高能量、高效率、紧凑型近红外和中红外MgO：PPLN光参量激光器＊

王书童，买日哈巴·阿巴白克，塔西买提·玉苏甫

高能量、高效率、紧凑型近红外和中红外MgO：PPLN光参量激光器＊

王书童，买日哈巴·阿巴白克，塔西买提·玉苏甫

（新疆师范大学物理与电子工程学院，新疆 乌鲁木齐 830054）

报道了一种以1.064 μm的激光作为泵浦源，基于MgO：PPLN晶体的紧凑、高能量、高效率的近红外与中红外单谐振光参量振荡器。当泵浦光输入能量为22.6 mJ且输出耦合镜对信号光的反射率为90%时，产生高效的近红外1.5 μm与中红外3.65 μm的最大输出能量分别为2.8 mJ和1.7 mJ，相应的光光转换效率为12.4%和7.5%。通过改变MgO：PPLN晶体的温度，获得信号光与闲频光的连续波长调谐范围分别为1.500～1.560 μm和3.346～3.650 μm。

非线性光学；光学参变振荡器；近红外激光；中红外激光

1 引言

近红外1.5～1.6 μm激光处于人眼安全波段，在科学研究与实际应用中引起了广泛关注。例如激光测距[1]、激光振动测量[2]、光通信和差分吸收雷达系统[3]。中红外3～5 μm位于大气窗口波段，在环境污染检测[4]、遥感[5]、红外对抗[6]、军事[7]和医疗[8]等方面有广泛应用。

目前，光参量振荡器作为一种产生近红外和中红外波段的有效方法已经引起了研究者的注意。很多研究人员基于双折射相位匹配（BPM）晶体来产生近红外和中红外激光，包括KTiOPO4（KTP）[9]和KTiOAsO4（KTA）[10]。然而，这些晶体的非线性系数较小，并且走离效应较强，影响了光光转换效率，限制了高能量、高光束质量激光的输出。伴随着非线性材料的最新改进与发展，在近红外和中红外区域已经产生高效率和高光束质量的激光。

对于双折射晶体而言，准相位匹配（QPM）晶体能够利用最大的非线性系数、走离效应较小以及对光折变损伤不敏感，从而被广泛用于生成基于光参量振荡器的近红外和中红外激光。利用准相位匹配晶体来产生近红外与中红外光参量激光有许多报道。其中，包括基于扇形光栅设计的周期性极化的KTiOPO4（PPKTP）晶体，可通过光参量振荡器实现近红外激光输出。信号光与闲频光的波长调谐范围分别是741～922 nm和1 258～1 884 nm，当泵浦光的最大输入功率为1.65 W时，信号光与闲频光的输出功率分别为150 mW和400 mW[11]。南京大学祝世宁等人通过基于周期性极化的LiTaO3（PPLT）晶体的光参量振荡器获得了3.8 μm、1.48 μm的闲频光与信号光，功率分别为1.2 W与3 W[12]。基于双通道MgO：PPLN晶体的光参量振荡器的调谐范围为2 416.17～ 2 932.25 nm和3 142.18～4 521.5 nm，在输出波长为2.7 μm时获得最大的输出功率10.4 W，相应的转换效率为24%[13]。研究者发现通过基于PPMgLN晶体的光参量振荡器能获得中红外激光的输出能量为11.2 W[14]。但是，光参量振荡器系统的稳定性和输出光束质量需要进一步提高，要实现实际应用近红外激光的输出，能量必须要达到毫焦级水平，尤其是波长为3.5 μm且具有适当能量的可调谐中红外激光器能够操纵各种分子的本征频率，并且在新一代分子科学（包括分子吸收光谱法、超分辨率光谱法）以及手性有机材料的加工中具有潜在的应用价值。最近，人们研究了1 064 nm泵浦的基于MgO：PPLN晶体的毫焦级中红外光参量振荡器。当泵浦光能量为21 mJ时，最大的中红外3.5 μm闲频光的输出能量为3.65 mJ[15]。以26～31 μm的多周期MgO：PPLN晶体作为非线性介质，获得了2.28～4.8 μm的宽调谐中红外激光输出。在这篇论文中，报道了一种以1.064 μm的激光作为泵浦源，基于MgO：PPLN晶体的紧凑、高能量、高效率的近红外与中红外单谐振光参量振荡器。当泵浦光输入能量为22.6 mJ且输出耦合镜对信号光的反射率为90%时，产生高效的近红外1.5 μm与中红外3.65 μm的最大输出能量分别为2.8 mJ和1.7 mJ，相应的光光转换效率为12.4%与7.5%。将MgO：PPLN晶体从25 ℃加热到200 ℃，获得连续波长的信号光与闲频光的调谐范围分别是1.500～1.560 μm和3.346～3.650 μm。

2 实验装置和结果

基于MgO：PPLN晶体的近红外与中红外光参量振荡器的光路图如图1所示。采用调Q式Nd：YAG 激光器为泵浦源，其输出波长为1.064 μm，最大输出能量22 MJ，以束腰半径0=500 μm 注入晶体中心。泵浦光的偏振态在MgO：PPLN晶体中的最佳相位匹配为0型相位匹配（e→e+e）。将单周期（= 30 μm）、长度为40 mm、宽度为4 mm、厚度为3 mm的MgO：PPLN晶体放置在温控炉上加热，温度控制范围为室温到200 ℃，精确度为±0.1 ℃，晶体位置介于输入镜与输出耦合镜之间。晶体端面有对1.064 μm的泵浦光、1.4～1.6 μm的信号光和3～4 μm的闲频光的抗反射图层，反射率小于5%。PPLN晶体关键的优势在于它可以在准相位匹配的条件下能够利用最大的非线系数（33= 27.2 pm/V），其透光范围为（0.33～5 μm），并且有较弱的走离效应。

图1 基于MgO：PPLN晶体的近红外与中红外光参量振荡器的光路图

紧凑的平平单谐振光参量振荡器的输入反射镜（IM）涂层对1.064 μm的泵浦光有95%的高透射率，并对1.4～1.6 μm范围内的信号光波长和3～4 μm范围内的闲频光波长具有99.8%高反射率。平平输出耦合镜（OC）对1.064 μm的泵浦光（95%）和3～4 μm闲频光（99%）具有高透射率，并对1.4～1.6 μm信号光的反射率为90%，从而允许信号光束单谐振。光参量振荡器总的腔长恒为100 mm。滤波器将未转换的泵浦光、信号光和闲频光分离，从而可以方便地进行空间模式和输出能量的监测。

信号光和闲频光的输出能量在耦合镜对1.4～1.6 μm信号光反射率分别为90%时随泵浦能量的变化关系如图2所示。当晶体温度恒定为30 ℃时，相应的信号光与闲频光的输出波长分别为1.5 μm和3.65 μm。由于单谐振信号光的腔损耗相对较小，具有高Q因子，在22.6 mJ的泵浦能量下实现了2.8 mJ的信号与1.7 mJ的闲频光输出，相应的光光转换效率分别为12.4%与7.5%，总的光光转化效率为19.9%。

相比之下，信号光单谐振的光参量振荡器中，闲频光的输出能量较低，因通过优化振荡器在不同曲率镜下的输出耦合以及紧密聚焦泵浦光束，可以进一步改善从基频泵浦光到该系统信号光输出的光光转换效率，最高可达40%。人们记录了在最大泵浦能量下信号光和闲频光输出能量的稳定性，输出的近红外和中红外激光能量均方根（RMS）稳定性在低Q谐振腔中3 h内，其稳定性优于0.8%。

图2 信号光和闲频光输出能量随泵浦能量的变化关系

空间分布图如图3所示。实验中采用传统CCD照相机测量了泵浦光的光束质量，如图3（a）所示，其空间分布为高斯分布。使用热释电相机（Spiricon Pyrocam III；空间分辨率为75 μm）测量了波长为1.5 μm和3.65 μm的信号光和闲频光输出的空间分布。如图3（b）所示，信号光输出成像显示出具有单峰高斯模式的TEM00模空间分布。如图3（c）所示，非谐振的闲频光输出同样表现出出色的空间分布。通过改变MgO：PPLN晶体温度（25～200 ℃），在整个近红外信号光（1.500～1.560 μm）调谐范围以及中红外闲频光（3.346～3.650 μm）范围内获得了相似的空间分布。

图3 空间分布图

3 总结

通过1 μm调Q Nd：YAG纳秒级激光泵浦基于准相位匹配MgO：PPLN晶体的光参量振荡器，实现了高能量、高效率、紧凑型近红外和中红外激光输出。具有适当输出耦合的紧凑型单谐振腔结构得到了高光束质量的近红外输出光束，在1.500～1.560 μm范围内的能量高达2.8 mJ。非谐振闲频光可调范围为3.346～3.650 μm，输出能量高达1.7 mJ。信号光和闲频光在整个调谐范围内能量均表现出出色的稳定性。

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TN248

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.08.006

2095－6835（2021）08－0019－03

基于PPLN的中红外涡旋光光学参量振荡器的研究（编号：11664041）

王书童（1994—），男，硕士研究生，主要从事非线性光学的研究。

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

〔编辑：张思楠〕