中紅外PPM gLN光參變振蕩器技術研究

謝宇宙，萬 勇，鄧華榮，李燕凌，薛亮平，張 偉

（西南技術物理研究所，成都610041）

中紅外PPM gLN光參變振蕩器技術研究

謝宇宙，萬 勇*，鄧華榮，李燕凌，薛亮平，張 偉

（西南技術物理研究所，成都610041）

為了實現3.8μm激光輸出，采用了1.064μm激光抽運周期性極化摻氧化鎂鈮酸鋰晶體（MgO摻雜摩爾分數為0.05）的光參變振蕩器技術，由理論分析得到1.064μm激光抽運PPMgLN實現激光輸出時，輸出波長與極化周期以及溫度的關系曲線。實驗中，當晶體周期為29.2μm、溫度為400K時，實現了3.8μm激光輸出；當抽運功率為35W、聲光調Q頻率為8kHz條件下，獲得3.84μm激光輸出的平均功率為3.9W，其轉換效率為11.14%，激光光束質量為6.46。結果表明，該技術可以獲得較高轉換效率的3.8μm激光輸出，有望成為中紅外激光對抗的激光干擾源。

非線性光學；光參變振蕩器；準相位匹配；周期性極化摻氧化鎂鈮酸鋰晶體；中紅外

引 言

隨著科學技術的快速發展，光學制導技術也日漸成熟，在現代戰場上紅外制導導彈開始占據著越來越重要的地位［1］。根據統計資料顯示，在過去30年里，戰場上被擊落的飛機中，90%左右是因為紅外制導導彈，而紅外導彈探測器的響應范圍一般在3μm～5μm大氣窗口波段，因此，針對紅外制導導彈的光電對抗迫切需要工作在3μm～5μm波段的激光光源，從而進行有效地對抗［2］。并且中紅外光源具有會被多數重要的有毒氣體分子吸收的特性，在民用探測領域也有著廣泛的價值：如毒品稽查、石油勘探、甲烷氣體探測、天然氣管道泄漏檢測等［3-5］。

目前，3μm～5μm中紅外激光器主要有：二極管激光器、化學激光器、氣體激光器、稀土摻雜固體激光器和光參變振蕩器（optical parametric oscillator，OPO）等，其中OPO相對于其它類型的中紅外激光器，具有調諧范圍寬、全固化、結構緊湊、小型化和輸出功率高等優點［6］。

采用準相位匹配（quasi phase matching，QPM）方式的周期性極化摻氧化鎂鈮酸鋰（periodically poled lithium niobate doped with magnesium oxide，PPMgLN）可以利用最大非線性系數d33實現相位匹配，具有低閾值、高增益和高效率等優點［7-8］。現在PPMgLN晶體已經成為QPM最重要的非線性光學材料。

2010年，中國工程物理研究院PENG等人在1.064μm激光抽運功率104W、聲光Q開關工作頻率7kHz和PPMgLN晶體工作溫度110℃條件下，獲得中紅外波長3.84μm激光輸出功率16.7W［9］。

2011年，中國科學院半導體研究所采用10kHz的調Q的Nd∶YAG激光器抽運PPMgLN，當注入22W時，實現了3781.4nm的激光輸出，功率為3.4W［10］。

在本實驗中，作者采用1.064μm激光抽運PPMgLN晶體，當注入35W時，獲得輸出功率為3.9W的3.84μm激光輸出，對應波長為1.47μm的信號光輸出功率約10W。

1 波長調諧理論分析

PPMgLN-OPO有以下幾種基本方式可以實現輸出波長的調諧：溫度調諧、周期調諧、波長調諧、角度調諧等。另外，還可以用兩種基本調諧方式相組合來進行調諧，如溫度周期調諧［11］。

PPMgLN與溫度有關的ne色散方程滿足以下形式［12］：

式中，f＝（T－297.5）（T＋843.82），T為開氏溫度，λ為入射光波長，下標e表示非常光。

準相位匹配過程中，相位失配量Δk滿足：

式中，k1為信號光的波矢量，對應標量為k1，k2為閑頻光的波矢量，對應標量為k2；k3為抽運光的波矢量，對應標量為k3；km為周期波矢量，對應標量為km＝Λ為極化周期，m（取1，3，5，…）為QPM階數。為了最大的利用晶體非線性系數，取m＝1，則Δk的波長表達式變為：

式中，n1為信號光折射率，n2為閑頻光折射率，n3為抽運光折射率，λ1表示信號光波長，λ2表示閑頻光波長，λ3表示抽運光波長。

當Δk＝0時滿足相位匹配條件。

1.1 周期調諧的曲線計算

周期調諧實現輸出波長調諧的方式是改變晶體周期，通常用多周期晶體或者扇形周期晶體。Δk的波長表達式變為：

式中，x為晶體在OPO諧振腔內的位置參量。同時三波還要滿足能量守恒關系：

由（4）式與（5）式聯立可得周期調諧的理論曲線，計算曲線如圖1所示。

Fig.1 Period tuning curve for PPMgLN

多周期晶體的晶體周期只能跳躍式變化，不能夠連續變化。所以得到的輸出光也不能連續調諧，而只有通過和溫度調諧相結合的方式才能實現寬帶連續調諧。而使用扇形晶體時，由于抽運光是有一定寬度的光束，所以當抽運光通過PPMgLN晶體時，通過的將不是同一周期。而當光束的各個部分通過的周期不一樣時，產生的光譜也將不同。并且，很難制作出較為理想的扇形周期。

1.2 溫度調諧的曲線計算

溫度調諧是指把晶體置于一個溫控爐里，通過調節晶體的溫度來實現輸出波長的調諧。

考慮到晶體存在熱膨脹因素，若在溫度為T0時，極化周期為Λ（T0），則在溫度為T時，極化周期Λ（T0）應為：

由于溫度變化，Δk的波長表達式變為：

由（7）式與（5）式可以算出溫度調諧的理論曲線，如圖2所示。

Fig.2 Outputwavelength versus the temperature when polarization period is29.2μm

運用溫度調諧方式實現波長調諧比較容易，但調諧速度比較慢并且調諧范圍比較小。

因以上兩種調諧方式各有優缺點，故實驗室選擇兩種組合的方式來進行波長調節，以便得到想要的3.8μm中紅外激光。

2 實驗研究

2.1 實驗裝置

本實驗中采用雙棒串接側面抽運的單諧振腔結構，1.064μm抽運源系統由全反鏡、Q開關、抽運模塊、石英旋轉片、偏振片、輸出鏡等構成，總體實驗裝置如圖3所示。M1對1.064μm激光高反，M2對1.064μm激光反射率為60%。在聲光Q開關工作頻率為8kHz、輸出功率為35W時，通過緩慢調節1.064μm激光諧振腔的腔長，獲得了光束質量因子M2＜4的1.064μm激光，其脈沖寬度為150ns。使用雙棒串接技術，并在雙棒之間加90°石英旋轉片的目的是補償溫度變化而引起的熱致雙折射效應，從而提高了1.064μm激光的光束質量。而在聲光開關Q2之后加一個以布儒斯特角放置的偏振片是為了得到線偏振光，使之可以抽運OPO諧振腔。因實驗中選用的PPMgLN晶體的規格為40mm×10mm× 1mm，其通光面為10mm×1mm，晶體厚度只有1mm，所以在OPO諧振腔前加了一片聚焦鏡，以得到直徑在0.7mm左右的抽運光，從而可以有效地利用抽運光以及起到保護晶體的作用。使用1.064μm激光抽運特定周期的PPMgLN晶體，OPO將輸出3.8μm的中紅外波段激光和1.47μm的近紅外激光。OPO諧振腔由M3和M4構成，其中M3對1.064μm高透，對3μm～5μm激光高反；而M4對1.2μm～1.9μm激光部分反射，對3μm～5μm激光高透。PPMgLN晶體周期選定為29.2μm，其兩個通光面對1.064μm，1.2μm～1.9μm和3μm～5μm激光高透。根據之前波長調諧計算可知，PPMgLN周期為29.2μm時，當溫度為400K，輸出中紅外波長在3.8μm附近。

Fig.3 Experimental setup of PPMgLN

2.2 實驗結果

通過具體的實驗和調節，當1.064μm抽運激光功率為35W時，輸出功率達到13.9W，其中3.84μm中紅外激光功率為3.9W左右，光光轉換效率為11.14%，對應的1.47μm近紅外激光功率為10W左右。由圖4可以看出，3.8μm中紅外激光未出現飽和趨勢，故如果繼續增加抽運功率，其輸出功率依然會繼續提高。但因晶體的質量問題和晶體膜層的損傷，故實驗中并沒有繼續調高抽運功率。實驗中運用光柵單色儀測得中紅外激光中心波長在3.84μm，對應的信號光中心波長為1.47μm，與理論計算值相符。

Fig.4 Laser output power versus pump power

采用刀口法測量光束的光斑大小，再運用曲線擬合法對3.8μm激光光束質量進行計算。使中紅外激光通過焦距為20cm的聚焦透鏡，通過刀口法測量透鏡后束腰附近不同位置的對應的光斑大小，采用下式對數據進行曲線擬合：

式中，z為光波傳輸方向上光斑的位置；r為光斑半徑。根據擬合曲線參量，得到A，B和C，并代入光束質量公式因子M2大小，其中λ為激光波長。計算得到光束質量M2＝6.46。光斑半徑擬合曲線如圖5所示。并計算出光束質量實驗中使用套孔法算得了光束的束散角為2.6°。

Fig.5 Fit curve of spot radius

3 結 論

采用1.064μm激光抽運PPMgLN晶體，當抽運功率為35W時，獲得了平均功率為3.9W的3.84μm激光輸出，可以成為中紅外激光對抗的激光干擾源。之后準備進一步優化實驗方案和過程，提高光學元器件的抗損傷能力，以便提高抽運光光束質量，并獲得更高輸出功率的3.8μm激光。

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Study on m id-infrared laser PPM gLN optical parametric oscillators

XIE Yuzhou，WAN Yong，DENG Huarong，LIYanling，XUE Liangping，ZHANGWei
（Southwest Institute of Technical Physics，Chengdu 610041，China）

In order to obtain 3.8μm laser output，it was demonstrated in optical parametric oscillator（OPO）with periodically poled lithium niobate crystals doped withmagnesium oxide（mole fraction of MgO-doping is 0.05）pumped by 1.064μm laser.The relationship curve between output wavelength and polarization period and the temperature was calculated.When polarization period is 29.2μm and the temperature is 400K，3.8μm laser output is achieved.When pump power is 35W at repetition rate of 8kHz，an average output power of 3.9W at 3.84μm is obtained with slope efficiency of11.14%，and the M2factor is 6.46.The results show that 3.8μm laser output can be obtained with high conversion efficiency，and it can be used as laser sources of infrared laser interference.

nonlinear optics；optical parametric oscillator；quasi phasematching；periodically poled lithium niobate crystal doped with magnesium oxide；mid-infrared

TN248.1

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.03.018

1001-3806（2014）03-0368-04

謝宇宙（1988-），男，碩士研究生，主要從事激光二極管抽運固體激光器技術的研究工作。

*通訊聯系人。E-mail：wy209＠sohu.com

2013-05-30；

2013-06-27