基于PPMgLN的中红外光学参量振荡器研究

柴 燕

(四川文理学院物理与工程技术系，四川达州635000)

1 引言

波长范围在3～5μm的中红外光广泛应用于军事对抗、大气环境检测、红外成像、生物和医学诊断等领域。获得这个波段范围的中红外光最常用的办法是利用 KTiPO4(KTP)，ZnGeP2(ZGP)，AgGaSe2，LiNbO3等非线性晶体作为倍频晶体制作光学参量振荡器(OPO)。KTP晶体由于具有良好的机械及光学特性，光折变损伤阈值高等优点而被广泛使用，但是其走离效应较为严重。ZGP晶体非线性系数较高，达到了75 pm/V［1］，但是需要波长为2μm的泵浦光进行泵浦。周期极化LiNbO3晶体(PPLN)，尤其是掺杂MgO之后，其矫顽场降低，光折变损伤阈值得到了提高［2］。通过设计合适的周期，PPMgLN晶体在准相位匹配技术下能够产生波长范围在3～5μm的中红外光。

光学参量振荡器(OPO)的增益系数取决于泵浦光的功率，因此，高功率的泵浦光有利于增强OPO的非线性光学效应。据报道，在25W波长为1.064μm的连续波光纤激光器泵浦下，得到了5.3 W波长为1.58μm的信号光和1.2 W波长为3.23μm的闲频光［3］。除了利用连续波泵浦外，峰值功率很高的脉冲泵浦也常被运用。在1064 nm被动调Q的Nd∶YVO4参量放大系统中，得到了总功率为1.6 W的信号光和闲频光［4］。在1064 nm被动调Q的Nd∶YVO4/Cr4+∶YAG/PPLN腔内光学参量振荡器中，泵浦光功率为15 W，输出得到了900 mW的信号光［5］。本文主要研究了一种基于被动调Q周期极化MgO∶LiNbO3的光学参量振荡器，它具有光光转换效率高，调谐范围较宽等优点。

2 倍频晶体PPMgLN的制备

使用厚度为1 mm掺杂浓度为4.9mol.% 的MgO∶LiNbO3晶体进行进行Z面切割。在实验中，采取措施改进了极化工艺，即在高温下进行极化，高温导致PPMgLN的矫顽场大幅下降，在150℃下仅1.4 kV，同时高温抑制了畴的横向扩张。对+Z和–Z面喷镀了100 nm厚的光学薄膜，并对+Z和–Z面进行了周期极化，极化电压为1.6 kV，脉冲持续时间为500 ms。在极化过程中，为了降低矫顽场影响，我们将样品晶体加热到了150℃，并将极化后的晶体放入HF酸溶液中进行刻蚀［6］。从周期畴结构显微图片(如图1所示)可以看出+z面的占空比接近最佳占空比50%。

图1 PPMgLN晶体周期畴结构显微图片

3 实验结果

光学参量振荡器(OPO)的实验装置如图2所示。采用了20W激光进行端面泵浦，将波长为808nm的激光光进行光纤耦合并经过透镜准直后，入射到大小为3 mm×3 mm×3 mm(厚×宽×长)的Nd∶YVO4(Nd的掺杂浓度为0.5at.%)晶体上。Nd∶YVO4晶体的左端面渡有808nm的增透膜，谐振腔的左面渡有1064 nm的高反膜，谐振腔的右面渡有1064 nm的增透膜。实验中，选用的Cr4+∶YAG晶体直径为8 mm，厚度为3 mm，并在其晶体两端面渡有1064 nm的增透膜，其透过率为50%。在耦合输出镜M1上渡有1064 nm透过率为30% 的膜。同时，使用温度控制器(TEC)将Nd∶YVO4及 Cr4+∶YAG晶体的温度控制在21℃。

808 nm激光经过Nd∶YVO4及Cr4+∶YAG晶体后，得到了波长为1064 nm的泵浦光，将其通过一个焦距为100 mm的透镜聚焦后进入光学参量振荡器(OPO)的谐振腔。透镜的位置距离M1镜30 mm，距离M2镜11 mm。信号光进入谐振腔以后产生谐振，使用功率器可以探测到闲频光。凹透镜M2及M3的曲率半径都为200 mm，并在其端面渡有1064 nm的高反膜及1.4～1.7μm信号光波段和3.2～4.0μm闲频光波段的增透膜。PPMgLN晶体两端面渡有1064 nm，1.4～1.7μm及3.2～4.0μm的增透膜。

图2 OPO实验装置图

在调Q过程中，脉冲周期为10 ns，脉冲的重复频率为50 kHz。图3显示了在808 nm激光作用下，1064 nm泵浦光的输出功率。通过9.7 W的808 nm激光被动调Q，1064 nm泵浦光的最大平均功率为1.78 W，峰值功率达到了3.6k W。在此之后，随着激光功率的增加，输出1064 nm激光的功率反而下降。将Cr4+∶YAG晶体从实验装置图中取出，当泵浦光功率超过9.7 W后，1064 nm功率也同样出现了下降。这种现象可能是808 nm增益介质的饱和吸收及高功率下的热效应导致的。为了降低这一效应，我们又将长度为 10 mm，Nd掺杂浓度为0.25at.%的Nd∶YVO4晶体放置于实验装置图中，实验结果显示随着808 nm功率的提高，1064 nm泵浦光也输出也不断增强，但是Q开关的脉冲却变得不稳定，这可能是因为晶体长度的改变导致了增益改变及谐振腔插入损耗的增加。

因此，实验中使用功率为1.78 W的1064 nm泵浦光，它经过聚焦透镜之后，束腰半径在焦点处变为157μm，此焦点与PPMgLN晶体的中心重合。谐振腔按照如图4所示的模式匹配理论进行设计，精心选取与准相位技术匹配的凹透镜 (图4.a)。此外，如图4.b所示，泵浦光与信号光的光斑大小必须相匹配，图4中ω0(x)代表泵浦光的光斑半径，ωopo(x，100)，ωopo(x，200)及 ωopo(x，300) 代表了当凹透镜的曲率半径分别是100 mm，200 mm及300 mm时信号光的光斑半径。ω0曲线与三条ωopo曲线的交点代表了凹透镜的位置。从图4.b中可以看出，ω0(x)与ωopo(x，100)的交点已经超出了稳定谐振腔的范围。由于谐振腔的限制，凹透镜的曲率半径设定为200 mm，因此，整个OPO谐振腔的长度为60 mm。

由于谐振腔对泵浦光和信号光进行了反射，光学参量振荡器OPO的震荡阈值较低仅为0.14 W。从图5可以看出，泵浦初始阶段，随着泵浦功率的增加，闲频光功率也不断增加。当泵浦功率增加到1.1W时，闲频光功率迅速增加到0.36 W。我们还在实验中多次使用了长度为30 mm和40 mm的PPMgLN晶体，并由此确定了跳跃点的存在。在跳跃点上，当泵浦功率密度达到一定值时，将获得最高的光光转换效率。在跳跃点处测得，泵浦光的平均功率为1.07 W，并产生了波长为3.2μm的闲频光。

图6显示了当周期在29～31.5μm范围内改变时，信号光和闲频光的波长变化情况。利用能量守恒定律，可计算出信号光和闲频光的波长范围分别是1450 ～1660 nm 及 2961 ～3992 nm［7］。

当温度控制在 30℃ 到 200℃范围内时，将PPMgLN晶体置于谐振腔中，即可检测到信号光的波长范围。例如，当周期为31μm，信号光的调谐范围为1591～1739 nm，同时，闲频光的波长范围为2739～3209 nm。由于镀膜技术有限，在周期调谐和温度调谐下，最终得到的中红外光波长范围为3000～4000 nm。

在参量震荡的同时，还可观察到其他的非线性现象。例如，当周期为31μm时，波长为639 nm，795 nm及532 nm的激光能够被光谱仪探测到。639 nm激光是由泵浦光和信号光合频后产生得到，而795 nm及532 nm分别是信号光和泵浦光的二次谐波。在实验装置中，还增加了一个平面镜并在它的端面渡有泵浦光和信号光的高反膜及闲频光的增透膜，然后将其放置在M3的后面作为其他输出光的滤波器。因此，其他输出激光强度较弱可以忽略不计。

4 结论

实验中，利用Nd∶YVO4/Cr4+∶YAG激光器产生1.78 W波长为1064 nm的激光作为泵浦光源，并将长度为35 mm的PPMgLN晶体作为倍频晶体进行倍频，输出得到了360 mW波长为3.2μm激光，光光转换效率高达20%。同时，通过调节倍频晶体的周期以及改变实验温度，还可得到调谐波长范围在3.0～4.0μm的中红外激光。此波段范围的中红外光可应用于军事对抗、大气环境检测、红外成像、生物和医学诊断等领域，具有较高的军事价值及商业价值。

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