基于闲频光谐振的中红外高能...OAsO_4光学参量振荡器_周玉霞.pdf

02140011第 52 卷第 2 期2023 年 2 月Vol.52 No.2February 2023光子学报ACTA PHOTONICA SINICA基于闲频光谐振的中红外高能量、高光束质量KTiOAsO4光学参量振荡器周玉霞，艾孜合尔江阿布力克木，达娜加山尔，塔西买提玉苏甫（新疆师范大学 物理与电子工程学院 新疆发光矿物与光功能材料研究重点实验室，乌鲁木齐 830054）摘要：基于砷酸钛氧钾（KTA）晶体优良的非线性光学特性，研究了由 1 m Nd：YAG 纳秒脉冲调 Q 激光器泵浦的高能量、高光束质量闲频光单谐振光参量振荡器。选取合适镀膜参数的腔镜、优化腔型设计，建立了一个稳定紧凑的半球形对称闲频光单谐振腔，实现了高能量、高光束质量的近-中红外激光输出。在输入泵浦光的（1.064 m）最大能量为 20.2 mJ时，输出信号光（1.535 m）和闲频光（3.468 m）的最大能量分别为 2.91 mJ和 1.13 mJ，对应信号光和闲频光的斜效率分别为 20.9%和 8.1%。闲频光单谐振的光参量振荡器具有更大的衍射损耗和光束发散角，可以极大的限制输出光束的光谱带宽、提高谐振闲频光的光束质量等优势，测量了输出中红外闲频光在两个正交方向上的光束质量因子分别为M2x 1.1，M2y 1.1。关键词：非线性光学；闲频光谐振；光参量振荡器；光束质量；砷酸钛氧钾中图分类号：O437.4 文献标识码：A doi：10.3788/gzxb20235202.02140010 引言1.51.6 m 波段是重要的人眼安全和大气窗口波段，该波段的光束进入人眼时先被眼球表面吸收，不会到达视网膜，被广泛应用于激光测距、雷达、遥感、通信等多个领域1-2。其中 1.54 m波长是人眼安全的一个奇点，该波长的激光器在国防安全等要求严苛的领域具有极大的应用需求3-5。35 m 波段是重要的大气红外窗口波段，涵盖了大量 CH2、NO2等工业污染气体的分子振动吸收峰，许多痕量气体分子在该波段具有非常强的吸收特性和基本的振动带，对于浓度比较低的微量气体元素，可以借助该波段的激光来准确检测分子含量和浓度6-7。因此，中红外激光在环境监测、痕量气体追踪、分子光谱学、有机材料加工等领域有着非常重要的应用8-9。为满足上述激光在实际生活中的重要应用，国内外多位研究者为此做出极大努力。非线性频率转换技术作为一种非常紧凑高效的频率拓展技术，可以将固体激光器输出的单一波长通过非线性晶体进行倍频（Second Harmonic Generation，SHG）10、和频（Sum Frequency Generation，SFG）11、光参量放大（Optical parametric Amplification，OPA）12、光参量振荡（Optical Parametric Oscillator，OPO）13、受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS）14等方式进行转换，是产生多波长、高能量、高光束质量近-中红外激光源的主要方式之一。非临界相位匹配（Non-Critical Phase Matching，NCPM）的砷酸钛氧钾（KTiOAsO4，KTA）（=90，=0）晶体由于具有较大的非线性系数（d24=3.43 pm/V）和接收角，在非线性频率转换过程中不具有任何走离效应等特性而在研究中广受关注15。其极低的温度敏感性和高的损伤阈值（600 MW/cm2）使得 KTA引 用 格 式：ZHOU Yuxia，Aiziheerjiang Abulikemu，Dana Jiashaner，et al.High Energy，High Beam Quality Idler-resonant mid-infrared Optical Parametric Oscillator Based on KTiOAsO4J.Acta Photonica Sinica，2023，52（2）：0214001周玉霞，艾孜合尔江阿布力克木，达娜加山尔，等.基于闲频光谐振的中红外高能量、高光束质量 KTiOAsO4光学参量振荡器 J.光子学报，2023，52（2）：0214001基金项目：国家自然科学基金（No.11664041）,新疆维吾尔自治区自然科学基金（No.2021D01A114）,新疆矿物发光材料及其微结构实验室(No.KWFG202202)第一作者：周玉霞，通讯作者：塔西买提玉苏甫，taxmamat_收稿日期：2022 08 13；录用日期：2022 10 20http:/光子学报02140012晶体可以在高功率激光泵浦下有效运行16-17，相对于掺杂 MgO 周期性铌酸锂（MgO：PPLN）晶体，满足类非临界相位匹配（NCPM）的 KTA 晶体没有走离效应，并且输出光的光谱带宽窄，光束单色性非常好，是产生近-中红外高能量、高光束质量激光的极佳选择。目前，通过光参量振荡技术产生近-中红外激光的方法逐渐成熟，在实验中已经可以实现较宽波长调谐范围、输出能量和转换效率比较高的近-中红外激光输出18-19，但输出光的光束质量仍有待进一步提高。双谐振光参量振荡器起振阈值低，但稳定性较差，而单谐振光参量振荡器稳定性较好，所以中红外激光通常使用单谐振腔型产生。相对于闲频光单谐振的光参量振荡器，信号光单谐振光参量振荡器在实验中具有起振阈值低，输出能量高等优点，但由于产生的闲频光没有谐振、其模式未受到任何腔镜限制就直接输出腔外，导致输出的中红外激光光束质量较差。高光束质量的中红外激光源在超分辨率分子吸收光谱和超越衍射极限的红外吸收显微镜等方面具有非常重要的应用。为了提高输出中红外激光源的光束质量，多位研究者通过闲频光谐振的光参量振荡器来提高中红外激光的光束质量。TIIHONEN M 团队在研究基于非共线周期性极化 KTP-OPO 的信号光谐振与闲频光谐振输出光谱及空间特性差异时，发现闲频光谐振的光参量振荡器具有更大的衍射损耗和角度色散，其输出谐振光的光束质量不仅得到显著的提升，而且光谱带宽也缩至近两倍小20。山东大学 BAI Fen团队通过腔内泵浦闲频光谐振的 KTA-OPO 实现了光束质量因子为 1.2的中红外激光输出，其总的功率转换效率为 5.4%21。2018 年 HE Yang 团队通过优化基于闲频光单谐振的 MgO：PPLN-OPO 的腔型设计，进一步提高了输出中红外光束的转换效率（14%）和光束质量（M2x 1.57，M2y 1.49）22。自纳秒级闲频光单谐振光参量振荡器被证明以后，PARSA S 团队提出光纤泵浦皮秒光参量振荡器技术，利用同步泵浦 MgO：PPLN 闲频光谐振腔，在波长调谐范围内得到了平均光束质量因子分别为M2 1.8，M2 1.4的闲频光（4 0282 198 nm）和信号光（1 4462 062 nm）23；NANDY B 团队通过同步泵浦闲频光单谐振的皮秒光参量振荡器得到M2 2.3的近红外激光输出24。可见，闲频光单谐振的光参量振荡器可以有效提高输出中红外激光的光束质量。最近，孟军等结合非临界相位匹配晶体 KTA 和基于高斯反射晶体的不稳定谐振腔体来有效提高输出近-中红外激光的光束质量，输出中红外闲频光在两个正交方向上的光束质量因子为M2x=11.2，M2y=11.5。相较于稳定谐振腔，非稳腔可以较好的提高输出光的光束质量 25。本文基于闲频光单谐振的光参量振荡器，利用腔外泵浦 KTA-OPO 技术，在中红外波段获得光束质量接近衍射极限的中红外激光（M2x 1.1，M2y 1.1）。通过选取合适镀膜参数的闲频光单谐振腔镜、优化腔型设计，极大的提高了近-中红外激光的输出能量。在泵浦光最大能量为 20.2 mJ时，输出信号光（1.535 m）和闲频光（3.468 m）的最大能量可达 2.91 mJ和 1.13 mJ，对应斜效率分别为 20.9%和 8.1%。相对于之前研究者的相关报道，不仅提高了输出中红外激光源的光束质量，而且在近-中红外激光的输出能量中也有了很大的进步。1 实验设置基于闲频光单谐振的高能量、高光束质量的 KTA-OPO 的实验装置如图 1所示。采用波长为 1 m 的传统纳秒闪光灯调 Q Nd：YAG 固体激光器（Lotis LS-2136，pulse duration：25 ns；Pulse Repetition Frequency（PRF）：50 Hz；wavelength：1 064 nm）为泵浦源，其输出光束具有近高斯空间分布。反向隔离器（Isolator）被用来防止反射光过强而损伤激光器。利用焦距 f=750 mm 的聚焦透镜（Lens）将泵浦光聚焦为 1 mm 光斑输图 1高能量、高光束质量的 KTA-OPO的实验装置Fig.1Schematic diagram of the experimental setup for the high-energy and high beam quality KTA-OPO周玉霞，等：基于闲频光谐振的中红外高能量、高光束质量 KTiOAsO4光学参量振荡器02140013入到 KTA 晶体中。非线性介质 KTA（=90，=0）的规格为 5530 mm3，满足类非临界相位匹配（NCPM），两端面镀有对泵浦光（1.064 m）、信号光（1.535 m）和闲频光（3.468 m）的增透薄膜，使得泵浦光、信号光和闲频光在非线性晶体中具有最高的非线性增益和最小的能量损耗。闲频光单谐振光参量振荡器的腔型设计为稳定半对称腔，输入镜 IM（R=500 mm）对泵浦光增透，对信号光（1.41.6 m）和闲频光（34 m）高反射。输出耦合镜OC采用对泵浦光和信号光高透射，对闲频光具有约80%反射率的平面镜，谐振腔总腔长固定为 35 mm，建立了一个稳定紧凑的闲频光单谐振半球形对称腔。S滤波片对 1.9 m以下的短波长高反射、对 35 m的中红外光波透射率高达 95%以上，可以有效保证泵浦光和信号光被反射，而闲频光被提取出来。利用上述实验仪器，搭建稳定紧凑的闲频光单谐振腔，输出高光束质量、高能量的中红外闲频光。2 分析与讨论采用常规的电荷耦合照相机（CCD）和高性能热释电相机（Spiricon Pyrocam，spatial resolution：75 mm）分别测量了泵浦光、信号光和闲频光的空间分布。如图 2所示，泵浦光的空间强度分布（a）与输出的信号光（b）和闲频光（c）的空间强度分布图样完全相似，均为近高斯空间分布，而且输出激光的空间强度分布非常均匀。相对于信号光单谐振，由于闲频光具有更大的发散角，在谐振过程中容易产生衍射损耗，故闲频光单谐振的光参量振荡器具有较大的起振阈值和光束能量损耗，在实验过程中对腔镜镀膜的精度参数和光参量振荡器的腔型设计均具有很高的要求21。为了提高输出近-中红外激光的能量，本实验选择曲率半径为 500 mm 的凹面输入镜和平面输出镜来建立半球形对称稳定腔，这样的腔型设计可以有效限制谐振闲频光的模式尺寸。当谐振闲频光被曲率半径为 500 mm 的凹面输入镜反射到 KTA 晶体时，其模式尺寸缩小到与泵浦光相近，极大的增加了泵浦光与谐振闲频光在晶体内的模式耦合，进而提高了输出激光的能量和转换效率。闲频光单谐振的光参量振荡器由于具有更大的衍射损耗和角度色散，进而限制了输出光束的光谱带宽，使得输出的中红外闲频光具有更窄的光谱带宽和更高的光束质量20。基于上述原理及实验数据，利用刀口法测得输出中红外闲频光在两个正交方向上的光束质量分别为M2x 1.1，M2y 1.1（图 3）。另外，使用高性能扫描单色仪（SpectraPro HRS-500，300 line/mm，孔径尺寸 50 m，光谱分辨率 0.30.4 nm，波长范围为 1 0005 000 nm）测量了输出近-中红外信号光和闲频光的激光光谱（图 4）。可以发现，中心波长为1 535 nm 和 3 468 nm 的近-中红外激光的半高宽分别为s 0.36 nm，i 0.71 nm，相较于信号光单谐振光