周玉霞，艾孜合爾江·阿布力克木，達(dá)娜·加山爾，塔西買(mǎi)提·玉蘇甫

（新疆師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院 新疆發(fā)光礦物與光功能材料研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 烏魯木齊 830054）

0 引言

1.5～1.6 μm波段是重要的人眼安全和大氣窗口波段，該波段的光束進(jìn)入人眼時(shí)先被眼球表面吸收，不會(huì)到達(dá)視網(wǎng)膜，被廣泛應(yīng)用于激光測(cè)距、雷達(dá)、遙感、通信等多個(gè)領(lǐng)域［1-2］。其中1.54 μm波長(zhǎng)是人眼安全的一個(gè)奇點(diǎn)，該波長(zhǎng)的激光器在國(guó)防安全等要求嚴(yán)苛的領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用需求［3-5］。3～5 μm波段是重要的大氣紅外窗口波段，涵蓋了大量CH2、NO2等工業(yè)污染氣體的分子振動(dòng)吸收峰，許多痕量氣體分子在該波段具有非常強(qiáng)的吸收特性和基本的振動(dòng)帶，對(duì)于濃度比較低的微量氣體元素，可以借助該波段的激光來(lái)準(zhǔn)確檢測(cè)分子含量和濃度［6-7］。因此，中紅外激光在環(huán)境監(jiān)測(cè)、痕量氣體追蹤、分子光譜學(xué)、有機(jī)材料加工等領(lǐng)域有著非常重要的應(yīng)用［8-9］。為滿足上述激光在實(shí)際生活中的重要應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外多位研究者為此做出極大努力。非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)作為一種非常緊湊高效的頻率拓展技術(shù)，可以將固體激光器輸出的單一波長(zhǎng)通過(guò)非線性晶體進(jìn)行倍頻（Second Harmonic Generation， SHG）［10］、和頻（Sum Frequency Generation， SFG）［11］、光參量放大（Optical parametric Amplification， OPA）［12］、光參量振蕩（Optical Parametric Oscillator， OPO）［13］、受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering， SRS）［14］等方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，是產(chǎn)生多波長(zhǎng)、高能量、高光束質(zhì)量近-中紅外激光源的主要方式之一。

非臨界相位匹配（Non-Critical Phase Matching， NCPM）的砷酸鈦氧鉀（KTiOAsO4， KTA）（θ=90°，φ=0°）晶體由于具有較大的非線性系數(shù)（d24=3.43 pm/V）和接收角，在非線性頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程中不具有任何走離效應(yīng)等特性而在研究中廣受關(guān)注［15］。其極低的溫度敏感性和高的損傷閾值（600 MW/cm2）使得KTA晶體可以在高功率激光泵浦下有效運(yùn)行［16-17］，相對(duì)于摻雜MgO周期性鈮酸鋰（MgO：PPLN）晶體，滿足Ⅱ類非臨界相位匹配（NCPM）的KTA晶體沒(méi)有走離效應(yīng)，并且輸出光的光譜帶寬窄，光束單色性非常好，是產(chǎn)生近-中紅外高能量、高光束質(zhì)量激光的極佳選擇。目前，通過(guò)光參量振蕩技術(shù)產(chǎn)生近-中紅外激光的方法逐漸成熟，在實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)較寬波長(zhǎng)調(diào)諧范圍、輸出能量和轉(zhuǎn)換效率比較高的近-中紅外激光輸出［18-19］，但輸出光的光束質(zhì)量仍有待進(jìn)一步提高。雙諧振光參量振蕩器起振閾值低，但穩(wěn)定性較差，而單諧振光參量振蕩器穩(wěn)定性較好，所以中紅外激光通常使用單諧振腔型產(chǎn)生。相對(duì)于閑頻光單諧振的光參量振蕩器，信號(hào)光單諧振光參量振蕩器在實(shí)驗(yàn)中具有起振閾值低，輸出能量高等優(yōu)點(diǎn)，但由于產(chǎn)生的閑頻光沒(méi)有諧振、其模式未受到任何腔鏡限制就直接輸出腔外，導(dǎo)致輸出的中紅外激光光束質(zhì)量較差。高光束質(zhì)量的中紅外激光源在超分辨率分子吸收光譜和超越衍射極限的紅外吸收顯微鏡等方面具有非常重要的應(yīng)用。為了提高輸出中紅外激光源的光束質(zhì)量，多位研究者通過(guò)閑頻光諧振的光參量振蕩器來(lái)提高中紅外激光的光束質(zhì)量。TIIHONEN M團(tuán)隊(duì)在研究基于非共線周期性極化KTP-OPO的信號(hào)光諧振與閑頻光諧振輸出光譜及空間特性差異時(shí)，發(fā)現(xiàn)閑頻光諧振的光參量振蕩器具有更大的衍射損耗和角度色散，其輸出諧振光的光束質(zhì)量不僅得到顯著的提升，而且光譜帶寬也縮至近兩倍?。?0］。山東大學(xué)BAI Fen團(tuán)隊(duì)通過(guò)腔內(nèi)泵浦閑頻光諧振的KTA-OPO實(shí)現(xiàn)了光束質(zhì)量因子為1.2的中紅外激光輸出，其總的功率轉(zhuǎn)換效率為5.4%［21］。2018年HE Yang團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化基于閑頻光單諧振的MgO：PPLN-OPO的腔型設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高了輸出中紅外光束的轉(zhuǎn)換效率（>14%）和光束質(zhì)量（M2x≈1.57，M2y≈1.49）［22］。自納秒級(jí)閑頻光單諧振光參量振蕩器被證明以后，PARSA S團(tuán)隊(duì)提出光纖泵浦皮秒光參量振蕩器技術(shù)，利用同步泵浦MgO：PPLN閑頻光諧振腔，在波長(zhǎng)調(diào)諧范圍內(nèi)得到了平均光束質(zhì)量因子分別為M2<1.8，M2<1.4的閑頻光（4 028～2 198 nm）和信號(hào)光（1 446～2 062 nm）［23］；NANDY B團(tuán)隊(duì)通過(guò)同步泵浦閑頻光單諧振的皮秒光參量振蕩器得到M2<2.3的近紅外激光輸出［24］。可見(jiàn)，閑頻光單諧振的光參量振蕩器可以有效提高輸出中紅外激光的光束質(zhì)量。最近，孟軍等結(jié)合非臨界相位匹配晶體KTA和基于高斯反射晶體的不穩(wěn)定諧振腔體來(lái)有效提高輸出近-中紅外激光的光束質(zhì)量，輸出中紅外閑頻光在兩個(gè)正交方向上的光束質(zhì)量因子為=11.2，=11.5。相較于穩(wěn)定諧振腔，非穩(wěn)腔可以較好的提高輸出光的光束質(zhì)量［25］。

本文基于閑頻光單諧振的光參量振蕩器，利用腔外泵浦KTA-OPO技術(shù)，在中紅外波段獲得光束質(zhì)量接近衍射極限的中紅外激光（≈1.1，≈1.1）。通過(guò)選取合適鍍膜參數(shù)的閑頻光單諧振腔鏡、優(yōu)化腔型設(shè)計(jì)，極大的提高了近-中紅外激光的輸出能量。在泵浦光最大能量為20.2 mJ時(shí)，輸出信號(hào)光（1.535 μm）和閑頻光（3.468 μm）的最大能量可達(dá)2.91 mJ和1.13 mJ，對(duì)應(yīng)斜效率分別為20.9%和8.1%。相對(duì)于之前研究者的相關(guān)報(bào)道，不僅提高了輸出中紅外激光源的光束質(zhì)量，而且在近-中紅外激光的輸出能量中也有了很大的進(jìn)步。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

基于閑頻光單諧振的高能量、高光束質(zhì)量的KTA-OPO的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。采用波長(zhǎng)為1 μm的傳統(tǒng)納秒閃光燈調(diào)Q Nd：YAG固體激光器（Lotis LS-2136， pulse duration：25 ns； Pulse Repetition Frequency（PRF）：50 Hz； wavelength：1 064 nm）為泵浦源，其輸出光束具有近高斯空間分布。反向隔離器（Isolator）被用來(lái)防止反射光過(guò)強(qiáng)而損傷激光器。利用焦距f=750 mm的聚焦透鏡（Lens）將泵浦光聚焦為1 mm光斑輸入到KTA晶體中。非線性介質(zhì)KTA （θ=90°，φ=0°）的規(guī)格為5×5×30 mm3，滿足Ⅱ類非臨界相位匹配（NCPM），兩端面鍍有對(duì)泵浦光（1.064 μm）、信號(hào)光（1.535 μm）和閑頻光（3.468 μm）的增透薄膜，使得泵浦光、信號(hào)光和閑頻光在非線性晶體中具有最高的非線性增益和最小的能量損耗。閑頻光單諧振光參量振蕩器的腔型設(shè)計(jì)為穩(wěn)定半對(duì)稱腔，輸入鏡IM（R=500 mm）對(duì)泵浦光增透，對(duì)信號(hào)光（1.4～1.6 μm）和閑頻光（3～4 μm）高反射。輸出耦合鏡OC采用對(duì)泵浦光和信號(hào)光高透射，對(duì)閑頻光具有約80%反射率的平面鏡，諧振腔總腔長(zhǎng)固定為35 mm，建立了一個(gè)穩(wěn)定緊湊的閑頻光單諧振半球形對(duì)稱腔。S濾波片對(duì)1.9 μm以下的短波長(zhǎng)高反射、對(duì)3～5 μm的中紅外光波透射率高達(dá)95%以上，可以有效保證泵浦光和信號(hào)光被反射，而閑頻光被提取出來(lái)。利用上述實(shí)驗(yàn)儀器，搭建穩(wěn)定緊湊的閑頻光單諧振腔，輸出高光束質(zhì)量、高能量的中紅外閑頻光。

圖1 高能量、高光束質(zhì)量的KTA-OPO的實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup for the high-energy and high beam quality KTA-OPO

2 分析與討論

采用常規(guī)的電荷耦合照相機(jī)（CCD）和高性能熱釋電相機(jī)（Spiricon Pyrocam Ⅲ， spatial resolution： 75 mm）分別測(cè)量了泵浦光、信號(hào)光和閑頻光的空間分布。如圖2所示，泵浦光的空間強(qiáng)度分布（a）與輸出的信號(hào)光（b）和閑頻光（c）的空間強(qiáng)度分布圖樣完全相似，均為近高斯空間分布，而且輸出激光的空間強(qiáng)度分布非常均勻。相對(duì)于信號(hào)光單諧振，由于閑頻光具有更大的發(fā)散角，在諧振過(guò)程中容易產(chǎn)生衍射損耗，故閑頻光單諧振的光參量振蕩器具有較大的起振閾值和光束能量損耗，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)腔鏡鍍膜的精度參數(shù)和光參量振蕩器的腔型設(shè)計(jì)均具有很高的要求［21］。為了提高輸出近-中紅外激光的能量，本實(shí)驗(yàn)選擇曲率半徑為500 mm的凹面輸入鏡和平面輸出鏡來(lái)建立半球形對(duì)稱穩(wěn)定腔，這樣的腔型設(shè)計(jì)可以有效限制諧振閑頻光的模式尺寸。當(dāng)諧振閑頻光被曲率半徑為500 mm的凹面輸入鏡反射到KTA晶體時(shí)，其模式尺寸縮小到與泵浦光相近，極大的增加了泵浦光與諧振閑頻光在晶體內(nèi)的模式耦合，進(jìn)而提高了輸出激光的能量和轉(zhuǎn)換效率。

圖2 泵浦光、信號(hào)光和閑頻光的空間強(qiáng)度分布Fig.2 Spatial intensity profile of pump beam， signal beam and idler beam

閑頻光單諧振的光參量振蕩器由于具有更大的衍射損耗和角度色散，進(jìn)而限制了輸出光束的光譜帶寬，使得輸出的中紅外閑頻光具有更窄的光譜帶寬和更高的光束質(zhì)量［20］?；谏鲜鲈砑皩?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用刀口法測(cè)得輸出中紅外閑頻光在兩個(gè)正交方向上的光束質(zhì)量分別為≈1.1，≈1.1（圖3）。另外，使用高性能掃描單色儀（SpectraPro HRS-500， 300 line/mm， 孔徑尺寸50 μm， 光譜分辨率0.3～0.4 nm， 波長(zhǎng)范圍為1 000～5 000 nm）測(cè)量了輸出近-中紅外信號(hào)光和閑頻光的激光光譜（圖4）?？梢园l(fā)現(xiàn)，中心波長(zhǎng)為1 535 nm和3 468 nm的近-中紅外激光的半高寬分別為?λs≈0.36 nm，?λi≈0.71 nm，相較于信號(hào)光單諧振光參量振蕩器所得的中紅外閑頻光光譜帶寬（?λi≈1.7 nm）［13］，光譜帶寬被極大的窄化。

圖3 中紅外閑頻光在兩個(gè)正交方向上的光束質(zhì)量因子（M2）Fig.3 The beam quality factors （M2） of the mid-infrared idler wave in tow orthogonal directions were measured

圖4 輸出信號(hào)光（1.535 μm）和閑頻光（3.468 μm）的光譜，嵌入圖表示輸出信號(hào)光和閑頻光的光譜帶寬Fig.4 Spectrum of the signal and idler outputs at the wavelength of 1.535 μm and 3.468 μm， respectively.Insets show the spectral bandwidth of the signal and idler outputs

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到輸出信號(hào)光和閑頻光的能量與泵浦能量之間的函數(shù)關(guān)系，如圖5所示。在泵浦光的最大泵浦能量為20.2 mJ時(shí)，輸出信號(hào)光的最大能量是2.9 mJ、閑頻光的最大能量為1.1 mJ，對(duì)應(yīng)的信號(hào)光和閑頻光的斜效率分別為20.9%和8.1%，本文測(cè)量了信號(hào)光和閑頻光的輸出能量穩(wěn)定性，在12 h內(nèi)的能量穩(wěn)定性均小于2% rms。可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于信號(hào)光單諧振的光參量振蕩器，閑頻光單諧振的光參量振蕩器具有更高的起振閾值，對(duì)實(shí)驗(yàn)光路的設(shè)計(jì)也具有更高的要求［26］。在諧振腔的設(shè)計(jì)中選擇高精度鍍膜參數(shù)的腔鏡，合理設(shè)計(jì)諧振腔型有望更進(jìn)一步提高輸出激光的能量和轉(zhuǎn)換效率，減小閑頻光在腔內(nèi)諧振時(shí)的損耗，進(jìn)而降低閑頻光單諧振光參量振蕩器的起振閾值。

圖5 信號(hào)光和閑頻光輸出能量與泵浦光能量之間的函數(shù)關(guān)系Fig.5 Signal and idler output energy as a function of the pump energy

3 結(jié)論

通過(guò)閑頻光單諧振KTA-OPO可以得到高光束質(zhì)量、高能量的近-中紅外激光輸出。本文由波長(zhǎng)為1 μm的納秒調(diào)Q脈沖激光器泵浦一個(gè)基于KTA晶體的閑頻光單諧振腔得到。通過(guò)合理設(shè)計(jì)腔型、選取高精度參數(shù)的諧振腔鏡建立了一個(gè)穩(wěn)定緊湊的半球形對(duì)稱腔，實(shí)現(xiàn)了高能量、高光束質(zhì)量的中紅外激光輸出。在泵浦光最大的輸入能量為20.2 mJ時(shí)，輸出信號(hào)光的最大能量為2.9 mJ、閑頻光的最大能量為1.1 mJ，對(duì)應(yīng)的信號(hào)光和閑頻光的斜率效率分別為20.9%和8.1%，緊湊穩(wěn)定的半球形對(duì)稱閑頻光單諧振腔可以有效提高輸出激光的能量和轉(zhuǎn)換效率。結(jié)合閑頻光單諧振光參量振蕩器能有效提高輸出中紅外激光的光束質(zhì)量特性，測(cè)量到輸出閑頻光在兩個(gè)正交方向上的光束質(zhì)量分別為M2x≈1.1，M2y≈1.1。高光束質(zhì)量、高能量的中紅外閑頻光的產(chǎn)生可以有效促進(jìn)中紅外激光在光譜分析、遙感、痕量氣體追蹤等多方面的應(yīng)用。通過(guò)合理設(shè)計(jì)諧振腔型，選取優(yōu)良光學(xué)特性的非線性晶體如MgO：PPLN，可以更近一步拓展高光束質(zhì)量中紅外激光的波段范圍，提高中紅外激光的輸出能量和轉(zhuǎn)換效率。