基于CO2激光的AgGaSe2晶體中3次諧波產生

饒志明，王新兵，肖賢波，盧彥兆

（1.華中科技大學光學與電子信息學院武漢光電國家實驗室，武漢430073；2.江西中醫學院計算機學院，南昌330004）

基于CO2激光的AgGaSe2晶體中3次諧波產生

饒志明1，2，王新兵1，肖賢波2，盧彥兆1

（1.華中科技大學光學與電子信息學院武漢光電國家實驗室，武漢430073；2.江西中醫學院計算機學院，南昌330004）

為了在AgGaSe2晶體中產生3次諧波，利用自行研制的1臺可調諧脈沖CO2激光器，在2次諧波中采用Ⅰ類匹配，并在3次諧波中采用Ⅱ類匹配的方法。實驗中CO2激光輸出波長為9.6μm，在AgGaSe2晶體中得到了波長為4.8μm的2次諧波以及波長為3.2μm的3次諧波，其峰值功率分別為88kW和4kW，并測量了相位匹配允許角。結果表明，在該AgGaSe2晶體實驗中能有效地輸出3次諧波，隨著CO2激光功率的增大，輸出2次諧波峰值功率和3次諧波峰值功率的級數都增加。

激光技術；3次諧波；相位匹配；CO2激光；AgGaSe2晶體

引 言

AgGaSe2晶體是廣泛應用于中紅外頻率變換的單軸晶體。如果將CO2激光進行3次諧波（thirdharmonicgeneration，THG），就可以簡便而有效地獲得波長范圍在3μm～3.6μm的中紅外可調諧激光。TAKAOKA等人［1］在AgGaSe2晶體中成功地獲得了3次諧波輸出，其在非臨界溫度相位匹配時用溫度控制AgGaSe2晶體，BHAR等人［2］利用兩塊AgGaSe2晶體在3.5μm獲得了3次諧波。在國內，WU等人［3］在AgGaSe2晶體中獲得了連續和脈沖輸出的2次諧波激光，使用的是自己生長的晶體。2009年，LI等人利用9.3μm脈沖橫向激勵大氣壓（transverselyexcitedatmospheric，TEA）CO2激光通過AgGaSe2晶體2次諧波產生（second-harmonicgeneration，SHG）技術實現4.65μm中紅外波段激光輸出的實驗［4］。近年來，武漢光電國家實驗室高能量激光脈沖團隊利用CO2激光作為抽運光，獲得了抽運光的2次諧波到4次諧波及差頻波長激光，能夠將激光的波長變換到2.3μm～5.4μm和72.3μm～2706μm的調諧范圍，實現覆蓋中紅外波段和太赫茲波段［5-10］。而關于AgGaSe2晶體中紅外的3次諧波，只有在本實驗中得到實現。

AgGaSe2晶體屬于點群負單軸晶體，黃銅礦3元化合物，2階非線性系數d36（10.6μm）=39.5pm/V，透光范圍為0.71μm～19μm，是中紅外波段使用很廣泛的頻率變換非線性晶體。本文中介紹了利用AgGaSe2晶體產生CO2激光的3次諧波輸出實驗，在波長為3.2μm時，3次諧波的峰值功率為4kW。

1 實驗裝置介紹

圖1是利用兩塊AgGaSe2晶體在CO2激光器中產生3次諧波的實驗裝置示意圖。抽運光源是可以調諧的短脈沖單波長CO2激光器［11］。在該實驗中，利用光柵把CO2激光器調諧到波長為9.6μm，工作重復頻率設置為1Hz。因為AgGaSe2晶體雙折射較小，只能用Ⅱ類相位匹配（e+o→e），在該非線性晶體中產生CO2激光的3次諧波輸出。也就是說抽運光、2次諧波光和3次諧波光分別為e光、o光和e光時，才能滿足AgGaSe2晶體中3次諧波的匹配。

Fig.1 Experimental setup for the third-harmonic generation in AgGaSe2crystals

該實驗是由兩塊AgGaSe2晶體分為兩步來進行3次諧波的產生。第1步是經過ZnSe透鏡聚焦的9.6μm抽運光在體積為5mm×5mm×10mm，Ⅰ類（θ=50°）匹配切割的AgGaSe2晶體中產生2次諧波激光輸出，此時聚焦點離AgGaSe2晶體不能很近，否則易導致AgGaSe2晶體受損傷。第2步是在第2塊體積為5mm×5mm×13mm，Ⅱ類eo-e匹配（θ= 55°）切割的AgGaSe2晶體中產生3次諧波激光。兩塊非線性晶體的前后兩面都鍍上對波長為9.6μm，4.8μm和3.2μm高透射的增透膜，并且都裝在能夠3維方向調整的平臺上。實驗中使用焦熱電探測器（Analog Joulemeter Probe）測量2次諧波光和3次諧波光的脈沖能量值。測量所產生的2次諧波激光能量時，是用白寶石片過濾抽運光。測量3次諧波激光能量時，是用焦距為150mm石英透鏡和厚度為4mm的石英片相組合而收集到焦熱電探測器。

2 3次諧波的實驗結果及分析

9.6μm抽運光經過聚焦后的光斑面積約為0.2cm2，其脈沖能量約為100mJ，實驗中獲得了2次諧波的脈沖能量約為5.3mJ，能量轉換效率約為5.3％。此時抽運光CO2激光峰值功率密度約為7.1MW/cm2，波長為4.8μm的2次諧波激光峰值功率約為88kW。圖2表示2次諧波輸出功率與CO2激光峰值功率密度關系。根據轉換效率公式，2次諧波功率與抽運功率之間的關系是平方關系，可見實驗數據曲線與理論比較接近。如果再加大CO2激光的功率密度，將導致AgGaSe2受損。

Fig.2 Relationship between peak output power of the second-harmonic and pump power intensity

3次諧波輸出功率隨CO2激光峰值功率密度變化的曲線如圖3所示，在抽運光的脈沖能量約為100mJ時獲得的3次諧波激光單脈沖能量約為0.14mJ，能量轉換效率約為0.14％。抽運光CO2激光峰值功率密度約為7.1MW/cm2，3次諧波激光峰值功率約為4kW。由圖3可知，抽運光峰值功率密度約為3.7MW/cm2，在波長為3.2μm的3次諧波激光峰值功率約為1.2kW。可得實驗中3次諧波功率的增大倍數約為抽運功率增大倍數的2次方，而理論上根據功率轉換效率理論兩者的關系是3次方，實驗結果和理論有所差距是由于在3次諧波的實驗中能量轉換效率很小、實驗過程中存在的各種能量損失的原因導致的。

Fig.3 Relationship between peak output power of the thind-harmonic and pump power intensity

圖4所示是3次諧波的Ⅱ類相位匹配允許角的調諧實驗數據圖，從圖中可知，AgGaSe2晶體中CO2激光的3次諧波的Ⅱ類相位匹配允許角約為1.8°± 0.2°，也就是說在匹配角的角度前后幾度的范圍內都能輸出3次諧波激光。說明其調諧范圍較寬，相比于差頻中GaAs晶體0.1°左右的允許角寬很多［6］。

Fig.4 Relationshipbetweenphase-matchingacceptanceangleandnormalizedsignal

3 結 論

利用CO2激光在AgGaSe2晶體輸出的2次諧波激光和3次諧波激光，獲得的2次諧波激光峰值功率為88kW，3次諧波激光峰值功率為4kW，隨著CO2激光功率的增大，輸出2次諧波峰值功率和3次諧波峰值功率的級數都增加。

［1］TAKAOKAE，KATOK.90°phase-matchedthird-harmonicgenerationofCO2laserfrequenciesinAgGa1-xInxSe2［J］.Optics Letters，1999，24（13）：902-904.

［2］BHARG，KUMBHAKARP，SATYANARAYANAD，etal.ThirdharmonicgenerationofCO2laserradiationinAgGaSe2crystal［J］.Pramana，2000，55（3）：405-412.

［3］WUHX，ZHANGW，TAODJ，etal.Continuous-wavefrequencydoublingofatunableCO2laserinAgGaSe2［J］.ChineseJournalofQuantumElectronics，2004，21（4）：440-443（inChinese）.

［4］LIDJ，YANGGL，XIEJJ，etal.Experimentsofsecondharmonicgenerationof9.3μmpulsedCO2lasers［J］.Opticsand PrecisionEngineering，2009，17（11）：2684-2691（inChinese）.

［5］LUYZh，WANGXB，ZHUXW，etal. TunablemiddleinfraredradiationgenerationinaGaSecrystal［J］.JournalofAppliedPhysics，2010，107（9）：93105.

［6］LUYZh，WANGXB，MIAOL，etal.Efficientandwidelysteptunableterahertzgenerationwithadual-wavelengthCO2laser［J］.AppliedPhysics，2011，B103（2）：387-390.

［7］LUYZh，WANGXB，MIAOL，etal.Third-harmonicand fourth-harmonicgenerationsofCO2laserradiationinaGaSecrystal［J］.OpticsCommunications，2011，284（14）：3622-3625.

［8］LUYZh，WANGXB，MIAOL，etal.Terahertzgenerationin nonlinearcrystalswithmid-infraredCO2laser［J］.ChinesePhysicsLetters，2011，28（3）：34201.

［9］RAOZhM，WANGXB，LUYZh.Tunableterahertzgeneration fromoneCO2laserinaGaSecrystal［J］.OpticsCommunications，2011，284（23）：5472-5474.

［10］RAOZhM，WANGXB，LUYZh，etal.Twoschemesforgeneratingefficientterahertzwavesinnonlinearopticalcrystalswith mid-infraredCO2laser［J］.ChinesePhysicsLetters，2011，28（7）：074215.

［11］LUYZh，WANGXB，DONGG，etal.Pulsecharacteristicsof adual-wavelengthtunableTEACO2laser［J］.LaserTechnology，2010，34（1）：88-90（inChinese）.

Third-harmonicgenerationinAgGaSe2crystalsbasedonCO2laser

RAOZhi-ming1，2，WANGXin-bing1，XIAOXian-bo2，LUYan-zhao1
（1.WuhanNationalLaboratoryforOptoelectronics，SchoolofOpticalandElectronicInformation，HuazhongUniversityof ScienceandTechnology，Wuhan430074，China；2.DepartmentofComputerScience，JiangxiUniversityofTraditional ChineseMedicine，Nanchang330004，China）

InordertogeneratethethirdharmonicinAgGaSe2crystals，ⅠandⅡphase-matchwereappliedforthe secondandthirdharmonicsofCO2laserrespectively.Intheexperiment，outputwavelengthofCO2laserwas9.6μm.The peakpowerofthesecond-harmonicat4.8μmwas88kWandthepeakpowerofthethird-harmonicat3.2μmwas4kW respectively.Thephase-matchingacceptanceanglewasmeasured.Theresultsshowthatthesecond-harmonicwaveandthe third-harmonicwaveareacquiredeffectivelyandpeakpowerofthesecond-harmonicwaveandthird-harmonicwaveincrease rapidlywiththeincreaseofinputpowerofCO2laser.

lasertechnique；third-harmonicgeneration；phasematching；CO2laser；AgGaSe2crystal

TN248.2+2

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.019

1001-3806（2013）04-0503-03

國家自然科學基金資助項目（11264019）

饒志明（1978-），男，博士，現主要從事激光技術的研究。

E-mail：raozm24＠163.com

2012-09-17；

2012-11-02