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高光束质量闲频光谐振中红外MgO:PPLN光参量振荡器

艾孜合尔江·阿布力克木 达娜·加山尔 周玉霞 塔西买提·玉苏甫

艾孜合尔江·阿布力克木, 达娜·加山尔, 周玉霞, 塔西买提·玉苏甫. 高光束质量闲频光谐振中红外MgO:PPLN光参量振荡器[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(4): 20220595. doi: 10.3788/IRLA20220595
引用本文: 艾孜合尔江·阿布力克木, 达娜·加山尔, 周玉霞, 塔西买提·玉苏甫. 高光束质量闲频光谐振中红外MgO:PPLN光参量振荡器[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(4): 20220595. doi: 10.3788/IRLA20220595
Aiziheerjiang Abulikemu, Dana Jiashaner, Zhou Yuxia, Taximaiti Yusufu. High-beam-quality idler-resonant mid-infrared optical parametric oscillator based on MgO:PPLN[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(4): 20220595. doi: 10.3788/IRLA20220595
Citation: Aiziheerjiang Abulikemu, Dana Jiashaner, Zhou Yuxia, Taximaiti Yusufu. High-beam-quality idler-resonant mid-infrared optical parametric oscillator based on MgO:PPLN[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(4): 20220595. doi: 10.3788/IRLA20220595

高光束质量闲频光谐振中红外MgO:PPLN光参量振荡器

doi: 10.3788/IRLA20220595
基金项目: 国家自然科学基金(11664041);新疆维吾尔自治区自然科学基金(2021D01A114);新疆矿物发光材料及其微结构实验室(KWFG202203)
详细信息
    作者简介:

    艾孜合尔江·阿布力克木,男,硕士生,主要从事非线性光学方面的研究

  • 中图分类号: O437.4

High-beam-quality idler-resonant mid-infrared optical parametric oscillator based on MgO:PPLN

Funds: National Natural Science Foundation of China (11664041); Natural Science Foundation of Xinjiang Uygur Autonomous Region of China (2021D01A114); Key Laboratory of Mineral Luminescent Material and Microstructure of Xinjiang, China (KWFG202203)
  • 摘要: 报道了采用纳秒脉冲激光器泵浦基于掺杂氧化镁周期极化铌酸锂(MgO:PPLN)晶体的高光束质量、闲频光谐振中红外光参量振荡器。通过选取曲率半径为200 mm的凹面输入镜和平面输出镜来建立平凹腔,实现了高光束质量的近-中红外激光输出。当输入的最大泵浦能量为21 mJ时,输出信号光和闲频光的最大能量分别为3.2 mJ和1.12 mJ,对应信号光和闲频光的斜效率分别为24%和9%。通过在25~200 ℃范围内改变MgO:PPLN晶体温度,实现信号光波长1.505~1.566 μm和闲频光波长3.318~3.628 μm的激光调谐输出。由于闲频光单谐振的光参量振荡器具有较大的衍射损耗和光束发散角,可以提高输出闲频光的光束质量。采用刀口法测量得到中红外激光在两个正交方向的光束质量因子分别为$ {M}_{x}^{2}\approx 1.2 $$ {M}_{y}^{2}\approx 1.2 $
  • 图  1  基于闲频光谐振高光束质量MgO:PPLN-OPO的实验装置

    Figure  1.  Experimental setup for the high beam quality idler resonant MgO:PPLN-OPO

    图  2  空间分布。(a) 1.064 μm 泵浦光;(b) 1.522 μm 信号光;(c) 3.534 μm 闲频光

    Figure  2.  Spatial distribution. (a) 1.064 µm pump beams; (b) 1.522 µm signal beams; (c) 3.534 µm idler beams

    图  3  晶体温度在110 ℃时,近红外1.522 μm信号光和中红外3.534 μm闲频光输出能量与泵浦光能量之间的函数关系

    Figure  3.  Near-infrared (1.522 μm) signal beams and mid-infrared (3.534 μm) idler beams energies as a function of the pump beams energy at crystal temperature of 110 ℃

    图  4  基于MgO:PPLN晶体OPO输出波长随温度的调谐曲线

    Figure  4.  Wavelength tuning curves of the OPO outputs versus the temperature of the MgO:PPLN crystal

    图  5  泵浦能量为21 mJ时,中红外闲频光输出能量与波长之间的关系

    Figure  5.  Mid-infrared idler beams output energy of the wavelength tuning at a pump energy of 21 mJ

    图  6  中红外3.534 μm闲频光光束质量测试

    Figure  6.  Beam quality measurement of the mid-infrared idler beams at 3.534 μm

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-08-19
  • 修回日期:  2022-11-29
  • 网络出版日期:  2023-04-14
  • 刊出日期:  2023-04-25

高光束质量闲频光谐振中红外MgO:PPLN光参量振荡器

doi: 10.3788/IRLA20220595
    作者简介:

    艾孜合尔江·阿布力克木,男,硕士生,主要从事非线性光学方面的研究

基金项目:  国家自然科学基金(11664041);新疆维吾尔自治区自然科学基金(2021D01A114);新疆矿物发光材料及其微结构实验室(KWFG202203)
  • 中图分类号: O437.4

摘要: 报道了采用纳秒脉冲激光器泵浦基于掺杂氧化镁周期极化铌酸锂(MgO:PPLN)晶体的高光束质量、闲频光谐振中红外光参量振荡器。通过选取曲率半径为200 mm的凹面输入镜和平面输出镜来建立平凹腔,实现了高光束质量的近-中红外激光输出。当输入的最大泵浦能量为21 mJ时,输出信号光和闲频光的最大能量分别为3.2 mJ和1.12 mJ,对应信号光和闲频光的斜效率分别为24%和9%。通过在25~200 ℃范围内改变MgO:PPLN晶体温度,实现信号光波长1.505~1.566 μm和闲频光波长3.318~3.628 μm的激光调谐输出。由于闲频光单谐振的光参量振荡器具有较大的衍射损耗和光束发散角,可以提高输出闲频光的光束质量。采用刀口法测量得到中红外激光在两个正交方向的光束质量因子分别为$ {M}_{x}^{2}\approx 1.2 $$ {M}_{y}^{2}\approx 1.2 $

English Abstract

    • 中红外3~5 μm激光为红外波段的大气窗口,在大气传输过程中损耗较少,且此波段存在很多痕量气体吸收峰。随着光电技术的不断发展,中红外激光具有十分广泛的应用,如大气环境监测、光谱分析、医疗诊断、自由空间光通信等诸多领域[1-3]。鉴于3~5 μm中红外激光极大的应用前景和战略需求,已成为国防和民用竞相研究开发的重点领域,其中3.2~3.6 μm波段在激光制导、通信、雷达等军事方面有着更重要的应用价值和研究意义[4-6]

      目前,国内外实现中红外激光输出的主要有光纤激光器、量子级联激光器、半导体激光器、过渡金属或稀土离子掺杂的固体激光器以及光参量振荡器等方法[7-8]。其中,基于非线性变频技术的光参量振荡器(Optical Parametric Oscillator, OPO)具有结构紧凑、调谐范围宽、转换效率和输出功率高等优点,已经成为产生中红外激光的主要技术手段[9]

      用于产生中红外激光的非线性光学晶体材料主要包括砷酸钛氧钾(KTiOAsO4, KTA)、磷酸钛氧钾(KTiOPO4, KTP)、铌酸锂(LiNbO3, LN)和周期极化铌酸锂(PPLN)等[10]。相较于传统型生长的双折射KTA、KTP晶体,基于准相位匹配的PPLN晶体可以在二阶非线性极化方向进行周期性反转来补偿相位失配,有效避免空间走离效应,并且在传输过程中可利用最大的非线性系数(d33= 27.2 pm/V)。PPLN晶体损伤阈值较低,容易在应用中产生光折变损伤,故实验中所使用5 mol% MgO掺杂的PPLN晶体可以有效提高晶体的损伤阈值[11]

      信号光单谐振OPO在实验中具有起振阈值低、输出能量和转换效率较高等优点[12],是利用OPO产生中红外激光的主要方式。2020年,Niu Sujian等人采用1.064 μm的全固态激光器泵浦多周期MgO:PPLN晶体,结合极化周期和温度调谐实现了中红外闲频光在2.28~4.8 μm范围内的连续可调谐中红外激光输出,在3.4 μm处的最大能量为2.15 mJ,对应的光-光转换效率超过10%[13]。2021年,南京大学祝世宁院士团队采用808 nm半导体激光器泵浦基于信号光单谐振的MgO:PPLN-OPO,在2.25~4.79 μm波段实现了连续可调谐中红外激光输出。当泵浦功率为9.1 W时,在3.189 μm处获得最大功率为1.08 W的激光输出,对应的光-光转换效率为11.88%[14]。由于信号光单谐振OPO产生的中红外闲频光的光束质量较差,因此,多位研究者提出利用闲频光单谐振OPO来提高中红外激光的光束质量[15]。2018年,He Yang团队采用全光纤激光器泵浦基于闲频光单谐振MgO:PPLN-OPO,获得了在3.67 μm处最大功率为5.84 W的中红外激光输出,得到两个正交方向的光束质量因子分别为$ {M}_{x}^{2}\approx 1.57 $$ {M}_{y}^{2}\approx 1.49 $[16]。2019年,西班牙的Parsa S团队提出采用波长为1.064 μm的皮秒光纤激光器泵浦基于MgO:PPLN闲频光谐振OPO,实现了中红外闲频光在2.198~4.028 μm范围内的可调谐激光输出,并且测量得到两个正交方向的光束质量因子分别为$ {M}_{x}^{2}\approx 1.5 $$ {M}_{y}^{2}\approx 1.8 $[17]

      文中采用1.064 µm纳秒脉冲Nd:YAG激光器泵浦基于MgO:PPLN-OPO,在中红外波段实现了高光束质量、波长可调谐的激光输出。通过在25~200 ℃范围内改变MgO:PPLN晶体温度,获得了近红外信号光在1.505~1.566 μm和中红外闲频光在3.318~3.628 μm范围内的连续可调谐激光输出。在最大泵浦能量为21 mJ时,输出信号光和闲频光的最大能量分别为3.2 mJ和1.12 mJ,对应的斜效率分别为24%和9%。通过刀口法测量得到两个正交方向的光束质量因子分别为$ {M}_{x}^{2}\approx 1.2 $$ {M}_{y}^{2}\approx 1.2 $

    • 基于闲频光单谐振的高光束质量、波长连续可调谐MgO:PPLN-OPO的实验装置如图1所示。采用波长为1.064 μm的传统纳秒调Q Nd:YAG固体激光器(Lotis LS-2136, pulse duration: 25 ns; Pulse Repetition Frequency (PRF): 50 Hz; wavelength: 1.064 μm)为泵浦源,其输出光束具有高斯空间分布。通过半波片(λ/2)来调整泵浦光的偏振方向,使其满足MgO:PPLN的0型(e→e+e)准相位匹配。利用焦距为750 mm的聚焦透镜(Lens)将泵浦光聚焦为1 mm光斑入射到OPO谐振腔中。非线性增益介质采用尺寸为40 mm×4 mm×2 mm的MgO:PPLN晶体,其晶体的两端面均镀有对泵浦光(1.064 μm)、信号光(1.4~1.6 μm)和闲频光(3~5 μm)的增透膜,MgO掺杂浓度为5 mol%,极化周期为单周期30 μm。利用温控炉在25~200 ℃范围内控制MgO:PPLN晶体温度,温控精度为±0.1 ℃。

      图  1  基于闲频光谐振高光束质量MgO:PPLN-OPO的实验装置

      Figure 1.  Experimental setup for the high beam quality idler resonant MgO:PPLN-OPO

      基于闲频光单谐振高光束质量MgO:PPLN-OPO的谐振腔由曲率半径为R=200 mm的凹面输入镜(IM)和平面输出耦合镜(OC)组成,平凹腔的设计保证了参量光之间最大的非线性增益和最高的转换效率。输入镜IM(R=200 mm)对1.064 μm泵浦光高透射,对1.4~1.6 μm信号光和3~5 μm闲频光高反射;输出耦合镜OC对泵浦光和信号光高透射,对闲频光具有约80%反射率的介质膜,谐振腔总腔长固定为80 mm。Ge滤光片对1.505~1.566 μm的近红外信号光高反射,对3.318~3.628 μm的中红外闲频光透射率为93%以上。在实验中,通过使用两片Ge滤光片来有效分离了闲频光与信号光和泵浦光。测量信号光时,采用对1 μm全反射的滤光片来反射泵浦光,使信号光透射到照相机和功率计观察空间强度分布和输出能量。

    • 实验中采用电耦合照相机(CCD)记录了1.064 μm泵浦光的空间分布图,如图2(a)所示,其空间分布为高斯分布。使用热释电相机(Spiricon Pyrocam III, Spatial Resolution: 75 μm)分别记录了在1.522 μm和3.534 μm处信号光和闲频光的空间分布图,如图2(b)、(c)所示。由图所示,在整个波长调谐范围内,输出信号光和闲频光空间强度分布与泵浦光相同,均为近高斯空间分布,且其强度分布非常均匀。

      图  2  空间分布。(a) 1.064 μm 泵浦光;(b) 1.522 μm 信号光;(c) 3.534 μm 闲频光

      Figure 2.  Spatial distribution. (a) 1.064 µm pump beams; (b) 1.522 µm signal beams; (c) 3.534 µm idler beams

      图3所示为1.522 μm信号光和3.534 μm闲频光的输出能量与泵浦光能量之间的函数关系。晶体温度固定在110 ℃、泵浦光最大能量为21 mJ时,输出信号光和闲频光的最大能量分别为3.2 mJ和1.12 mJ,对应的斜效率分别为24%和9%。实验数据表明,OPO输出的信号光和闲频光能量与泵浦光能量呈线性增大。在谐振腔的设计中选择高精度镀膜参数的腔镜、缩短腔长来减少谐振光的损耗,并选取合适曲率半径的腔镜来优化泵浦光与谐振闲频光在晶体内的模式耦合,可以进一步提高输出激光的能量和转换效率。

      图  3  晶体温度在110 ℃时,近红外1.522 μm信号光和中红外3.534 μm闲频光输出能量与泵浦光能量之间的函数关系

      Figure 3.  Near-infrared (1.522 μm) signal beams and mid-infrared (3.534 μm) idler beams energies as a function of the pump beams energy at crystal temperature of 110 ℃

      通过改变MgO:PPLN晶体工作温度来实现信号光和闲频光的波长调谐输出(如图4所示)。使用高性能光谱仪(SpectraPro HRS-500, 300 line/mm, 孔径尺寸: 50 μm, 光谱仪的分辨率在0.1~0.2 nm之间)测量了OPO输出的信号光和闲频光的激光光谱,蓝色和绿色的离散点分别表示信号光和闲频光的实验数据,红色实线为根据Sellmeier色散方程[18]计算出的MgO:PPLN晶体温度调谐的理论曲线。通过在25~200 ℃范围内改变MgO:PPLN晶体温度,获得了近红外信号光波长为1.505~1.566 μm和中红外闲频光波长为3.318~3.628 μm的连续可调谐激光输出,实验结果与理论模拟良好吻合。

      图  4  基于MgO:PPLN晶体OPO输出波长随温度的调谐曲线

      Figure 4.  Wavelength tuning curves of the OPO outputs versus the temperature of the MgO:PPLN crystal

      图5所示为中红外闲频光输出能量与波长的关系。随着波长的增大,输出能量持续减小,这是由于在波长大于3.5 μm时,MgO:PPLN晶体的吸收增加,导致中红外激光输出能量下滑、转换效率降低。另外,泵浦光与闲频光之间较大的波长差也是导致转换效率低的原因。同时测量了OPO输出能量的稳定性,在10 h内的能量稳定性均小于1% rms。

      图  5  泵浦能量为21 mJ时,中红外闲频光输出能量与波长之间的关系

      Figure 5.  Mid-infrared idler beams output energy of the wavelength tuning at a pump energy of 21 mJ

      图6所示,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因子分别为$ {M}_{x}^{2}\approx 1.2 $$ {M}_{y}^{2}\approx 1.2 $。嵌入图表示在f=150 mm聚焦透镜焦点附近处的闲频光空间强度分布。

      图  6  中红外3.534 μm闲频光光束质量测试

      Figure 6.  Beam quality measurement of the mid-infrared idler beams at 3.534 μm

      基于闲频光单谐振的OPO具有较大的衍射损耗和光束发散角,可利用菲涅耳数分析闲频光单谐振OPO对输出光束质量的优势[19],即表达式为:

      $$N_F=\frac{{{{a}}}^2}{\lambda L} $$

      式中:NF为菲涅耳数;a为光束半径;λ为波长;L为谐振腔有效长度。在闲频光谐振OPO中,闲频光具有较小的菲涅耳数并且谐振光束在腔内多次振荡,可以有效抑制高阶模的产生从而可提高输出中红外闲频光的光束质量[20]

    • 实验中利用波长为1.064 μm的调Q纳秒脉冲激光器作为泵浦源,设计了基于MgO:PPLN闲频光单谐振可调谐、高光束质量、高稳定性的近红外和中红外OPO。在最大泵浦能量为21 mJ时,输出信号光(1.522 μm)最大能量为3.2 mJ、闲频光(3.534 μm)最大能量为1.12 mJ,信号光和闲频光对应的斜效率分别为24%和9%。采用刀口法测量得到中红外闲频光在两个正交方向的光束质量因子分别为${M}_{x}^{2}\approx 1.2$${M}_{y}^{2}\approx 1.2$。在25~200 ℃范围内改变MgO:PPLN晶体温度,实现了近红外信号光在1.505~1.566 μm范围内连续可调谐,中红外闲频光在3.318~3.628 μm范围内可进行310 nm连续可调谐激光输出。为了进一步提高中红外激光在实际中的应用,可以选择多周期或扇形MgO:PPLN晶体,优化腔型设计,更进一步扩展近-中红外激光波长调谐范围,提高输出能量和转换效率。

参考文献 (20)

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