中紅外KTA光學(xué)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(xué)物理與電子工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054）

1 引言

1.5 ～1.6μm波段是人眼安全區(qū)域。該波段的光在水分子吸收帶內(nèi)，在生物學(xué)、激光雷達(dá)、遙感、激光雷達(dá)以及目標(biāo)識別等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。目前用來實現(xiàn)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(xué)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(xué)、有機(jī)材料處理、環(huán)境探測和醫(yī)療[4-6]等領(lǐng)域有較大的貢獻(xiàn)。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(yè)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(yè)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(huán)保、痕量氣體分析、氣候監(jiān)測等領(lǐng)域中很重要的應(yīng)用[7]。

國內(nèi)外研究者們已經(jīng)開展了由受激輻射方法和非線性變頻方法來產(chǎn)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(shù)主要是利用二階非線性效應(yīng)來實現(xiàn)近-中紅外激光輸出，包括倍頻（SHG）、和頻（SFG）、差頻（DFG）、光學(xué)參量放大（OPA）和光學(xué)參量振蕩（OPO）技術(shù)。目前，最普遍的方法是利用OPO技術(shù)來實現(xiàn)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(zhǔn)相位匹配（QPM）和臨界相位匹配（CPM）等技術(shù)，來獲得紫外光、可見光、近紅外、中紅外到遠(yuǎn)紅外光的寬調(diào)諧激光輸出，而且不受泵浦光波長的影響。

但是，在實際應(yīng)用中，激光器的能量、穩(wěn)定性和光束質(zhì)量需要進(jìn)一步的提高，同時也需要輸出高能量、高光束質(zhì)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(dá)、分子光譜學(xué)等方面。因此，選擇合適的泵浦激光器和精心設(shè)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(chǎn)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(xiàn)近-中紅外波長區(qū)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(zhì)。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(shù)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(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第Ⅱ類相位匹配有效非線性系數(shù)（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(shù)，有效非線性系數(shù)為d24=3.43 pm/V。此外可以同時獲得高轉(zhuǎn)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(xiàn)高能量，高效率近-中紅外激光輸出。

2 實驗裝置和結(jié)果

調(diào)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(guī)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(dāng)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(xiàn)信號光單諧振腔。輸入端面M1與M2（M3）構(gòu)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(qū)域的光透過率高達(dá)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(guī)的電荷耦合照相機(jī)（CCD）測量了泵浦光的光束質(zhì)量，其空間形態(tài)呈現(xiàn)高斯分布。利用熱釋電相機(jī)（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(dāng)使用輸入耦合鏡M1和輸出耦合鏡M2來實現(xiàn)信號光輸出時，空間形態(tài)呈高斯分布。當(dāng)輸出耦合鏡為M3，來實現(xiàn)閑頻光輸出時，空間形態(tài)呈高斯分布。結(jié)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(shù)關(guān)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(dá)到1.44 mJ和0.95 mJ，其對應(yīng)的光-光轉(zhuǎn)換效率為7.3%和4.8%，光量子轉(zhuǎn)換效率達(dá)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(guān)系

3 總結(jié)

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(dāng)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(zhuǎn)換效率達(dá)到10.54%和15.6%。