中红外KTA光学参量振荡器的输出特性＊

买日哈巴·阿巴白克，王书童，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）

1 引言

1.5 ～1.6µm波段是人眼安全区域。该波段的光在水分子吸收带内，在生物学、激光雷达、遥感、激光雷达以及目标识别等领域具有重要应用。目前用来实现1.5～1.6µm波段的有效方法可分为掺铒激光器、拉曼激光器和光学参量振荡器（OPO）[1-3]三种。3～5μm波段的光属于大气红外窗口，在大气传输时具有透射率最强、衰减最小、对烟尘和大雾穿透能力最强、分子吸收峰最多的特点，使其在分子光谱学、有机材料处理、环境探测和医疗[4-6]等领域有较大的贡献。此外，在3.4µm波长附近的激光涵盖了水分子吸收峰和很多CH2等工业排放污染气体的分子振动吸收峰，该波段的激光在大气中传输时受工业排放污染气体的分子振动吸收影响而削弱，通过激光削弱的程度可以判断排放污染气体的浓度，使得在环保、痕量气体分析、气候监测等领域中很重要的应用[7]。

国内外研究者们已经开展了由受激辐射方法和非线性变频方法来产生1.5～1.6µm近红外和3～5μm中红外波段的深入研究，希望得到更高能量、高效率的激光输出。非线性变频技术主要是利用二阶非线性效应来实现近-中红外激光输出，包括倍频（SHG）、和频（SFG）、差频（DFG）、光学参量放大（OPA）和光学参量振荡（OPO）技术。目前，最普遍的方法是利用OPO技术来实现近-中红外波段的激光输出，特别是该方法可以利用LiB3O5（LBO）[8]、（KTiOPO4）KTP[9]、掺MgO周期性极化铌酸MgO:PPLN[10]、ZnGeP2（ZGP）[11]等多种非线性晶体和采用双折射相位匹配（BPM）、准相位匹配（QPM）和临界相位匹配（CPM）等技术，来获得紫外光、可见光、近红外、中红外到远红外光的宽调谐激光输出，而且不受泵浦光波长的影响。

但是，在实际应用中，激光器的能量、稳定性和光束质量需要进一步的提高，同时也需要输出高能量、高光束质量、高效率激光。特别是波长为1 535 nm和3 468 nm近-中红外高能量，高效率的激光将被用在激光雷达、分子光谱学等方面。因此，选择合适的泵浦激光器和精心设计OPO腔镜是必要的。其中合适的非线性晶体的选择也是同时产生近-中红外OPO的重要因素。因此，采用Ⅱ类非临界相位匹配（NCPM）的砷酸钛氧钾（KTA）晶体来同时实现近-中红外波长区域的激光。KTA晶体是正双轴晶体，作为KTP晶体的同形体，具有类似于KTP晶体的相位匹配特性，但透光范围比KTP晶体大，透光范围为0.35～5.3µm，使它在近-中红外OPO中有重要性质。此外可接受角比较大、温度敏感性低、没有走离角，它还具有吸收系数小（1～4µm处α＜0.01 cm-1）和高损伤阈值（600 MW/cm2）的特性[13]。由于KTA-OPO晶体第Ⅰ类相位匹配的有效非线性系数远远小于第Ⅱ类相位匹配有效非线性系数（d15＜d24），因此：

式（1）中：θ和φ分别为光传播方向与z轴之间的角度（相位角）、K在x-y平面上的投影与x轴之间的角度（方位角）。

因此在本次实验中我们采用Ⅱ类NCPM（θ=90°，φ=0°）条件下，使得KTA-OPO中可以得到最高的有效非线性系数，有效非线性系数为d24=3.43 pm/V。此外可以同时获得高转换效率的近-中红外激光，所以这将是有效高能量OPO的极佳选择。

在本文中，采用1µm纳秒激光器来泵浦Ⅱ类非临界相位匹配（NCPM）的KTA（θ=90°，φ=0°）晶体，在紧凑型OPO中，来实现高能量，高效率近-中红外激光输出。

2 实验装置和结果

调QNd:YAG激光器泵浦KTA-OPO的实验装置如图1所示。泵浦源是波长为1µm的固体激光器。把泵浦脉冲能量为20 mJ，以束腰半径大约为1 mm来泵浦KTA-OPO。输入耦合镜M1为平面镜，镀膜对1 064 nm泵浦光高透射，并对1.4～1.6µm光和3～4µm光高反射。KTA晶体要满足Ⅱ类非临界相位匹配（θ=90°，φ=0°），规格为5 mm×5 mm×30 mm，固定于平面镜M1和M2间夹具上。输出耦合镜M2为平面镜，镀膜对1 064 nm泵浦光高反射，对1.4～1.6µm光反射率为50%，对3～4µm光的反射率为97%；当M2被M3取代时，输出耦合镜M3为平面镜，对1 064 nm泵浦光和1.4～1.6µm光高反射，对3～4µm光高透射，来实现信号光单谐振腔。输入端面M1与M2（M3）构成信号光（闲频光）谐振腔，腔长为50 mm。在输出耦合镜M2（M3）后放置S作为泵浦光、信号光和闲频光的分束镜，对1.9µm以下的短波高反、对3～5μm的中红外区域的光透过率高达95%，有效地保证了信号光（闲频光）输出。

图1 基于KTA-OPO晶体的实验光路图

图1 里的插图为观测得到的输出泵浦光、信号光和闲频光的空间分布图。如图所示，利用常规的电荷耦合照相机（CCD）测量了泵浦光的光束质量，其空间形态呈现高斯分布。利用热释电相机（Spiricon Pyrocam III，spatial resolution：75µm）测量得到的波长为1 535 nm信号光与3 468 nm闲频光的空间分布图。当使用输入耦合镜M1和输出耦合镜M2来实现信号光输出时，空间形态呈高斯分布。当输出耦合镜为M3，来实现闲频光输出时，空间形态呈高斯分布。结果表明，输出的信号光和闲频光的空间分布接近理想高斯模式。

泵浦光能量与OPO输出能量之间的函数关系如图2所示。其中输出的信号光和闲频光的波长分别为1 535 nm和3 468 nm。由图2可知，在泵浦光能量为20 mJ时，得到最大的信号光和闲频光能量输出，达到1.44 mJ和0.95 mJ，其对应的光-光转换效率为7.3%和4.8%，光量子转换效率达到10.5%和15.6%。信号光和闲频光的阈值功率分别为7.9 mJ和4.67 mJ。

图2 信号光和闲频光的能量与泵浦光能量的关系

3 总结

综上所述，我们通过1 064 nm的纳秒Nd:YAG激光器泵浦非临界相位匹配的KTA-OPO晶体，报道了高能量、高效率的近红外-中红外激光输出。在单一谐振腔中，当泵浦光的能量为20 mJ时，1 535 nm信号光和3 468 nm闲频光的输出能量分别为1.44 mJ和0.95 mJ，光量子转换效率达到10.54%和15.6%。