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高效率宽调谐扇形MgO: PPLN中红外光参量振荡器

黄佳裕 林海枫 闫培光

黄佳裕, 林海枫, 闫培光. 高效率宽调谐扇形MgO: PPLN中红外光参量振荡器[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(5): 20220605. doi: 10.3788/IRLA20220605
引用本文: 黄佳裕, 林海枫, 闫培光. 高效率宽调谐扇形MgO: PPLN中红外光参量振荡器[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(5): 20220605. doi: 10.3788/IRLA20220605
Huang Jiayu, Lin Haifeng, Yan Peiguang. Highly efficient, widely tunable fan-out MgO: PPLN mid-infrared optical parametric oscillator[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(5): 20220605. doi: 10.3788/IRLA20220605
Citation: Huang Jiayu, Lin Haifeng, Yan Peiguang. Highly efficient, widely tunable fan-out MgO: PPLN mid-infrared optical parametric oscillator[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(5): 20220605. doi: 10.3788/IRLA20220605

高效率宽调谐扇形MgO: PPLN中红外光参量振荡器

doi: 10.3788/IRLA20220605
基金项目: 国家自然科学基金(61905247, 61775146)
详细信息
    作者简介:

    黄佳裕,男,硕士生,主要从事固体激光器方面的研究

    闫培光,男,教授,博士,主要从事中红外光纤光栅与激光器方面的研究

    通讯作者: 林海枫,男,副研究员,博士,主要从事固体激光器方面的研究
  • 中图分类号: TN248.1

Highly efficient, widely tunable fan-out MgO: PPLN mid-infrared optical parametric oscillator

Funds: National Natural Science Foundation of China (61905247, 61775146)
  • 摘要: 3~5 μm的中红外激光位于大气窗口,在环境监测、军事、医疗、遥感等诸多领域有着重要的应用。利用纳秒量级的1064 nm调Q激光器泵浦扇形掺氧化镁周期极化铌酸锂(MgO: PPLN),设计了一种高效率、宽调谐纳秒中红外激光输出光学参量振荡器(Optical parametric oscillator, OPO)。通过降低泵浦光的重频,有效地减小了OPO的振荡阈值,在10 kHz的泵浦重频下,OPO阈值为0.4 W。在泵浦功率为4.68 W,晶体极化周期为30.47 μm的条件下,获得了0.833 W的3.4 μm中红外激光输出,对应的光光转换效率为17.8%。实验研究了不同极化周期下的输出波长,实验结果与理论模拟值较为吻合。通过横向移动MgO: PPLN晶体改变其极化周期,在31.05~28.8 μm的调节范围内获得了1 440.7~1607.0 nm的信号光及3 171.1~4 088.1 nm的闲频光输出,其中信号光的脉宽约为8.1 ns。
  • 图  1  实验装置示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of experimental setup

    图  2  不同重复频率下(a)信号光和(b)闲频光输出功率随泵浦功率的变化关系(MgO: PPLN: 30.47 μm)

    Figure  2.  (a) Signal and (b) idler output power as a function of pump power for different repetition frequencies (MgO: PPLN: 30.47 μm)

    图  3  输出波长调谐范围。(a)信号光;(b)闲频光

    Figure  3.  Tuning range of output wavelength. (a) Signal; (b) Idler

    图  4  输出波长调谐曲线(T=25 ℃)

    Figure  4.  Output wavelength tuning curve(T=25 ℃)

    图  5  (a)泵浦光和(b)信号光的脉冲波形图(MgO: PPLN: 30.47 μm)

    Figure  5.  Pulse profile of (a) pump and (b) signal (MgO: PPLN: 30.47 μm)

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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-15
  • 修回日期:  2022-06-20
  • 刊出日期:  2023-05-25

高效率宽调谐扇形MgO: PPLN中红外光参量振荡器

doi: 10.3788/IRLA20220605
    作者简介:

    黄佳裕,男,硕士生,主要从事固体激光器方面的研究

    闫培光,男,教授,博士,主要从事中红外光纤光栅与激光器方面的研究

    通讯作者: 林海枫,男,副研究员,博士,主要从事固体激光器方面的研究
基金项目:  国家自然科学基金(61905247, 61775146)
  • 中图分类号: TN248.1

摘要: 3~5 μm的中红外激光位于大气窗口,在环境监测、军事、医疗、遥感等诸多领域有着重要的应用。利用纳秒量级的1064 nm调Q激光器泵浦扇形掺氧化镁周期极化铌酸锂(MgO: PPLN),设计了一种高效率、宽调谐纳秒中红外激光输出光学参量振荡器(Optical parametric oscillator, OPO)。通过降低泵浦光的重频,有效地减小了OPO的振荡阈值,在10 kHz的泵浦重频下,OPO阈值为0.4 W。在泵浦功率为4.68 W,晶体极化周期为30.47 μm的条件下,获得了0.833 W的3.4 μm中红外激光输出,对应的光光转换效率为17.8%。实验研究了不同极化周期下的输出波长,实验结果与理论模拟值较为吻合。通过横向移动MgO: PPLN晶体改变其极化周期,在31.05~28.8 μm的调节范围内获得了1 440.7~1607.0 nm的信号光及3 171.1~4 088.1 nm的闲频光输出,其中信号光的脉宽约为8.1 ns。

English Abstract

    • 3~5 μm的中红外(Mid-infrared, MIR)激光位于大气窗口,且其波段内覆盖了许多分子的特征吸收峰,被称为“分子指纹区”,因此其在大气环境监测、军事应用、光电对抗、生物医疗及遥感测量等诸多领域有着重要的应用[1-5]

      基于非线性频率变换的光参量振荡器(Optical parametric oscillator, OPO)具有转换效率高、结构紧凑、输出功率高及调谐范围宽等优点,目前已经成为了产生中红外激光的主要技术手段。常用做产生中红外激光的非线性晶体包括砷酸钛氧钾(KTiOAsO4, KTA)、磷酸钛氧钾(KTiOPO4, KTP)、磷锗锌(ZnGeP2, ZGP)、硒镓银(AgGaSe2)、周期极化铌酸锂(PPLN)及周期极化KTP(PPKTP)等[6]

      PPLN具有非线性系数大、透光范围宽等优点,其利用准相位匹配技术,将晶体的二阶非线性极化方向进行周期性反转以补偿相位失配,有效地避免了空间走离效应[7- 8]。在PPLN晶体中掺入Mg2+提高了其光折变损伤的阈值,克服了其无法在常温下实现高功率连续可调谐输出的缺点,因此掺氧化镁周期极化铌酸锂OPO(MgO: PPLN-OPO)目前已成为实现宽调谐中红外激光输出的最佳手段。

      S. Parsa等人采用了四腔镜驻波腔结构,获得了重频为80 MHz的2.19~4.02 μm闲频光输出,并在3.34 μm处获得了1 W的最大功率输出,对应的光光转换效率为9.5%[9];Niu Sujian等人利用重频为50 Hz的纳秒Nd: YVO4激光器泵浦MgO: PPLN,在3.4 μm处获得了最大能量为2.15 mJ的中红外激光输出,对应的光光转换效率超过了10%,调谐范围为2.2~4.8 μm[10];王菲菲等人利用掺Yb光纤激光器作为抽运源,结合周期和温度调谐,实现了平均功率大于1.7 W的2.37~4.01 μm连续调谐中红外激光输出,相应的光光转换效率大于17.1%[11];Wang Ke等人采用内腔式OPO结构,同时利用周期和温度调谐,获得了2.25~4.79 μm的连续中红外激光输出,在3.19 μm处获得最大输出功率为1.08 W,对应的光光转换效率为11.88%[12]

      由于多周期MgO: PPLN的极化周期呈阶跃式分布,必须结合温度调谐才能实现连续调谐输出,这大大增加了系统的复杂性。而扇形MgO: PPLN(Fan-out MgO: PPLN)具有极化周期连续变化的特点,仅通过平移晶体位置便能实现输出光的连续调谐,此方法在需要快速实现调谐激光输出时尤为重要。B. Xiong等利用调Q Nd: YVO4激光器作为泵浦源,结合扇形MgO: PPLN实现了0.36 W的4.58 μm中红外激光输出,光光转换效率为2.67%,调谐范围为3.78~4.62 μm[13];D.B. Kolker等利用调Q Nd: YVO4激光器泵浦扇形MgO: PPLN,获得了2.6~4.2 μm的调谐激光输出,在3 μm处获得了0.206 W的最高功率输出,对应的光光转换效率为12.3%[14];In-Ho Bae等基于扇形MgO: PPLN实现了2.5~3.6 μm的连续波中红外激光输出,在1.1 W的泵浦条件下,在3.5 μm处获得了最高功率为64 mW的输出,光光转化效率为5.8%[15];E Erushin等将扇形MgO: PPLN-OPO与可调谐连续波注入种子相结合,实现了3.1~3.4 μm的调谐激光输出,最大的光光转换效率为6.15%[16]

      文中采用1064 nm高重频纳秒调Q激光器作为泵浦源,扇形MgO: PPLN作为非线性晶体。为了提高转换效率,采用简单紧凑的双通单谐振直腔结构,通过调节晶体周期实现了3.17~4.09 μm的中红外高效率宽调谐激光输出。当泵浦功率为4.68 W时,3.4 μm的闲频光输出功率可达0.833 W,对应的光光转换效率为17.8%。文中所设计的架构为制造小型化高功率、高效率、宽调谐中红外激光器提供了可行的技术方案。

    • 实验装置如图1所示。采用高重复频率Canlas调Q激光器(中心波长1064 nm、脉宽10 ns、重频可调)作为OPO的泵浦源。反射镜M1和M2呈45°角放置,用于将泵浦光准直后入射至OPO。准直泵浦光经半波片1(HWP-1)和偏振分束器(PBS)后通过隔离器(ISO)。隔离器能有效防止泵浦光反射回激光器,避免激光器的损坏。HWP-1和PBS构成光功率控制器,可以控制注入谐振腔的泵浦功率大小。泵浦光经过半波片2(HWP-2)后,偏振方向变为竖直方向,以满足MgO: PPLN的0型(e-ee)准相位匹配,提高非线性转换效率。焦距为200 mm的聚焦透镜(L)将泵浦光聚焦后入射到OPO谐振腔中,束腰位于MgO: PPLN晶体的中心。

      图  1  实验装置示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of experimental setup

      扇形结构的MgO: PPLN晶体(CTL Photonics)尺寸为40 mm×10 mm×1 mm (长×宽×高),MgO掺杂浓度为5 mol%,极化周期为27.7~32.4 μm。晶体两端面均镀有基频光、信号光及闲频光的增透膜(R≤ 2%@1020~1080 nm & 1200~1900 nm,R≤5%@2500~5000 nm)。晶体放置在温控炉中,工作温度设定在室温(25 ℃),温控精度为± 0.1 ℃。

      OPO谐振腔由平凹镜M3和平面镜M4构成。M3的曲率半径为100 mm,表面镀有1064 nm基频光高透、1200~1 900 nm信号光和2500~5000 nm闲频光高反的介质膜。M4镀有1064 nm基频光高反、1200~1 900 nm信号光部分透过(T=2%)和2500~5000 nm闲频光高透的介质膜。

      M5为长通滤波片,截止波长为1200 nm,用于将基频光与信号光和闲频光分离。信号光和闲频光通过锗窗口片M6进行分束。

    • 当入射泵浦光平均功率达到4.7 W时,在实验过程中观察到晶体产生了极强的绿色荧光及少数亮斑,笔者认为这是由于MgO: PPLN晶体内部随机分布的缺陷或杂质造成的。因此,为了避免损坏晶体,实验中保持最高泵浦功率在4.7 W以下。在泵浦光重复频率分别为10 kHz、20 kHz及30 kHz的情况下,对信号光及闲频光的功率输出特性进行了研究,实验结果如图2所示。实验结果表明,随着泵浦光重频的增加,OPO的振荡阈值不断提高,3个重频对应的阈值分别为0.4 W、1 W及1.6 W。这是由于在较低的重频下,泵浦光的单脉冲能量更高,腔内的增益更强从而降低了振荡阈值。在泵浦光功率为4.68 W,重频为10 kHz的条件下,得到了最大平均功率为0.833 W的3.4 μm中红外激光输出,对应的最大光光转换效率为17.8%。

      图  2  不同重复频率下(a)信号光和(b)闲频光输出功率随泵浦功率的变化关系(MgO: PPLN: 30.47 μm)

      Figure 2.  (a) Signal and (b) idler output power as a function of pump power for different repetition frequencies (MgO: PPLN: 30.47 μm)

      通过横向移动晶体可以改变晶体的极化周期,以实现调谐输出。在最佳的泵浦条件下,对信号光及闲频光的调谐范围进行了研究。图3给出了输出光的调谐范围,利用红外光谱仪(Thorlabs OSA-205C)对输出波长进行了测试,并对实验数据进行了归一化处理。实验结果表明,在晶体极化周期为31.05~28.8 μm的调节范围内,获得了信号光波长为1440.7~1607.0 nm和闲频光波长为3171.1~4088.1 nm的调谐激光输出。

      图  3  输出波长调谐范围。(a)信号光;(b)闲频光

      Figure 3.  Tuning range of output wavelength. (a) Signal; (b) Idler

      根据Dieter H. Jundt提供的Sellmeier方程[17],对周期调谐情况下的理论波长进行了计算。图4所示为晶体固定在室温(25 ℃)的情况下,所得理论输出波长调谐曲线与实际测量所得波长数据。实验结果表明,实验中所测数据与理论结果较为吻合。

      图  4  输出波长调谐曲线(T=25 ℃)

      Figure 4.  Output wavelength tuning curve(T=25 ℃)

      由于受到探测器响应范围的限制,实验中仅对泵浦光及信号光的时域特性进行了测试,实验结果如图5所示。实验结果表明,泵浦光的脉宽约为10.9 ns,信号光的脉宽约为8.1 ns,可以看出信号光的脉宽比泵浦光的脉宽略窄,这是由于泵浦光的振荡阈值作用导致的。

      图  5  (a)泵浦光和(b)信号光的脉冲波形图(MgO: PPLN: 30.47 μm)

      Figure 5.  Pulse profile of (a) pump and (b) signal (MgO: PPLN: 30.47 μm)

    • 文中利用纳秒量级、重复频率可调的1064 nm调Q激光器作为泵浦源,极化周期为27.7~32.4 μm的扇形MgO: PPLN作为非线性晶体,设计了一种高功率、高效率、宽调谐、窄脉宽单谐振光学参量振荡器。在泵浦激光重频分别为10、20、30 kHz时,测得OPO振荡阈值分别为0.4 W、1 W及1.6 W。当泵浦功率为4.68 W,重频为10 kHz时,获得了最大输出功率为0.833 W的3.4 μm中红外激光输出,对应的最大光光转换效率为17.8%。通过改变MgO: PPLN晶体的极化周期,实现了信号光波长为1440.7~1607.0 nm和闲频光波长为3171.1~4088.1 nm的调谐激光输出,实验所测波长调谐数据与理论值吻合较好。在泵浦光脉宽约为10.9 ns的情况下,得到的信号光脉宽约为8.1 ns。在文中的工作基础上,利用尺寸更大、光学质量更好的扇形MgO: PPLN晶体,有望实现超过瓦量级的宽调谐中红外激光输出,为实现紧凑型高功率、高效率、宽调谐中红外激光器光源提供了一种可行方案。

参考文献 (17)

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