中波红外激光处于大气红外窗口，而且对应多数分子的特征吸收谱，因此，中波红外激光在大气环境监测、遥感测量、光电探测和光电对抗等领域有着重要应用^[1-4]。采用波段1 μm激光器泵浦基于MgO：PPLN晶体的光参量振荡器（OPO）是实现高功率中波红外激光输出的有效途径，其中，线偏振掺Yb光纤激光器（YDFL）具备功率高、效率高、光束质量好、热管理便捷和可靠性高等优点，适合作为基于MgO：PPLN晶体的OPO（MgO：PPLN-OPO）的泵浦源，有利于MgO：PPLN-OPO的工程应用。YDFL泵浦MgO：PPLN-OPO的技术方案已得到大量实验验证^[5-9]，在输出功率方面，当激光波长超过3.5 μm时，YDFL泵浦MgO：PPLN-OPO可实现超过6 W的中波红外激光输出^[7]。然而，与固体激光器泵浦的MgO：PPLN-OPO^[10-11]相比，YDFL泵浦MgO：PPLN-OPO的输出功率还较低，主要限制因素是YDFL输出的1 μm波段脉冲线偏振泵浦光功率较低。

在此背景下，本文将介绍一种高功率线偏振YDFL泵浦的中波红外MgO：PPLN-OPO，YDFL采用主振荡功率放大（MOPA）结构，可输出最高79.1 W的脉冲线偏振1064 nm激光，通过实验对泵浦光斑束腰直径和OPO输出镜曲率半径进行优化，当泵浦光束腰直径约为320 μm，输出镜曲率半径为200 mm时，MgO：PPLN-OPO实现最高9.15 W的3.754 μm脉冲激光输出，这是目前公开报道的光纤激光器泵浦MgO：PPLN-OPO所获得的最高中波红外激光（波长≥3.7 μm）输出功率，相应的光光转换效率为11.57%。

1.   实验装置

如图1所示为实验装置图，该激光器主要由线偏振YDFL和OPO组成。其中，线偏振YDFL作为OPO的泵浦源，它采用MOPA结构，包括1个种子源和3级功率放大器。种子源为分布反馈（DFB）激光器，可输出线偏振1064 nm种子激光，DFB的输出功率由方波信号进行调制，从而实现脉冲激光输出，输出功率约为10 mW。功率放大器由3级线偏振掺Yb光纤放大器（YDFA）组成，均采用976 nm半导体激光器（LD）前向泵浦方式，通过保偏（PM）合束器将泵浦光和激光耦合至增益光纤，增益光纤均为熊猫型PM掺Yb光纤（YDF），其中第1级YDFA采用芯径6 μm的单包层PM YDF，可将种子光放大至约100 mW，第2级和第3级YDFA分别采用芯径12 μm和30 μm的双包层PM YDF以实现高功率脉冲激光放大，第2级YDFA输出功率约为2 W。在YDFA的输入端均装有PM隔离器（ISO），以防止后向反射光和放大自发辐射（ASE）对前端器件造成损伤。经过3级功率放大后的1064 nm线偏振泵浦光通过PM光纤准直器输出。

图  1  YDFL泵浦MgO：PPLN-OPO实验装置图

Figure  1.  Experimental setup of MgO: PPLN-OPO pumped by YDFL

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OPO主要包括ISO、缩束镜组、谐振腔镜、MgO：PPLN晶体、加热炉和分束镜等。YDFL输出的泵浦光首先通过ISO以防止后向反射光对光纤器件造成损伤，同时，ISO中的半波片将泵浦激光调整为竖直偏振以满足相位匹配条件。随后泵浦光经过缩束镜组M1和M2压缩光斑直径，以提高泵浦光功率密度，进而提高OPO的光光转换效率，通过调节M1和M2的间距可改变泵浦光束腰直径。MgO：PPLN 晶体尺寸为 50 mm×3 mm×2 mm，MgO掺杂摩尔质量分数为5%，极化周期为29.5 μm，晶体端面镀1.06、1.48和3.80 μm增透膜。MgO：PPLN 晶体固定在加热炉中，工作温度设定在70 ℃，温控精度为±0.1 ℃。谐振腔采用平凹腔，由平平镜M3和平凹镜M4组成，采用信号光单谐振和泵浦光双通的方案，M3镀1.06 μm高透、1.48 μm和3.80 μm高反膜，M4镀1.06 μm高反、3.80 μm高透和1.48 μm部分反射膜（反射率～70%），谐振腔腔长为80 mm，MgO：PPLN晶体放置在谐振腔的中心位置。泵浦光入射MgO：PPLN晶体后，在谐振腔的反馈下，通过光学参量振荡过程，获得近红外波段的信号光和中波红外波段的闲频光输出，利用分光镜M5将信号光滤除，最终获得高功率中波红外激光输出。

2.   实验结果与分析

2.1   YDFL输出特性

首先对YDFL的输出特性进行了实验研究。采用方波信号对YDFL的种子源进行调制，为了在高功率泵浦情况下抑制ASE的产生，实验中方波信号的重复频率较高，设置为300 kHz，脉冲宽度为200 ns。采用激光功率计对通过ISO后的线偏振泵浦激光功率进行测试，结果如图2所示。可见，激光功率随第3级放大器LD功率线性增长，在LD最高功率为103.2 W情况下，YDFL的最高输出功率为79.1 W，光光转换效率为76.6%。在最高输出功率情况下，YDFL的光谱和光斑如图2所示，YDFL的峰值波长为1064.1 nm，水平方向M_x²因子与竖直方向M_y²因子分别为1.26和1.22。

图  2  经过ISO后YDFL功率随第3级LD功率变化曲线及其光谱和光斑

Figure  2.  YDFL power after ISO versus third stage LD power with insets show spectrum and beam profile

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如图3所示为在最高输出功率情况下YDFL激光的脉冲波形，可见，激光波形不再是方波，由于放大过程中，激光脉冲前沿获得的增益要高于后沿，因此脉冲前沿的强度更高，脉冲宽度约为160 ns，但是1064 nm激光的重复频率与方波信号一致，均为300 kHz。

图  3  最高输出功率下YDFL波形

Figure  3.  Waveforms of YDFL with maximum output power

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2.2   OPO输出特性

采用上述YDFL泵浦MgO：PPLN-OPO，首先分析输出镜M4曲率半径对中波红外激光功率的影响。如图4所示为M4曲率半径为200、300和500 mm情况下中波红外激光功率随泵浦光功率变化曲线及最高输出功率下的中波红外激光光谱，此时泵浦光束腰直径为320 μm。可见，当泵浦功率较低时，中波红外激光功率均随泵浦功率的增加而线性增长，但随着泵浦功率的增加，MgO：PPLN晶体内会产生严重的热透镜效应，造成光光转换效率的下降，且曲率半径越大，受热透镜效应影响越严重。因为MgO：PPLN晶体的热透镜效应越强，热透镜焦距越短，泵浦光发散的越严重，造成泵浦功率密度下降，从而引起光光效率的下降，当泵浦光经过输出镜M4凹面反射后，会对泵浦光斑起到聚焦的作用，曲率半径越小，聚焦后的泵浦光斑尺寸越小，功率密度越大，中波红外激光的光光效率较高，反之，M4曲率半径越大，聚焦后的泵浦光斑尺寸较大，无法补偿热透镜效应，造成中波红外激光光光效率的降低。可见，当M4曲率半径为500 mm时，在泵浦功率高于74 W时中波红外激光输出不再稳定，最高功率仅为8.03 W。对于曲率半径200 mm和300 mm的情况，在最高泵浦功率下可实现稳定中波红外激光输出，最高功率分别为9.15 W和8.30 W，相应的光光转换效率分别为11.57%和10.49%。实验结果表明，M4曲率半径为200 mm时，MgO：PPLN-OPO的中波红外激光输出功率最高，如图4（b）所示，此时中波红外激光的峰值波长为3.754 μm。

图  4  （a）不同M4曲率半径下中波红外激光功率随泵浦功率的变化关系及（b）功率9.15 W时中波红外激光光谱

Figure  4.  (a) Mid-infrared laser power as functions of pump power for different curvature radii of M4 and (b) mid-infrared laser spectrum with power of 9.15 W

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接下来对不同泵浦光束腰直径下MgO：PPLN-OPO的中波红外激光功率进行了测试。如图5所示为泵浦光束腰直径为320、390和480 μm情况下中波红外激光功率随泵浦光功率变化曲线，此时泵浦光束腰均位于MgO：PPLN晶体中心位置，M4曲率半径为200 mm。可见，当泵浦功率较低时，中波红外激光功率均随泵浦功率的增加而线性增长，但随着泵浦功率的增加，当泵浦光束腰直径为390 μm和480 μm时，在泵浦功率为70 W时中波红外激光的功率出现了下降，最高功率分别为8.08 W和8.06 W，低于束腰直径320 μm情况下MgO：PPLN-OPO的最高输出功率。可见，实验结果表明泵浦光束腰直径为320 μm时，MgO：PPLN-OPO的输出功率最佳，此时中波红外激光的光斑如图5所示，其水平方向和竖直方向的M²因子分别为3.2和2.4。

图  5  不同泵浦光束腰直径下中波红外激光功率随泵浦功率的变化关系

Figure  5.  Mid-infrared laser power as functions of pump power for different pump waist diameters

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如图6所示为M4曲率半径200 mm、泵浦光束腰半径320 μm情况下，中波红外激光功率为最高9.15 W时的脉冲波形。可见，中波红外激光的脉冲波形与泵浦光相似，激光脉冲前沿的强度要高于后沿，脉冲宽度较泵浦光更小，约为110 ns，中波红外激光重复频率与泵浦光一致，均为300 kHz。

图  6  最高输出功率下中波红外激光波形

Figure  6.  Waveforms of mid-infrared laser with maximum output power

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3.   结　论

本文中，我们首先介绍了基于线偏振YDFL泵浦的高功率中波红外MgO：PPLN-OPO的结构和工作原理，其次对线偏振YDFL的输出性能进行了测试，最后分析了输出镜M4曲率半径和泵浦光束腰直径对MgO：PPLN-OPO中波红外激光功率的影响。实验结果表明：在M4曲率半径为200 mm，泵浦光束腰半径为320 μm，泵浦光功率为79.1 W情况下，MgO：PPLN-OPO可实现最高9.15 W的3.754 μm激光输出，该光纤激光泵浦MgO：PPLN-OPO的中波红外激光功率较之前的实验结果得到了显著提升，相应的光光转换效率达到11.57%，重复频率为300 kHz，脉冲宽度约为110 ns。本文的研究结果表明YDFL泵浦MgO：PPLN-OPO可实现高功率中波红外激光输出，上述实验方案将为研制适于工程应用的光纤激光泵浦高功率中波红外MgO：PPLN-OPO提供可行的技术途径。