摘要

 阐述了一种获得高功率 3~5 μm 中红外激光输出的实验方案，即先通过高功率 1.94 μm 光源抽运 Ho:YLF 晶体，获得高重复频率 2.05 μm 激光输出，通过端抽运放大方式，提升 2.05 μm 激光功率水平，最终 2.05 μm 激光抽运光参量振荡器(OPO)实现高功率中波激光输出。在水冷工作体制下获得了重复频率 5 kHz、最大功率 26.9 W 的中波输出，脉冲宽度为 24.4 ns，2.05 μm 到 3~5 μm 的光光转换效率达 50%，通过角度调谐获得不同波长的中红外激光输出，验证了该实验方案作为一种获得高功率、高效率、高重复频率中红外激光输出工作方式的可行性。

1 引 言

3~5 μm 波段激光在光谱学、遥感、医疗、环保等诸多领域都有重要的应用价值和前景，尤其在军事领域高重复频率大功率的 3~5 μm 中波激光源在定向红外光电对抗系统中的重要应用[1] ，使得 3~5 μm 波段激光器成为激光技术研究的热点，其中，中波固体激光器在获得高功率 3~5 μm 激光输出方面进展迅速。

在固体激光技术领域内，获得高功率 3～5 μm 激光输出的方法有多种，一种是利用准相位匹配技术直接实现从 1.06 μm 到 3~5 μm 的中波输出，工作物质为周期极化铌酸锂晶体(PPLN)或掺 MgO 周期极化铌酸锂晶体(PPMgLN)[2-3] ，虽然这类晶体具有较高的非线性系数和简化中红外激光器结构的潜在价值，但是在大尺寸晶体制备技术方面距离实际应用仍有相当的距离；另一种实现方式就是先获得 2 μm 波段的激光输出，以此作为中波激光器的抽运光源，利用光参量振荡(OPO)技术，实现 3~5 μm 激光输出[4-5] ，其中，磷化锗锌(ZGP)晶体以其所具备的非线性系数高、导热性能好、透射光谱范围宽和损伤阈值高等特性，成为该类技术方案中获得高功率中波激光输出的优选非线性材料。文中研究人员采用了掺钬氟化钇锂(Ho:YLF)激光器作为光源，抽运磷锗锌光参量振荡器(ZGP OPO)获得了高功率中波激光输出。

2 理论研究

2.1 Ho:YLF 激光材料特性研究

可用于产生 2 μm 激光的晶体主要是以 YAG，YAP，YLF 为基质，掺以 Ho，Tm，Er 激活离子的 Ho:YLF、Ho: YAP、Tm:YAP，Tm:YAG，Tm，Ho:YLF 等激光晶体[6-9] 。其中，Ho:YLF 在 2 μm 激光输出方面具有优良的输出特性。其基质材料 YLF 分子式为 LiYF4，属于四方晶系，材料特点是在紫外光谱区吸收损耗小，非线性折射系数小，非常适合于三价稀土金属离子(如 Ho3+ )的掺杂，掺有 Ho3+ 离子的 YLF 晶体有较高的光存储容量。与 Ho: YAG 等晶体相比，Ho:YLF 激光器有较高的斜率效率和较低的阈值。此外，由于 YLF 是一种低声子能材料，使得 Ho:YLF 晶体同其他基质相比，还具有热稳定性好、上变频损耗小，抗光学损伤能力强、无热诱发的双折射、输出激光线偏振等优点。

 Ho:YLF 晶体作为单轴晶体材料，具有两个等价的 a 轴和一个 c 轴，其中，a 轴晶体随着偏振的选择会体现出不同的吸收特性和发射特性，一种偏振是电矢量方向平行于 c 轴的π偏振光，另一种偏振是电矢量方向垂直于 c 轴的 σ 偏振光。

图 1 为 Ho:YLF 在π偏振和 σ 偏振方向上的吸收和发射光谱曲线，可以看出π偏振上，Ho:YLF 晶体的吸收峰位于 1940 nm，该波长恰好与 Tm:YAP 激光器的发射波长相匹配，因此，可以采用 Tm:YAP 激光器作为 Ho:YLF 激光器的抽运源，π偏振上，Ho:YLF 激光输出的中心波长位于 2050 nm。

2.2 ZGP 晶体特性研究

在可获得中波激光输出的非线性晶体中，ZGP因其较高的非线性系数(75 pm/V)、宽的透明范围(0.7~12 μm)、高热导性[0.36 W/cm·K)]、低阈值和高损伤阈值，成为高功率中红外波段光参量振荡器的首选材料[10-11] 。

图 2 为长度 14 mm、未镀膜 ZGP 晶体的光谱透射图，可以看出，2~5 μm 均处于晶体的有效透射光谱波段，同时，可以从图 2 中 insert1 图看出，2 μm 波长处于晶体有效透射光谱的边沿，但晶体的吸收系数一般可以控制在 0.1 db/cm-1 以下，并且通过退火等特殊工艺可以达到 0.05 db/cm-1 ，因此，以 2 μm 作为抽运光，产生的信频光和闲频光均位于 3~5 μm 波段范围内，激光器可以具备较高的转换效率，图 2 中的 insert2 图显示了 ZGP 晶体的表面镀膜曲线图，通过镀膜 ZGP 晶体表面的对 2 μm 和中波波段的反射率可以控制到 1%以下，满足中波光参量变换的需求。

4 实验结果及分析

 4.1 高功率 2.05 μm 激光测试结果

Ho:YLF 激光器本振级在高功率 1940 nm 激光抽运下获得 18.2 W 脉冲激光输出，激光重复频率为 5 kHz，采用脉宽探测器测得 2050 nm 激光脉冲宽度为 32 ns。用波长计对 Ho:YLF 激光波长进行测试，测试结果显示，Ho:YLF 激光中心波长位于 2049.55 nm，与理论分析一致。

以本振级的 18.2 W 的 2050 nm 激光为种子源，在经过一级端抽运放大后 2050 nm 激光功率提升至 53.7 W。 4.2 中红外激光测试结果图 6 为不同 2050 nm 激光抽运下，中波激光的功率输出特性曲线，当 2050 nm 抽运功率为 9.1 W，中波激光达到输出阈值，在 53.7 W 抽运功率下，中波激光最高输出达到 26.9 W，光光转换效率达 50%，输出斜效率达 54.6%，最高功率输出状态下曲线的线性度较好，因此，通过进一步提升 2050 nm 激光功率，中波激光有望获得更高功率输出。在最高功率输出下，采用中红外(Mid-IR)脉宽探头对激光脉冲宽度进行测试，中波激光脉冲的半峰全宽 (FWHM)值为 24.4 ns，与 2050 nm 抽运激光的脉宽比较，中波激光脉宽出现一定的压缩，这是因为在时域上，中波激光是在 2050 nm 抽运光能量上升达到一定阈值后产生的，并随着抽运光能量下降到一定阈值后消失。采用光谱分析仪，对激光的输出光谱进行了测试，由于采用双谐振腔结构，中波将有信频光和闲频光两个波段同时输出，经测试，中波激光光谱峰值出现在 3520 nm 和 4900 nm 位置，此时 ZGP 角度 θ =56.5°，与理论计算基本相符。通过对 ZGP 晶体 θ 角度的调谐，中波激光的双峰值伴随角度的变化发生偏移，图 9 为增大晶体入射角约为 1°时的中波输出光谱图，光谱峰值在 3750 nm 和 4500 nm 实现输出。

 5结 论

对 Ho:YLF 晶体和 ZGP 晶体特性进行了理论研究，通过实验研究，在室温条件下，通过 1940 nm 激光抽运 Ho:YLF 激光再放大的方式，获得 53.7 W 的高功率 2050 nm 高重复频率激光输出，并以此为抽运源实现了 26.9 W 的中波激光输出，测得激光波长为 3520 nm 和 4900 nm，光光转换效率达到 50%，脉冲宽度 25 ns，重复频率 5 kHz，通过对 ZGP 角度进行调谐后，获得 3750 nm 和 4500 nm 激光输出。通过实验验证了 Ho:YLF 激光器抽运 ZGP OPO 获得高功率、高效率、高重复频率中红外激光输出的方案是可行的。同时，在进一步提升 Ho:YLF 激光器输出功率的条件下，可以获得更高功率的中波激光输出。