磷化硅鎘晶體光學(xué)參量振蕩角度調(diào)諧范圍分析

夏士興，范葉霞，苑利鋼

(1．華北光電技術(shù)研究所，北京100015;2．固體激光技術(shù)重點實驗室，北京100015;3．北京雷生強式科技有限責(zé)任公司，北京100015)

1 引言

近年來，新型紅外非線性光學(xué)晶體材料磷化硅鎘(CdSiP2，CSP)的出現(xiàn)引起人們的極大關(guān)注，該晶體材料系II－IV－V族黃銅礦類三元半導(dǎo)體化合物，其晶格常數(shù)a=b=5.68，c=10.431，空間點群為CSP晶體透光范圍為0.52～9.5μm;非線性系數(shù)d36=84.5 pm/V，是ZnGeP2晶體非線性系數(shù)(d36=75 pm/V)的1.13倍;熱導(dǎo)率13.6 W/m·K，是AgGaS2晶體熱導(dǎo)率(1.4 W/m·K)和AgGaSe2晶體熱導(dǎo)率(1.0 W/m·K)的10～15倍;顯微硬度930 kg/mm2，便于晶體切割與加工。特別是波長1.064μm Nd:YAG激光器可作為其泵浦源實現(xiàn)6.0～6.5μm波長的激光輸出，該波長可廣泛應(yīng)用在外科醫(yī)療領(lǐng)域，被認(rèn)為是非常有前途的新型紅外非線性光學(xué)材料［1－3］。

在CSP晶體光學(xué)參量振蕩器研究上，各國學(xué)者也集中采用1.064μm Nd離子激光器為泵浦源抽運CSP-OPO晶體獲得閑頻光6.0μm以上的激光輸出，CSP-OPO晶體相位匹配類型多為Ⅰ類匹配，相位匹配角為90°，切割角為45°，諧振腔調(diào)諧方式為(e→o+o)［4－8］。近幾年來，我國山東大學(xué)和四川大學(xué)一些科研工作者［9－10］在CSP多晶合成和單晶體生長取得了較大的進(jìn)展，但在CSP光學(xué)參量振蕩應(yīng)用領(lǐng)域的研究還未見報道。本文著重理論分析CSP晶體在不同波長激光泵浦源抽運下CSP晶體的激光輸出波長與相位匹配角之間的關(guān)系。

2 調(diào)諧參數(shù)

CSP晶體系負(fù)單軸晶體(折射率no＞ne)，相位匹配方式有兩類。Ⅰ類諧振腔調(diào)諧方式為(e→o+o)，Ⅱ類諧振腔調(diào)諧方式為(e→o+e)。

式中，下標(biāo)p，s，i分別代表抽運光、信號光和閑頻光。

根據(jù)CSP晶體折射率的色散方程(Sellmeier)計算其晶體折射率［1］。

式中，λ為波長;no，ne為折射率。

CSP晶體空間結(jié)構(gòu)滿足Kleinman交換對稱性，Ⅰ類匹配有效非線性系數(shù):

當(dāng)θ=90°，=45°時，Ⅰ類匹配有效非線性系數(shù)最大。

Ⅱ類匹配有效非線性系數(shù):

當(dāng)θ=45°，=0°或90°時，Ⅱ類匹配有效非線性系數(shù)最大。

根據(jù)負(fù)單軸晶體折射率公式，結(jié)合CSP晶體的色散方程，可得到CSP晶體Ⅰ類和Ⅱ類兩種匹配方式下的角度調(diào)諧曲線。本文分別計算了抽運光波長1.064μm、1.55μm、1.98μm、2.05μm和2.50μm時，CSP晶體Ⅰ類和Ⅱ類兩種匹配方式下的角度調(diào)諧曲線。

3 調(diào)諧曲線

圖1為抽運波長為1.064μm時，CSP晶體Ⅰ類和Ⅱ類相位匹配角度調(diào)諧曲線。由圖1可以看出，CSP晶體Ⅰ類相位匹配角度調(diào)諧曲線實現(xiàn)閑頻光波長6.0～6.5μm輸出，對應(yīng)的匹配角度約為79.6°～90.0°，相應(yīng)的信號光波長調(diào)諧范圍1.27～1.28μm;CSP晶體Ⅱ類相位匹配角度調(diào)諧曲線實現(xiàn)閑頻光波長7.86～9.06μm輸出，對應(yīng)的匹配角度約為71.1°～88.7°，相應(yīng)的信號光波長調(diào)諧范圍1.20～1.23μm。

圖1 抽運波長1.064μm CSP晶體Ⅰ類和Ⅱ類相位匹配角度調(diào)諧曲線Fig.1 The typeⅠand typeⅡphase matching angle tuning curve of CdSiP2 with a pump atλp=1．064μm

圖2 為抽運波長為1.55μm時，CSP晶體Ⅰ類和Ⅱ類相位匹配角度調(diào)諧曲線。由圖2可以看出，CSP晶體Ⅰ類相位匹配角度調(diào)諧曲線實現(xiàn)閑頻光波長3.0～5.0μm輸出，對應(yīng)的匹配角度約為55.8°～61.2°，相應(yīng)的信號光波長調(diào)諧范圍2.24～2.90μm;實現(xiàn)閑頻光波長6.0～9.0μm輸出，對應(yīng)的匹配角度約為48.0°～53.1°，相應(yīng)的信號光波長調(diào)諧范圍1.87～2.09μm。CSP晶體Ⅱ類相位匹配角度調(diào)諧曲線實現(xiàn)閑頻光波長6.0～9.0μm輸出，對應(yīng)的匹配角度約為55.1°～69.0°，相應(yīng)的信號光波長調(diào)諧范圍1.87～2.09μm。

圖3為抽運波長為1.98μm時，CSP晶體Ⅰ類和Ⅱ類相位匹配角度調(diào)諧曲線。由圖3可以看出，CSP晶體Ⅰ類相位匹配角度調(diào)諧曲線實現(xiàn)波長3.0～5.0μm輸出，對應(yīng)的匹配角度約為46°～47°;實現(xiàn)閑頻光波長6.0～9.0μm輸出，對應(yīng)的匹配角度約為44.5°～45.8°，相應(yīng)的信號光波長調(diào)諧范圍2.54～2.95μm。CSP晶體Ⅱ類相位匹配角度調(diào)諧曲線實現(xiàn)波長3.0～5.0μm輸出，對應(yīng)的匹配角度約為62.8°～90.0°;實現(xiàn)閑頻光波長6.0～9.0μm輸出，對應(yīng)的匹配角度約為52.7°～61.7°，相應(yīng)的信號光波長調(diào)諧范圍2.54～2.95μm。

圖2 抽運波長1.55μm CSP晶體Ⅰ類和Ⅱ類相位匹配角度調(diào)諧曲線Fig.2 The typeⅠand typeⅡphase matching angle tuning curve of CdSiP2 with a pump atλp=1．55μm

圖3 抽運波長1.98μm CSP晶體Ⅰ類和Ⅱ類相位匹配角度調(diào)諧曲線Fig.3 The typeⅠand typeⅡphase matching angle tuning curve of CdSiP2 with a pump atλp=1．98μm

圖4 為抽運波長為2.05μm時，CSP晶體Ⅰ類和Ⅱ類相位匹配角度調(diào)諧曲線。由圖4可以看出，CSP晶體Ⅰ類相位匹配角度調(diào)諧曲線實現(xiàn)波長3.0～5.0μm輸出，對應(yīng)的匹配角度約為44.8°～46.1°;實現(xiàn)閑頻光波長6.0～9.0μm輸出，對應(yīng)的匹配角度約為44.2°～45.1°，相應(yīng)的信號光波長調(diào)諧范圍2.76～3.11μm。CSP晶體Ⅱ類相位匹配角度調(diào)諧曲線實現(xiàn)波長3.0～5.0μm輸出，對應(yīng)的匹配角度約為59.0°～90.0°;實現(xiàn)閑頻光波長6.0～9.0μm輸出，對應(yīng)的匹配角度約為52.7°～61.3°，相應(yīng)的信號光波長調(diào)諧范圍2.65～3.11μm。

圖5為抽運波長為2.50μm時，CSP晶體Ⅰ類和Ⅱ類相位匹配角度調(diào)諧曲線。由圖5可以看出，CSP晶體Ⅰ類相位匹配角度調(diào)諧曲線實現(xiàn)波長3.0～5.0μm輸出，對應(yīng)的匹配角度約為42.6°～49.4°;實現(xiàn)閑頻光波長6.0～9.0μm輸出，對應(yīng)的匹配角度約為42.6°～43.7°，相應(yīng)的信號光波長調(diào)諧范圍3.46～4.26μm。CSP晶體Ⅱ類相位匹配角度調(diào)諧曲線實現(xiàn)信號光波長3.0～5.0μm輸出，對應(yīng)的匹配角度約為54.0°～74.7°，相應(yīng)的閑頻光波長調(diào)諧范圍5.0 ～9.96μm。實現(xiàn)閑頻光波長6.0～9.0μm輸出，對應(yīng)的匹配角度約為54.7°～63.2°，相應(yīng)的信號光波長調(diào)諧范圍3.46 ～4.29μm。

圖4 抽運波長2.05μm CSP晶體Ⅰ類和Ⅱ類相位匹配角度調(diào)諧曲線Fig.2 The typeⅠand typeⅡphase matching angle tuning curve of CdSiP2 with a pump atλp=0．05μm

圖5 抽運波長2.5μm CSP晶體Ⅰ類和Ⅱ類相位匹配角度調(diào)諧曲線Fig.5 The typeⅠand typeⅡphase matching angle tuning curve of CdSiP2 with a pump atλp=2．5μm

4 結(jié)論

計算了不同泵浦波長下CSP-OPO晶體Ⅰ類和Ⅱ類相位匹配角度調(diào)諧曲線，分析了相應(yīng)的激光輸出波長與相位匹配角之間的對應(yīng)關(guān)系。確定了CSP-OPO晶體的相位匹配方式、調(diào)諧范圍、調(diào)諧角度和晶體的切割角。所得結(jié)果為CSPOPO晶體光參變振蕩器的實驗研究提供了一定的理論參考。

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