中紅外光學(xué)參量振蕩器技術(shù)進(jìn)展

李 充，謝冀江，潘其坤，陳 飛，何 洋，張 闊

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室，吉林 長春 130033;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

?

中紅外光學(xué)參量振蕩器技術(shù)進(jìn)展

李 充1,2，謝冀江1*，潘其坤1，陳 飛1，何 洋1，張 闊1

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室，吉林 長春 130033;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

3～5 μm中紅外激光器在環(huán)境污染檢測、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。本文總結(jié)了基于ZnGeP2、MgO∶PPLN晶體的光參量振蕩器(OPO)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，分析了其各自不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)勢和發(fā)展前景。指出高功率、小體積、輕重量的光學(xué)參量振蕩器是未來重要發(fā)展方向，發(fā)展的技術(shù)核心是生長更大尺寸的中紅外激光晶體以及研制更高性能指標(biāo)的OPO泵浦源，并對中紅外激光器的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

中紅外；光參量振蕩器(OPO)；ZnGeP2；MgO∶PPLN

1 引 言

近年來，3～5 μm中紅外波段激光的研究炙手可熱。一方面由于此波段內(nèi)存在眾多分子振動譜線，在光譜學(xué)及醫(yī)學(xué)方面具有廣闊的應(yīng)用前景，另一方面因為其在氮氣、氧氣中傳輸衰減很低，是良好的大氣傳輸窗口，因而可用于民用環(huán)境污染檢測、紅外激光雷達(dá)以及紅外激光通信等[1-3]。

目前，中紅外激光光源的主要實現(xiàn)方式有光纖激光器、量子級聯(lián)激光器、Fe∶ZnSe激光器、光學(xué)參量振蕩器(OPO)。其中，光纖激光器輸出光束質(zhì)量好，可實現(xiàn)全光纖輸出，但在中紅外波段僅能達(dá)到毫瓦量級。量子級聯(lián)激光器和Fe:ZnSe激光器可達(dá)瓦級功率輸出，前者光束質(zhì)量一般較差，后者在室溫下運轉(zhuǎn)效率較低[4-5]。而OPO功率輸出高達(dá)數(shù)十瓦，且具有體積小、穩(wěn)定性高、波長可調(diào)諧的技術(shù)特點，是中紅外光源的重要技術(shù)實現(xiàn)方式[6-7]。目前用于OPO的非線性晶體主要包括：LiNbO3(LN)、KTiOAsO4、(KTA)、ZnGeP2(ZGP)、AgGaS2、AgGaSe2、KTiOPO4(KTP)等，其中，國內(nèi)外研究最熱門的是ZGP和PPLN(周期性疇極化反轉(zhuǎn)鈮酸鋰)晶體。ZGP有效非線性系數(shù)最大，損傷閾值高，是中紅外激光領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的晶體[8]。而PPLN晶體雖然一直被廣泛研究，但其損傷閾值低。近年來摻氧化鎂PPLN晶體，即MgO∶PPLN，其有效非線性系數(shù)大，同軸輸出無走離且損傷閾值相對PPLN晶體有了很大的提高，已成為目前國內(nèi)外研究的熱點[9-10]。但基于ZGP和PPLN的兩種中紅外激光光源相比較， PPLN-OPO激光器結(jié)構(gòu)更緊湊，而ZGP-OPO激光器輸出波長的調(diào)諧范圍更大，在4 μm以上的波段更具有優(yōu)勢。

本文主要對ZGP和PPLN晶體在OPO中紅外激光器中實現(xiàn)途徑及研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，分析其各自的優(yōu)勢和不足，并對OPO的發(fā)展前景進(jìn)行展望。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

OPO通過非線性晶體的準(zhǔn)相位匹配，可將高頻率的光(ωp)轉(zhuǎn)換成兩束低頻率的激光，頻率較高的一束為信號光(ωs)，頻率較低的為閑頻光(ωi)。泵浦光、閑頻光、信號光的頻率滿足能量守恒條件：ωp=ωs+ωi，利用非線性晶體的頻率下轉(zhuǎn)換，能將1 μm或2 μm激光波長轉(zhuǎn)換為所需要的3～5 μm波長。OPO的泵浦源目前主要有光纖激光器和固體激光器兩種，固體激光器泵浦的激光器多采用腔內(nèi)OPO的形式，泵浦激光諧振腔與OPO的諧振腔共享輸出鏡，但由于晶體熱效應(yīng)對腔模的影響很大，其穩(wěn)定輸出需仔細(xì)優(yōu)化設(shè)計；光纖激光器作為泵浦源多采用腔外OPO的形式，泵浦源OPO中間加有隔離器，由于二者相互獨立，調(diào)節(jié)方便，能實現(xiàn)泵浦源與OPO的單獨優(yōu)化[11-12]。近年來，ZGP和PPLN晶體在OPO應(yīng)用中發(fā)展，兩種晶體的生長技術(shù)也越來越成熟，目前OPO功率輸出達(dá)到數(shù)十瓦，能夠?qū)崿F(xiàn)寬波長調(diào)諧，并且輸出水平在逐漸提升，兩種激光器均有較大的發(fā)展空間。

2.1 中紅外ZGP-OPO的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

ZGP是獲得中紅外光源的重要非線性晶體，采用雙折射相位匹配技術(shù)，其非線性系數(shù)d36高達(dá)75 pm/v、損傷閾值高達(dá)30 GW/cm，并且熱透鏡效應(yīng)相對較弱，易于溫度精密控制，最近幾年相關(guān)科研人員在ZGP晶體的生長水平上有著不可小覷的進(jìn)步。ZGP-OPO的泵浦源通常為波長2 μm的光源，目前能夠產(chǎn)生2 μm激光的技術(shù)途徑主要有3種：1 064 nm激光泵浦KTP-OPO技術(shù)；摻雜Ho3+激光晶體直接輸出；以及摻雜Tm3+激光晶體直接輸出[13-14]。

2008年，David G.Lancaster等人采用低脈沖能量的Nd∶YAG激光器泵浦級聯(lián)KTP-OPO和ZGP-OPO，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。KTP-OPO部分采用4塊4 mm×4 mm×10 mm的KTP晶體串接，6.3 W的Nd∶YAG激光器對其泵浦得到2.2 W波長2.13 μm的激光輸出，用其泵浦長度為16 mm的ZGP，獲得0.5 W的3.8～4.8 μm的中紅外激光輸出，輸出光經(jīng)過后面的OPA進(jìn)行放大，最終得到輸出功率為0.84 W[15]。

圖1 Nd∶YAG泵浦級聯(lián)KTP和ZGP Fig.1 Cascaded KTP and ZGP pumped by Nd∶YAG

由于采用KTP-OPO技術(shù)途徑的輸出光束質(zhì)量較差，并且采用級聯(lián)方式整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，穩(wěn)定性較差，調(diào)試也相對困難，現(xiàn)在已經(jīng)逐漸淡出國內(nèi)外相關(guān)研究人員的視線，應(yīng)用也越來越少。相比之下，摻雜Tm3+、Ho3+晶體直接輸出2 μm波長激光技術(shù)途徑發(fā)展迅速，以此種方式作為ZGP-OPO的泵浦源的研究越來越廣泛。由于摻雜Ho3+的激光晶體吸收譜峰值在1.9 μm波長處，目前還不能用LD直接泵浦，而采用Tm光纖激光器泵浦摻雜Ho3+的激光晶體產(chǎn)生2 μm波長光源作為OPO泵浦源的研究廣泛且發(fā)展迅速。

圖2 Ho∶YAG泵浦的ZGP-OPO Fig.2 ZGP-OPO pumped by Ho∶YAG

2013年，澳大利亞報道采用Ho∶YAG作為泵浦源的ZGP-OPO，其實驗原理圖如圖2所示。他們采用兩個Tm光纖激光器對Ho∶YAG泵浦，輸出的激光對兩塊長度為16 mm的 ZGP晶體泵浦，OPO部分采取線型腔結(jié)構(gòu)，通過分析得出腔長越短對出光效率更有利，最終設(shè)計腔長36 mm時，在62 W的功率泵浦下得到在波長3～5 μm的輸出功率為27 W，光光轉(zhuǎn)換效率為62%，斜效率為69%[16]。該中紅外激光器的出光效率高，并且在大功率輸出上仍有很大的潛力，由于ZGP-OPO采用線型腔結(jié)構(gòu)，Ho∶YAG與ZGP-OPO之間需使用隔離器避免回光耦合對泵浦源的損傷，這種腔型結(jié)構(gòu)雖簡單易裝調(diào)，但隔離器的損傷閾值較低，限制了更高功率輸出，若采取非線型腔OPO在激光器的功率上可望有更大的提升空間。

2014年，中科院安徽光機所選用自主生長的ZGP晶體，用自制的2.09 μm波長的La3Ga5SiO14電光調(diào)Q,Cr,Tm,Ho∶YAG激光器作為ZGP-OPO的泵浦源，結(jié)構(gòu)如圖3所示。OPO采用對泵浦光具有雙程泵浦的結(jié)構(gòu)以提高轉(zhuǎn)換效率。在單諧振下獲得了脈沖能量為5.9 mJ的4.8 μm波長中紅外激光輸出，光-光轉(zhuǎn)換效率為13.1%，斜率效率為17%；在雙諧振振蕩下獲得了脈沖能量為9 mJ的3.7 μm波長和4.8 μm中紅外激光輸出，光-光轉(zhuǎn)換效率為23.9%，斜效率為26.7%[17]。該實驗發(fā)現(xiàn)雙諧振模式的出光穩(wěn)定性較單諧振結(jié)構(gòu)要差，但出光功率更高，所以在激光器的實際應(yīng)用上，需要考慮需求的側(cè)重點進(jìn)行設(shè)計。

圖3 2.09 μm調(diào)Q鈥激光泵浦ZGP-OPO Fig.3 ZGP-OPO pumped by Q-switch Ho laser at 2.09 μm

2014年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用2.1 μm波長的Ho∶YAG激光器作為泵浦源，其光路圖如圖4所示。在室溫下，采用正交偏振的Tm∶YLF激光器在端面泵浦兩個Ho∶YAG晶體，4個二極管端面抽運Tm∶YLF激光器的最大輸出功率約為60 W。ZGP-OPO部分設(shè)計為四鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，泵浦光斑尺寸大約為1 mm，入射在長度為6 mm×6 mm×23 mm的ZGP晶體上，諧振腔采取單通雙諧振的形式。該課題組在最高泵浦功率107 W時，得到波長3.94 μm的信號光以及波長4.5 μm的閑頻光，出光功率為41.2 W，轉(zhuǎn)換斜效率為44.6%[18]。該課題組在中紅外波段的激光輸出功率方面處于國內(nèi)外領(lǐng)先水平，該實驗也驗證了四鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)在大功率器件設(shè)計上的優(yōu)勢。另外，晶體長度與泵浦光斑尺寸間的匹配有很大的影響，對其深入分析，有望在功率、效率上有所提高。

圖4 Ho∶YAG激光器泵浦四鏡環(huán)形腔OPO Fig.4 Four-mirror ring cavity OPO pumped by Ho∶YAG laser

采用Tm激光器泵浦摻Ho3+的激光晶體產(chǎn)生2 μm波長光源作為OPO泵浦源的技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，但是其自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜使其在工程應(yīng)用上受到限制，所以結(jié)構(gòu)緊湊化、簡單化是未來的必然發(fā)展趨勢。目前，單摻Tm3+激光器直接泵浦OPO也是國內(nèi)外研究的重要方向。

圖5 摻Tm3+光纖激光器泵浦的ZGP-OPO Fig.5 ZGP-OPO pumped by Tm3+ doped fiber

2008年，美國Daniel Creeden等人首次報道出其設(shè)計的采用脈沖摻Tm光纖激光器直接泵浦ZGP-OPO的中紅外激光器。其原理如圖5所示，增益開關(guān)部分為150 ns、1.55 μm波長的種子光通過摻鉺光纖放器進(jìn)行放大，再通過光纖光柵以及一段摻Tm光纖使得輸出波長為1.995 μm，使得OPO部分與泵浦光得到最佳波長匹配效果，其在30 Hz重復(fù)頻率下輸出30 ns的脈沖，輸出光脈沖通過摻Tm光纖放大器，其對輸入光增益為18 dB，放大后的光經(jīng)聚焦后對ZGP進(jìn)行泵浦，晶體尺寸為6 mm×6 mm×15 mm，諧振腔采用雙凹腔結(jié)構(gòu)，ZGP-OPO 同時在3.4～3.9 μm和4.1～4.7 μm波段輸出20 ns中紅外脈沖激光，輸出功率超過658 mW，中紅外轉(zhuǎn)換效率為22%，OPO總體斜效率為35%[19]。

2011年，光電信息控制和安全技術(shù)重點實驗室報道了其設(shè)計的調(diào)Q運轉(zhuǎn)摻Tm晶體的脈沖激光器泵浦的中紅外OPO激光器。其實驗原題如圖6所示，Tm∶YAG激光器采用二極管泵浦，激光工作物質(zhì)Tm∶YAG晶體為圓柱體，單摻 Tm3+離子。采用平凹腔結(jié)構(gòu)，有效抑制熱效應(yīng)帶來的影響，最終獲得大于10 W的激光輸出，激光脈寬小于200 ns，散角約為8 mrad，峰值波長為1.991 μm。Tm 激光器輸出的2 μm波長激光經(jīng)透鏡聚焦后入射到ZGP晶體上，OPO腔為平平腔，OPO 輸出波長為3～5 μm激光，OPO信號光和閑頻光輸出功率達(dá)到瓦級，斜效率為21%，光光轉(zhuǎn)換效率為 23%。

圖6 二極管泵浦調(diào)Q Tm∶YAG晶體泵浦ZGP Fig.6 ZGP pumped by diode-pumped Q-switch Tm∶YAG

2015年，美國French-German研究所報道了采用波長為1.98 μm的調(diào)Q摻Tm3+光纖激光器泵浦的單通雙諧振OPO，原理如圖7所示。采用對稱的激光二極管泵浦摻Tm光纖，激光二極管發(fā)射最大功率為100 W，口徑為200 μm，發(fā)射波長為792 nm。泵浦光通過AOM調(diào)整脈沖頻率，通過光柵調(diào)整發(fā)射波長范圍在1.88～2.06 nm， ZGP晶體口徑為4 mm×4 mm×18 mm，切割角度54°。最終該實驗在泵浦功率為20 W時，得到波長3～5 μm、6.5 W的出光功率，光光轉(zhuǎn)換效率為32%，斜效率為40%[21]。該實驗采用二極管直接泵浦摻Tm光纖激光器作為OPO的泵浦源，其結(jié)構(gòu)更精簡， LD泵浦摻雜Tm3+光纖激光器已逐步成為2 μm波長激光源的主要途徑之一，在今后中紅外激光器的研究中有很好的前景。

圖7 調(diào)Q摻Tm3+光纖激光器泵浦單通雙諧振OPO Fig.7 Single pass double resonant OPO pumped by Q-switch Tm3+ doped fiber laser

2.2 中紅外PPLN-OPO的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由于ZGP晶體采用雙折射相位匹配技術(shù)，在滿足雙折射相位匹配的情況下，雖然其有效非線性系數(shù)很高，但是對通光方向要求比較精準(zhǔn)，光的偏振方向也會對性能有較大影響，并且存在走離效應(yīng)，限制了它的應(yīng)用。而準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的出現(xiàn)，可以說是該領(lǐng)域一項重要的技術(shù)突破，通過對晶體進(jìn)行周期極化反轉(zhuǎn)實現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換，顯著提高了晶體的非線性轉(zhuǎn)換效率。PPLN晶體的出現(xiàn)使得準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的發(fā)展得到飛躍。其有效非線性系數(shù)高，同軸輸出無走離。隨著氧化鎂摻雜技術(shù)的出現(xiàn)，又解決了晶體損傷閾值低的問題，所以近年來MgO∶PPLN晶體在光學(xué)參量振蕩器中有著越來越廣泛的應(yīng)用[22-25]。目前基于PPLN的OPO比較常用的泵浦模式包括光纖激光器泵浦，固體激光器泵浦和半導(dǎo)體激光器泵浦。

采用光纖激光器直接進(jìn)行外腔泵浦的方式結(jié)構(gòu)緊湊，易于實現(xiàn)激光器的小型化，應(yīng)用更便捷，目前國內(nèi)外的研究較廣泛，發(fā)展較快。2005年Da-Wun Chen等人報道了使用50 W連續(xù)線偏振YDFL(M2=1.1) 泵浦OPO，其系統(tǒng)光路設(shè)計圖如下圖8所示。在OPO部分采用典型的四鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，5%摻雜的MgO-PPLN晶體置于光纖激光器的束腰處，束腰大小為70 μm，晶體尺寸為0.5 mm×5 mm× 50 mm，極化周期為：Λ=31.5 μm，在室溫下泵浦OPO獲得10 W的2.9 μm波長激光輸出[26]。

圖8 Yb光纖激光器泵浦四鏡環(huán)形腔OPO Fig.8 Four-mirror ring cavity OPO pumped by Yb fiber laser

2014年，浙江大學(xué)課題組用自制線偏振脈沖YDFL激光器泵浦MgO∶PPLN晶體進(jìn)行OPO實驗，如圖9所示。采用雙凹腔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)簡單緊湊，在裝調(diào)上更方便。他們在DPSR(雙通單諧振)型的OPO實驗研究中，在3.83 μm波長得到3.3 W的功率。為了提高功率的穩(wěn)定性，該課題組還研究了SPSR(單通單諧振)型的OPO，在實驗中獲得了平均功率3.27 W、波長3.82 nm的中波紅外輸出，其穩(wěn)定性較高，豎直與水平方向的M2值分別為1.98和1.44[27]。

圖9 光纖激光器泵浦DPSR型OPO實驗原理圖 Fig.9 DPSR OPO pumped by fiber laser

近幾年采用光纖激光器泵浦實現(xiàn)PPLN-OPO 輸出的典型研究成果總結(jié)如表1所示。

表1 光纖激光器泵浦中紅外PPLN-OPO國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

圖10 聲光調(diào)Q固體激光器泵浦MgO∶PPLN-OPO實驗裝置 Fig.10 MgO∶PPLN-OPO pumped by Q-switch solid lasser

固體激光器泵浦PPLN-OPO實現(xiàn)高性能激光輸出也有很多研究。2010年，中國工程物理研究院彭躍峰課題組采用Nd∶YAG側(cè)泵模塊制作1 064 nm波長的聲光調(diào)Q固體激光器，泵浦基于MgO∶PPLN晶體的OPO，其結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。采用平平腔結(jié)構(gòu)，晶體尺寸為1 mm×4 mm×40 mm，為了匹配晶體的口徑，他們把泵浦光斑變?yōu)闄E圓形，使泵浦光能量更好地被吸收，提高晶體的利用面積，進(jìn)而得到更高的輸出功率。該課題組在平均功率為105 W的泵浦下，得到了22.6 W的3.86 μm波長中紅外激光輸出。2012年，該課題組又使用3 mm厚度的MgO∶PPLN晶體，在平均功率151 W的1.06μm波長光泵浦下獲得了27.4 W的3.91 μm波長中紅外激光輸出。顯然，更厚的晶體可以進(jìn)一步提高功率轉(zhuǎn)換效率以及輸出的3～5 μm波長激光功率，所以發(fā)展更大尺寸的晶體對未來大功率中紅外激光器的實現(xiàn)有重要的作用。但由于采用橢圓光斑，其不對稱性必然造成兩個方向的光束質(zhì)量相差很大，需要進(jìn)一步的完善[32-33]。

固體激光器作為泵浦源的OPO，還一種典型的V型腔結(jié)構(gòu)。2012年，天津大學(xué)丁欣課題組采用了這種腔形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)參量光的振蕩增益，實驗裝置如圖11所示。用波長為880 nm的光纖模塊對Nd∶YVO4進(jìn)行直接泵浦， PPLN晶體長24 mm，這種腔的優(yōu)點在于參量光振蕩與泵浦光不共線，避免了回光耦合，保護(hù)泵浦源的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)參量光振蕩光斑可調(diào)諧，進(jìn)而使OPO得到更好的匹配效果，實現(xiàn)更高的輸出功率。最終在21.4 W的泵浦功率下，得到閑頻光功率1.54 W，其波長在3.66～4.22 μm可調(diào)諧[34]。

圖11 1.06 μm連續(xù)泵浦V形PPLN-OPO實驗裝置 Fig.11 Schematic diagram of V cavity PPLN-OPO pumped by CW-laser at 1.06 μm

2013年，法國Kemlin等人報道了他們在大體積MgO∶PPLN晶體制備技術(shù)上的飛躍，晶體尺寸已達(dá)到5 mm×16 mm×38 mm的水平。該晶體端面制備成柱面，周期為28 μm，并能夠通過改變晶體旋轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)周期可調(diào)諧，在室溫下實現(xiàn)了1.4～4.3 μm全波段可調(diào)諧輸出[35]。該成果為今后國內(nèi)外中紅外OPO的研究和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，可見，隨著MgO∶PPLN晶體制備技術(shù)的不斷成熟。中紅外OPO激光技術(shù)正逐步走上更高的臺階。

2015年，華中光電技術(shù)研究所設(shè)計了一種高功率固體激光器泵浦單諧振PPLN-OPO，實驗裝置如圖12所示，采用半導(dǎo)體雙端泵浦Nd∶GdVO4激光振蕩器+放大器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高功率、高重復(fù)頻率脈沖激光輸出，其中，LD為光纖芯徑400 μm、NA=0.22的最大功率40 W的光纖耦合輸出半導(dǎo)體激光器。由于輸出波長存在小范圍的波動，通過溫度調(diào)諧對波長進(jìn)行精調(diào)，得到在泵浦光功率為34 W時，OPO輸出閑頻光波長3.81 μm，其平均功率為5.4 W，閑頻光的光光轉(zhuǎn)換效率為15.88%[36]。

圖12 高功率1.06 μm激光泵浦單諧PPLN-OPO結(jié)構(gòu)圖 Fig.12 Schematic diagram of single-oscillator PPLN-OPO pumped by high power 1.06 μm laser

目前，在不斷追求高功率、波長可調(diào)諧的中紅外激光輸出可實現(xiàn)的前提下，亦有科研人員將目光轉(zhuǎn)向跨周期參量光輸出的多參量振蕩器。2015年，長春理工大學(xué)報道了基于MgO∶APLN晶體實現(xiàn)跨周期輸出的多參量振蕩器，其結(jié)構(gòu)如圖13所示。泵浦源是中心波長808 nm、輸出功率80 W的光纖耦合模塊，經(jīng)耦合鏡組聚焦后泵浦Nd∶YVO4晶體，采用內(nèi)腔泵浦的形式。腔鏡M1、M2構(gòu)成1 064 nm激光諧振腔，M2、偏轉(zhuǎn)鏡BS和M3構(gòu)成多光參量振蕩腔，最終得到了波長1.57 μm信號光3.13 W、3.84 μm的閑頻光0.85 W功率的穩(wěn)定輸出[37]。該實驗通過折疊支路的引入，使多光參量振蕩腔內(nèi)的參量光光斑尺寸可調(diào)諧，并且實現(xiàn)了跨周期光參量振蕩輸出，在今后的研究中具有指導(dǎo)作用。

圖13 跨周期參量光輸出的多參量振蕩器實驗裝置圖 Fig.13 Schematic diagram of multi-OPO output crossing periods

3 中紅外光學(xué)參量振蕩器展望

3.1 ZGP-OPO的發(fā)展前景

就目前ZGP-OPO的發(fā)展形勢看，ZGP晶體的生長技術(shù)越來越成熟，它具有波長調(diào)諧范圍寬的特點，使該晶體在OPO領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。由于高非線性系數(shù)的優(yōu)勢，使其在中紅外波段得到非常高的功率輸出，是中紅外激光光源獲得技術(shù)上最重要的晶體之一。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，大尺寸晶體在大功率的實現(xiàn)上具有重大貢獻(xiàn)，所以制備更大、更優(yōu)質(zhì)的晶體是未來的發(fā)展趨勢。另外，在泵浦源上，采用摻雜Tm3+、Ho3+晶體直接輸出2 μm波長激光泵浦ZGP-OPO的發(fā)展前景非?？捎^，其在功率輸出上有著很大的發(fā)展?jié)摿?。在效率上，通過光斑尺寸的匹配，有望得到更高的效率。

由于ZGP-OPO采用三級泵浦的模式，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，使其在轉(zhuǎn)換效率上還有待提高。對于該晶體在OPO的研究上，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單化、高效率、寬調(diào)諧范圍是未來的發(fā)展方向。

3.2 PPLN-OPO的發(fā)展前景

縱觀國內(nèi)外PPLN-OPO的發(fā)展現(xiàn)狀，此項技術(shù)研究的重點歸為以下幾點：

(1)更好地改良周期性惆極化反轉(zhuǎn)晶體的生產(chǎn)制備技術(shù)。隨著生長晶體技術(shù)的成熟，我們能夠得到通光孔徑更大、品質(zhì)更高的非線性晶體，使OPO技術(shù)得到更好的推動，使OPO輸出的參量指標(biāo)更高。

(2)通過深入的理論研究，不斷探索對系統(tǒng)設(shè)計的改良，泵浦源是實現(xiàn)高性能OPO的重點研究部分?；赑PLN的OPO目前正向著工程化方向發(fā)展，高性能的中紅外激光在民用、醫(yī)療以及工業(yè)上具有重要應(yīng)用，發(fā)展全固化、緊湊型OPO是重要的趨勢。而光纖激光器外腔泵浦技術(shù)由于體積小、壽命長、效率高、重量輕、重復(fù)頻率高等特點使其更具優(yōu)勢。

(3)由于較長波長的閑頻光更容易被MgO∶PPLN晶體吸收，實驗表明，這種吸收會使OPO轉(zhuǎn)換效率下降，輸出功率受限。因此設(shè)計新型OPO復(fù)合腔及散熱結(jié)構(gòu)，緩解熱不穩(wěn)定性，提升輸出光束質(zhì)量是今后研究的重點。另外，因為晶體中存在熱透鏡效應(yīng)，會對非線性轉(zhuǎn)換過程造成一定影響，補償熱透鏡效應(yīng)、提高閑頻光轉(zhuǎn)換效率是未來重要的研究方向。

PPLN-OPO理論目前已經(jīng)比較成型，一些波段已經(jīng)出現(xiàn)了定型的產(chǎn)品，而提高中紅外波段的功率輸出及改善光束質(zhì)量值得深入研究。

4 結(jié)束語

中紅外激光光源在民用、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，本文對近幾年國內(nèi)外發(fā)展較快的典型OPO技術(shù)原理以及系統(tǒng)方案進(jìn)行了歸納和總結(jié)，對不同設(shè)計采用的關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢做出了分析。目前，采用ZGP和PPLN這兩種典型晶體的OPO激光器的輸出功率已達(dá)到數(shù)十瓦，光光轉(zhuǎn)換效率也不斷提高，并且實現(xiàn)了波長可調(diào)諧的激光輸出，其中采用ZGP晶體實現(xiàn)了3～8 μm波長寬調(diào)諧范圍的中紅外激光輸出，采用PPLN晶體實現(xiàn)了1.4～5 μm波長可調(diào)諧激光輸出。新型晶體性能的提升使OPO不斷向大輸出功率、寬波長調(diào)諧方向發(fā)展。另外，泵浦源及諧振腔的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計，使OPO系統(tǒng)更緊湊，更易于實現(xiàn)工程化，這將是OPO未來發(fā)展的必然趨勢。相信隨著晶體制備技術(shù)的不斷完善，以及泵浦源性能的不斷提高，以ZGP-OPO和 PPLN-OPO為代表的小型、高性能中波紅外光參量振蕩器技術(shù)將迎來快速的發(fā)展階段。

[1] 任鋼.中紅外光參量振蕩器及其應(yīng)用技術(shù)的研究[D].成都:四川大學(xué),2006. REN G. Research of mid-infrared optical parametric oscillator and applications[D]. Chengdu:Sichuan University,2006.(in Chinese)

[2] 譚改娟，謝冀江，張來明,等.中波紅外激光技術(shù)最新進(jìn)展[J].中國光學(xué),2013，6(4):501-512. TAN G J,XIE J J,ZHANG L M,etal.. Progress of mid-infrared solid-state laser[J].ChineseOptics,2013,6(4):501-512.(in Chinese)

[3] 盛泉.中近紅外連續(xù)波可調(diào)諧內(nèi)腔PPLN光學(xué)參量振蕩器研究[D].天津:天津大學(xué),2010. SHENG Q. Research on continuous-wave tunable intra-cavity PPLN-OPO operating at mid and near infrared[D]. Tianjin:Tianjin University,2010.(in Chinese)

[4] KUMAR S,DAS R,SAMANTA G,etal.. Optimally-output-coupled, 17.5 W, fiber-laser-pumped continuous-wave optical parametric oscillator[J].AppliedPhysicsB,2011,102(1):31-35.

[5] 潘其坤.中紅外固體激光器研究進(jìn)展[J].中國光學(xué),2015(4):557-566. PAN Q K. Progress of mid-infrared solid-state laser[J] .ChineseOptics,2015(4):557-566.(in Chinese)

[6] ESPEN L,HELGE F,GUNNAR A,etal.. A 22-watt mid-infrared optical parametric oscillator with V-shaped 3-mirror ring resonator[J].OpticsExpress,2010,18(25):26475-26483.

[7] QUAN S,XIN D,CE S,etal.. Continuous-wave intra-cavity singly resonant optical parametric oscillator with resonant wave output coupling[J].OpticsExpress,2012,20(25):27953-27958.

[8] 何利杰，侯天禹，魏磊，等.中紅外磷鍺鋅光參量振蕩器實驗研究[J].激光與紅外,2014(9). HE L J,HOU T Y,WEI L,etal.. Experimental study on mid-infrared ZGP optical parametric oscillator[J].LaserInfrared,2014(9).(in Chinese)

[9] LIU S D,WANG Z W,ZHANG B T,etal.. Wildly tunable, high-efficiency MgO∶PPLN mid-IR optical parametric oscillator pumped by a Yb-fiber laser[J].ChinesePhysicsLetters:EnglishEdition,2014,31(2):55-58.

[10] 蘇輝,李志平,段延敏,等.基于摻鎂周期極化鈮酸鋰晶體的內(nèi)腔單共振連續(xù)可調(diào)諧光學(xué)參量振蕩器[J].光學(xué) 精密工程,2013，21(6):1404-1409. SU H,LI Z P,DUAN Y M,etal.. Intra-cavity singly resonant optical parametric oscillator based on magnesium-doped periodically poled lithium niobate[J].Opt.PrecisionEng.,2013. 21(6):1404-1409.(in Chinese)

[11] 趙家群.基于MgO∶PPLN的中紅外連續(xù)波光學(xué)參量振蕩器技術(shù)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011. ZHAO J Q. Study on mid-infrared continuous-wave optical parametric oscillator technique based on MgO∶PPLN crystal[D]. Harbin:Harbin Institute of Technology,2011.(in Chinese)

[12] 趙婧.基于MgO∶PPLN晶體級聯(lián)光參量振蕩與放大技術(shù)研究[D].長春:長春理工大學(xué),2014. ZHAO J. Study on tandem optical parametric oscillator and amplification technology based on MgO∶PPLN crystal[D]. Changchun:Changchun University of Science and Technology,2014.(in Chinese)

[13] MARTIN G,CHRISTIAN G,PANKAJ K,etal.. High peak-power mid-infrared ZnGeP2optical parametric oscillator pumped by a Tm∶fiber master oscillator power amplifier system[J].OpticsLetters,2014,39(5):1212-5.

[14] SHEN Y J,YAO B Q,CUI Z,etal.. A ring ZnGeP2optical parametric oscillator pumped by a Ho∶LuAG laser[J].AppliedPhysicsBLasers&Optics,2014,117(1):127-130.

[15] LANCASTER D G. Efficient Nd∶YAG pumped mid-IR laser based on cascaded KTP and ZGP optical parametric oscillators and a ZGP parametric amplifier[J].OpticsCommunications,2009. 282(2):272-275.

[16] ALEXANDER H,ALAN D,etal.. 99 W mid-IR operation of a ZGP OPO at 25% duty cycle[J].OpticsExpress,2013,21(8):10062-9.

[17] 王禮,楊經(jīng)緯,蔡旭武,等.2.09 μm納秒鈥激光抽運的磷鍺鋅光參量振蕩器[J].中國激光,2014(1):37-40. WANG L,YANG J W,CAI X W,etal.. 2.09 μm nanosecond holmium laser pumped ZnGeP2optical parametric oscillator[J].ChineseJ.Lasers,2014(1):37-40.(in Chinese)

[18] YAO B Q,SHEN Y J,DUAN X M,etal.. A 41-W ZnGeP 2 optical parametric oscillator pumped by a Q-switched Ho∶YAG laser[J].OpticsLetters,2014,39(23):6589-6592.

[19] DANIEL C,KETTERIDGE P A,BUDNI P A,etal.. Mid-infrared ZnGeP2parametric oscillator directly pumped by a pulsed 2 microm Tm-doped fiber laser[J].OpticsLetters,2008,33(4):315-7.

[20] 張曉娟，蔡軍，許宏，等.Tm脈沖激光器泵浦的中紅外固體激光器[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2011,26(2):15-17. ZHANG X J,CAI J,XU H,etal.. Tm pulse laser pumped mid-IR solid state laser[J].Electro-OpticTechnologyApplication,2011,26(2):5-17.(in Chinese)

[21] CHRISTELLE K,ANTOINE B,BRENDA D,etal.. 6.5W ZnGeP2OPO directly pumped by a Q-switched Tm3+-doped single-oscillator fiber laser[J].OpticsLetters,2015,40(6):1101-1104.

[22] HIDEKI I,ICHIRO S,TAKUNORI T. High-energy quasi-phase-matched optical parametric oscillation in a 3-mm-thick periodically poled MgO∶LiNbO3device[J].OpticsLetters,2004.29(21):2527-2529.

[23] HIDEKI I,TAKUNORI T. High-energy quasi-phase-matched optical parametric oscillation in a periodically poled MgO∶LiNbO3device with a 5 mm×5 mm aperture[J].OpticsLetters,2005,30:2918-2920.

[24] 呂新杰,趙剛,李桂君,等.基于PPLT晶體的瓦級中紅外光參量振蕩器研究[J].中國科學(xué),2009(11):1594-1598. LV X J,ZHAO G ,LI G J,etal.. Mid-infrared laser with 1.2 W output power based on PPLT[J].ScienceChina,2009(11): 1594-1598.(in Chinese)

[25] 魏星斌,彭躍峰,王衛(wèi)民,等.基于周期極化鉭酸鋰晶體的光參變振蕩器技術(shù)研究[J].光學(xué)學(xué)報,2011(6):145-149. WEI X B,PENG Y F,WANG W M,etal.. Research on optical parametric oscillator based on periodically poled LiTaO3crystal[J].ActaOpticaSinica,2011(6):145-149.(in Chinese)

[26] CHEN D W,ROSE T S. Low noise 10-W cw OPO generation near 3 μm with MgO doped PPLN[C]. Conference on Lasers and Electro-Optics,2005(CLEO),Baltimore,USA,2005:1829-1831.

[27] 陳滔.基于準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的高性能光參量振蕩器研究[D].浙江大學(xué),2014. CHEN T. Investigation on the advanced quasi-phase-matching optical parametric oscillators[D]. Zhejiang University,2014.(in Chinese)

[28] MARKKU V,JARI P,STEFAN P,etal.. Singly resonant cw OPO with simple wavelength tuning[J].OpticsExpress,2008,16(15):11141-11146.

[29] IOAKEIMIDI K,SCHWESYG J R,PHILLIPS C R,etal.. Singly resonant CW mid-IR optical parametric oscillator pumped by a tunable c-band source for free space coherent optical communications[C]. Conference on Lasers and Electro-Optics(CLEO),San Jose,USA,2010:CThH1.

[30] KUMAR S,DAS R,SAMANTA G,etal.. Stable, 17.5 W, optimally-output-coupled, Yb-fiber-pumped mid-infrared optical parametric oscillator[C]. Conference on Lasers and Electro-Optics(CLEO),San Jose,USA,2010: CThP6.

[31] LIU S D,WANG Z W,ZHANG B T,etal.. Wildly tunable,high-efficiency MgO∶PPLN mid-IR optical parametric oscil-lator pumped by a Yb-fiber laser[J].Chin.Phys.Lett.,2014,31(2):024204.

[32] PENG Y F,WANG. W M,WEI X B,etal.. High-efficiency mid-infrared optical parametric oscillator based on PPMgO∶CLN[J].OpticsLetters,2009,34(19):2897-9.

[33] PENG Y F,WEI X B,LI D M,etal.. High-power mid-infrared tunable optical parametric oscillator based on 3-mm-thick PPMgCLN[J].LaserPhysics,2012,22(1):87-90.

[34] 于永吉.基于多重準(zhǔn)相位匹配技術(shù)的光學(xué)參量振蕩器研究[D].長春:長春理工大學(xué),2011. YU Y J.Study on optical parametric oscillator based on multiple quasi-phase matching techniques[D]. Changchun:Changchun University of Science and Technology,2011.(in Chinese)

[35] VINCENT K,DAVID J,JEROME D,etal.. Widely tunable optical parametric oscillator in a 5 mm thick 5% MgO∶PPLN partial cylinder[J].OpticsLetters,2013,38(6):860-2.

[36] 李海速,劉在洲,鄭建奎,等.高功率中紅外MgO∶PPLN光參量振蕩器[J].光學(xué)與光電技術(shù),2015,13(1). LI H S,LIU Z ZH,ZHENG J K,etal.. High power mid-infrared MgO∶PPLN optical parametric oscillator[J].Optics&OptoelectronicTechnology,2015,13(1).(in Chinese)

[37] 于永吉,陳薪羽,成麗波,等.基于MgO∶APLN的1.57 μm/3.84 μm連續(xù)波內(nèi)腔多光參量振蕩器研究[J].物理學(xué)報,2015(22). YU Y J,CHEN X Y,CHENG L B,etal.. Continuous-wave 1.57 μm/3.84 μm intra-cavity multiple optical parametric oscillator based on MgO∶APLN[J].ActaPhysicaSinica,2015(22).(in Chinese)

Progress of mid-infrared optical parametric oscillator

LI Chong1,2, XIE Ji-jiang1*, PAN Qi-kun1, CHEN Fei1, HE Yang1, ZHANG Kuo1

(1.StateKeyLaboratoryofLaserInteractionwithMatter,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China；2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)

Applications of 3～5 μm mid-infrared lasers in many fields such as environmental pollution detection, medical treatment and industry are introduced. The development of typical mid-infrared optical parametric oscillator(OPO) based on ZnGeP2and MgO∶PPLN at home and abroad is summarized in this paper, and the respective advantages and development prospects with different structure of the lasers designed on the two crystals are analyzed. It is indicated that high power and small size OPO is a significant developing direction in the future, and bigger-size infrared crystal and higher performance index of pump sources are the core of the development of OPO. Finally, the development trend of the mid-infrared laser is forecast.

mid-infrared;optical parametric oscillator(OPO);ZnGeP2;MgO∶PPLN

2016-06-17；

2016-07-28

中國科學(xué)院長春光機所創(chuàng)新基金資助項目(No. Y44222C150)；吉林省科技發(fā)展計劃資助項(No.20140203010GX) Supported by Innovation foundation Project of CIOMP,CAS(No. Y44222C150); Jilin provincial Science and Technology Development Project(No.20140203010GX)

2095-1531(2016)06-0615-10

TN248.1

A

10.3788/CO.20160906.0615

李 充(1992—)，女，吉林長春人，碩士研究生，2014年于吉林大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事中紅外固體激光器方面的研究。E-mail:18843109663@163.com

謝冀江( 1959—) ，男，江蘇鎮(zhèn)江人，學(xué)士，研究員，碩士生導(dǎo)師，1983 年于哈爾濱科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事激光器及其應(yīng)用技術(shù)方面的研究。E-mail:laserxjj@163.com

*Correspondingauthor，E-mail：laserxjj@163.com