級聯(lián)光參量振蕩與放大技術(shù)研究進展

趙志剛,謝安寧,王德飛,吳志建

(中國洛陽電子裝備試驗中心,河南 洛陽 471000)

1 引 言

3～5 μm中紅外激光位于大氣吸收窗口,熱輻射能量聚集并且水吸收強烈,這些特性使得中紅外激光在科學前沿、光電對抗、醫(yī)療、材料加工和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有重要應(yīng)用價值,是激光技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點[1-3]。

目前學術(shù)界獲得這種激光的主要技術(shù)路線有摻雜離子的直接發(fā)射、非線性頻率變換、量子級聯(lián)激光器、化學激光器、自由電子激光器和色心激光器等[4]。在這些技術(shù)中,非線性頻率變換技術(shù)具有波長調(diào)諧范圍寬、全固化、結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)換效率和輸出功率高等特點,成為當前獲取中紅外激光的主流[5],并且成熟產(chǎn)品已經(jīng)在工程實踐中被廣泛應(yīng)用。這種技術(shù)雖然優(yōu)勢明顯,但也存在瓶頸。目前已知的用于產(chǎn)生中紅外激光的光學晶體,抗損傷閾值相對較小,且受制備工藝的限制,大尺寸晶體生長困難,造成抽運光通光口徑小,如果大功率抽運光注入,諧振腔內(nèi)高增益將增大晶體損傷風險,并影響光束質(zhì)量,同時還會引起逆轉(zhuǎn)換效應(yīng),最終使輸出功率降低[6]。此外,鍍膜工藝和溫控技術(shù)等因素也限制了中紅外激光功率的提升[7]。在此技術(shù)背景下,研究人員引入了光參量放大[8-9]和矩形抽運光注入[10]等拓展技術(shù)來提高中紅外激光的輸出功率,最高分別可達到66.7 W和40.3 W,但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,穩(wěn)定性較差,不符合中紅外激光在實際應(yīng)用中的客觀需求。還有一種基TOPO(tandem optical parametric oscillation,TOPO)理論的技術(shù)[11]。TOPO技術(shù)可以大幅提升抽運光子的利用率,解決常規(guī)OPO和OPA輸出功率受限于量子效率和光子能量比的問題,能夠有效提高中紅外激光的轉(zhuǎn)換效率和輸出功率,改善輸出參量光的光束質(zhì)量,同時抑制OPO過程中的逆轉(zhuǎn)換效應(yīng),并且激光頻率變換過程高度集成,結(jié)構(gòu)簡單緊湊,便于實現(xiàn)小型化。

文章主要介紹了TOPO技術(shù)的基本原理,給出了TOPO拆分為OPO+OPA過程的實現(xiàn)條件,詳述了基于TOPO理論的級聯(lián)光參量振蕩與放大技術(shù)的三種典型結(jié)構(gòu)和常用的非線性光學晶體特性,評述和分析了這項技術(shù)的研究進展與在非線性晶體制備等方面面臨的挑戰(zhàn),并對未來發(fā)展趨勢進行了展望。

2 背景概述

2.1 TOPO理論

在常規(guī)OPO過程中,中紅外激光輸出功率和光子能量比成反比,光子能量比越高,則輸出功率越低,占能量主要部分的信號光往往得不到充分利用而被白白浪費。TOPO技術(shù)將信號光作為抽運光重復(fù)使用,轉(zhuǎn)換為中紅外激光輸出。變換過程為:ωp→ωs+ωi,ωs→ωs′+ωi′,ω表示頻率,角標p，s，i分別代表抽運光、信號光和閑頻光。若第二次OPO轉(zhuǎn)換過程為ωs→ωi+ωi′,對應(yīng)圖1中ωs′=ωi,則第二次OPO相當于OPA,即第一個OPO過程中的信號光對閑頻光(第二個OPO過程中的信號光)進行了放大,總過程可拆分為OPO+OPA[12]。

圖1 TOPO物理過程

常規(guī)OPO過程需要滿足能量守恒和動量守恒。要實現(xiàn)TOPO過程,則信號光在第二次OPO過程中必須再次滿足能量守恒和動量守恒。

(1)

(2)

(3)

式中,λ表示波長;n表示折射率;Λ表示晶體極化周期；1和2分別表示第一次OPO和第二次OPO過程；t表示晶體溫度;a1～a6、b1～b4均為常數(shù),如表1所示。由式(1)～(3)可知,只要滿足條件λi1=λs2,就可以實現(xiàn)級聯(lián)光參量振蕩與放大。由于第二個OPO過程對信號光的大幅消耗,促使抽運光持續(xù)向參量光轉(zhuǎn)換,提高了轉(zhuǎn)換效率,改善光了束質(zhì)量,同時抑制了逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)。

表1 a、b數(shù)值

2.2 典型結(jié)構(gòu)

TOPO技術(shù)典型結(jié)構(gòu)有多塊非線性晶體在環(huán)形腔、直線腔中實現(xiàn)、單塊多周期非線性晶體在環(huán)形腔中實現(xiàn)和單塊單周期晶體在直線腔中實現(xiàn)三種形式。利用多塊非線性晶體在諧振腔中兩次或者多次OPO實現(xiàn)雙波長或多波長輸出,是最早提出并最早被實驗驗證的。這種方式腔內(nèi)損耗大,調(diào)諧難度高,對抽運源要求也高,后來周期極化晶體出現(xiàn),這種技術(shù)隨即被淘汰。利用單塊多周期非線性晶體在環(huán)形腔中實現(xiàn)TOPO技術(shù)的優(yōu)勢在于抽運功率和閾值低,調(diào)諧方式簡單方便。由于大厚度高質(zhì)量非線性晶體制備難度高,這種使用模式發(fā)展相對緩慢。單塊單周期晶體在直線腔中實現(xiàn)TOPO,量子轉(zhuǎn)換效率高,光譜調(diào)諧范圍寬,可以獲得中紅外波段雙波長或多波長激光輸出,發(fā)展前景廣闊,是當前使用最多的應(yīng)用模式。但由于熱效應(yīng)比常規(guī)OPO要高,對溫度控制要求十分苛刻。

2.3 常用晶體

常規(guī)OPO使用的非線性光學晶體同樣適用于級聯(lián)光參量振蕩與放大技術(shù),常用類型及詳細參數(shù)如表2所示。KTP和AgGaS2同為雙折射相位匹配晶體。KTP屬于正交晶系,正光性雙軸晶體,性能穩(wěn)定,不易潮解,但對3.2 μm以上波長的激光存在較強吸收,在近紅外波段更具優(yōu)勢。AgGaS2晶體的極化系數(shù)大,通光范圍寬,但熱導(dǎo)率和損傷閾值低。PPLN和PPMgLN屬于準相位匹配晶體。非線性系數(shù)大、調(diào)諧范圍寬、性價比很高,應(yīng)用非常廣泛。但PPLN晶體的極化電壓很高,大尺寸晶體生長困難,并且對藍綠激光敏感,易發(fā)生光折變損傷,難以在室溫下使用。后來在PPLN中添加MgO離子后,極化電壓大幅降低,損傷閾值增大,并實現(xiàn)了常溫下應(yīng)用,成為光參量振蕩與放大技術(shù)的首選。

表2 TOPO常用非線性晶體

3 研究進展

關(guān)于TOPO技術(shù)的研究最早是通過理論模擬開始的。1995年，Karl Koch等人在環(huán)形腔內(nèi)插入PPLN和AgGaS2晶體,分別用于OPO和OPA,波長轉(zhuǎn)換過程為:1.064 μm→1.596 μm+3.192 μm/1.596 μm→3.192 μm+3.192 μm。理論計算閑頻光的轉(zhuǎn)換效率高達98.2 %,OPA過程完成轉(zhuǎn)化接近98 %,同時認為抽運光全部被轉(zhuǎn)換,展示出了光明的前景[11]。1996年,GT.Moore等人采用平面波在環(huán)形腔中再次完成了理論模擬,并對TOPO過程的量子效率和閾值進行了研究,同時成功在單塊雙周期PPLN晶體中模擬實現(xiàn)了波長變換形式為1.064 μm→1.368μm+4.788 μm/1.368 μm→2.218 μm+3.83 μm的TOPO過程[13]。在理論模擬的指導(dǎo)下,M Vaidyanathan等人率先在直線腔中使用單塊多周期PPLN晶體完成了TOPO實驗驗證,證明了TOPO理論的可行性[14]。1998年,G.T.Moore等人再次模擬了TOPO過程,對量子效率和抽運光完全轉(zhuǎn)換的條件進行了研究,并給出了大功率抽運下,TOPO必然獲得高量子轉(zhuǎn)換效率的結(jié)論[15]。2000年,K.J.McEwan團隊在兩個環(huán)形腔中各使用一塊PPLN晶體完成了波長轉(zhuǎn)換為1.064 μm→1.46μm+3.92 μm/1.46 μm→2.4 μm+3.73 μm的TOPO過程,中紅外波長轉(zhuǎn)換效率達到42 %[16]。第二年他們又采用類似結(jié)構(gòu)完成了新的波長變換:1.064 μm→1.48μm+3.8 μm/1.48 μm→2.4 μm+3.8 μm,參量光的波長調(diào)諧范圍較寬,分別為0.2 μm和0.76 μm,總輸出功率為毫瓦級,中紅外波長轉(zhuǎn)換效率29 %[17]。2003年,他們在環(huán)形腔中采用單塊雙周期PPLN晶體又一次實現(xiàn)了TOPO過程。晶體極化周期分別為28.3 μm和32.3 μm,轉(zhuǎn)換效率和輸出功率都有明顯提升。當抽運功率加載到25 W時,總功率4.3 W,轉(zhuǎn)換效率超過17 %[18]。2004年,K.A.Tillman等人利用單塊多周期PPLN實現(xiàn)了TOPO。閑頻光調(diào)諧范圍分別為2.1～2.5 μm和2.5～4.2 μm,但輸出功率只有幾十毫瓦[19]。2007年,Antoine Berrou等人使用兩塊KTA晶體實現(xiàn)了光參量振蕩與放大過程,研究了腔長對參量光輸出特性的影響,證明了OPA過程中相位失配和相位匹配對轉(zhuǎn)換效率的影響[20]。同年,張鐵犁等人采用PPLN和PPMgLN兩塊晶體在直線腔中實現(xiàn)TOPO過程。參量光最高輸出功率為169.6 mW[21],這是國內(nèi)學者首次公開的關(guān)于TOPO技術(shù)的研究成果。2010年,Gil Porat等人使用PPMgLN晶體實現(xiàn)了級聯(lián)光參量振蕩與放大。當晶體工作溫度為125 ℃時,波長變換過程為:1.064 μm→1.456μm+3.95 μm/1.456 μm→2.307 μm+3.95 μm,轉(zhuǎn)換效率和斜效率從常規(guī)OPO過程的12.5 %和15.25 %分別提高到14.6 %和23.3 %[22]。同年,魏星斌等人理論模擬了在直線腔中采用單塊單周期PPLN晶體中實現(xiàn)TOPO過程,晶體極化周期31.4 μm,工作溫度106.5 ℃,波長變換為:1.064 μm→1.7μm+2.835 μm/1.7 μm→2.835 μm+4.25 μm。隨后采用相似結(jié)構(gòu)進行了實驗驗證。晶體極化周期31.2 μm,工作溫度151.3 ℃,波長變換為:1.064 μm→1.7μm+2.83 μm/1.7 μm→2.83 μm+4.3 μm。并使用三種腔型對輸出功率進行了研究,測得2.83 μm和4.3 μm激光的輸出功率分別為5.57 W/0.5 W、7.68 W/0.2 W、8.25 W/0.8 W,對應(yīng)的功率和光子轉(zhuǎn)換效率分別為22.3 %/68.9 %、30.7 %/81.7%、33 %/87.8 %[23]。后來他們又把PPLN晶體更換為PPMgLN晶體,重復(fù)了相似實驗。晶體溫度為148 ℃時,獲得了和PPLN晶體在151.3 ℃時相同的級聯(lián)光參量振蕩與放大變換過程[24]。2011年,他們把2.83 μm參量光的輸出功率提高到7.68 W,轉(zhuǎn)換效率超過30 %[25]。同年,Antoine Godard等人使用單塊雙周期PPLN晶體在直線腔中實現(xiàn)了波長變換過程為1.064 μm→1.45 μm+4 μm/1.45 μm→2.27 μm+4 μm的級聯(lián)光參量振蕩與放大,測得閑頻光輸出功率超過1 W,比同等條件下單周期OPO的輸出功率增大60 %。還驗證了TOPO技術(shù)對參量光光束質(zhì)量的優(yōu)化作用[26]。2014年,趙婧在單塊單周期PPMgLN晶體中實現(xiàn)了級聯(lián)光參量振蕩與放大。當晶體極化周期為31.5 μm,工作溫度為81 ℃時,波長變換過程為:1.064 μm→1.702 μm+2.837 μm/1.702 μm→2.837 μm+4.257 μm,總輸出功率3 W,光光轉(zhuǎn)換效率27.4 %,信號光和閑頻光功率分別為2.253 W/0.578 W；當晶體極化周期為31 μm,工作溫度為192.1 ℃時,波長變換過程為:1.064 μm→1.704 μm+2.834 μm/1.704 μm→2.834 μm+4.252 μm,總輸出功率2.459 W,光光轉(zhuǎn)換效率22.5 %,信號光和閑頻光功率分別為1.868 W/0.543 W[12]。2016年,李世鳳等人采用單塊雙周期MgO:sPPLT晶體在110 ℃實現(xiàn)了波長變換過程為1.064 μm→1.467 μm+3.876 μm/1.467 μm→2.359 nm+3.876 μm的級聯(lián)光參量振蕩與放大過程,測得最大輸出功率2.2 W,轉(zhuǎn)換效率13 %,斜效率15.9 %,比單個OPO過程的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率分別增加了69.2 %和71 %,優(yōu)勢明顯[27]。2018年,劉恂等人對級聯(lián)晶體倍頻器件溫度適應(yīng)性進行了研究,指出當晶體間空氣色散引起的基頻光和倍頻光相位失配量為2π整數(shù)倍時,具有最高的轉(zhuǎn)換效率和最好的溫度適應(yīng)性,對于級聯(lián)光參量振蕩與放大技術(shù)同樣具有借鑒意義[28]。

4 面臨的挑戰(zhàn)

級聯(lián)光參量振蕩與放大技術(shù)作為一種獲取大功率、高轉(zhuǎn)換效率、高光束質(zhì)量和系統(tǒng)高度集成中紅外激光的有效方式,具有廣闊的發(fā)展前景,但要想在輸出功率和穩(wěn)定性等方面獲得更大的突破,比擬或趕超1 μm近紅外激光的發(fā)展勢頭,仍然面臨很多挑戰(zhàn)。

4.1 非線性晶體

雖然OPO理論早在1962年就被提出并逐步完善成熟,但直到上世紀90年代非線性晶體制備工藝的突破,OPO技術(shù)才得到真正意義上的發(fā)展。由此可見光學材料對激光技術(shù)的發(fā)展影響深遠。經(jīng)過多年的努力,非線性光學晶體的生長理論、工藝取得了很大進步,但距離高性能、大尺寸、大通光口徑的目標差距依然很大。以使用最廣泛的PPMgLN晶體為例,從LiNbO3到PPLN,再到PPMgLN,理論與工藝經(jīng)過了多次更新,光學性能得到了不斷優(yōu)化,但晶體的尺寸一直沒有獲得重大突破,目前商品化PPMgLN晶體的厚度僅為1～3 mm。在實驗研究階段,Hideki Ishizuki團隊[29-32]一直處于世界領(lǐng)先水平,經(jīng)過十余年努力,晶體厚度從3 mm、5 mm、10 mm一直增大到了12 mm,但厚度越高、制備難度越大,成本越高,穩(wěn)定性越差,雖然對這些樣品的實驗研究顯示出了光明的前景,但距離批量化生產(chǎn)與推廣應(yīng)用,還需時日。

4.2 廢熱管理

高功率抽運條件下,晶體會吸收抽運光和參量光的能量,使自身溫度升高,并沿著通光方向形成溫度梯度,產(chǎn)生嚴重的熱效應(yīng)。溫度過高不僅導(dǎo)致晶體發(fā)生形變,產(chǎn)生熱膨脹效應(yīng),增大損傷風險,還會改變晶體的折射率和極化周期,使輸出參量光的中心波長發(fā)生漂移,甚至難以實現(xiàn)簡并輸出。此外,溫升還會引起參量光波前畸變,造成光束質(zhì)量劣化[33-34]。因此,對光參量振蕩與放大過程產(chǎn)生的廢熱進行有效管理非常重要。目前技術(shù)革新后的商用恒溫爐的控溫精度已經(jīng)達到了0.01 ℃,還有學者[35]提出的溫度梯度反向補償理論與系統(tǒng),都對光參量過程中的廢熱管理有優(yōu)化作用。但研發(fā)新的溫控理論與技術(shù)、更高精度和更高效率的溫控設(shè)備仍然具有積極的現(xiàn)實意義。這也是光參量技術(shù)外圍研究的一個重要方向。

4.3 鍍膜技術(shù)

在光參量技術(shù)中,很多元件涉及多波段鍍膜,工藝更加復(fù)雜,而且中紅外波段激光熱效應(yīng)顯著,對鍍膜提出了更高要求。光參量振蕩與放大技術(shù)特有的高度集成和信號光二次抽運,使得腔鏡及其他元件等膜層的損傷風險進一步增大,限制了抽運功率的提高,并直接影響最終輸出光的轉(zhuǎn)換效率和功率。因此,鍍膜工藝也是影響中紅外激光特性的一個關(guān)鍵因素,品質(zhì)需要繼續(xù)提高。

5 展 望

雖然級聯(lián)光參量振蕩與放大技術(shù)和常規(guī)OPO技術(shù)、OPA技術(shù)一樣,發(fā)展面臨諸多限制,但這項技術(shù)在高轉(zhuǎn)換效率、良好的光束質(zhì)量、抑制逆轉(zhuǎn)換效應(yīng)和便于集成等方面具備的優(yōu)勢,是其他技術(shù)難以比擬的,必將擁有光明的發(fā)展前景。預(yù)測隨著非線性光學晶體制備、鍍膜工藝和溫控技術(shù)等外圍領(lǐng)域研究的突破,級聯(lián)光參量振蕩與放大技術(shù)的潛能將會全面釋放,在工程應(yīng)用中展現(xiàn)巨大的價值。