窄线宽纳秒脉冲2μm波段光参量振荡放大技术研究

The 2-μm laser transmitters with narrow linewidth, high spectral character are useful for many applications, such as coherent detection ranging lidar, differential absorption lidar, laser medicine, high-resolution spectroscopy applications, optoelectrionic countermeasure, environment pollution detection, laser remote sensing, etc. Such lasers have become a research focus, and the key technology is needed to be solved. Based on the new scheme of optical parametric master oscillator and power amplifier (OP-MOPA), the 2-μm pulsed laser has been proposed in this project. Combining single frequency pulse 1.06-μm laser pumping, injection seeding, optical parametric oscillator with high property and optical parametric amplifier with rising pulse energy, the nanosecond pulse 2-μm laser output is realized，and the key technical problems including the frequency controlling, linewidth narrowing, single pulse energy rising, high efficient, tunable, and high beam quality will be solved in the present system. The OP-MOPA technique will break the technique bottleneck of the current 2-μm solid-state lasers, and explore a new technology path to realize narrow bandwidth, high single pulse energy for infrared solid state lasers, which will lay a technical foundation for stable and reliable mid-infrared lasers meeting the requirement in airborne and spaceborne lidar.

窄线宽、高光谱特性的2μm波段脉冲中红外激光器在相干探测激光雷达、差分吸收雷达、激光医疗、激光光谱学、光电对抗、污染环境探测、激光遥感等方面具有重要应用前景，已经成为当前研究的热点，是亟需解决的关键技术。本项目提出了一种基于光学参量振荡放大技术产生2μm波段脉冲激光输出的新型技术方案，通过将单频1.06μm脉冲泵浦技术、种子注入技术、高稳定性OPO技术和OPA脉冲能量提升技术结合起来，旨在解决纳秒脉冲2μm激光输出频率控制、线宽压窄、脉冲能量定标大、可调谐、高光束质量、高频谱特性、高频率稳定性等关键技术问题，突破目前2μm固体激光器的技术瓶颈，探索实现窄线宽、高能量中红外波段脉冲激光技术新途径，为实现可靠、稳定的红外激光源在机载、星载激光雷达中的应用奠定技术基础。

本项目研究了一种基于光学参量振荡放大技术产生2μm波段脉冲激光输出的新型技术方案，通过将种子注入技术、高稳定性OPO技术和OPA脉冲能量提升技术结合起来，解决了纳秒脉冲2μm激光输出频率控制、线宽压窄、脉冲能量定标大、高频谱特性等关键技术问题。采用平平腔结构，开展了自由运转2.05μm纳秒脉冲OPO实验研究，研究了不同KTP晶体长度、不同耦合输出率时OPO输出特性与转换效率变化规律。在400Hz重复频率下，获得了单脉冲能量为0.9mJ的2.05μm信号光输出，脉宽约3.7ns，对应泵浦光-信号光转换效率约为18%。在此基础上设计环形腔2.05μm 脉冲KTP-SRO研究，获得了基横模的2.05μm波长纳秒脉冲激光输出。在20Hz重复频率下，泵浦脉冲能量为11mJ时，获得2.4mJ的2.05μm信号光输出，脉宽约24ns，泵浦光-信号光转换效率达到22%，输出信号光脉冲能量稳定性约为1%。接着研究了种子注入纳秒脉冲KTP-SRO输出特性，比较了自由运转与种子注入区别，通过Ramp-Hold-Fire稳频技术， OPO实现了单频窄线宽的2.05μm脉冲激光输出。在20Hz重复频率下，当抽运脉冲能量达到11.4mJ时，种子注入后SRO获得了单脉冲能量为2.6mJ的单频脉冲2.05μm信号光输出，对应泵浦光-信号光转换效率约为23%，脉宽约17.6ns，外差法实测信号光线宽约为26.5MHz，接近傅里叶变换极限，输出信号光光束质量因子M2值小于1.2。利用OPA技术，泵浦脉冲能量为48.5mJ时，1.5μm脉冲激光输出能量为9.3mJ，提升泵浦能量，可以继续放大脉冲能量。基于光学外差法，搭建了一套脉冲激光中心频率测试系统，该系统对于脉宽为30ns左右的激光脉冲，采样率为2GS/s时，测试系统的均方根误差不超过0.07MHz。在此基础上，基于外差法稳频技术，实现了1.5um波段脉冲OPO高频率稳定性输出，脉冲频率稳定性RMS 0.29MHz（30min），阿伦方差小于20kHz（>3s），该技术可以拓展至2um波段。本项目突破了目前2μm固体激光器的技术瓶颈，探索实现窄线宽、高能量中红外波段脉冲激光技术新途径，为实现可靠、稳定的红外激光源在机载、星载激光雷达中的应用奠定技术基础。