＊ 连续波单共振光学参量振荡器的研究及进展

张宽收，李鹏，刘建丽

（量子光学与光量子器件国家重点实验室 山西大学 光电研究所，山西 太原030006）

＊连续波单共振光学参量振荡器的研究及进展

张宽收，李鹏，刘建丽

（量子光学与光量子器件国家重点实验室 山西大学 光电研究所，山西 太原030006）

连续波单共振光学参量振荡器（SRO）是拓展激光波长范围、获取中红外激光的重要手段之一.文章详细介绍了连续波SRO的发展现状，并简要介绍了本实验室在这方面的研究工作，最后指出了SRO的发展趋势.

连续波；单共振光学参量振荡器；准相位匹配晶体

0 引言

光学参量振荡器（OPO）作为一种产生可调谐、多波段相干激光光源的器件，在灵敏探测、大气污染检测、高精细度分子光谱学以及量子通讯和量子光学实验研究等方面有着广泛的应用［1－2］.OPO根据腔内光束的共振情况大致可以分为三类：单共振光学参量振荡器（SRO），仅有信号光或者闲置光在谐振腔内共振；双共振光学参量振荡器（DRO），信号光和闲置光同时在腔内共振；三共振光学参量振荡器（TRO），泵浦光、信号光和闲置光都在谐振腔内共振.图1所示为SRO的原理图，SRO由腔镜（M1和M2）和非线性晶体构成，信号光或者闲置光在腔中振荡，另一束光输出.SRO相对于其它两种光学参量振荡器，达到阈值的泵浦功率较高，但不需要电子伺服系统锁定谐振腔就可以获得稳定的下转换激光输出，所以是人们研制激光光源的重要方法之一.

图1 SRO原理图Fig.1 Schematic diagram of SRO

早期，在连续波光学参量振荡器领域，SRO的研究发展比较缓慢，其原因主要是实现单共振模式运转需要较高的泵浦功率.伴随着高功率激光器的发展和有较高有效非线性系数材料的出现，尤其是准相位匹配晶体的出现，使得SRO的阈值位于中、高功率泵浦源可以达到的范围.准相位匹配的优点是可以利用晶体的最大非线性系数，使在晶体整个透射波长范围内的相互作用的光波达到相位匹配［3］.目前在连续波SRO的研究中，使用的非线性晶体主要有KTP、KTA以及准相位匹配晶体PPKTP、PPLN和PPLT等，使用的泵浦源主要有波长位于1μm附近的激光二极管泵浦的全固态激光器、光纤激光器、光纤放大的二极管激光器以及波长位于532 nm的全固态倍频激光器［4］.但迄今为止，SRO仍然存在着振荡阈值过高、转换效率不佳等问题，限制着SRO技术的发展和进一步应用，因此对这些问题的研究具有重要意义.

1 连续波SRO的发展状况

迄今为止，连续波SRO的种类繁多，根据泵浦激光的运转模式，有单频运转的，也有多纵模运转的；根据腔型，有两镜、三镜和四镜驻波腔结构的，也有四镜环形腔结构的；根据选用的晶体，有选用双折射块状晶体，也有选用准相位匹配周期性极化晶体的.我们根据构建SRO的非线性晶体的类型分别介绍其发展状况.

1.1 基于块状晶体的连续波SRO

在准相位匹配材料出现之前，KTP晶体是实现连续波SRO的首选晶体.KTP晶体（透射谱区为0.35～4μm）具有非线性系数较大（3 pm／V），吸收系数小，损伤阈值高，物化性能稳定，不易潮解，生长技术成熟等优点.实验上最先实现连续波SRO就是采用KTP作为参量介质.1993年，美国Stanford大学的S.T.Yang等人采用外腔谐振倍频Nd：YAG激光器作为泵浦源，泵浦基于KTP晶体的SRO，获得了1 W的单模闲置光和48 mW的信号光输出，总的转化效率达到34.6%［5］.1994年，他们在环形腔中实现了SRO，在泵浦功率为6.7 W时，获得了1.9 W的单频闲置光输出，信号光和闲置光的线宽均小于1 MHz［6］.在SRO中用到的块状晶体还有KTA，1999年，英国的实验人员通过内腔SRO，采用KTA作为参量介质，在泵浦功率为14 W时，获得了620 mW的信号光输出和840 m W的闲置光输出，功率提取效率为35%［7］.

1.2 基于准相位匹配晶体的连续波SRO

（1）PPKTP有较高的非线性系数（9.5 pm／V），对可见光的吸收非常低，光折变效应可以忽略，但其缺点是损伤阈值较低.2000年，德国的实验小组通过采用PPKTP作为参量介质，在驻波腔中实现了SRO，在泵浦功率为1.2 W时，获得了72 mW的闲置光输出和28 m W的信号光输出［8］.2001年，他们采用PPKTP作为参量介质，在环形腔中实现了SRO，并对输出闲置光进行外腔谐振倍频使得输出激光的调谐范围为550～2 830 nm，输出激光功率在30～500 m W之间.实验中当泵浦功率超过2.4 W时，晶体的输入端面出现了损伤［9］.

（2）PPLN晶体相比PPKTP晶体拥有更高的非线性系数（14～17 pm／V），但是，PPLN易受到可见光和近红外波段的激光辐射而导致光折变损伤，通常使晶体工作于高温或掺杂适量的MgO来增强抗光折变损伤的能力.1996年，W.R.Bosenberg等人首次实现了基于PPLN晶体的SRO，获得了3.6 W的3.3μm闲置光输出，光－光转化效率达到80%，泵浦倒空高达93%［10－11］.通过调谐泵浦光波长和非线性晶体的温度可以实现几百纳米的输出光波长调谐；通过在谐振腔内插入标准具可以实现波长的连续精细调谐［9，11－14］.M.E.Klein等人通过选用合适的标准具，将共振信号光的频率固定在某个纵模上，通过对泵浦光进行调谐，实现了56 GHz的闲置光调谐［12］；S.E.Bisson等人分别采用固体标准具和有空隙的标准具对SRO的调谐特性进行了研究，实现了50 cm－1的高分辨率调谐［13］；A.Henderson等人选用单频1083 nm全光纤激光器作为泵浦源，通过采用长的PPLN晶体（80 mm）大大降低了SRO的阈值，同样通过对泵浦光波长调谐，实现了130 GHz的闲置光频率调谐［14］.2008年，芬兰的实验小组采用单频窄线宽光纤激光器泵浦 MgO：PPLN SRO，未选用任何选模元件，通过对晶体精细控温（控温仪控温精度±6 m K）和热自锁定效应，实现了长达数小时的单模运转并且没有跳模现象发生［15］；近年来，该实验小组也一直致力于SRO的调谐和稳定性的研究［16－18］，其中在2009年，通过采用镀金衍射光栅对SRO输出的激光波长进行调谐，闲置光的调谐范围可达到500 GHz，14 h内的频率漂移约为250 MHz.2006年，美国的科研人员研究了内腔功率对SRO的影响，通过选取合适的输出耦合透射率来降低共振信号的内腔功率，从而减小晶体的热效应，提高输出激光的光束质量，同时获得共振信号光波段的激光，提高总的功率提取效率［19］.随后一系列实验选用对共振光有输出耦合的镜子，同时得到了信号光和闲置光输出，并且确实有效地提高了SRO的功率提取效率［20－21］.2008年，S.T.Lin等人实验研究了SRO中的热诱导和热致双稳现象，采用高功率1 064 nm光纤激光器泵浦MgO：PPLN SRO，3 μm的闲置光在腔内共振，当泵浦功率高于某一值时，PPLN晶体对闲置光的吸收使得对运转不利的热效应转变为有利于运转的热效应，SRO腔镜对共振光的输出耦合透射率为5.3%，实验同时获得了1.2 W的3μm激光输出和7.4 W 的1.57μm激光输出［20］.2009年，S.C.Kumar等人采用连续单频1.06μm光纤激光器作为泵浦源，通过选取合适的共振信号输出耦合透射率，在泵浦功率28.6 W时，得到了9.8 W的1.627μm信号光和7.7 W的3.07μm闲置光，功率提取效率达到61%，光束质量 M2＜1.28［21］.

（3）PPLT的透光范围为0.28～5μm，同样通过掺杂Mg O可以增强该晶体的抗光折变损伤能力，所以MgO：sPPLT成为可见和近红外区域连续波OPO的理想材料.2007年，西班牙的实验小组采用连续单频532 nm Nd：YVO4激光器作为泵浦源，泵浦基于MgO：sPPLT的SRO，分别选用两镜驻波腔结构和环形腔结构，实现了高功率的单频闲置光输出，闲置光波长调谐范围848～1 430 nm［22－23］.2008年，他们比较了SRO和有输出耦合的SRO的性能参数，发现有输出耦合的SRO下转换效率更高，输出的下转换光光谱更纯［24］.近年来，该实验小组一直从事着提高SRO输出功率和功率稳定性方面的研究［25］.

2 实验室的研究工作进展

实验室一直开展着不同波长激光光源的研制工作，其中重要的一项工作就是研制波长位于光纤通讯窗口的高功率连续单频1.5μm激光光源.实验室通过SRO来研制连续单频1.5μm激光光源［26］，图2所示为实验装置简图.泵浦源为自制的全固态连续单频1.06μm Nd：YVO4激光器，经过两个二分之一波片和光学隔离器注入SRO腔中.SRO腔型为近共心结构两镜驻波腔，两镜曲率半径均为26 mm；输入镜M1镀1.06μm高透膜（HT，T＞99%），1.5μm 高反膜（HR，R＞99.8%）；输出镜 M2镀1.06μm 高反膜，对1.5μm的透射率为1.8%，1.5μm的信号光在参量腔内振荡并以小透射率输出.实验选用的非线性晶体为PPLN晶体（Deltronic Inc），尺寸为30 mm（长）×10 mm（宽）×1 mm（厚），选用的通道极化周期为29.8μm.PPLN晶体放置于控温炉中，通过高温控温仪对其进行温度控制，控温精度为±5 m K（Model YG－2009B）.从SRO输出的1.5μm激光，通过光束分束器分出一少部分用于监视激光模式和测量激光的参数，大部分的光作为激光光源用于后续实验.

图2 SRO的实验装置图Fig.2 Experimental setup of SRO

图3（P246）所示为测量的1.5μm激光功率随泵浦功率的变化曲线.由图可知，SRO的阈值约为3.3 W，在泵浦功率为8 W时，实验获得了1.4 W的连续单频1.5μm激光.在30 min内，SRO能够保持稳定单频运转，输出激光功率波动小于±2%.在量子光学实验中，激光光源的噪声特性是非常重要的参数之一，实验中我们采用平衡探测的方法来测量激光的强度噪声［27］；用一个失谐的F－P腔把激光的相位噪声转化为强度噪声来测量［28］.图4所示为测量结果，黑线为散粒噪声基准，红线为激光的强度噪声，蓝点为在各个不同的分析频率下测到的激光的相位噪声.从图中可以看出，1.5μm激光的强度噪声在分析频率4 MHz处达到散粒噪声基准，相位噪声在10～20 MHz的分析频率内高于散粒噪声极限不到1 dB.该1.5μm激光光源将用于实验室制备实用化量子纠缠源的实验中.

3 SRO的发展趋势

3.1 拓展输出激光波长

拓展SRO的输出波长是基于人们对不同波长激光光源的应用而开展的研究方向.一方面，随着全固态激光技术的发展，用作SRO泵浦源的激光波长的扩展将直接影响着参量激光波长的扩展；另一方面，伴随着光学超晶格技术的发展，极化周期更短、通光孔径更大、非线性作用长度更长的光学超晶格材料的研制，将可以匹配出更宽的激光波段.

3.2 研制新型非线性晶体

图3 输出功率随泵浦功率的变化关系Fig.3 Signal output versus the pump power

图4 1.5μm激光的噪声特性Fig.4 Quantum noise of 1.5μm laser

非线性材料的发展直接影响着单共振光学参量振荡器技术的进展，具有宽的透光光谱范围、大的有效非线性系数、高的激光损伤阈值、物化性能稳定且能生长大尺寸的新型晶体是光学参量振荡器研究的另一热点［29－30］.大的有效非线性系数可以降低SRO的阈值和提高SRO的转换效率；高的激光损伤阈值可以延长非线性晶体的使用周期，也是研制高功率激光光源的需求.

3.3 改进系统运转性能

目前报道的实验结果仍然存在SRO转换效率不高、输出激光的频率稳定性差、系统抗干扰能力差等问题，这些问题限制着SRO的进一步应用，因此对这些问题进行原理上的研究和技术上的探讨具有实际应用价值.

［1］ Ngai A K Y，Persijn S T，Basum G von，etal.Automatically Tunable Continuous－wave Optical Parametric Oscillator for High－resolution Spectroscopy and Sensitive Trace－gas Detection［J］.ApplPhysB，2006，85：173－180.

［2］ Henderson A，Stafford R.Low Threshold，Singly－resonant CW OPO Pumped by All－fiber Pump Source［J］.OptExpress，2006，14：767－772.

［3］ Hatanaka T，Nakamura K，Taniuchi T.Quasi－phase－matched Optical Parametric Oscillation with Periodically Poled Stoichiometric LiTaO3［J］.OptLett，2000，25：651－653.

［4］ Samanta G K，Ebrahim－Zadeh M.High－power，Continuous Wave，Optical Parametric Oscillator Pumped by an Optically Pumped Semiconductor Laser at 532 nm［J］.OptLett，2010，35：1986－1988.

［5］ Yang S T，Eckardt R C，Byer R L.Continuous－wave Singly Resonant Optical Parametric Oscillator Pumped by a Single frequency Resonantly Doubled Nd：YAG Laser［J］.OptLett，1993，18：971－973.

［6］ Yang S T，Eckardt R C，Byer R L.1.9－W cw Ring－cavity KTP Singly Resonant Optical Parametrtic Oscillator［J］.Opt Lett，1994，19：475－477.

［7］ Ebrahimzadeh M，Turnull G A，.Edwards T J，etal.Intracavity Continuous－wave Singly Resonant Optical Parametric Oscillators［J］.OptSocAmB，1999，16：1499－1511.

［8］ Weise D R，Strossner U，Peters A，etal.Continuous－wave 532－nm－pumped Singly Resonant Optical Parametric Oscillator with Periodically Poled KTiOPO4［J］.OptCommunications，2000，184：329－333.

［9］ Strossner U，Meyn J P，Wallenstein R，etal.Single Frequency Continuous Wave Optical Parametric Oscillator System with an Ultra－wide Tuning Range of 550 nm to 2 830 nm［J］.JOptSocAmB，2002，19：1419－1424.

［10］ Bosenberg W R，Drobshoff A，Alexander J I，etal.Continuous－wave Singly Resonant Optical Parametric Oscillator Based on Periodically Poled LiNbO3［J］.OptLett，1996，21：713－715.

［11］ Bosenberg W R，Drobshoff A，Alexander J I，etal.93%Pump Depletion，3.5－W Continuous－wave，Singly Resonant Optical Parametric Oscillator［J］.OptLett，1996，21：1336－1338.

［12］ Klein M E，Laue C K，Lee D H，etal.Diode－pumped Singly Resonant Continuous－wave Optical Parametric Oscillator with wide Continuous Tuning of the Near－infrared Idler Wave［J］.OptLett，2000，25：490－492.

［13］ Bisson S E，Armstrong K M，Kulp T J，etal.Broadly Tunable，Mode－hop－tuned cw Optical Parametric Oscillator Based on Periodically Poled Lithium Niobate［J］.AppliedOptics，2001，40：6049－6055.

［14］ Henderson A，Stafford R.Low Threshold，Singly－resonant CW OPO Pumped by an all Fiber Pump Source［J］.OptExpress，2006，14：767－772.

［15］ Vainio M，Peltola J，Persijn S，etal.Singly Resonant cw OPO with Simple Wavelength Tuning［J］.OptEx press，2008，16：11141－11146.

［16］ Vainio M，Siltanen M，Peltola J，etal.Continuous－wave Optical Parametric Oscillator Tuned by a Diffraction Grating［J］.OptExpress，2009，17：7702－7707.

［17］ Vainio M，Siltanen M，Hieta T，etal.Continuous－wave Optical Parametric Oscillator Based on a Bragg Grating［J］.Opt Lett，2010，35：1527－1529.

［18］ Vainio M，Halonen L.Stable Operation of a cw Optical Parametric Oscillator Near the Signal－idler Degeneracy［J］.Opt Lett，2011，36：475－477.

［19］ Henderson A，Stafford R.Intra－cavity Power Effects in a Singly Resonant cw OPOs［J］.ApplPhysB，2006，85：181－184.

［20］ Lin S T，Lin Y Y，Huang Y C，etal.Observation of Thermal－induced Optical Guiding and Bistability in a Mid－IR Continuous－wave，Singly Resonant Optical Parametric Oscillator［J］.OptLett，2008，33：2338－2340.

［21］ Kumar S C，Das R，Samanta G K，etal.Optimally－output－coupled，17.5 W，Fiber－laser－pumped Continuous－wave Optical Parametric Oscillator［J］.ApplPhysB，2011，102：31－35.

［22］ Samanta G K，Fayaz G R，Sun Z，etal.High－power，Continuous－wave，Singly Resonant Optical Parametric Oscillator Based on MgO：sPPLT［J］.OptLett，2007，32：400－402.

［23］ Samanta G K，Fayaz G R，.Ebrahim－Zadeh M.1.59 W，Single－frequency，Continuous－wave Optical Parametric Oscillator Based on MgO：sPPLT［J］.OptLett，2007，32：2623－2625.

［24］ Samanta G K，Ebrahim－Zadeh M.Continuous－wave Single－resonant Optical Parametric Oscillator with Resonant wave Coupling［J］.OptExpress，2008，16：6883－6888.

［25］ Samanta G K，Kumar S C，Das R，etal.Continuous－wave Optical Parametric Oscillator Pumped by a Fiber laser Green Source at 532 nm［J］.OptLett，2009，34：2255－2257.

［26］ Liu Jian－li，Liu Qin，Li Hong，etal.Low Noise，Continuous－wave Single－frequency 1.5μm Laser Generated by a Singly Resonant Optical Parametric Oscillator［J］.ChinPhysB，2011，20：114215.

［27］ Machida S，Yamamoto Y.Quantum－limited Operation of Balanced Mixer Homodyne and Heterodyne Receivers［J］.IEEE JQuantumElectron，1986，22：617－624.

［28］ Zhang T C，Poizat J P，Grelu P，etal.Quantum Noise of Free－running and Externally－stabilized Laser Diodes［J］.QuantumSemiclassOpt，1995，7：601－613.

［29］ 高雪松.1.5μm光学参量振荡器的特性分析与发展现状［J］.激光产品世界，2006（7）：23－26.

［30］ Kuo P S，Vodopyanov K L，Fejer M M，etal.Ga As Optical Parametric Oscillator with Circularly Polarized and Depolarized Pump［J］.OptLett，2007，32：3735－3737.

Continuous－wave Singly Resonant Optical Parametric Oscillator

ZHANG Kuan－shou，LI Peng，LIU Jian－li
（StateKeyLaboratoryofQuantumOpticsandQuantumOpticsDevices，InstituteofOpto－Electronics，ShanxiUniversity，Taiyuan030006，China）

The continuous－wave（cw）singly resonant optical parametric oscillator（SRO）can be used to obtain the light sources which are tunable over a wide spectral range.In this paper，we review the development of the cw SROs over the last decade，introduce the experimental results of 1.5μm cw SRO based on periodically poled lithium niobate in our lab，and give the prospect of cw SRO finally.

continuous－wave；singly resonant optical parametric oscillator；quasi－phase match crystal

TN248；O431

A

0253－2395（2012）02－0243－05＊

2012－03－09；

2012－03－21

国家重大科学研究计划项目（2010CB923101）

张宽收（1965－），男，山西临猗人，博士，教授，主要从事全固态激光技术和光量子器件的研究.E－mail：kuanshou＠sxu.edu.cn