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＊

王書童，買日哈巴·阿巴白克，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）

報道了一種以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。當泵浦光輸入能量為22.6 mJ且輸出耦合鏡對信號光的反射率為90%時，產生高效的近紅外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，相應的光光轉換效率為12.4%和7.5%。通過改變MgO：PPLN晶體的溫度，獲得信號光與閑頻光的連續波長調諧范圍分別為1.500～1.560 μm和3.346～3.650 μm。

非線性光學；光學參變振蕩器；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，在科學研究與實際應用中引起了廣泛關注。例如激光測距[1]、激光振動測量[2]、光通信和差分吸收雷達系統[3]。中紅外3～5 μm位于大氣窗口波段，在環境污染檢測[4]、遙感[5]、紅外對抗[6]、軍事[7]和醫療[8]等方面有廣泛應用。

目前，光參量振蕩器作為一種產生近紅外和中紅外波段的有效方法已經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）晶體來產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較小，并且走離效應較強，影響了光光轉換效率，限制了高能量、高光束質量激光的輸出。伴隨著非線性材料的最新改進與發展，在近紅外和中紅外區域已經產生高效率和高光束質量的激光。

對于雙折射晶體而言，準相位匹配（QPM）晶體能夠利用最大的非線性系數、走離效應較小以及對光折變損傷不敏感，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。利用準相位匹配晶體來產生近紅外與中紅外光參量激光有許多報道。其中，包括基于扇形光柵設計的周期性極化的KTiOPO4（PPKTP）晶體，可通過光參量振蕩器實現近紅外激光輸出。信號光與閑頻光的波長調諧范圍分別是741～922 nm和1 258～1 884 nm，當泵浦光的最大輸入功率為1.65 W時，信號光與閑頻光的輸出功率分別為150 mW和400 mW[11]。南京大學祝世寧等人通過基于周期性極化的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諧范圍為2 416.17～ 2 932.25 nm和3 142.18～4 521.5 nm，在輸出波長為2.7 μm時獲得最大的輸出功率10.4 W，相應的轉換效率為24%[13]。研究者發現通過基于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，光參量振蕩器系統的穩定性和輸出光束質量需要進一步提高，要實現實際應用近紅外激光的輸出，能量必須要達到毫焦級水平，尤其是波長為3.5 μm且具有適當能量的可調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（包括分子吸收光譜法、超分辨率光譜法）以及手性有機材料的加工中具有潛在的應用價值。最近，人們研究了1 064 nm泵浦的基于MgO：PPLN晶體的毫焦級中紅外光參量振蕩器。當泵浦光能量為21 mJ時，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，獲得了2.28～4.8 μm的寬調諧中紅外激光輸出。在這篇論文中，報道了一種以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。當泵浦光輸入能量為22.6 mJ且輸出耦合鏡對信號光的反射率為90%時，產生高效的近紅外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，相應的光光轉換效率為12.4%與7.5%。將MgO：PPLN晶體從25 ℃加熱到200 ℃，獲得連續波長的信號光與閑頻光的調諧范圍分別是1.500～1.560 μm和3.346～3.650 μm。

2 實驗裝置和結果

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Q式Nd：YAG 激光器為泵浦源，其輸出波長為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1.064 μm的泵浦光、1.4～1.6 μm的信號光和3～4 μm的閑頻光的抗反射圖層，反射率小于5%。PPLN晶體關鍵的優勢在于它可以在準相位匹配的條件下能夠利用最大的非線系數（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。

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1.064 μm的泵浦光有95%的高透射率，并對1.4～1.6 μm范圍內的信號光波長和3～4 μm范圍內的閑頻光波長具有99.8%高反射率。平平輸出耦合鏡（OC）對1.064 μm的泵浦光（95%）和3～4 μm閑頻光（99%）具有高透射率，并對1.4～1.6 μm信號光的反射率為90%，從而允許信號光束單諧振。光參量振蕩器總的腔長恒為100 mm。濾波器將未轉換的泵浦光、信號光和閑頻光分離，從而可以方便地進行空間模式和輸出能量的監測。

信號光和閑頻光的輸出能量在耦合鏡對1.4～1.6 μm信號光反射率分別為90%時隨泵浦能量的變化關系如圖2所示。當晶體溫度恒定為30 ℃時，相應的信號光與閑頻光的輸出波長分別為1.5 μm和3.65 μm。由于單諧振信號光的腔損耗相對較小，具有高Q因子，在22.6 mJ的泵浦能量下實現了2.8 mJ的信號與1.7 mJ的閑頻光輸出，相應的光光轉換效率分別為12.4%與7.5%，總的光光轉化效率為19.9%。

相比之下，信號光單諧振的光參量振蕩器中，閑頻光的輸出能量較低，因通過優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，可以進一步改善從基頻泵浦光到該系統信號光輸出的光光轉換效率，最高可達40%。人們記錄了在最大泵浦能量下信號光和閑頻光輸出能量的穩定性，輸出的近紅外和中紅外激光能量均方根（RMS）穩定性在低Q諧振腔中3 h內，其穩定性優于0.8%。

圖2 信號光和閑頻光輸出能量隨泵浦能量的變化關系

空間分布圖如圖3所示。實驗中采用傳統CCD照相機測量了泵浦光的光束質量，如圖3（a）所示，其空間分布為高斯分布。使用熱釋電相機（Spiricon Pyrocam III；空間分辨率為75 μm）測量了波長為1.5 μm和3.65 μm的信號光和閑頻光輸出的空間分布。如圖3（b）所示，信號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出出色的空間分布。通過改變MgO：PPLN晶體溫度（25～200 ℃），在整個近紅外信號光（1.500～1.560 μm）調諧范圍以及中紅外閑頻光（3.346～3.650 μm）范圍內獲得了相似的空間分布。

圖3 空間分布圖

3 總結

通過1 μm調Q Nd：YAG納秒級激光泵浦基于準相位匹配MgO：PPLN晶體的光參量振蕩器，實現了高能量、高效率、緊湊型近紅外和中紅外激光輸出。具有適當輸出耦合的緊湊型單諧振腔結構得到了高光束質量的近紅外輸出光束，在1.500～1.560 μm范圍內的能量高達2.8 mJ。非諧振閑頻光可調范圍為3.346～3.650 μm，輸出能量高達1.7 mJ。信號光和閑頻光在整個調諧范圍內能量均表現出出色的穩定性。

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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參量振蕩器的研究（編號：11664041）

王書童（1994—），男，碩士研究生，主要從事非線性光學的研究。

塔西買提·玉蘇甫（1984—），男，教授，博士（后），主要研究方向為非線性光學。

〔編輯：張思楠〕