为 40 kHz时,得到平均功率为 2 W的随机偏振 的激光输出。种子源激光经过保偏隔离器后得到 0. 6 W线偏振的激光输出。激光输出波长为 1064 nm,光谱半峰全宽为 0. 4 nm,激光脉冲宽度为 36 ns。 35 中 � � � 国 � � � 激 � � � 光 37 卷 图 2 光纤激光器抽运的光参量振荡器原理图 Fig. 2 Schematic diag ram of t he fiber laser pumped optical par amet ric oscillato r 图 3 在 40 kHz 重复频率下, 全光纤线偏振激光输出 功率与吸收抽运功率的关系 Fig. 3 Output pow er o f the all fiber ized linear ly po lar ized fiber laser as a function of abso rbed pum p pow er � � � � at repetition rate o f 40 kH z � � 在放大级,合束器将经过保偏光纤隔离器导入 的线偏振激光种子源和作为抽运源的半导体激光耦 合到大直径保偏掺镱双包层增益光纤中。合束器需 进行有效的风冷, 以避免损坏。图 3 所示为在 40 kHz重复频率下, 种子源激光经过放大后, 在 1064 nm 处线偏振激光输出功率与所吸收的抽运功 率之间的关系。在吸收的抽运功率为 36 W 时, 得 到最大线偏振激光输出功率为 23. 5 W, 斜率效率 为 67. 6% ,偏振消光比优于 10 dB。测得的光束质 量因子 M2约为 1. 3,接近基模。 图 4 ( a)为用光谱分析仪 ( OSA, Ando 6317C) 测量的线偏振激光输出的光谱,波长为 1064. 2 nm, 光谱半峰全宽( FWHM )为 1. 1 nm, 与种子源相比 光谱有所展宽。从光谱图中可以看出输出激光无受 激拉曼散射( SRS)现象。图 4 ( b)为用快速铟镓砷 ( InGaAs)光电探测器和 500 MHz示波器测量的激 光脉冲形状图,激光脉冲宽度为 46 ns。与种子源相 比,放大后的脉冲宽度亦有所展宽。 光纤激光器输出的线偏振激光经过隔离器后,得 到最大功率为 19. 7 W 线偏振激光。用该激光抽运 PPMgLN 晶体,成功获得了多个通道的光参量振荡 输出。选择了信号光波长在 1602 nm和1508 nm这两 图 4 抽运吸收功率为 36 W ,重复频率为 40 kH z 时, 全 光纤线偏振激光器输出的激光光谱( a)和激光脉冲 � � � � � � � � � 波形( b) F ig . 4 Emission spect rum ( a) and pulse shape ( b) o f the fiber laser output at repetition rat e of 40 kH z � � under absorbed pump pow er of 36 W 个通道, 对应闲散光的波长分别为 3168 nm 和 3614 nm。图 5为光参量振荡器输出功率与作为抽运 源的光纤激光器输入功率之间的关系图。图 5( a)为 在1602 nm信号光通道, 光参量振荡器输出功率(包 括总输出功率、信号光功率以及闲散光功率)与抽运 源光纤激光器输入功率的关系图,在 19. 7 W抽运下, 获得最大光参量输出功率为 11. 05 W,其中 3168 nm 波长处闲散光的功率为 3. 01 W, OPO能量转换效率 为56%,斜率效率为 63%。图 5( b)为在 1508 nm 信 号光通道,光参量振荡器输出功率与抽运源光纤激光 器输入功率的关系图。在 19. 7 W 抽运下,获得最大 光参量输出为9. 87 W, 其中 3614 nm 波长处闲散光 的功率为 2. 75 W。 36 1 期 杨丁中等: � 基于周期性畴极化反转掺镁铌酸锂晶体的脉冲光纤激光器抽运的高功率光参量振荡器 图 5 光参量振荡器输出功率与抽运源光纤激光器功率的关系。( a) 1602nm 通道; ( b) 1508 nm 通道 F ig . 5 Output pow er of t he OPO via fiber laser pow er ( a) fo r 1602 nm channel; ( b) for 1508 nm channel 4 � 结 � � 论 介绍了研制全光纤化的线偏振高功率掺镱脉冲 光纤激光器, 以及用其抽运光参量振荡器的研究工 作。光纤激光器最大输出线偏振功率达到 23. 5 W, 偏振消光比优于 10 dB, 重复频率 40 kHz, 脉冲宽度 为 46 ns,光束质量因子 M 2 约为 1. 3,接近基模。用 该光纤激光器抽运基于 PPM gLN 晶体的宽带可调 谐 OPO,实现了高效的参量转换输出。在 19. 7 W 线偏振激光抽运下, 在信号光 1602 nm 通道, 获得 最大光参量输出功率为 11. 05 W, 其中 3168 nm 处 闲散光功率为 3. 01 W, OPO能量转换效率为56%, 斜率效率为 63%。在信号光 1508 nm 通道, 获得最 大光参量输出为 9. 87 W, 其中3614 nm处闲散光功 率为 2. 75 W。 参 考 文 献 1 I. 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