主被動(dòng)雙調(diào)Q內(nèi)腔MgO∶PPLN中紅外光參量振蕩器

引言

由于3~5μm波段中紅外激光源在激光通信、遙感、激光雷達(dá)和大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面得到廣泛應(yīng)用，光學(xué)參量振蕩器（OPO）作為獲得該波段激光的常用方法也越來(lái)越受到關(guān)注。目前，用于產(chǎn)生中紅外激光的OPO非線性晶體主要有ZnGeP2（ZGP）、AgGaSe2（AGS）、周期極化LiNbO3（PPLN）等。其中：ZGP和AGS晶體的生長(zhǎng)成本較高，對(duì)2μm以下的激光有著很強(qiáng)的吸收，不適用于1μm激光作為泵浦源的情況；PPLN晶體在室溫下容易發(fā)生光折變損傷。摻雜MgO的周期性極化鈮酸鋰（MgO∶PPLN）因具有非線性系數(shù)大、損傷閾值高、透光范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，成為了準(zhǔn)相位匹配的首選非線性晶體。內(nèi)腔OPO可以有效利用腔內(nèi)高光子數(shù)密度的基頻光，使得OPO具有更低的泵浦閾值和更高的非線性轉(zhuǎn)換效率。相比于連續(xù)激光泵浦，脈沖激光具有更高峰值能量密度，能夠使內(nèi)腔光參量振蕩器（IOPO）更加有效地工作。

目前，在IOPO的基頻光腔內(nèi)應(yīng)用Q開(kāi)關(guān)一直是獲得高峰值功率脈沖激光的有效手段，其中聲光Q開(kāi)關(guān)（AO）可以控制脈沖序列的重復(fù)頻率但獲得的脈沖寬度較寬。而被動(dòng)Q開(kāi)關(guān)調(diào)制雖然可以獲得較窄 的脈沖寬度，但重復(fù)頻率穩(wěn)定性較差且脈沖峰值功率較低。大量的研究已經(jīng)表明，主被動(dòng)雙調(diào)Q技術(shù) 是一種能夠同時(shí)提高光束質(zhì)量、壓縮脈沖寬度并提高峰值功率的有效手段。因此，結(jié)合主被動(dòng)雙調(diào)Q技術(shù)的IOPO，可以產(chǎn)生具有窄脈沖寬度、高峰值功率的激光脈沖。2009年，Wang等搭建了基于AO-Cr4+∶YAG可飽和吸收體雙調(diào)Q泵浦的KTiOAsO4（KTA）IOPO，在6.84 W的泵浦功率和10 kHz的重復(fù)頻率下獲得了脈寬為2.24 ns的1.57μm信號(hào)脈沖，并且在重復(fù)頻率5 kHz處獲得的最佳脈沖寬度的壓縮比約為42.6%。2017年，Qiao等也基于AO-Cr4+∶YAG雙調(diào)Q泵浦的KTA IOPO實(shí)現(xiàn)了1535 nm的信號(hào)光輸出，在18.3 W的泵浦功率和10 kHz的重復(fù)頻率下，輸出信號(hào)光脈沖寬度最窄是2.4 ns，對(duì)應(yīng)的最大峰值功率是47 kW，而雙調(diào)Q信號(hào)光最短脈沖寬度是898 ps，對(duì)應(yīng)的最大峰值功率是68.4 kW。目前，基于聲光Q開(kāi)關(guān)和Cr4+∶YAG可飽和吸收體的雙調(diào)Q開(kāi)關(guān)對(duì)于壓縮IOPO輸出激光脈寬并提升峰值功率有較好的調(diào)制作用，且研究主要集中在近紅外波段，而關(guān)于中紅外波段的研究鮮有報(bào)道。

本文以MgO∶PPLN作為非線性晶體，研究了基于AO-Cr4+∶YAG可飽和吸收體的主被動(dòng)雙調(diào)Q泵浦的IOPO的輸出特性。當(dāng)泵浦功率為18.41 W、重復(fù)頻率為40 kHz時(shí)，主被動(dòng)雙調(diào)Q IOPO實(shí)現(xiàn)了輸出功率為381 mW、單脈沖能量為9.53μJ、脈沖寬度為6.43 ns和峰值功率為1.48 kW的3.8μm激光脈沖輸出。

實(shí)驗(yàn)裝置

基于聲光Q開(kāi)關(guān)（AOQS）和Cr4+∶YAG可飽和吸收體的主被動(dòng)雙調(diào)Q的MgO∶PPLN IOPO的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。泵浦源采用中心波長(zhǎng)為808 nm、最大輸出功率為45 W的半導(dǎo)體泵浦模塊，纖芯直徑為400μm，數(shù)值孔徑（NA）為0.22。泵浦光束被耦合鏡聚焦至增益介質(zhì)，耦合效率可達(dá)97%。增益介質(zhì)Nd∶YVO4是由摻雜了Nd3+的YVO4（長(zhǎng)度為16 mm，Nd3+的原子數(shù)分?jǐn)?shù)為0.25%）和純YVO4（長(zhǎng)度為4 mm）組成的鍵合晶體（尺寸為3 mm×3 mm×20 mm）。其端面鍍有808 nm&1064 nm增透膜并被銦箔包裹放在紫銅熱沉中，接通水冷系統(tǒng)調(diào)控溫度。焦距為100 mm的聚焦鏡（F）作為光學(xué)鎮(zhèn)定器被放置在距Nd∶YVO4輸出端90 mm處的激光諧振腔中，可以提高光學(xué)穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率。整個(gè)激光諧振腔由1064 nm增益腔和光參量振蕩腔構(gòu)成。曲率半徑為300 mm的腔鏡M1與平鏡M3構(gòu)成長(zhǎng)度為264 mm的增益腔，腔鏡M2與M3構(gòu)成長(zhǎng)度為100 mm的光參量振蕩腔。在M1和F之間放置一個(gè)通光方向尺寸為35 mm的聲光Q開(kāi)關(guān)和一塊厚度為2.3 mm的Cr4+∶YAG晶體，其小信號(hào)透射率為92.67%，晶體的直徑是10 mm。在M2和M3中間放置一塊MgO∶PPLN晶體，實(shí)現(xiàn)內(nèi)腔中紅外變頻。晶體極化周期為29.5μm，摻雜物MgO的原子數(shù)分?jǐn)?shù)為5%，尺寸為50 mm×4 mm×2 mm，其兩端鍍有1064 nm、1.4~1.7μm和3.0~4.0μm的增透膜。晶體被放在精度為±0.1 K的溫控爐中，設(shè)置溫度為25℃。實(shí)驗(yàn)中腔鏡鍍膜參數(shù)如表1所示。由于本實(shí)驗(yàn)未采用高功率泵浦，為了降低IOPO的泵浦閾值，我們采用的M3對(duì)信號(hào)光高反，并且整個(gè)實(shí)驗(yàn)中未出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。

圖1、雙調(diào)Q的MgO∶PPLN IOPO實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

表1、各腔鏡鍍膜參數(shù)

OPO理論分析

MgO∶PPLN晶體是在摻雜了MgO的LiNbO3的晶體兩端，通過(guò)外加電場(chǎng)的方式對(duì)其自發(fā)極化方向進(jìn)行周期性調(diào)制而獲得的。根據(jù)準(zhǔn)相位匹配條件，在OPO過(guò)程中三波需要滿足能量守恒和動(dòng)量守恒定律：

式中：λp、λs和λi分別為基頻光、信號(hào)光和閑頻光的波長(zhǎng)；Λ為晶體極化周期；np、ns和ni分別為基頻光、信號(hào)光和閑頻光的折射率。折射率可根據(jù)MgO∶PPLN晶體的e光折射率Sellmeier方程來(lái)計(jì)算：

式中：各項(xiàng)參數(shù)值如表2所示；f為溫度t的函數(shù)，其表達(dá)式為

表2、Sellmeier 方程的各項(xiàng)參數(shù)值

基于上述理論，模擬了基于MgO∶PPLN IOPO的極化周期調(diào)節(jié)曲線，其模擬結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，當(dāng)MgO∶PPLN晶體的極化周期為29.5μm且溫度設(shè)置成25℃時(shí)，理論上可以獲得3.828μm的中紅外激光。

圖2 、MgO∶PPLN OPO周期調(diào)諧曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

聲光調(diào)Q的IOPO實(shí)驗(yàn)

首先進(jìn)行聲光調(diào)Q的MgO∶PPLN IOPO實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。使用功率探頭探測(cè)閑頻光的輸出功率。隨著泵浦功率的改變，聲光調(diào)Q閑頻光輸出功率的變化規(guī)律如圖3（a）所示。可以看出，閑頻光輸出功率隨著泵浦功率的增大而增大，但隨著重復(fù)頻率的增大而減小。當(dāng)泵浦功率為18.41 W時(shí)，30、40、50 kHz三種重復(fù)頻率情況下聲光調(diào)Q閑頻光的最大輸出功率分別是564、490、460 mW，808 nm泵浦光-閑頻光的轉(zhuǎn)換效率分別為3.06%、2.66%、2.50%。接著使用中紅外脈寬探測(cè)器采集閑頻光信號(hào)，并在數(shù)字示波器上記錄閑頻光脈沖序列及時(shí)間波形。隨著泵浦功率的改變，三種重復(fù)頻率下的閑頻光脈沖寬度的變化如圖3（b）所示，可以看出閑頻光脈沖寬度隨泵浦功率的增加呈單調(diào)遞減，隨重復(fù)頻率的增加呈單調(diào)遞增。當(dāng)泵浦功率為18.41 W時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得30、40、50 kHz三種重復(fù)頻率下聲光調(diào)Q內(nèi)腔OPO的輸出脈沖寬度最小值分別為9.02、9.50、10.55 ns。單脈沖能量和峰值功率可以通過(guò)對(duì)應(yīng)的平均輸出功率與脈沖寬度計(jì)算得到［27］。在聲光調(diào)Q方式下，內(nèi)腔OPO輸出閑頻光的單脈沖能量隨泵浦功率的變化規(guī)律如圖3（c）所示，可以看到，單脈沖能量與泵浦功率呈正比關(guān)系而與重復(fù)頻率呈反比關(guān)系。當(dāng)泵浦功率為18.41 W時(shí)，30、40、50 kHz三種重復(fù)頻率情況下聲光調(diào)Q閑頻光的單脈沖能量分別是18.80、12.25、9.20μJ。三種重復(fù)頻率下聲光調(diào)Q閑頻光的峰值功率隨泵浦功率的變化規(guī)律如圖3（d）所示，可以看到峰值功率隨著泵浦功率的增加而增大。當(dāng)泵浦功率為18.41 W時(shí)，30、40、50 kHz三種不同重復(fù)頻率下聲光調(diào)Q閑頻光的峰值功率分別為2.08、

1.29、0.87 kW。從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在30 kHz的重復(fù)頻率下，聲光調(diào)Q內(nèi)腔OPO可以獲得具有最大輸出功率、單脈沖能量、最窄脈沖寬度和最高峰值功率的閑頻光。

圖3、不同重復(fù)頻率下聲光調(diào)Q的MgO∶PPLN IOPO實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（a）輸出功率；（b）脈沖寬度；（c）單脈沖能量；（d）峰值功率

使用焦熱電陣列相機(jī)對(duì)聲光調(diào)Q內(nèi)腔OPO在40 kHz重復(fù)頻率下的輸出激光光斑進(jìn)行多位置測(cè)量。將焦距為150 mm的聚焦透鏡放在輸出鏡后，通過(guò)刀口法測(cè)得激光光斑的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行擬合。聲光調(diào)Q內(nèi)腔OPO閑頻光的光束質(zhì)量如圖4所示，可以看出，聲光調(diào)Q內(nèi)腔OPO輸出的閑頻光的橫向光束質(zhì)量因子（M和縱向光束質(zhì)量因子（My2）分別為3.11和3.44。

圖4、聲光調(diào)Q閑頻光光束質(zhì)量

雙調(diào)Q的IOPO實(shí)驗(yàn)

首先，我們?cè)O(shè)置重復(fù)頻率為40 kHz，通過(guò)選取小信號(hào)透過(guò)率分別為88.14%和92.67%的Cr4+∶YAG被動(dòng)Q晶體，分析了不同小信號(hào)透過(guò)率對(duì)雙調(diào)Q的MgO∶PPLN IOPO輸出特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。不同小信號(hào)透過(guò)率下雙調(diào)Q閑頻光的輸出功率隨泵浦功率的變化規(guī)律如圖5（a）所示。可以看到，相較于88.14%的透過(guò)率（T0），92.67%小信號(hào)透過(guò)率下雙調(diào)Q閑頻光的輸出功率整體提升。當(dāng)泵浦功率為18.41W時(shí)，輸出功率分別是353 mW和381 mW。不同小信號(hào)透過(guò)率下雙調(diào)Q閑頻光的脈沖寬度隨泵浦功率的變化規(guī)律如圖5（b）所示。可以看到，在18.41 W的泵浦功率下，T0=88.14%和T0=92.67%時(shí)雙調(diào)Q閑頻光的脈沖寬度分別為6.95 ns和6.43 ns。T0=92.67%時(shí)雙調(diào)Q閑頻光的脈沖寬度更窄。不同小信號(hào)透過(guò)率對(duì)雙調(diào)Q閑頻光單脈沖能量的影響如圖5（c）所示。可以看出，在18.41 W的泵浦功率下，T0=88.14%和T0=92.67%時(shí)雙調(diào)Q閑頻光的最大單脈沖能量分別是8.8μJ和9.5μJ。不同小信號(hào)透過(guò)率對(duì)雙調(diào)Q閑頻光峰值功率的影響如圖5（d）所示。可以看到，在18.41 W的泵浦功率下，T0=88.14%和T0=92.67%時(shí)雙調(diào)Q閑頻光的峰值功率分別為1.27 kW和1.48 kW。相較于T0=88.14%的透過(guò)率，92.67%小信號(hào)透過(guò)率下雙調(diào)Q閑頻光的峰值功率整體更高。

接下來(lái)我們選用小信號(hào)透過(guò)率為92.67%的Cr4+∶YAG被動(dòng)Q晶體進(jìn)行雙調(diào)Q的MgO∶PPLN IOPO實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。泵浦功率對(duì)雙調(diào)Q閑頻光輸出功率的影響如圖6（a）所示。可以看到，在30、40和50 kHz三種重復(fù)頻率下，雙調(diào)Q閑頻光的最大輸出功率分別是436、381和316 mW，808 nm泵浦光-閑頻光的轉(zhuǎn)換效率分別是2.37%、2.07%和1.72%。受泵浦功率影響的雙調(diào)Q閑頻光的脈沖寬度變化曲線如圖6（b）所示。可以看到，在18.41 W的泵浦功率下，重復(fù)頻率為30、40和50 kHz時(shí)雙調(diào)Q閑頻光的最窄脈沖寬度分別是6.20、6.43和6.73 ns。雙調(diào)Q閑頻光的單脈沖能量隨泵浦功率的變化如圖6（c）所示。可以看出，在18.41 W的泵浦功率下，重復(fù)頻率為30、40和50 kHz時(shí)雙調(diào)Q閑頻光的最大單脈沖能量分別是14.5、9.5和6.3μJ。雙調(diào)Q閑頻光的峰值功率隨泵浦功率的變化如圖6（d）所示。可以看到，在18.41 W的泵浦功率下，重復(fù)頻率為30、40和50 kHz時(shí)雙調(diào)Q閑頻光的峰值功率分別為2.34、1.48和0.94 kW。

使用傅里葉光譜儀（波長(zhǎng)精度小于0.01 cm-1，光譜范圍為1.0~5.6μm）對(duì)雙調(diào)Q的MgO∶PPLN IOPO輸出光譜進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果如圖7所示，閑頻光中心波長(zhǎng)為3.818μm，線寬為3.896 nm。

雙調(diào)Q內(nèi)腔OPO輸出閑頻光的光束質(zhì)量如圖8所示。雙調(diào)Q內(nèi)腔OPO輸出閑頻光的M和My2分別是1.98和2.05。

圖5、不同小信號(hào)透過(guò)率對(duì)雙調(diào)Q的MgO∶PPLN IOPO輸出特性的影響。（a）輸出功率；（b）脈沖寬度；（c）單脈沖能量；（d）峰值功率

圖6、不同重復(fù)頻率下雙調(diào)Q的MgO∶PPLN IOPO實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（a）輸出功率；（b）脈沖寬度；（c）單脈沖能量；（d）峰值功率

圖7、雙調(diào)Q的MgO∶PPLN IOPO輸出光譜

圖8、雙調(diào)Q閑頻光的光束質(zhì)量

實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

最后，選取重復(fù)頻率為40 kHz，對(duì)兩種調(diào)Q方式下的閑頻光輸出特性進(jìn)行了比較分析，其結(jié)果如圖9所示。圖9（a）可以看出，相較于聲光調(diào)Q，插入Cr4+∶YAG被動(dòng)Q晶體后，雙調(diào)Q輸出閑頻光功率確實(shí)降低了，并且閾值增大。從圖9（b）可以看出，與聲光調(diào)Q相比，在基頻光腔中插入Cr4+∶YAG晶體可以有效壓縮閑頻光的脈沖寬度。在泵浦功率為18.41 W時(shí)，其脈沖寬度被壓縮了32.3%。這是因?yàn)殚e頻光是由基頻光經(jīng)過(guò)MgO∶PPLN晶體后變頻產(chǎn)生的，利用Cr4+∶YAG被動(dòng)晶體的可飽和吸收特性，在聲光調(diào)Q內(nèi)腔OPO的基頻光腔內(nèi)插入Cr4+∶YAG被動(dòng)Q晶體可以等效地縮短聲光Q開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)時(shí)間，加速了Q開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)腔損耗的變化，從而縮短了腔內(nèi)基頻光的脈沖下降沿時(shí)間，進(jìn)而腔內(nèi)振蕩的基頻光的脈沖寬度變窄，最終實(shí)現(xiàn)了閑頻光脈沖寬度的有效壓縮。從 圖9（c）可以看到，相比于聲光調(diào)Q，雙調(diào)Q內(nèi)腔OPO輸出閑頻光的單脈沖能量普遍降低。其直接原因是：雙調(diào)Q內(nèi)腔OPO輸出閑頻光的功率降低，從而導(dǎo)致了其單脈沖能量降低。而從圖9（d）可以看出，得益于脈沖寬度的壓縮，雙調(diào)Q內(nèi)腔OPO的閑頻光峰值功率提升了14.7%。此外，雙調(diào)Q內(nèi)腔OPO輸出激光的光束質(zhì)量得到了明顯的提高。這是因?yàn)椴迦氲腃r4+∶YAG晶體起到了“小孔光闌”的作用。通過(guò)上述對(duì)比可知，在IOPO中應(yīng)用由聲光Q開(kāi)關(guān)和r4+∶YAG被動(dòng)Q晶體組成的雙調(diào)Q開(kāi)關(guān)，可以有效地壓縮閑頻光的脈沖寬度并提高其峰值功率和光束質(zhì)量。

圖9、不同調(diào)Q方式下閑頻光輸出特性的對(duì)比。（a）輸出功率；（b）脈沖寬度；（c）單脈沖能量；（d）峰值功率

在泵浦功率為18.41 W和聲光重復(fù)頻率為40 kHz時(shí)，聲光調(diào)Q和雙調(diào)Q內(nèi)腔OPO輸出的閑頻光的脈沖序列和脈沖寬度分別如圖10（a）、（b）所示。

圖10、不同調(diào)Q方式下閑頻光的脈沖序列和脈沖寬度。（a）聲光調(diào)Q；（b）雙調(diào)Q

結(jié)論

報(bào)道了一種基于雙調(diào)Q泵浦的內(nèi)腔MgO∶PPLN中紅外OPO。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了在腔內(nèi)泵浦單諧振OPO中同時(shí)使用聲光Q開(kāi)關(guān)和Cr4+：YAG可飽和吸收體，能夠有效壓窄3.8μm閑頻光的脈沖寬度，并提高其峰值功率。當(dāng)泵浦功率為18.41 W、重復(fù)頻率為40 kHz時(shí)，脈沖寬度壓縮了32.3%，峰值功率提升了14.7%，得到了最窄脈沖寬度為6.43 ns以及峰值功率為1.48 kW的激光脈沖，同時(shí)雙調(diào)Q的MgO∶PPLN IOPO輸出的閑頻光的光束質(zhì)量得到了改善。研究結(jié)果為研發(fā)窄脈沖寬度、高峰值功率的高質(zhì)量中紅外光源提供了新的技術(shù)支持。

文章來(lái)源：中國(guó)激光, 2024, 51 (14): 1401013（如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系刪除）