中紅外KTA光學參量振蕩器的輸出特性＊

買日哈巴·阿巴白克，王書童，塔西買提·玉蘇甫

（新疆師范大學物理與電子工程學院，新疆 烏魯木齊 830054）

1 引言

1.5 ～1.6μm波段是人眼安全區域。該波段的光在水分子吸收帶內，在生物學、激光雷達、遙感、激光雷達以及目標識別等領域具有重要應用。目前用來實現1.5～1.6μm波段的有效方法可分為摻鉺激光器、拉曼激光器和光學參量振蕩器（OPO）[1-3]三種。3～5μm波段的光屬于大氣紅外窗口，在大氣傳輸時具有透射率最強、衰減最小、對煙塵和大霧穿透能力最強、分子吸收峰最多的特點，使其在分子光譜學、有機材料處理、環境探測和醫療[4-6]等領域有較大的貢獻。此外，在3.4μm波長附近的激光涵蓋了水分子吸收峰和很多CH2等工業排放污染氣體的分子振動吸收峰，該波段的激光在大氣中傳輸時受工業排放污染氣體的分子振動吸收影響而削弱，通過激光削弱的程度可以判斷排放污染氣體的濃度，使得在環保、痕量氣體分析、氣候監測等領域中很重要的應用[7]。

國內外研究者們已經開展了由受激輻射方法和非線性變頻方法來產生1.5～1.6μm近紅外和3～5μm中紅外波段的深入研究，希望得到更高能量、高效率的激光輸出。非線性變頻技術主要是利用二階非線性效應來實現近-中紅外激光輸出，包括倍頻（SHG）、和頻（SFG）、差頻（DFG）、光學參量放大（OPA）和光學參量振蕩（OPO）技術。目前，最普遍的方法是利用OPO技術來實現近-中紅外波段的激光輸出，特別是該方法可以利用LiB3O5（LBO）[8]、（KTiOPO4）KTP[9]、摻MgO周期性極化鈮酸MgO:PPLN[10]、ZnGeP2（ZGP）[11]等多種非線性晶體和采用雙折射相位匹配（BPM）、準相位匹配（QPM）和臨界相位匹配（CPM）等技術，來獲得紫外光、可見光、近紅外、中紅外到遠紅外光的寬調諧激光輸出，而且不受泵浦光波長的影響。

但是，在實際應用中，激光器的能量、穩定性和光束質量需要進一步的提高，同時也需要輸出高能量、高光束質量、高效率激光。特別是波長為1 535 nm和3 468 nm近-中紅外高能量，高效率的激光將被用在激光雷達、分子光譜學等方面。因此，選擇合適的泵浦激光器和精心設計OPO腔鏡是必要的。其中合適的非線性晶體的選擇也是同時產生近-中紅外OPO的重要因素。因此，采用Ⅱ類非臨界相位匹配（NCPM）的砷酸鈦氧鉀（KTA）晶體來同時實現近-中紅外波長區域的激光。KTA晶體是正雙軸晶體，作為KTP晶體的同形體，具有類似于KTP晶體的相位匹配特性，但透光范圍比KTP晶體大，透光范圍為0.35～5.3μm，使它在近-中紅外OPO中有重要性質。此外可接受角比較大、溫度敏感性低、沒有走離角，它還具有吸收系數小（1～4μm處α＜0.01 cm-1）和高損傷閾值（600 MW/cm2）的特性[13]。由于KTA-OPO晶體第Ⅰ類相位匹配的有效非線性系數遠遠小于第Ⅱ類相位匹配有效非線性系數（d15＜d24），因此：

式（1）中：θ和φ分別為光傳播方向與z軸之間的角度（相位角）、K在x-y平面上的投影與x軸之間的角度（方位角）。

因此在本次實驗中我們采用Ⅱ類NCPM（θ=90°，φ=0°）條件下，使得KTA-OPO中可以得到最高的有效非線性系數，有效非線性系數為d24=3.43 pm/V。此外可以同時獲得高轉換效率的近-中紅外激光，所以這將是有效高能量OPO的極佳選擇。

在本文中，采用1μm納秒激光器來泵浦Ⅱ類非臨界相位匹配（NCPM）的KTA（θ=90°，φ=0°）晶體，在緊湊型OPO中，來實現高能量，高效率近-中紅外激光輸出。

2 實驗裝置和結果

調QNd:YAG激光器泵浦KTA-OPO的實驗裝置如圖1所示。泵浦源是波長為1μm的固體激光器。把泵浦脈沖能量為20 mJ，以束腰半徑大約為1 mm來泵浦KTA-OPO。輸入耦合鏡M1為平面鏡，鍍膜對1 064 nm泵浦光高透射，并對1.4～1.6μm光和3～4μm光高反射。KTA晶體要滿足Ⅱ類非臨界相位匹配（θ=90°，φ=0°），規格為5 mm×5 mm×30 mm，固定于平面鏡M1和M2間夾具上。輸出耦合鏡M2為平面鏡，鍍膜對1 064 nm泵浦光高反射，對1.4～1.6μm光反射率為50%，對3～4μm光的反射率為97%；當M2被M3取代時，輸出耦合鏡M3為平面鏡，對1 064 nm泵浦光和1.4～1.6μm光高反射，對3～4μm光高透射，來實現信號光單諧振腔。輸入端面M1與M2（M3）構成信號光（閑頻光）諧振腔，腔長為50 mm。在輸出耦合鏡M2（M3）后放置S作為泵浦光、信號光和閑頻光的分束鏡，對1.9μm以下的短波高反、對3～5μm的中紅外區域的光透過率高達95%，有效地保證了信號光（閑頻光）輸出。

圖1 基于KTA-OPO晶體的實驗光路圖

圖1 里的插圖為觀測得到的輸出泵浦光、信號光和閑頻光的空間分布圖。如圖所示，利用常規的電荷耦合照相機（CCD）測量了泵浦光的光束質量，其空間形態呈現高斯分布。利用熱釋電相機（Spiricon Pyrocam III，spatial resolution：75μm）測量得到的波長為1 535 nm信號光與3 468 nm閑頻光的空間分布圖。當使用輸入耦合鏡M1和輸出耦合鏡M2來實現信號光輸出時，空間形態呈高斯分布。當輸出耦合鏡為M3，來實現閑頻光輸出時，空間形態呈高斯分布。結果表明，輸出的信號光和閑頻光的空間分布接近理想高斯模式。

泵浦光能量與OPO輸出能量之間的函數關系如圖2所示。其中輸出的信號光和閑頻光的波長分別為1 535 nm和3 468 nm。由圖2可知，在泵浦光能量為20 mJ時，得到最大的信號光和閑頻光能量輸出，達到1.44 mJ和0.95 mJ，其對應的光-光轉換效率為7.3%和4.8%，光量子轉換效率達到10.5%和15.6%。信號光和閑頻光的閾值功率分別為7.9 mJ和4.67 mJ。

圖2 信號光和閑頻光的能量與泵浦光能量的關系

3 總結

綜上所述，我們通過1 064 nm的納秒Nd:YAG激光器泵浦非臨界相位匹配的KTA-OPO晶體，報道了高能量、高效率的近紅外-中紅外激光輸出。在單一諧振腔中，當泵浦光的能量為20 mJ時，1 535 nm信號光和3 468 nm閑頻光的輸出能量分別為1.44 mJ和0.95 mJ，光量子轉換效率達到10.54%和15.6%。