高能量、高效率、緊湊型近紅外和中紅外MgO：PPLN光參量激光器＊

王書(shū)童，買日哈巴·阿巴白克，塔西買提·玉蘇甫

高能量、高效率、緊湊型近紅外和中紅外MgO：PPLN光參量激光器＊

王書(shū)童，買日哈巴·阿巴白克，塔西買提·玉蘇甫

（新疆師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054）

報(bào)道了一種以1.064 μm的激光作為泵浦源，基于MgO：PPLN晶體的緊湊、高能量、高效率的近紅外與中紅外單諧振光參量振蕩器。當(dāng)泵浦光輸入能量為22.6 mJ且輸出耦合鏡對(duì)信號(hào)光的反射率為90%時(shí)，產(chǎn)生高效的近紅外1.5 μm與中紅外3.65 μm的最大輸出能量分別為2.8 mJ和1.7 mJ，相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為12.4%和7.5%。通過(guò)改變MgO：PPLN晶體的溫度，獲得信號(hào)光與閑頻光的連續(xù)波長(zhǎng)調(diào)諧范圍分別為1.500～1.560 μm和3.346～3.650 μm。

非線性光學(xué)；光學(xué)參變振蕩器；近紅外激光；中紅外激光

1 引言

近紅外1.5～1.6 μm激光處于人眼安全波段，在科學(xué)研究與實(shí)際應(yīng)用中引起了廣泛關(guān)注。例如激光測(cè)距[1]、激光振動(dòng)測(cè)量[2]、光通信和差分吸收雷達(dá)系統(tǒng)[3]。中紅外3～5 μm位于大氣窗口波段，在環(huán)境污染檢測(cè)[4]、遙感[5]、紅外對(duì)抗[6]、軍事[7]和醫(yī)療[8]等方面有廣泛應(yīng)用。

目前，光參量振蕩器作為一種產(chǎn)生近紅外和中紅外波段的有效方法已經(jīng)引起了研究者的注意。很多研究人員基于雙折射相位匹配（BPM）晶體來(lái)產(chǎn)生近紅外和中紅外激光，包括KTiOPO4（KTP）[9]和KTiOAsO4（KTA）[10]。然而，這些晶體的非線性系數(shù)較小，并且走離效應(yīng)較強(qiáng)，影響了光光轉(zhuǎn)換效率，限制了高能量、高光束質(zhì)量激光的輸出。伴隨著非線性材料的最新改進(jìn)與發(fā)展，在近紅外和中紅外區(qū)域已經(jīng)產(chǎn)生高效率和高光束質(zhì)量的激光。

對(duì)于雙折射晶體而言，準(zhǔn)相位匹配（QPM）晶體能夠利用最大的非線性系數(shù)、走離效應(yīng)較小以及對(duì)光折變損傷不敏感，從而被廣泛用于生成基于光參量振蕩器的近紅外和中紅外激光。利用準(zhǔn)相位匹配晶體來(lái)產(chǎn)生近紅外與中紅外光參量激光有許多報(bào)道。其中，包括基于扇形光柵設(shè)計(jì)的周期性極化的KTiOPO4（PPKTP）晶體，可通過(guò)光參量振蕩器實(shí)現(xiàn)近紅外激光輸出。信號(hào)光與閑頻光的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍分別是741～922 nm和1 258～1 884 nm，當(dāng)泵浦光的最大輸入功率為1.65 W時(shí)，信號(hào)光與閑頻光的輸出功率分別為150 mW和400 mW[11]。南京大學(xué)祝世寧等人通過(guò)基于周期性極化的LiTaO3（PPLT）晶體的光參量振蕩器獲得了3.8 μm、1.48 μm的閑頻光與信號(hào)光，功率分別為1.2 W與3 W[12]。基于雙通道MgO：PPLN晶體的光參量振蕩器的調(diào)諧范圍為2 416.17～ 2 932.25 nm和3 142.18～4 521.5 nm，在輸出波長(zhǎng)為2.7 μm時(shí)獲得最大的輸出功率10.4 W，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率為24%[13]。研究者發(fā)現(xiàn)通過(guò)基于PPMgLN晶體的光參量振蕩器能獲得中紅外激光的輸出能量為11.2 W[14]。但是，光參量振蕩器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸出光束質(zhì)量需要進(jìn)一步提高，要實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用近紅外激光的輸出，能量必須要達(dá)到毫焦級(jí)水平，尤其是波長(zhǎng)為3.5 μm且具有適當(dāng)能量的可調(diào)諧中紅外激光器能夠操縱各種分子的本征頻率，并且在新一代分子科學(xué)（包括分子吸收光譜法、超分辨率光譜法）以及手性有機(jī)材料的加工中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。最近，人們研究了1 064 nm泵浦的基于MgO：PPLN晶體的毫焦級(jí)中紅外光參量振蕩器。當(dāng)泵浦光能量為21 mJ時(shí)，最大的中紅外3.5 μm閑頻光的輸出能量為3.65 mJ[15]。以26～31 μm的多周期MgO：PPLN晶體作為非線性介質(zhì)，獲得了2.28～4.8 μm的寬調(diào)諧中紅外激光輸出。在這篇論文中，報(bào)道了一種以1.064 μm的激光作為泵浦源，基于MgO：PPLN晶體的緊湊、高能量、高效率的近紅外與中紅外單諧振光參量振蕩器。當(dāng)泵浦光輸入能量為22.6 mJ且輸出耦合鏡對(duì)信號(hào)光的反射率為90%時(shí)，產(chǎn)生高效的近紅外1.5 μm與中紅外3.65 μm的最大輸出能量分別為2.8 mJ和1.7 mJ，相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率為12.4%與7.5%。將MgO：PPLN晶體從25 ℃加熱到200 ℃，獲得連續(xù)波長(zhǎng)的信號(hào)光與閑頻光的調(diào)諧范圍分別是1.500～1.560 μm和3.346～3.650 μm。

2 實(shí)驗(yàn)裝置和結(jié)果

基于MgO：PPLN晶體的近紅外與中紅外光參量振蕩器的光路圖如圖1所示。采用調(diào)Q式Nd：YAG 激光器為泵浦源，其輸出波長(zhǎng)為1.064 μm，最大輸出能量22 MJ，以束腰半徑0=500 μm 注入晶體中心。泵浦光的偏振態(tài)在MgO：PPLN晶體中的最佳相位匹配為0型相位匹配（e→e+e）。將單周期（= 30 μm）、長(zhǎng)度為40 mm、寬度為4 mm、厚度為3 mm的MgO：PPLN晶體放置在溫控爐上加熱，溫度控制范圍為室溫到200 ℃，精確度為±0.1 ℃，晶體位置介于輸入鏡與輸出耦合鏡之間。晶體端面有對(duì)1.064 μm的泵浦光、1.4～1.6 μm的信號(hào)光和3～4 μm的閑頻光的抗反射圖層，反射率小于5%。PPLN晶體關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)在于它可以在準(zhǔn)相位匹配的條件下能夠利用最大的非線系數(shù)（33= 27.2 pm/V），其透光范圍為（0.33～5 μm），并且有較弱的走離效應(yīng)。

圖1 基于MgO：PPLN晶體的近紅外與中紅外光參量振蕩器的光路圖

緊湊的平平單諧振光參量振蕩器的輸入反射鏡（IM）涂層對(duì)1.064 μm的泵浦光有95%的高透射率，并對(duì)1.4～1.6 μm范圍內(nèi)的信號(hào)光波長(zhǎng)和3～4 μm范圍內(nèi)的閑頻光波長(zhǎng)具有99.8%高反射率。平平輸出耦合鏡（OC）對(duì)1.064 μm的泵浦光（95%）和3～4 μm閑頻光（99%）具有高透射率，并對(duì)1.4～1.6 μm信號(hào)光的反射率為90%，從而允許信號(hào)光束單諧振。光參量振蕩器總的腔長(zhǎng)恒為100 mm。濾波器將未轉(zhuǎn)換的泵浦光、信號(hào)光和閑頻光分離，從而可以方便地進(jìn)行空間模式和輸出能量的監(jiān)測(cè)。

信號(hào)光和閑頻光的輸出能量在耦合鏡對(duì)1.4～1.6 μm信號(hào)光反射率分別為90%時(shí)隨泵浦能量的變化關(guān)系如圖2所示。當(dāng)晶體溫度恒定為30 ℃時(shí)，相應(yīng)的信號(hào)光與閑頻光的輸出波長(zhǎng)分別為1.5 μm和3.65 μm。由于單諧振信號(hào)光的腔損耗相對(duì)較小，具有高Q因子，在22.6 mJ的泵浦能量下實(shí)現(xiàn)了2.8 mJ的信號(hào)與1.7 mJ的閑頻光輸出，相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率分別為12.4%與7.5%，總的光光轉(zhuǎn)化效率為19.9%。

相比之下，信號(hào)光單諧振的光參量振蕩器中，閑頻光的輸出能量較低，因通過(guò)優(yōu)化振蕩器在不同曲率鏡下的輸出耦合以及緊密聚焦泵浦光束，可以進(jìn)一步改善從基頻泵浦光到該系統(tǒng)信號(hào)光輸出的光光轉(zhuǎn)換效率，最高可達(dá)40%。人們記錄了在最大泵浦能量下信號(hào)光和閑頻光輸出能量的穩(wěn)定性，輸出的近紅外和中紅外激光能量均方根（RMS）穩(wěn)定性在低Q諧振腔中3 h內(nèi)，其穩(wěn)定性優(yōu)于0.8%。

圖2 信號(hào)光和閑頻光輸出能量隨泵浦能量的變化關(guān)系

空間分布圖如圖3所示。實(shí)驗(yàn)中采用傳統(tǒng)CCD照相機(jī)測(cè)量了泵浦光的光束質(zhì)量，如圖3（a）所示，其空間分布為高斯分布。使用熱釋電相機(jī)（Spiricon Pyrocam III；空間分辨率為75 μm）測(cè)量了波長(zhǎng)為1.5 μm和3.65 μm的信號(hào)光和閑頻光輸出的空間分布。如圖3（b）所示，信號(hào)光輸出成像顯示出具有單峰高斯模式的TEM00模空間分布。如圖3（c）所示，非諧振的閑頻光輸出同樣表現(xiàn)出出色的空間分布。通過(guò)改變MgO：PPLN晶體溫度（25～200 ℃），在整個(gè)近紅外信號(hào)光（1.500～1.560 μm）調(diào)諧范圍以及中紅外閑頻光（3.346～3.650 μm）范圍內(nèi)獲得了相似的空間分布。

圖3 空間分布圖

3 總結(jié)

通過(guò)1 μm調(diào)Q Nd：YAG納秒級(jí)激光泵浦基于準(zhǔn)相位匹配MgO：PPLN晶體的光參量振蕩器，實(shí)現(xiàn)了高能量、高效率、緊湊型近紅外和中紅外激光輸出。具有適當(dāng)輸出耦合的緊湊型單諧振腔結(jié)構(gòu)得到了高光束質(zhì)量的近紅外輸出光束，在1.500～1.560 μm范圍內(nèi)的能量高達(dá)2.8 mJ。非諧振閑頻光可調(diào)范圍為3.346～3.650 μm，輸出能量高達(dá)1.7 mJ。信號(hào)光和閑頻光在整個(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)能量均表現(xiàn)出出色的穩(wěn)定性。

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TN248

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.006

2095－6835（2021）08－0019－03

基于PPLN的中紅外渦旋光光學(xué)參量振蕩器的研究（編號(hào)：11664041）

王書(shū)童（1994—），男，碩士研究生，主要從事非線性光學(xué)的研究。

塔西買提·玉蘇甫（1984—），男，教授，博士（后），主要研究方向?yàn)榉蔷€性光學(xué)。

〔編輯：張思楠〕