基于PPMgLN的中紅外光學(xué)參量振蕩器研究

柴 燕

(四川文理學(xué)院物理與工程技術(shù)系，四川達(dá)州635000)

1 引言

波長范圍在3～5μm的中紅外光廣泛應(yīng)用于軍事對抗、大氣環(huán)境檢測、紅外成像、生物和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。獲得這個波段范圍的中紅外光最常用的辦法是利用 KTiPO4(KTP)，ZnGeP2(ZGP)，AgGaSe2，LiNbO3等非線性晶體作為倍頻晶體制作光學(xué)參量振蕩器(OPO)。KTP晶體由于具有良好的機(jī)械及光學(xué)特性，光折變損傷閾值高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用，但是其走離效應(yīng)較為嚴(yán)重。ZGP晶體非線性系數(shù)較高，達(dá)到了75 pm/V［1］，但是需要波長為2μm的泵浦光進(jìn)行泵浦。周期極化LiNbO3晶體(PPLN)，尤其是摻雜MgO之后，其矯頑場降低，光折變損傷閾值得到了提高［2］。通過設(shè)計(jì)合適的周期，PPMgLN晶體在準(zhǔn)相位匹配技術(shù)下能夠產(chǎn)生波長范圍在3～5μm的中紅外光。

光學(xué)參量振蕩器(OPO)的增益系數(shù)取決于泵浦光的功率，因此，高功率的泵浦光有利于增強(qiáng)OPO的非線性光學(xué)效應(yīng)。據(jù)報道，在25W波長為1.064μm的連續(xù)波光纖激光器泵浦下，得到了5.3 W波長為1.58μm的信號光和1.2 W波長為3.23μm的閑頻光［3］。除了利用連續(xù)波泵浦外，峰值功率很高的脈沖泵浦也常被運(yùn)用。在1064 nm被動調(diào)Q的Nd∶YVO4參量放大系統(tǒng)中，得到了總功率為1.6 W的信號光和閑頻光［4］。在1064 nm被動調(diào)Q的Nd∶YVO4/Cr4+∶YAG/PPLN腔內(nèi)光學(xué)參量振蕩器中，泵浦光功率為15 W，輸出得到了900 mW的信號光［5］。本文主要研究了一種基于被動調(diào)Q周期極化MgO∶LiNbO3的光學(xué)參量振蕩器，它具有光光轉(zhuǎn)換效率高，調(diào)諧范圍較寬等優(yōu)點(diǎn)。

2 倍頻晶體PPMgLN的制備

使用厚度為1 mm摻雜濃度為4.9mol.% 的MgO∶LiNbO3晶體進(jìn)行進(jìn)行Z面切割。在實(shí)驗(yàn)中，采取措施改進(jìn)了極化工藝，即在高溫下進(jìn)行極化，高溫導(dǎo)致PPMgLN的矯頑場大幅下降，在150℃下僅1.4 kV，同時高溫抑制了疇的橫向擴(kuò)張。對+Z和–Z面噴鍍了100 nm厚的光學(xué)薄膜，并對+Z和–Z面進(jìn)行了周期極化，極化電壓為1.6 kV，脈沖持續(xù)時間為500 ms。在極化過程中，為了降低矯頑場影響，我們將樣品晶體加熱到了150℃，并將極化后的晶體放入HF酸溶液中進(jìn)行刻蝕［6］。從周期疇結(jié)構(gòu)顯微圖片(如圖1所示)可以看出+z面的占空比接近最佳占空比50%。

圖1 PPMgLN晶體周期疇結(jié)構(gòu)顯微圖片

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

光學(xué)參量振蕩器(OPO)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。采用了20W激光進(jìn)行端面泵浦，將波長為808nm的激光光進(jìn)行光纖耦合并經(jīng)過透鏡準(zhǔn)直后，入射到大小為3 mm×3 mm×3 mm(厚×寬×長)的Nd∶YVO4(Nd的摻雜濃度為0.5at.%)晶體上。Nd∶YVO4晶體的左端面渡有808nm的增透膜，諧振腔的左面渡有1064 nm的高反膜，諧振腔的右面渡有1064 nm的增透膜。實(shí)驗(yàn)中，選用的Cr4+∶YAG晶體直徑為8 mm，厚度為3 mm，并在其晶體兩端面渡有1064 nm的增透膜，其透過率為50%。在耦合輸出鏡M1上渡有1064 nm透過率為30% 的膜。同時，使用溫度控制器(TEC)將Nd∶YVO4及 Cr4+∶YAG晶體的溫度控制在21℃。

808 nm激光經(jīng)過Nd∶YVO4及Cr4+∶YAG晶體后，得到了波長為1064 nm的泵浦光，將其通過一個焦距為100 mm的透鏡聚焦后進(jìn)入光學(xué)參量振蕩器(OPO)的諧振腔。透鏡的位置距離M1鏡30 mm，距離M2鏡11 mm。信號光進(jìn)入諧振腔以后產(chǎn)生諧振，使用功率器可以探測到閑頻光。凹透鏡M2及M3的曲率半徑都為200 mm，并在其端面渡有1064 nm的高反膜及1.4～1.7μm信號光波段和3.2～4.0μm閑頻光波段的增透膜。PPMgLN晶體兩端面渡有1064 nm，1.4～1.7μm及3.2～4.0μm的增透膜。

圖2 OPO實(shí)驗(yàn)裝置圖

在調(diào)Q過程中，脈沖周期為10 ns，脈沖的重復(fù)頻率為50 kHz。圖3顯示了在808 nm激光作用下，1064 nm泵浦光的輸出功率。通過9.7 W的808 nm激光被動調(diào)Q，1064 nm泵浦光的最大平均功率為1.78 W，峰值功率達(dá)到了3.6k W。在此之后，隨著激光功率的增加，輸出1064 nm激光的功率反而下降。將Cr4+∶YAG晶體從實(shí)驗(yàn)裝置圖中取出，當(dāng)泵浦光功率超過9.7 W后，1064 nm功率也同樣出現(xiàn)了下降。這種現(xiàn)象可能是808 nm增益介質(zhì)的飽和吸收及高功率下的熱效應(yīng)導(dǎo)致的。為了降低這一效應(yīng)，我們又將長度為 10 mm，Nd摻雜濃度為0.25at.%的Nd∶YVO4晶體放置于實(shí)驗(yàn)裝置圖中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示隨著808 nm功率的提高，1064 nm泵浦光也輸出也不斷增強(qiáng)，但是Q開關(guān)的脈沖卻變得不穩(wěn)定，這可能是因?yàn)榫w長度的改變導(dǎo)致了增益改變及諧振腔插入損耗的增加。

因此，實(shí)驗(yàn)中使用功率為1.78 W的1064 nm泵浦光，它經(jīng)過聚焦透鏡之后，束腰半徑在焦點(diǎn)處變?yōu)?57μm，此焦點(diǎn)與PPMgLN晶體的中心重合。諧振腔按照如圖4所示的模式匹配理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，精心選取與準(zhǔn)相位技術(shù)匹配的凹透鏡 (圖4.a)。此外，如圖4.b所示，泵浦光與信號光的光斑大小必須相匹配，圖4中ω0(x)代表泵浦光的光斑半徑，ωopo(x，100)，ωopo(x，200)及 ωopo(x，300) 代表了當(dāng)凹透鏡的曲率半徑分別是100 mm，200 mm及300 mm時信號光的光斑半徑。ω0曲線與三條ωopo曲線的交點(diǎn)代表了凹透鏡的位置。從圖4.b中可以看出，ω0(x)與ωopo(x，100)的交點(diǎn)已經(jīng)超出了穩(wěn)定諧振腔的范圍。由于諧振腔的限制，凹透鏡的曲率半徑設(shè)定為200 mm，因此，整個OPO諧振腔的長度為60 mm。

由于諧振腔對泵浦光和信號光進(jìn)行了反射，光學(xué)參量振蕩器OPO的震蕩閾值較低僅為0.14 W。從圖5可以看出，泵浦初始階段，隨著泵浦功率的增加，閑頻光功率也不斷增加。當(dāng)泵浦功率增加到1.1W時，閑頻光功率迅速增加到0.36 W。我們還在實(shí)驗(yàn)中多次使用了長度為30 mm和40 mm的PPMgLN晶體，并由此確定了跳躍點(diǎn)的存在。在跳躍點(diǎn)上，當(dāng)泵浦功率密度達(dá)到一定值時，將獲得最高的光光轉(zhuǎn)換效率。在跳躍點(diǎn)處測得，泵浦光的平均功率為1.07 W，并產(chǎn)生了波長為3.2μm的閑頻光。

圖6顯示了當(dāng)周期在29～31.5μm范圍內(nèi)改變時，信號光和閑頻光的波長變化情況。利用能量守恒定律，可計(jì)算出信號光和閑頻光的波長范圍分別是1450 ～1660 nm 及 2961 ～3992 nm［7］。

當(dāng)溫度控制在 30℃ 到 200℃范圍內(nèi)時，將PPMgLN晶體置于諧振腔中，即可檢測到信號光的波長范圍。例如，當(dāng)周期為31μm，信號光的調(diào)諧范圍為1591～1739 nm，同時，閑頻光的波長范圍為2739～3209 nm。由于鍍膜技術(shù)有限，在周期調(diào)諧和溫度調(diào)諧下，最終得到的中紅外光波長范圍為3000～4000 nm。

在參量震蕩的同時，還可觀察到其他的非線性現(xiàn)象。例如，當(dāng)周期為31μm時，波長為639 nm，795 nm及532 nm的激光能夠被光譜儀探測到。639 nm激光是由泵浦光和信號光合頻后產(chǎn)生得到，而795 nm及532 nm分別是信號光和泵浦光的二次諧波。在實(shí)驗(yàn)裝置中，還增加了一個平面鏡并在它的端面渡有泵浦光和信號光的高反膜及閑頻光的增透膜，然后將其放置在M3的后面作為其他輸出光的濾波器。因此，其他輸出激光強(qiáng)度較弱可以忽略不計(jì)。

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)中，利用Nd∶YVO4/Cr4+∶YAG激光器產(chǎn)生1.78 W波長為1064 nm的激光作為泵浦光源，并將長度為35 mm的PPMgLN晶體作為倍頻晶體進(jìn)行倍頻，輸出得到了360 mW波長為3.2μm激光，光光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)20%。同時，通過調(diào)節(jié)倍頻晶體的周期以及改變實(shí)驗(yàn)溫度，還可得到調(diào)諧波長范圍在3.0～4.0μm的中紅外激光。此波段范圍的中紅外光可應(yīng)用于軍事對抗、大氣環(huán)境檢測、紅外成像、生物和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域，具有較高的軍事價值及商業(yè)價值。

［1］ F Kenneth Hopkins.Nonlinear material extend the range of High-Power lasers［J］.Laser Focus World，1995，31(6):87－93.

［2］ Lin Hongyi，Xu Yingchao，Huang Xiaohua，et al.Low threshold mid-infrared intracavity optical parametric ossillator based on PPMgLN［J］.Laser ＆ Infrard，2011，41(10):1098 －1100.(in Chinese)林洪沂，許英朝，黃曉樺，等.內(nèi)腔中紅外低閾值PPMgLN光學(xué)參量振蕩器［J］.激光與紅外，2011，41(10):1098－1110.

［3］ ST Lin，Y Y Lin，Y C Huang，et al.Observation of thermal-induced optical guiding and bistability in a mid-IR continuous-wave，singly resonant optical parametric oscillator［J］.Optics Letters，2008，33(20):2338 －2340.

［4］ X Liang，JBartschke，M Peltz，et al.Non-collinear nanosecond optical parametric oscillator based on periodically poled LN with tilted domain walls［J］.Applied Physics B，2007(87):649 －653.

［5］ L Y Tsai，Y F Chen，ST Lin，et al.Compact efficient passively Q-switched Nd ∶GdVO4/Cr4+∶YAG/PPLN tunable intracavity optical parametric oscillator［J］.Optics Express，2005(13):9543 －9547.

［6］ Hideki Ishizuki，Ichiro Shoji，Takunori Taira.Periodical poling characteristics of congruent MgO∶LiNbO3crystals at elevated temperature［J］.Applied Physics Letters，2003(82):4062－4064.

［7］ Walter Koechner.Solid-state laser engineering［M］.Berlin:Springer，1999:620.