中红外PPM gLN光参变振荡器技术研究

谢宇宙，万 勇，邓华荣，李燕凌，薛亮平，张 伟

（西南技术物理研究所，成都610041）

中红外PPM gLN光参变振荡器技术研究

谢宇宙，万 勇*，邓华荣，李燕凌，薛亮平，张 伟

（西南技术物理研究所，成都610041）

为了实现3.8μm激光输出，采用了1.064μm激光抽运周期性极化掺氧化镁铌酸锂晶体（MgO掺杂摩尔分数为0.05）的光参变振荡器技术，由理论分析得到1.064μm激光抽运PPMgLN实现激光输出时，输出波长与极化周期以及温度的关系曲线。实验中，当晶体周期为29.2μm、温度为400K时，实现了3.8μm激光输出；当抽运功率为35W、声光调Q频率为8kHz条件下，获得3.84μm激光输出的平均功率为3.9W，其转换效率为11.14%，激光光束质量为6.46。结果表明，该技术可以获得较高转换效率的3.8μm激光输出，有望成为中红外激光对抗的激光干扰源。

非线性光学；光参变振荡器；准相位匹配；周期性极化掺氧化镁铌酸锂晶体；中红外

引 言

随着科学技术的快速发展，光学制导技术也日渐成熟，在现代战场上红外制导导弹开始占据着越来越重要的地位［1］。根据统计资料显示，在过去30年里，战场上被击落的飞机中，90%左右是因为红外制导导弹，而红外导弹探测器的响应范围一般在3μm～5μm大气窗口波段，因此，针对红外制导导弹的光电对抗迫切需要工作在3μm～5μm波段的激光光源，从而进行有效地对抗［2］。并且中红外光源具有会被多数重要的有毒气体分子吸收的特性，在民用探测领域也有着广泛的价值：如毒品稽查、石油勘探、甲烷气体探测、天然气管道泄漏检测等［3-5］。

目前，3μm～5μm中红外激光器主要有：二极管激光器、化学激光器、气体激光器、稀土掺杂固体激光器和光参变振荡器（optical parametric oscillator，OPO）等，其中OPO相对于其它类型的中红外激光器，具有调谐范围宽、全固化、结构紧凑、小型化和输出功率高等优点［6］。

采用准相位匹配（quasi phase matching，QPM）方式的周期性极化掺氧化镁铌酸锂（periodically poled lithium niobate doped with magnesium oxide，PPMgLN）可以利用最大非线性系数d33实现相位匹配，具有低阈值、高增益和高效率等优点［7-8］。现在PPMgLN晶体已经成为QPM最重要的非线性光学材料。

2010年，中国工程物理研究院PENG等人在1.064μm激光抽运功率104W、声光Q开关工作频率7kHz和PPMgLN晶体工作温度110℃条件下，获得中红外波长3.84μm激光输出功率16.7W［9］。

2011年，中国科学院半导体研究所采用10kHz的调Q的Nd∶YAG激光器抽运PPMgLN，当注入22W时，实现了3781.4nm的激光输出，功率为3.4W［10］。

在本实验中，作者采用1.064μm激光抽运PPMgLN晶体，当注入35W时，获得输出功率为3.9W的3.84μm激光输出，对应波长为1.47μm的信号光输出功率约10W。

1 波长调谐理论分析

PPMgLN-OPO有以下几种基本方式可以实现输出波长的调谐：温度调谐、周期调谐、波长调谐、角度调谐等。另外，还可以用两种基本调谐方式相组合来进行调谐，如温度周期调谐［11］。

PPMgLN与温度有关的ne色散方程满足以下形式［12］：

式中，f＝（T－297.5）（T＋843.82），T为开氏温度，λ为入射光波长，下标e表示非常光。

准相位匹配过程中，相位失配量Δk满足：

式中，k1为信号光的波矢量，对应标量为k1，k2为闲频光的波矢量，对应标量为k2；k3为抽运光的波矢量，对应标量为k3；km为周期波矢量，对应标量为km＝Λ为极化周期，m（取1，3，5，…）为QPM阶数。为了最大的利用晶体非线性系数，取m＝1，则Δk的波长表达式变为：

式中，n1为信号光折射率，n2为闲频光折射率，n3为抽运光折射率，λ1表示信号光波长，λ2表示闲频光波长，λ3表示抽运光波长。

当Δk＝0时满足相位匹配条件。

1.1 周期调谐的曲线计算

周期调谐实现输出波长调谐的方式是改变晶体周期，通常用多周期晶体或者扇形周期晶体。Δk的波长表达式变为：

式中，x为晶体在OPO谐振腔内的位置参量。同时三波还要满足能量守恒关系：

由（4）式与（5）式联立可得周期调谐的理论曲线，计算曲线如图1所示。

Fig.1 Period tuning curve for PPMgLN

多周期晶体的晶体周期只能跳跃式变化，不能够连续变化。所以得到的输出光也不能连续调谐，而只有通过和温度调谐相结合的方式才能实现宽带连续调谐。而使用扇形晶体时，由于抽运光是有一定宽度的光束，所以当抽运光通过PPMgLN晶体时，通过的将不是同一周期。而当光束的各个部分通过的周期不一样时，产生的光谱也将不同。并且，很难制作出较为理想的扇形周期。

1.2 温度调谐的曲线计算

温度调谐是指把晶体置于一个温控炉里，通过调节晶体的温度来实现输出波长的调谐。

考虑到晶体存在热膨胀因素，若在温度为T0时，极化周期为Λ（T0），则在温度为T时，极化周期Λ（T0）应为：

由于温度变化，Δk的波长表达式变为：

由（7）式与（5）式可以算出温度调谐的理论曲线，如图2所示。

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

运用温度调谐方式实现波长调谐比较容易，但调谐速度比较慢并且调谐范围比较小。

因以上两种调谐方式各有优缺点，故实验室选择两种组合的方式来进行波长调节，以便得到想要的3.8μm中红外激光。

2 实验研究

2.1 实验装置

本实验中采用双棒串接侧面抽运的单谐振腔结构，1.064μm抽运源系统由全反镜、Q开关、抽运模块、石英旋转片、偏振片、输出镜等构成，总体实验装置如图3所示。M1对1.064μm激光高反，M2对1.064μm激光反射率为60%。在声光Q开关工作频率为8kHz、输出功率为35W时，通过缓慢调节1.064μm激光谐振腔的腔长，获得了光束质量因子M2＜4的1.064μm激光，其脉冲宽度为150ns。使用双棒串接技术，并在双棒之间加90°石英旋转片的目的是补偿温度变化而引起的热致双折射效应，从而提高了1.064μm激光的光束质量。而在声光开关Q2之后加一个以布儒斯特角放置的偏振片是为了得到线偏振光，使之可以抽运OPO谐振腔。因实验中选用的PPMgLN晶体的规格为40mm×10mm× 1mm，其通光面为10mm×1mm，晶体厚度只有1mm，所以在OPO谐振腔前加了一片聚焦镜，以得到直径在0.7mm左右的抽运光，从而可以有效地利用抽运光以及起到保护晶体的作用。使用1.064μm激光抽运特定周期的PPMgLN晶体，OPO将输出3.8μm的中红外波段激光和1.47μm的近红外激光。OPO谐振腔由M3和M4构成，其中M3对1.064μm高透，对3μm～5μm激光高反；而M4对1.2μm～1.9μm激光部分反射，对3μm～5μm激光高透。PPMgLN晶体周期选定为29.2μm，其两个通光面对1.064μm，1.2μm～1.9μm和3μm～5μm激光高透。根据之前波长调谐计算可知，PPMgLN周期为29.2μm时，当温度为400K，输出中红外波长在3.8μm附近。

Fig.3 Experimental setup of PPMgLN

2.2 实验结果

通过具体的实验和调节，当1.064μm抽运激光功率为35W时，输出功率达到13.9W，其中3.84μm中红外激光功率为3.9W左右，光光转换效率为11.14%，对应的1.47μm近红外激光功率为10W左右。由图4可以看出，3.8μm中红外激光未出现饱和趋势，故如果继续增加抽运功率，其输出功率依然会继续提高。但因晶体的质量问题和晶体膜层的损伤，故实验中并没有继续调高抽运功率。实验中运用光栅单色仪测得中红外激光中心波长在3.84μm，对应的信号光中心波长为1.47μm，与理论计算值相符。

Fig.4 Laser output power versus pump power

采用刀口法测量光束的光斑大小，再运用曲线拟合法对3.8μm激光光束质量进行计算。使中红外激光通过焦距为20cm的聚焦透镜，通过刀口法测量透镜后束腰附近不同位置的对应的光斑大小，采用下式对数据进行曲线拟合：

式中，z为光波传输方向上光斑的位置；r为光斑半径。根据拟合曲线参量，得到A，B和C，并代入光束质量公式因子M2大小，其中λ为激光波长。计算得到光束质量M2＝6.46。光斑半径拟合曲线如图5所示。并计算出光束质量实验中使用套孔法算得了光束的束散角为2.6°。

Fig.5 Fit curve of spot radius

3 结 论

采用1.064μm激光抽运PPMgLN晶体，当抽运功率为35W时，获得了平均功率为3.9W的3.84μm激光输出，可以成为中红外激光对抗的激光干扰源。之后准备进一步优化实验方案和过程，提高光学元器件的抗损伤能力，以便提高抽运光光束质量，并获得更高输出功率的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

谢宇宙（1988-），男，硕士研究生，主要从事激光二极管抽运固体激光器技术的研究工作。

*通讯联系人。E-mail：wy209＠sohu.com

2013-05-30；

2013-06-27