基于PPMgLN的中紅外光學參量振蕩器研究

柴 燕

(四川文理學院物理與工程技術系，四川達州635000)

1 引言

波長范圍在3～5μm的中紅外光廣泛應用于軍事對抗、大氣環境檢測、紅外成像、生物和醫學診斷等領域。獲得這個波段范圍的中紅外光最常用的辦法是利用 KTiPO4(KTP)，ZnGeP2(ZGP)，AgGaSe2，LiNbO3等非線性晶體作為倍頻晶體制作光學參量振蕩器(OPO)。KTP晶體由于具有良好的機械及光學特性，光折變損傷閾值高等優點而被廣泛使用，但是其走離效應較為嚴重。ZGP晶體非線性系數較高，達到了75 pm/V［1］，但是需要波長為2μm的泵浦光進行泵浦。周期極化LiNbO3晶體(PPLN)，尤其是摻雜MgO之后，其矯頑場降低，光折變損傷閾值得到了提高［2］。通過設計合適的周期，PPMgLN晶體在準相位匹配技術下能夠產生波長范圍在3～5μm的中紅外光。

光學參量振蕩器(OPO)的增益系數取決于泵浦光的功率，因此，高功率的泵浦光有利于增強OPO的非線性光學效應。據報道，在25W波長為1.064μm的連續波光纖激光器泵浦下，得到了5.3 W波長為1.58μm的信號光和1.2 W波長為3.23μm的閑頻光［3］。除了利用連續波泵浦外，峰值功率很高的脈沖泵浦也常被運用。在1064 nm被動調Q的Nd∶YVO4參量放大系統中，得到了總功率為1.6 W的信號光和閑頻光［4］。在1064 nm被動調Q的Nd∶YVO4/Cr4+∶YAG/PPLN腔內光學參量振蕩器中，泵浦光功率為15 W，輸出得到了900 mW的信號光［5］。本文主要研究了一種基于被動調Q周期極化MgO∶LiNbO3的光學參量振蕩器，它具有光光轉換效率高，調諧范圍較寬等優點。

2 倍頻晶體PPMgLN的制備

使用厚度為1 mm摻雜濃度為4.9mol.% 的MgO∶LiNbO3晶體進行進行Z面切割。在實驗中，采取措施改進了極化工藝，即在高溫下進行極化，高溫導致PPMgLN的矯頑場大幅下降，在150℃下僅1.4 kV，同時高溫抑制了疇的橫向擴張。對+Z和–Z面噴鍍了100 nm厚的光學薄膜，并對+Z和–Z面進行了周期極化，極化電壓為1.6 kV，脈沖持續時間為500 ms。在極化過程中，為了降低矯頑場影響，我們將樣品晶體加熱到了150℃，并將極化后的晶體放入HF酸溶液中進行刻蝕［6］。從周期疇結構顯微圖片(如圖1所示)可以看出+z面的占空比接近最佳占空比50%。

圖1 PPMgLN晶體周期疇結構顯微圖片

3 實驗結果

光學參量振蕩器(OPO)的實驗裝置如圖2所示。采用了20W激光進行端面泵浦，將波長為808nm的激光光進行光纖耦合并經過透鏡準直后，入射到大小為3 mm×3 mm×3 mm(厚×寬×長)的Nd∶YVO4(Nd的摻雜濃度為0.5at.%)晶體上。Nd∶YVO4晶體的左端面渡有808nm的增透膜，諧振腔的左面渡有1064 nm的高反膜，諧振腔的右面渡有1064 nm的增透膜。實驗中，選用的Cr4+∶YAG晶體直徑為8 mm，厚度為3 mm，并在其晶體兩端面渡有1064 nm的增透膜，其透過率為50%。在耦合輸出鏡M1上渡有1064 nm透過率為30% 的膜。同時，使用溫度控制器(TEC)將Nd∶YVO4及 Cr4+∶YAG晶體的溫度控制在21℃。

808 nm激光經過Nd∶YVO4及Cr4+∶YAG晶體后，得到了波長為1064 nm的泵浦光，將其通過一個焦距為100 mm的透鏡聚焦后進入光學參量振蕩器(OPO)的諧振腔。透鏡的位置距離M1鏡30 mm，距離M2鏡11 mm。信號光進入諧振腔以后產生諧振，使用功率器可以探測到閑頻光。凹透鏡M2及M3的曲率半徑都為200 mm，并在其端面渡有1064 nm的高反膜及1.4～1.7μm信號光波段和3.2～4.0μm閑頻光波段的增透膜。PPMgLN晶體兩端面渡有1064 nm，1.4～1.7μm及3.2～4.0μm的增透膜。

圖2 OPO實驗裝置圖

在調Q過程中，脈沖周期為10 ns，脈沖的重復頻率為50 kHz。圖3顯示了在808 nm激光作用下，1064 nm泵浦光的輸出功率。通過9.7 W的808 nm激光被動調Q，1064 nm泵浦光的最大平均功率為1.78 W，峰值功率達到了3.6k W。在此之后，隨著激光功率的增加，輸出1064 nm激光的功率反而下降。將Cr4+∶YAG晶體從實驗裝置圖中取出，當泵浦光功率超過9.7 W后，1064 nm功率也同樣出現了下降。這種現象可能是808 nm增益介質的飽和吸收及高功率下的熱效應導致的。為了降低這一效應，我們又將長度為 10 mm，Nd摻雜濃度為0.25at.%的Nd∶YVO4晶體放置于實驗裝置圖中，實驗結果顯示隨著808 nm功率的提高，1064 nm泵浦光也輸出也不斷增強，但是Q開關的脈沖卻變得不穩定，這可能是因為晶體長度的改變導致了增益改變及諧振腔插入損耗的增加。

因此，實驗中使用功率為1.78 W的1064 nm泵浦光，它經過聚焦透鏡之后，束腰半徑在焦點處變為157μm，此焦點與PPMgLN晶體的中心重合。諧振腔按照如圖4所示的模式匹配理論進行設計，精心選取與準相位技術匹配的凹透鏡 (圖4.a)。此外，如圖4.b所示，泵浦光與信號光的光斑大小必須相匹配，圖4中ω0(x)代表泵浦光的光斑半徑，ωopo(x，100)，ωopo(x，200)及 ωopo(x，300) 代表了當凹透鏡的曲率半徑分別是100 mm，200 mm及300 mm時信號光的光斑半徑。ω0曲線與三條ωopo曲線的交點代表了凹透鏡的位置。從圖4.b中可以看出，ω0(x)與ωopo(x，100)的交點已經超出了穩定諧振腔的范圍。由于諧振腔的限制，凹透鏡的曲率半徑設定為200 mm，因此，整個OPO諧振腔的長度為60 mm。

由于諧振腔對泵浦光和信號光進行了反射，光學參量振蕩器OPO的震蕩閾值較低僅為0.14 W。從圖5可以看出，泵浦初始階段，隨著泵浦功率的增加，閑頻光功率也不斷增加。當泵浦功率增加到1.1W時，閑頻光功率迅速增加到0.36 W。我們還在實驗中多次使用了長度為30 mm和40 mm的PPMgLN晶體，并由此確定了跳躍點的存在。在跳躍點上，當泵浦功率密度達到一定值時，將獲得最高的光光轉換效率。在跳躍點處測得，泵浦光的平均功率為1.07 W，并產生了波長為3.2μm的閑頻光。

圖6顯示了當周期在29～31.5μm范圍內改變時，信號光和閑頻光的波長變化情況。利用能量守恒定律，可計算出信號光和閑頻光的波長范圍分別是1450 ～1660 nm 及 2961 ～3992 nm［7］。

當溫度控制在 30℃ 到 200℃范圍內時，將PPMgLN晶體置于諧振腔中，即可檢測到信號光的波長范圍。例如，當周期為31μm，信號光的調諧范圍為1591～1739 nm，同時，閑頻光的波長范圍為2739～3209 nm。由于鍍膜技術有限，在周期調諧和溫度調諧下，最終得到的中紅外光波長范圍為3000～4000 nm。

在參量震蕩的同時，還可觀察到其他的非線性現象。例如，當周期為31μm時，波長為639 nm，795 nm及532 nm的激光能夠被光譜儀探測到。639 nm激光是由泵浦光和信號光合頻后產生得到，而795 nm及532 nm分別是信號光和泵浦光的二次諧波。在實驗裝置中，還增加了一個平面鏡并在它的端面渡有泵浦光和信號光的高反膜及閑頻光的增透膜，然后將其放置在M3的后面作為其他輸出光的濾波器。因此，其他輸出激光強度較弱可以忽略不計。

4 結論

實驗中，利用Nd∶YVO4/Cr4+∶YAG激光器產生1.78 W波長為1064 nm的激光作為泵浦光源，并將長度為35 mm的PPMgLN晶體作為倍頻晶體進行倍頻，輸出得到了360 mW波長為3.2μm激光，光光轉換效率高達20%。同時，通過調節倍頻晶體的周期以及改變實驗溫度，還可得到調諧波長范圍在3.0～4.0μm的中紅外激光。此波段范圍的中紅外光可應用于軍事對抗、大氣環境檢測、紅外成像、生物和醫學診斷等領域，具有較高的軍事價值及商業價值。

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［7］ Walter Koechner.Solid-state laser engineering［M］.Berlin:Springer，1999:620.