基于PPLN涡旋光参变振荡器的手性特性研究＊

塔西买提·玉苏甫，牛素俭

基于PPLN涡旋光参变振荡器的手性特性研究＊

塔西买提·玉苏甫，牛素俭

（新疆师范大学 物理与电子工程学院，新疆 乌鲁木齐 830054）

中红外波长可调谐光参量振荡技术是非线性变频领域关注的热点。它在激光通信、光谱学研究、医学以及军事上的红外对抗等方面具有重要的应用。采用Nd：YAG 激光器作为泵浦源，选取非线性光学晶体掺氧化镁的铌酸锂晶体（MgO：PPLN），实现了波长调谐范围在3～3.4 μm的中红外波段涡旋光的输出，并揭示了中红外涡旋光参变振荡器的手性控制机理，通过调制泵浦涡旋光的手性特性实现了中红外波段涡旋光的手性控制。在泵浦光能量为21 MJ时，输出的右（左）涡旋光能量最大为2.24MJ（2.28 MJ）。

光学参变振荡器；涡旋光束；MgO：PPLN晶体；涡旋模式

1 引言

波长为 3～5 μm的激光通常称为中红外激光，该激光波段位于大气的窗口波段，对雾霾、粉尘等具有较强的穿透力，受气体分子吸收和悬浮颗粒散射影响小，在大气环境污染监测、光谱分析、激光雷达以及军事红外对抗等领域具有很高的应用价值[1-2]。尤其是中红外波段的高能量、波长可调性的涡旋光源在研究分子光谱学、有机材料处理、痕量气体的探测、遥感方面具有巨大的潜在应用价值和重要的战略意义，并且广泛地应用于医疗领域。与目前中红外光谱区传统激光技术相比，利用技术成熟的近红外涡旋激光光源抽运光学参量频率转换实现在中红外波段相干涡旋光输出是一个高效率的技术[3-5]。周期极化掺氧化镁的铌酸锂晶体是一种高效的非线性光学晶体，广泛应用于参量振荡器、倍频、差频、和频等。

涡旋光具有螺旋形相位分布的光束，光束中的每个光子携带轨道角动量[6-9]，被广泛应用在很多领域，如光学微操纵技术[10]、材料加工[11-12]、高分辨率显微镜[13]、光学通信[14]等方面。因此实现各个波段涡旋光的输出对于其应用有着更重要的研究意义。此前，采用1.064 μm涡旋光泵浦KTiOPO4光参量振荡器（KTP-OPO），实现了波长连续可调谐2 μm涡旋激光的输出[15-16]，并采用2 μm波段涡旋光光参量振荡器输出的信号涡旋光和闲频高斯光，选取非线性光学晶体ZGP，结合角相位匹配技术，实现了在5～12 μm波段高能量、波长连续宽调谐、窄线宽相干涡旋光输出[17]。目前，中红外区域的商用SPP和SLM尚未建立，因此基于光学参量振荡器输出的手型可控制、波长可调谐3 μm涡旋光源，将为手性有机材料加工、超分辨率分子光谱、环境光学等新一代技术提供新的思路。

本文采用1 μm涡旋光泵浦准相位匹配的MgO：PPLN光参变振荡器，实现了波长调谐范围在3～3.4 μm的中红外波段涡旋光的输出。通过调制泵浦涡旋光的手性特性实现了中红外波段涡旋光的手性控制。在泵浦光能量为21 MJ时，输出的右（左）涡旋光能量最大为2.24 MJ（2.28 MJ），相应的光转换效率为10.66%（10.86%）。

2 实验装置和结果

Nd：YAG 激光器泵浦的MgO：PPLN光参变振荡器实验装置如图1所示。采用传统的闪光灯调Q Nd：YAG激光器（LS-2136LP；脉冲持续时间25 ns，波长1.064 μm，脉冲重复频率50 Hz），利用螺旋相位板（方位角被分割成16段，每段具有π/8相移）将高斯光束转化为拓扑荷数l为+1的一阶涡旋光束。通过反转螺旋相位板，可以实现泵浦涡旋光束拓扑荷数 l 符号（旋向性）的反转，其拓扑荷数为﹣1。经过焦距为750 mm的透镜将泵浦涡旋光束聚焦成直径为 1 mm的环形光斑，并注入光参量振荡器。选择使用尺寸为40×4×2 mm3、光栅周期为30 μm的5 mol% MgO掺杂的PPLN晶体作为非线性光学晶体，其相位匹配方式为0∶e→e+e相位匹配。晶体端面均镀有对1.064 μm、信号光和闲频光的波长抗反射涂层。将MgO：PPLN晶体置于温控炉中，晶体的温度控制范围在25～200 ℃，精度为0.1 ℃。单共振谐振腔由两个平面镜（M1和M2）组成。输入腔镜M1对于1.45～1.6 μm（信号光）和35～3.8 μm（闲频光）具有高反射率，1.064 μm泵浦光具有高透射率，输出镜M2镀有对1.45～1.6 μm（信号光）高反射率膜和35～3.8 μm（闲频光）高透射膜，以确保信号光束在谐振腔内高强度的单共振。谐振腔长度固定在110 mm。光参量振荡器使用简单的紧凑腔，谐振腔利用平面平行腔结构，允许通过利用最小谐振腔元件来开发紧凑的中红外涡旋激光源。使用热电相机（Spiricon Pyrocam III，空间分辨率为75 μm）测量中红外波段涡旋光的空间分布情况和干涉图样。

图1 基于PPLN涡旋光参变振荡器的实验光路图

在光学参变振荡过程中，初始泵浦光p被分成为信号光s和闲频光i，要满足能量和动量守恒定律，存在多种频率组合，但在相位匹配条件下，泵浦光、信号光和闲频光频率之间需满足p=s+i。相位匹配条件，控制频率分离比从初始的泵浦光到输出的信号光和闲频光。

在光参量振荡器中光参量增益取决于泵浦光和谐振光的空间振幅重叠效率，此研究中，通过对信号光在腔内进行单共振的设计，防止信号光以涡旋模式输出，使泵浦光的拓扑荷数在谐振腔中转移到中红外波段的闲频光束。其原因在于两个平面镜（输入和输出镜）构成的谐振腔中，信号光将产生具有无限大的模场尺寸，尤其是高阶模式（即涡旋模式）具有更大的模场尺寸，所以信号光为涡旋模式，比高斯模式具有明显的衍射损耗，从而阻止信号光以涡旋模式存在。泵浦光具有环状的空间分布结构，此时输出的闲频光为环状的空间分布，其波长为3.4 μm；输出的信号光波长为1.54 μm，空间分布为近似于TEM00模具有单峰分布的高斯光束。当信号光在谐振腔中高强度谐振，泵浦光的拓扑荷数会传递到输出的闲频光束。

泵浦光为右涡旋时，空间分布和干涉图样如图2所示，拓扑核数为+1，输出的闲频光空间分布图为环形结构，如图2中的（c），其干涉图样具有一对叉形结构的条纹，如图2中的（d），表明闲频光是拓扑核数为+1的右涡旋光束。通过反转螺旋相位板，实现泵浦涡旋光束拓扑荷数的反转，其拓扑荷数为﹣1，如图2中的（e）和（f），此时，闲频光的空间分布图和干涉图样如图2中的（g）和（h）所示，证明输出的闲频光是拓扑核数为﹣1的左涡旋光束。测量泵浦光和闲频光的空间分布图和干涉图样，证明了调制泵浦涡旋光的手性特性可以实现中红外波段涡旋光的手性控制。

输出的闲频光能量与泵浦光能量关系如图3所示，晶体周期为30 μm，温度为25 ℃（对应的闲频光的波长为 3.4 μm），在泵浦光能量为21 MJ时，输出的右（左）涡旋光能量最大为2.24 MJ（2.28 MJ），相应的光光转换效率达到10.66%（10.86%），产生的右涡旋和左涡旋光具有相同的输出能量。又结合温度调谐的方法，选取晶体温度在25～200 ℃之间不同温度下测量闲频光的波长，实现了3～3.4 μm波段中红外涡旋光的输出。

注：图（a）和（b）泵浦光为右涡旋时空间分布图和干涉图样；（c）和（d）为输出的闲频光的空间分布图和干涉图样；（e）和（f）为当泵浦光为左涡旋时空间分布图和干涉图样；（g）和（h）为闲频光的空间分布图和干涉图样。

图3 输出的闲频光能量与泵浦光能量关系图

3 总结

本研究基于1 μm涡旋泵浦准相位匹配MgO：PPLN光学参变振荡器，实现了波长调谐范围在3～3.4 μm的中红外波段涡旋光的输出。通过调制泵浦涡旋光的手性特性实现了中红外波段涡旋光的手性控制。在泵浦光能量为21 MJ时，输出的右（左）涡旋光能量最大为2.24 MJ（2.28 MJ），相应的光转换效率达到10.66%（10.86%）。

在今后的实验研究中，将会利用多周期MgO：PPLN晶体实现宽调谐、较高能量的涡旋光输出。研究成果在分子光谱学、有机材料处理、痕量气体的探测、遥感和广泛的医疗领域具有很好的应用前景。

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O436

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.005

2095－6835（2020）01－0018－03

新疆维吾尔自治区自然科学基金（编号：2016D01B047）

塔西买提·玉苏甫（1984—），男，副教授，博士（后），主要研究方向为非线性光学。

〔编辑：张思楠〕