謝宇宙，萬(wàn) 勇，鄧華榮，李燕凌，薛亮平，張 偉

（西南技術(shù)物理研究所，成都610041）

中紅外PPM gLN光參變振蕩器技術(shù)研究

謝宇宙，萬(wàn) 勇*，鄧華榮，李燕凌，薛亮平，張 偉

（西南技術(shù)物理研究所，成都610041）

為了實(shí)現(xiàn)3.8μm激光輸出，采用了1.064μm激光抽運(yùn)周期性極化摻氧化鎂鈮酸鋰晶體（MgO摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為0.05）的光參變振蕩器技術(shù)，由理論分析得到1.064μm激光抽運(yùn)PPMgLN實(shí)現(xiàn)激光輸出時(shí)，輸出波長(zhǎng)與極化周期以及溫度的關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)晶體周期為29.2μm、溫度為400K時(shí)，實(shí)現(xiàn)了3.8μm激光輸出；當(dāng)抽運(yùn)功率為35W、聲光調(diào)Q頻率為8kHz條件下，獲得3.84μm激光輸出的平均功率為3.9W，其轉(zhuǎn)換效率為11.14%，激光光束質(zhì)量為6.46。結(jié)果表明，該技術(shù)可以獲得較高轉(zhuǎn)換效率的3.8μm激光輸出，有望成為中紅外激光對(duì)抗的激光干擾源。

非線性光學(xué)；光參變振蕩器；準(zhǔn)相位匹配；周期性極化摻氧化鎂鈮酸鋰晶體；中紅外

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，光學(xué)制導(dǎo)技術(shù)也日漸成熟，在現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈開始占據(jù)著越來(lái)越重要的地位［1］。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，在過(guò)去30年里，戰(zhàn)場(chǎng)上被擊落的飛機(jī)中，90%左右是因?yàn)榧t外制導(dǎo)導(dǎo)彈，而紅外導(dǎo)彈探測(cè)器的響應(yīng)范圍一般在3μm～5μm大氣窗口波段，因此，針對(duì)紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的光電對(duì)抗迫切需要工作在3μm～5μm波段的激光光源，從而進(jìn)行有效地對(duì)抗［2］。并且中紅外光源具有會(huì)被多數(shù)重要的有毒氣體分子吸收的特性，在民用探測(cè)領(lǐng)域也有著廣泛的價(jià)值：如毒品稽查、石油勘探、甲烷氣體探測(cè)、天然氣管道泄漏檢測(cè)等［3-5］。

目前，3μm～5μm中紅外激光器主要有：二極管激光器、化學(xué)激光器、氣體激光器、稀土摻雜固體激光器和光參變振蕩器（optical parametric oscillator，OPO）等，其中OPO相對(duì)于其它類型的中紅外激光器，具有調(diào)諧范圍寬、全固化、結(jié)構(gòu)緊湊、小型化和輸出功率高等優(yōu)點(diǎn)［6］。

采用準(zhǔn)相位匹配（quasi phase matching，QPM）方式的周期性極化摻氧化鎂鈮酸鋰（periodically poled lithium niobate doped with magnesium oxide，PPMgLN）可以利用最大非線性系數(shù)d33實(shí)現(xiàn)相位匹配，具有低閾值、高增益和高效率等優(yōu)點(diǎn)［7-8］。現(xiàn)在PPMgLN晶體已經(jīng)成為QPM最重要的非線性光學(xué)材料。

2010年，中國(guó)工程物理研究院PENG等人在1.064μm激光抽運(yùn)功率104W、聲光Q開關(guān)工作頻率7kHz和PPMgLN晶體工作溫度110℃條件下，獲得中紅外波長(zhǎng)3.84μm激光輸出功率16.7W［9］。

2011年，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所采用10kHz的調(diào)Q的Nd∶YAG激光器抽運(yùn)PPMgLN，當(dāng)注入22W時(shí)，實(shí)現(xiàn)了3781.4nm的激光輸出，功率為3.4W［10］。

在本實(shí)驗(yàn)中，作者采用1.064μm激光抽運(yùn)PPMgLN晶體，當(dāng)注入35W時(shí)，獲得輸出功率為3.9W的3.84μm激光輸出，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為1.47μm的信號(hào)光輸出功率約10W。

1 波長(zhǎng)調(diào)諧理論分析

PPMgLN-OPO有以下幾種基本方式可以實(shí)現(xiàn)輸出波長(zhǎng)的調(diào)諧：溫度調(diào)諧、周期調(diào)諧、波長(zhǎng)調(diào)諧、角度調(diào)諧等。另外，還可以用兩種基本調(diào)諧方式相組合來(lái)進(jìn)行調(diào)諧，如溫度周期調(diào)諧［11］。

PPMgLN與溫度有關(guān)的ne色散方程滿足以下形式［12］：

式中，f＝（T－297.5）（T＋843.82），T為開氏溫度，λ為入射光波長(zhǎng)，下標(biāo)e表示非常光。

準(zhǔn)相位匹配過(guò)程中，相位失配量Δk滿足：

式中，k1為信號(hào)光的波矢量，對(duì)應(yīng)標(biāo)量為k1，k2為閑頻光的波矢量，對(duì)應(yīng)標(biāo)量為k2；k3為抽運(yùn)光的波矢量，對(duì)應(yīng)標(biāo)量為k3；km為周期波矢量，對(duì)應(yīng)標(biāo)量為km＝Λ為極化周期，m（取1，3，5，…）為QPM階數(shù)。為了最大的利用晶體非線性系數(shù)，取m＝1，則Δk的波長(zhǎng)表達(dá)式變?yōu)椋?/p>

式中，n1為信號(hào)光折射率，n2為閑頻光折射率，n3為抽運(yùn)光折射率，λ1表示信號(hào)光波長(zhǎng)，λ2表示閑頻光波長(zhǎng)，λ3表示抽運(yùn)光波長(zhǎng)。

當(dāng)Δk＝0時(shí)滿足相位匹配條件。

1.1 周期調(diào)諧的曲線計(jì)算

周期調(diào)諧實(shí)現(xiàn)輸出波長(zhǎng)調(diào)諧的方式是改變晶體周期，通常用多周期晶體或者扇形周期晶體。Δk的波長(zhǎng)表達(dá)式變?yōu)椋?/p>

式中，x為晶體在OPO諧振腔內(nèi)的位置參量。同時(shí)三波還要滿足能量守恒關(guān)系：

由（4）式與（5）式聯(lián)立可得周期調(diào)諧的理論曲線，計(jì)算曲線如圖1所示。

Fig.1 Period tuning curve for PPMgLN

多周期晶體的晶體周期只能跳躍式變化，不能夠連續(xù)變化。所以得到的輸出光也不能連續(xù)調(diào)諧，而只有通過(guò)和溫度調(diào)諧相結(jié)合的方式才能實(shí)現(xiàn)寬帶連續(xù)調(diào)諧。而使用扇形晶體時(shí)，由于抽運(yùn)光是有一定寬度的光束，所以當(dāng)抽運(yùn)光通過(guò)PPMgLN晶體時(shí)，通過(guò)的將不是同一周期。而當(dāng)光束的各個(gè)部分通過(guò)的周期不一樣時(shí)，產(chǎn)生的光譜也將不同。并且，很難制作出較為理想的扇形周期。

1.2 溫度調(diào)諧的曲線計(jì)算

溫度調(diào)諧是指把晶體置于一個(gè)溫控爐里，通過(guò)調(diào)節(jié)晶體的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出波長(zhǎng)的調(diào)諧。

考慮到晶體存在熱膨脹因素，若在溫度為T0時(shí)，極化周期為Λ（T0），則在溫度為T時(shí)，極化周期Λ（T0）應(yīng)為：

由于溫度變化，Δk的波長(zhǎng)表達(dá)式變?yōu)椋?/p>

由（7）式與（5）式可以算出溫度調(diào)諧的理論曲線，如圖2所示。

Fig.2 Outputwavelength versus the temperature when polarization period is29.2μm

運(yùn)用溫度調(diào)諧方式實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧比較容易，但調(diào)諧速度比較慢并且調(diào)諧范圍比較小。

因以上兩種調(diào)諧方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，故實(shí)驗(yàn)室選擇兩種組合的方式來(lái)進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)節(jié)，以便得到想要的3.8μm中紅外激光。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)中采用雙棒串接側(cè)面抽運(yùn)的單諧振腔結(jié)構(gòu)，1.064μm抽運(yùn)源系統(tǒng)由全反鏡、Q開關(guān)、抽運(yùn)模塊、石英旋轉(zhuǎn)片、偏振片、輸出鏡等構(gòu)成，總體實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。M1對(duì)1.064μm激光高反，M2對(duì)1.064μm激光反射率為60%。在聲光Q開關(guān)工作頻率為8kHz、輸出功率為35W時(shí)，通過(guò)緩慢調(diào)節(jié)1.064μm激光諧振腔的腔長(zhǎng)，獲得了光束質(zhì)量因子M2＜4的1.064μm激光，其脈沖寬度為150ns。使用雙棒串接技術(shù)，并在雙棒之間加90°石英旋轉(zhuǎn)片的目的是補(bǔ)償溫度變化而引起的熱致雙折射效應(yīng)，從而提高了1.064μm激光的光束質(zhì)量。而在聲光開關(guān)Q2之后加一個(gè)以布儒斯特角放置的偏振片是為了得到線偏振光，使之可以抽運(yùn)OPO諧振腔。因?qū)嶒?yàn)中選用的PPMgLN晶體的規(guī)格為40mm×10mm× 1mm，其通光面為10mm×1mm，晶體厚度只有1mm，所以在OPO諧振腔前加了一片聚焦鏡，以得到直徑在0.7mm左右的抽運(yùn)光，從而可以有效地利用抽運(yùn)光以及起到保護(hù)晶體的作用。使用1.064μm激光抽運(yùn)特定周期的PPMgLN晶體，OPO將輸出3.8μm的中紅外波段激光和1.47μm的近紅外激光。OPO諧振腔由M3和M4構(gòu)成，其中M3對(duì)1.064μm高透，對(duì)3μm～5μm激光高反；而M4對(duì)1.2μm～1.9μm激光部分反射，對(duì)3μm～5μm激光高透。PPMgLN晶體周期選定為29.2μm，其兩個(gè)通光面對(duì)1.064μm，1.2μm～1.9μm和3μm～5μm激光高透。根據(jù)之前波長(zhǎng)調(diào)諧計(jì)算可知，PPMgLN周期為29.2μm時(shí)，當(dāng)溫度為400K，輸出中紅外波長(zhǎng)在3.8μm附近。

Fig.3 Experimental setup of PPMgLN

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)和調(diào)節(jié)，當(dāng)1.064μm抽運(yùn)激光功率為35W時(shí)，輸出功率達(dá)到13.9W，其中3.84μm中紅外激光功率為3.9W左右，光光轉(zhuǎn)換效率為11.14%，對(duì)應(yīng)的1.47μm近紅外激光功率為10W左右。由圖4可以看出，3.8μm中紅外激光未出現(xiàn)飽和趨勢(shì)，故如果繼續(xù)增加抽運(yùn)功率，其輸出功率依然會(huì)繼續(xù)提高。但因晶體的質(zhì)量問(wèn)題和晶體膜層的損傷，故實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有繼續(xù)調(diào)高抽運(yùn)功率。實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用光柵單色儀測(cè)得中紅外激光中心波長(zhǎng)在3.84μm，對(duì)應(yīng)的信號(hào)光中心波長(zhǎng)為1.47μm，與理論計(jì)算值相符。

Fig.4 Laser output power versus pump power

采用刀口法測(cè)量光束的光斑大小，再運(yùn)用曲線擬合法對(duì)3.8μm激光光束質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算。使中紅外激光通過(guò)焦距為20cm的聚焦透鏡，通過(guò)刀口法測(cè)量透鏡后束腰附近不同位置的對(duì)應(yīng)的光斑大小，采用下式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合：

式中，z為光波傳輸方向上光斑的位置；r為光斑半徑。根據(jù)擬合曲線參量，得到A，B和C，并代入光束質(zhì)量公式因子M2大小，其中λ為激光波長(zhǎng)。計(jì)算得到光束質(zhì)量M2＝6.46。光斑半徑擬合曲線如圖5所示。并計(jì)算出光束質(zhì)量實(shí)驗(yàn)中使用套孔法算得了光束的束散角為2.6°。

Fig.5 Fit curve of spot radius

3 結(jié) 論

采用1.064μm激光抽運(yùn)PPMgLN晶體，當(dāng)抽運(yùn)功率為35W時(shí)，獲得了平均功率為3.9W的3.84μm激光輸出，可以成為中紅外激光對(duì)抗的激光干擾源。之后準(zhǔn)備進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案和過(guò)程，提高光學(xué)元器件的抗損傷能力，以便提高抽運(yùn)光光束質(zhì)量，并獲得更高輸出功率的3.8μm激光。

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Study on m id-infrared laser PPM gLN optical parametric oscillators

XIE Yuzhou，WAN Yong，DENG Huarong，LIYanling，XUE Liangping，ZHANGWei
（Southwest Institute of Technical Physics，Chengdu 610041，China）

In order to obtain 3.8μm laser output，it was demonstrated in optical parametric oscillator（OPO）with periodically poled lithium niobate crystals doped withmagnesium oxide（mole fraction of MgO-doping is 0.05）pumped by 1.064μm laser.The relationship curve between output wavelength and polarization period and the temperature was calculated.When polarization period is 29.2μm and the temperature is 400K，3.8μm laser output is achieved.When pump power is 35W at repetition rate of 8kHz，an average output power of 3.9W at 3.84μm is obtained with slope efficiency of11.14%，and the M2factor is 6.46.The results show that 3.8μm laser output can be obtained with high conversion efficiency，and it can be used as laser sources of infrared laser interference.

nonlinear optics；optical parametric oscillator；quasi phasematching；periodically poled lithium niobate crystal doped with magnesium oxide；mid-infrared

TN248.1

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.03.018

1001-3806（2014）03-0368-04

謝宇宙（1988-），男，碩士研究生，主要從事激光二極管抽運(yùn)固體激光器技術(shù)的研究工作。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：wy209＠sohu.com

2013-05-30；

2013-06-27