姚曉岱 吳爽 趙銳 吳淼鑫 劉航 金光勇 于永吉2)

1) (長春理工大學(xué)物理學(xué)院,吉林省固體激光技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室,長春 130022)

2) (長春理工大學(xué)重慶研究院,重慶 401135)

本文報道了一種臺階聲光調(diào)Q 外腔泵浦MgO:PPLN 光參量振蕩器的3.4 μm 中紅外脈沖串激光器.建立了基頻臺階聲光調(diào)Q 理論模型,模擬了不同臺階調(diào)Q 間隔時光子數(shù)密度隨時間變化趨勢,獲得了臺階信號最優(yōu)觸發(fā)時間,確定了臺階聲光調(diào)Q 獲得脈沖串激光輸出的可能性.根據(jù)理論模擬設(shè)計臺階信號觸發(fā)時間,并應(yīng)用于臺階聲光調(diào)Q 外腔泵浦MgO:PPLN 光參量振蕩器的中紅外脈沖串激光器實驗中,在每個重復(fù)周期內(nèi)聲光Q 開關(guān)分三次開啟,獲得了單脈沖包絡(luò)含三個子脈沖的3.4 μm 中紅外脈沖串激光輸出.脈沖包絡(luò)內(nèi)子脈沖間隔為5 μs,最窄脈寬為12.8 ns,脈沖包絡(luò)重頻為20 kHz,理論和是實驗中均發(fā)現(xiàn)脈沖包絡(luò)內(nèi)子脈沖寬度逐漸增大.在最大平均輸出功率為1.08 W時,1064 nm 基頻光與3.4 μm 參量光的光-光轉(zhuǎn)換效率為10.05%,光束質(zhì)量因子M 2 為2.01.

1 引言

中紅外(3—5 μm)波段激光涵蓋了大氣中許多原子和分子的基頻吸收峰,并且其在大氣中的穿透能力較強,因此該波段激光被稱為“分子指紋區(qū)”和“大氣窗口區(qū)”[1,2].其中3.4 μm 的中紅外激光是CH4,NO2等分子的吸收峰特征譜線[3–5],可用于差分吸收雷達(dá)(differential absorption lidar,DIAL)測量大氣中該痕量氣體的濃度[6–9],因此中紅外激光器是DIAL 的核心器件.近年來人們發(fā)現(xiàn)脈沖串模式的激光器能夠增強DIAL 性能,提高探測精度.2015 年美國國家航空航天局(NASA)采用三脈沖2 μm DIAL 系統(tǒng)成功以0.5%和0.2%的精度測量了水蒸氣和CO2的差分光學(xué)深度,并驗證采用三脈沖模式比單脈沖具有更高的回波信噪比,能夠提高探測精度[10,11].2018年,Shayeganrad[12]通過從高重頻脈沖激光器中提取脈沖串,并應(yīng)用DIAL 技術(shù)進行大氣O2濃度測量,成功將測量精度提升至1×10–6以下.因此脈沖串激光能夠增加DIAL 測量的回波信噪比,提高探測精度[13,14].所以在當(dāng)前“雙碳”(“碳達(dá)峰”、“碳中和”)戰(zhàn)略背景下開展中紅外脈沖串激光器研究,為DIAL 提供核心光源,將推動中紅外激光技術(shù)在雷達(dá)探測、環(huán)境監(jiān)測、光譜分析等領(lǐng)域的進一步應(yīng)用[15–17],并具有很高的研究價值.

目前,產(chǎn)生脈沖串激光的方法主要有腔外調(diào)制法[18,19]和腔內(nèi)調(diào)制法[20,21].腔外調(diào)制法得到的脈沖串是從脈沖振蕩級輸出的脈沖序列中選取一部分得到的,所以振蕩級的能量利用率較低[22].而腔內(nèi)調(diào)制法通過控制腔內(nèi)損耗直接獲得脈沖串輸出,具有能量利用率高的優(yōu)點.2017年,武文濤等[20]通過脈沖泵浦Nd:YAG 并進行腔內(nèi)電光調(diào)Q,經(jīng)過兩級放大,在脈沖泵浦頻率為10 Hz,調(diào)Q重頻為100 Hz時,獲得脈沖串能量1.89 J 的1064 nm多子脈沖脈沖串激光輸出.但采用脈沖泵浦結(jié)合腔內(nèi)調(diào)Q的傳統(tǒng)腔內(nèi)調(diào)制法時,由于脈沖上升沿和下降沿的限制,導(dǎo)致脈沖串整體強度失衡,甚至出現(xiàn)脈沖丟失現(xiàn)象,無法達(dá)到精確控制.而臺階調(diào)Q通過連續(xù)泵浦僅靠控制腔內(nèi)損耗臺階式變化即可實現(xiàn)脈沖串激光輸出.2021 年本課題組的毛潔等[23]在808 nm 連續(xù)泵浦時,通過臺階電光調(diào)QNd:YAG,獲得脈沖串能量32.5 mJ、子脈沖個數(shù)為3 個的1064 nm 脈沖串激光輸出,實現(xiàn)子脈沖個數(shù)精確控制.因此相較于傳統(tǒng)腔內(nèi)調(diào)制法,臺階調(diào),具有結(jié)構(gòu)簡單、能量利用率高、控制精確的優(yōu)點.但是迄今為止,國內(nèi)外對脈沖串的報道主要集中在近紅外,對于中紅外脈沖串鮮有報道.

由此,本文開展了臺階聲光調(diào)Q(acousto-opticQ-switch,AOQS)外腔泵浦周期極化鈮酸鋰晶體(MgO:PPLN)光參量振蕩器(optical parametric oscillator,OPO) 3.4 μm 中紅外脈沖串激光器的理論與實驗研究.建立了AOQS 理論模型,模擬了臺階AOQS 反轉(zhuǎn)粒子數(shù)與光子數(shù)隨時間的變化關(guān)系,獲得了臺階信號最優(yōu)觸發(fā)時間.根據(jù)模擬結(jié)果進行實驗成功獲得了單脈沖包絡(luò)內(nèi)包含3 個子脈沖的3.4 μm 中紅外脈沖串激光輸出.

2 理論模型及實驗裝置

2.1 基頻臺階AOQS 理論模型

根據(jù)光子數(shù)與反轉(zhuǎn)粒子數(shù)之間的關(guān)系,建立了基頻臺階AOQS 脈沖串激光輸出的速率方程[24],如(1)式—(5)式所示:

這里,N表示反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度;Rp表示泵浦速率;γ是能級反轉(zhuǎn)因子;σ 是Nd:YVO4晶體受激發(fā)射截面;c是光速;φ 是光子數(shù)密度;τ 是粒子的上能級壽命;l和Llaser分別是Nd:YVO4晶體長度和諧振腔長度;τc是腔內(nèi)光子衰變時間.Pin是泵浦功率;νa是Nd:YVO4晶體對泵浦光的吸收系數(shù);?νa 是泵浦源發(fā)出單個光子的能量;ωa是泵浦源的光斑半徑;τr光子在腔內(nèi)的往返時間;Li代表往返過程中的損耗;Lp是AOQS 引起的階躍損耗函數(shù);Ra是輸出鏡對1064 nm 的反射率.

在一個調(diào)Q周期內(nèi),設(shè)定AOQS 分3 步打開,諧振腔內(nèi)由AOQS 引起的損耗的變化可以用如下函數(shù)表示:

ηi,Ti,ti(i=1,2,3,4)分別表示聲光晶體的不同衍射效率、AOQS 階躍損耗、臺階信號觸發(fā)時間.在0—t1時刻衍射損耗處于最高值T1,AOQS 完全“關(guān)門”;在t1—t2時刻衍射損耗處于次高值T2,AOQS 部分打開;t2—t3時刻衍射損耗降低到T3,AOQS 再次打開一部分;t3—t4時刻衍射損耗為0,AOQS 完全“開門”,激光完全透過AOQS.在一個調(diào)Q周期內(nèi)由AOQS 引起腔內(nèi)損耗臺階式下降,反轉(zhuǎn)粒子數(shù)在一個調(diào)Q周期內(nèi)釋放三次,通過調(diào)整三個階躍損耗的幅值比例、臺階信號觸發(fā)時間、泵浦功率,可以輸出等間隔等幅值的一個脈沖包絡(luò)包含3 個子脈沖的脈沖串激光.

(6)式中聲光晶體的衍射效率ηi(i=1,2,3)可以表示為[25]

其中,λ 是激光波長;Qac是聲光晶體的品質(zhì)因數(shù);K是換能器的長寬之比;Pi是聲光功率,因此對于給定的AOQS,衍射效率只與聲光功率有關(guān).所以通過改變聲光調(diào)Q信號臺階幅值來改變加到聲光晶體上的聲光功率,以實現(xiàn)對腔內(nèi)損耗臺階式調(diào)控.

為了獲得最優(yōu)臺階觸發(fā)時間,將表1 中的數(shù)據(jù)代入(1)式—(6)式中,同時保持其他參數(shù)一致的情況下,模擬了臺階間隔分別為4,5,6,7 μs 時一個周期內(nèi)光子數(shù)密度隨時間變化情況,模擬結(jié)果如圖1 所示.當(dāng)臺階間隔為4,6,7 μs時,由于腔內(nèi)損耗的變化,導(dǎo)致在當(dāng)前泵浦速率下,反轉(zhuǎn)粒子數(shù)并不能迅速積累到飽和值,導(dǎo)致脈沖并不能在規(guī)定的臺階處輸出,因此出現(xiàn)輸出脈沖間隔、幅值不相等,且有明顯的弛豫振蕩現(xiàn)象.而在臺階間隔為5 μs時,輸出脈沖間隔、幅值基本相等,能夠滿足脈沖串輸出要求,此時對應(yīng)的三個臺階觸發(fā)時間分別為16,21 和26 μs.

圖1 光子數(shù)密度在不同臺階間隔下的變化趨勢Fig.1.Change trend of photon number density under different step spacings.

表1 臺階AOQS 速率方程模擬主要參數(shù)Table 1.Simulating key parameters of step AOQS equation.

圖2 是在臺階觸發(fā)時間為16,21,26 μs時,模擬的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度與光子數(shù)密度隨時間的變化情況.其中圖2(a)和圖2(b)是三個周期內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度與光子數(shù)密度隨時間變化情況,圖2(c)和圖2(d)是對圖2(a)和圖2(b)中第一個周期的放大顯示.其中圖2(c)中藍(lán)色虛線表示AOQS 階躍損耗幅值,拐點處對應(yīng)臺階觸發(fā)時間.圖2(e)和圖2(f)是第一個周期內(nèi)AOQS 完全“開門”時,反轉(zhuǎn)粒子數(shù)與光子數(shù)隨時間變化的詳細(xì)情況.

圖2 反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度、光子數(shù)密度隨時間變化情況(a) 反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度隨時間變化;(b) 光子數(shù)密度隨時間變化;(c) 第一個周期內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度隨時間變化;(d) 第一個周期內(nèi)光子數(shù)密度隨時間變化;(e) t3—t4 時反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度隨時間變化;(f) t3—t4 時光子數(shù)密度隨時間變化Fig.2.Inversion population density and photon density change with time: (a) Inversion population density changing over time;(b) photon number density changing over time;(c) number density of inversion particles changes with time in the first period;(d) photon number density changes with time during the first cycle;(e) number density of inversion particles changes with time at t3–t4;(f) number density of photons changes with time at t3–t4.

由圖2(a)和圖2(b)可以看出,每個周期內(nèi)子脈沖高度基本一致,第一個子脈沖結(jié)束后反轉(zhuǎn)粒子數(shù)并沒有維持在當(dāng)前值,而是繼續(xù)積累,到下一次損耗變化點處輸出第二個子脈沖,然后反轉(zhuǎn)粒子數(shù)繼續(xù)積累輸出第三個子脈沖.產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是臺階調(diào)Q影響了腔內(nèi)損耗的變化,由高損耗向低損耗變化的瞬態(tài)過程中,反轉(zhuǎn)粒子數(shù)被大量消耗,使剩余反轉(zhuǎn)粒子數(shù)遠(yuǎn)低于此時低損耗所對應(yīng)的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)飽和值,因此第一個脈沖結(jié)束后反轉(zhuǎn)粒子數(shù)還會繼續(xù)積累,直到下一次損耗改變.因此一個周期內(nèi)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)積累三次,釋放三次,輸出三個子脈沖.同時在圖2(d)中發(fā)現(xiàn)一個周期內(nèi)的子脈沖寬度逐漸增寬,這是因為反轉(zhuǎn)粒子數(shù)和脈沖寬度呈負(fù)相關(guān),由于在一個周期內(nèi)臺階調(diào)Q使腔內(nèi)損耗臺階式減小,上能級積累的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)也逐漸減少,因此導(dǎo)致脈沖寬度逐漸增加.由圖2(e)和圖2(f)可以看出在t3—t4時間段,出現(xiàn)了微弱的弛豫振蕩.由于此時腔內(nèi)損耗較低,反轉(zhuǎn)粒子數(shù)并不會一直在上能級積累,當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)超過閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)后,便會輸出微弱的脈沖激光,之后反轉(zhuǎn)粒子數(shù)再次積累,再次釋放,并逐漸降低最終維持在閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)附近.

2.2 實驗裝置

臺階聲光調(diào)Q外腔泵浦MgO:PPLN-OPO 3.4 μm 中紅外脈沖串激光器實驗裝置如圖3 所示.基頻光諧振腔由M1 和M2 組成,抽運源為光纖耦合808 nm LD 連續(xù)泵浦源,最大輸出功率為30 W.使用纖芯直徑為400 μm,數(shù)值孔徑NA為0.22 的光纖進行傳輸,光纖的另一端鏈接1∶1.5 的耦合鏡組,使808 nm 泵浦光聚焦到Nd:YVO4晶體中心.采用英國G&H 公司生產(chǎn)的AOQS 組件對基頻光腔內(nèi)損耗進行階躍調(diào)控.OPO 腔由M3 和M4 組成,采用MgO:PPLN 晶體作為非線性頻率變換介質(zhì)[27],晶體尺寸為40 mm×5 mm×2 mm,極化周期為30.44 μm,MgO 摻雜濃度為5%,MgO:PPLN晶體兩端分別鍍有1064 nm,1.4—1.7 μm,3.0—4.0 μm 增透膜,并將晶體放在HCP 公司生產(chǎn)的精度為±0.1 K 的溫控爐中.在M2 輸出鏡片后依次放置焦距為200 mm 的1064 nm 聚焦鏡F1、自由空間隔離器(Thorlabs IO-8-1064-HP)、1/2 波片(HWP)、焦距為100 mm 的1064 nm 聚焦鏡F2,F1 的作用是對1064 nm 輸出光的發(fā)散角壓束,隔離器用于回光隔離,起到保護Nd:YVO4晶體的作用,HWP 用于調(diào)整1064 nm 激光偏振方向,使之滿足MgO:PPLN 偏振匹配需求,F2 的作用是將1064 nm 激光聚焦耦合到MgO:PPLN 晶體內(nèi).表2列出了鏡片M1,M2,M3,M4 鍍膜情況.

圖3 3.4 μm 中紅外脈沖串激光器實驗裝置示意圖Fig.3.Schematic of 3.4 μm mid-infrared pulse-train laser experimental setup.

表2 鏡片M1,M2,M3,M4 鍍膜情況Table 2.Coating status of lenses M1,M2,M3,and M4.

3 實驗結(jié)果與討論

首先進行基頻1064 nm 臺階聲光調(diào)Q實驗.根據(jù)前文模擬的數(shù)值設(shè)定信號發(fā)生器臺階的觸發(fā)時間t1,t2,t3和t4分別為16,21,26 和50 μs,重復(fù)頻率為20 kHz.采用脈寬探測器(Thorlabs DET10D/M)將捕獲到的基頻光輸出波形信號連接至數(shù)字示波器(Tektronix MDO3054)上,測量結(jié)果如圖4 所示.可以看出加入臺階信號后,輸出了一個重頻為20 kHz,每個脈沖包絡(luò)內(nèi)包含3 個子脈沖的脈沖串.其中第一個脈沖包絡(luò)內(nèi)的子脈沖脈寬分別為24.3,39.46,45.00 ns,這與模擬所得子脈沖寬度逐漸增大的趨勢一致.根據(jù)示波器測量結(jié)果計算了單個脈沖包絡(luò)內(nèi)的子脈沖信噪比(SNR)為30.45 dB.同時測量了AOQS 驅(qū)動器衰減后的射頻(radio frequency,RF)信號,并將一個周期內(nèi)基頻脈沖串輸出波形信號的實驗值和理論值進行了對比,如圖5 所示.AOQS 驅(qū)動器輸出臺階式RF信號,并在RF 信號的下降沿輸出子脈沖,脈沖包絡(luò)內(nèi)子脈沖間隔、子脈沖輸出位置與理論模擬基本一致.

圖4 基頻脈沖串輸出波形圖及子脈沖脈寬Fig.4.Output waveform of fundamental frequency pulse train and pulse width of sub-pulse.

圖5 射頻信號及三子脈沖輸出波形實驗與理論對比Fig.5.Experimental and theoretical comparison of RF signal and triple-pulse output waveforms.

接著進行外腔OPO 中紅外脈沖串輸出實驗.用傅里葉光譜儀測量經(jīng)過OPO 過程后輸出的閑頻光波長,測量結(jié)果如圖6 所示,其中心波長為3.44 μm.圖7 是用中紅外脈寬探頭(Vigo PCI-3TE-12)測量的3.4 μm 中紅外脈沖串輸出波形及脈寬,測量結(jié)果顯示中紅外脈沖串輸出重頻為20 kHz,一個脈沖包絡(luò)內(nèi)包含3 個子脈沖子,在最大輸出功率時,子脈沖寬度分別為12.8,15.3 和25.8 ns,子脈沖間隔為5 μs.同基頻1064 nm 脈沖串子脈沖脈寬對比發(fā)現(xiàn)中紅外的脈沖串子脈沖寬度比基頻的小,這是由于在每個基頻子脈沖上升沿和下降沿功率密度較低不能達(dá)到OPO 閾值,脈沖中間部分達(dá)到OPO 閾值進行了非線性頻率變換,所以輸出中紅外脈沖串脈寬變窄.同時通過測量單個脈沖包絡(luò)內(nèi)子脈沖幅值平均值與背景噪聲幅值平均值,通過計算得中紅外脈沖串子脈沖信噪比為46.39 dB.對比基頻子脈沖和中紅外子脈沖信噪比,發(fā)現(xiàn)中紅外子脈沖信噪比更高,這是由于連續(xù)或低功率的本底非線性轉(zhuǎn)換效率較低甚至并未達(dá)到OPO 閾值,噪聲被得到抑制,因此中紅外子脈沖信噪比明顯優(yōu)于基頻子脈沖信噪比.

圖6 中紅外脈沖串輸出光譜圖Fig.6.Mid-infrared pulse train output spectrum.

圖7 3.4 μm 脈沖串輸出波形及子脈沖寬度Fig.7.3.4 μm pulse train output waveform and sub-pulse width.

圖8 顯示了中紅外3.4 μm 脈沖串輸出平均功率、轉(zhuǎn)換效率與泵浦功率的關(guān)系.隨著基頻1064 nm脈沖串泵浦功率的增加,中紅外3.4 μm 脈沖串平均輸出功率先增加后降低,在1064 nm 抽運功率為10.74 W時,得到了3.4 μm 脈沖串最大平均輸出功率為1.08 W,此時OPO 的光-光轉(zhuǎn)換效率為10.05%.1064 nm 與3.4 μm 的光-光轉(zhuǎn)換效率先迅速升高后逐漸趨于平穩(wěn),并在達(dá)到最大值后逐漸降低.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)基頻光功率達(dá)到OPO 閾值后參量光功率迅速增加,導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率迅速增加.隨著基頻光功率的增加參量光功率也逐漸增加,然而,因諧振腔耦合作用,基頻光在多次通過MgO:PPLN 晶體時幾乎被徹底消耗,導(dǎo)致參量光倒流至基頻光,產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)[28],因此轉(zhuǎn)換效率又逐漸降低.圖8 中的插圖是在3.4 μm脈沖串最大輸出功率時用焦熱電陣列相機(Ophir PyrocamIII)通過刀口法測量的不同位置的光斑大小,通過數(shù)據(jù)擬合計算出光束質(zhì)量因子M2為2.01.

圖8 3.4 μm 脈沖串平均輸出功率、轉(zhuǎn)換效率隨泵浦功率的變化Fig.8.Changes in average output power and conversion efficiency of 3.4 μm pulse train with pump power.

4 結(jié)論

本文報道了一種臺階AOQS 外腔泵浦MgO:PPLN-OPO 3.4 μm 中紅外脈沖串激光器.建立了基頻臺階AOQS 理論模型,在重頻為20 kHz 時模擬了不同臺階信號間隔下光子數(shù)密度變化趨勢,獲得最佳臺階信號間隔為5 μs.依據(jù)理論模型設(shè)計臺階信號觸發(fā)時間為16,21 和26 μs,進行臺階AOQS外腔MgO:PPLN-OPO 實驗,獲得了單個脈沖包絡(luò)內(nèi)包含3 個子脈沖的3.4 μm 中紅外脈沖串激光輸出.子脈沖間隔為5 μs,最窄脈寬為12.8 ns,脈沖包絡(luò)重頻為20 kHz,在最大平均輸出功率為1.08 W時,1064 nm 基頻光與3.4 μm 參量光的最高光-光轉(zhuǎn)換效率為10.05%,光束質(zhì)量因子M2為2.01.實驗中每個重復(fù)周期內(nèi)子脈沖的輸出位置與理論模擬基本一致,并且理論和實驗中均發(fā)現(xiàn),每個脈沖包絡(luò)內(nèi)子脈沖寬度逐漸增大.實驗結(jié)果表明,采用臺階AOQS 并結(jié)合OPO 的方式能夠獲得3.4 μm 中紅外脈沖串激光輸出,從而為獲得中紅外脈沖串激光開辟了新的技術(shù)途徑,為中紅外脈沖串激光大氣污染物濃度的檢測提供理論與技術(shù)支撐.后續(xù)我們將進一步優(yōu)化臺階幅值比例、臺階間隔、腔型結(jié)構(gòu),以獲得等間隔、等幅值、穩(wěn)定的脈沖串激光輸出.