温度调谐的周期极化掺氧化镁铌酸锂振荡器

夏林中，苏 红，管明祥，范金坪，李世国，张春晓

1)深圳信息职业技术学院电子通信技术系，深圳518029;2)深圳大学电子科学与技术学院，深圳市激光工程重点实验室，深圳518060

周期极化铌酸锂晶体 (periodically poled lithium niobate，PPLN)因其具有非线性系数(d33)大、易生长、价格便宜、物化性能稳定、不易潮解和透光范围宽 (0.28～5.50 μm)等优点，被广泛用于产生高相干可见光、红外及太赫兹波段的激光.但它也存在易发生光折变效应、激光损伤阈值低及极化电压过大等缺点［1-2］.为此，近年掺MgO的PPLN晶体 (PPMgLN)研究颇受关注［3-7］，这种掺杂晶体可有效克服光折变效应，提高激光损伤阈值，大幅度降低晶体的极化电压 (如:MgO的掺杂浓度为5%时，极化电压可降至4.5 kV/mm).2010年，彭跃峰等［8］报道了62 W高效率PPMgLN光参量振荡红外激光器，输出激光波长为3.84 μm;Grob P等［9］报道了基于 MgO∶PPLN 频率控制的 1.163 μm的单谐振光参量振荡器;檀慧明等［10］报道基于PPMgLN的中红外全固态可调谐光学参量振荡器，实现闲频光3.13～4.20 μm的中红外宽带可调谐连续和脉冲激光输出.

本实验使用极化周期为30.5 μm，MgO掺杂摩尔分数为5%的PPLN晶体.以输出波长为1.064 μm的声光调Q Nd∶YAG激光器作为抽运源，设计谐振腔使其对产生的信号光单谐振.当温度在40～200℃变化时，可获得3.100～3.398 μm 连续调谐的闲频光输出.在谐振腔中还观察到一些非信号光和闲频光的激光输出，理论分析了其产生原因.

1 实验

图1为实验装置示意图，实验所用的抽运源是输出波长1.064 μm，脉宽150 ns，重复频率10 kHz的声光调Q Nd∶YAG激光器.为取PPMgLN晶体的最大非线性系数方向，在泵浦源后增加一块冰洲石偏振棱镜，使偏振方向与PPMgLN晶体的最大非线性系数方向相同的泵浦光 (e光)通过偏振棱镜，再由耦合系统F将泵浦光整形、聚焦到PPMgLN晶体.测得通过冰洲石偏振棱镜后的最大泵浦功率为6.5 W.耦合系统F的焦距为100 mm，经F后泵浦光最小光斑直径为110 μm，耦合效率高于95%.PPMgLN晶体放置在一个控温盒内，将其温度控制在40～200℃，控制精度为0.1℃.图1中M1和M2分别为输入腔镜和输出腔镜，其参数如表1.控温炉长70 mm，并考虑到腔镜架的厚度，最终确定将腔长设计为100 mm，两腔镜的曲率半径设置为100 mm.PPMgLN晶体的极化周期为30.5 μm，厚度为1 mm，长为50 mm.其两端面所镀增透膜对波长1.064 μm的激光，反射率 R＜2%;对波长1.4 ～2.0 μm，R ＜1.5%.

图1 PPMgLN-OPO实验装置图Fig.1 The experimental setup of the PPMgLN-OPO

表1 腔镜M1和M2参数Table 1 Parameters of M1and M2

由于设计的谐振腔对信号光单谐振，故输出腔镜输出的绝大部分激光为闲频光.在输出腔镜后放置一块滤波镜片对输出激光进行过滤，最后可得到较纯净的闲频光输出.所用滤波镜片对波长2.5～5.0 μm 激光的透射率 T ＞ 90%，对波长 1.064 μm以及1.4 ～2.0 μm 激光的反射率 R ＞98%.

2 结果及讨论

将PPMgLN晶体的温度控制在40～200℃时，根据动量守恒定律和能量守恒定律［10-13］可得，输出闲频光的调谐范围为3.062～3.402 μm;但实测调谐范围为3.100 ～3.398 μm，如图2.从图 2 可见，理论值与实际值在低温时基本相符.当温度升高时，由于晶体受热不均匀，导致计算值与实测值偏差有所加大.克服此问题的主要方法是更加均匀地控制晶体温度.

图2 闲频光波长与晶体温度间的关系Fig.2 The wavelength of the idler versus the temperature of the crystal

温度为60℃时，测得信号光波长为1.568 μm，脉冲宽度为70 ns.由于所用光谱仪及测量方法精度的原因，并不能准确测出激光谱线宽度.由动量守恒定律和能量守恒定律可算出输出闲频光波长λ闲频光=3.365 μm.在泵浦功率 P泵浦=3.7 W 时，由功率计(SOLOPE-AC)测得此时闲频光输出功率P闲频光=1 W，泵浦光-闲频光转换效率达到27%，阈值为84 mW，如图3.同时测得在连续工作30 min内，OPO的闲频光输出功率稳定度绝对值小于3.5%，如图4.当P泵浦=2.2 W时，随温度不同闲频光的输出功率有较小的起伏变化，这主要是由于两腔镜镀膜不均匀导致的，同时PPMgLN晶体对不同波长激光的吸收系数不同，也会引起输出功率的起伏.

图3 温度为60℃时泵浦功率与闲频光输出功率间的关系Fig.3 The pump power versus the output power of the idler when the temperature of PPMgLN crystal is 60℃

图4 泵浦功率2.2 W时闲频光输出功率随温度的变化Fig.4 The output power of the idler versus the different temperature when the pump power is 2.2 W

实验不仅观察到信号光和闲频光的产生，同时也观察到一些其他波长激光的产生.为分析这些非信号光和闲频光激光的成份及产生原因，实验中将晶体温度控制在90℃，在从输出腔镜后加一个1.064 μm的高反镜片，通过光谱仪记录振荡器的输出光谱，如图5.由图5可知，振荡器产生的激光波长分别有 0.633、0.784、0.805 和 1.568 μm.其中1.568 μm的激光就是信号光，由此推得闲频光波长为 3.31 μm.

图5 90℃时激光器谐振腔输出光谱图Fig.5 The spectrum of the laser output from the oscillator when the temperature is 90℃

由于所用的周期极化晶体是正负畴对称的，其正负畴占空比为1∶1，因此描述该周期极化晶体的有效非线性系数及准相位失配因子的公式为:

其中，deff为有效非线性极化系数;de为无空间调制时晶体的有效非线性系数;m为准相位匹配阶数;km为周期波矢 (此时与晶体通光方向相同，用标量表示);ΔkQ为准相位失配因子;Δk为相位失配因子;Λ为极化周期，z为光波沿晶体Z轴的传播距离.由式(1)～(3)可算出此时参量振荡激光的准相位匹配阶数m=1，准相位失配因子ΔkQ=－0.005 7，相位失配几乎为0.同理推得波长为0.633 μm的激光是由信号光与泵浦光和频产生的，此时其准相位匹配阶数m=3，准相位失配因子ΔkQ=－0.013 7;波长为0.784 μm的激光是由信号光倍频产生的，其准相位匹配阶数m=1，准相位失配因子ΔkQ=0.015;波长为0.805 μm的激光是由闲频光与泵浦光和频产生的，其准相位匹配阶数m=1，准相位失配因子 ΔkQ=0.009.

从图5可观察到各波长激光的强度差别较大，其从大到小依次为 0.784、1.568、0.633 及 0.805 μm.由于谐振腔是信号光单谐振的，故谐振腔内信号光的强度非常高，而闲频光强度较信号光要弱很多，导致闲频光与泵浦光和频产生的0.805 μm的激光强度要比信号光倍频产生的0.784 μm的激光，及信号光与泵浦光和频产生的0.633 μm的激光要弱很多.又因为信号光倍频在谐振腔内是1阶准相位匹配，而信号光与泵浦光在谐振腔内的和频是3阶准相位匹配，所以信号光倍频产生0.784 μm激光的强度要高于信号光与泵浦光和频产生的0.633 μm激光.虽然谐振腔内信号光强度非常高，但由于输出腔镜对该波长信号光的反射率达到99.8%，故能从输出腔镜输出的信号光就非常弱，也正因为如此，光谱图中信号光强度要弱于其倍频光强度.

图6是实验所拍谐振腔实物图.实验中肉眼可观察到绿光的出现，但图5中未发现绿光光谱，由于绿光波长范围为0.50～0.57 μm，这说明是受所用光谱仪的测量范围 (0.60～1.75 μm)所限，导致绿光光谱无法测到.同样，根据能量守恒与动量守恒定律可推得，在该谐振腔内泵浦光倍频的准相位匹配阶数m=5，相位失配ΔkQ=-0.005 8，从而估算出该绿光是由泵浦光倍频产生的.

图6 谐振腔实物图Fig.6 The photo of the resonator

结 语

本研究报道了以输出波长为1.064 μm的声光调Q Nd∶YAG激光器作为抽运源，在极化周期为30.5 μm，MgO的掺杂摩尔分数为5%的 PPMgLN晶体上实现闲频光从3.100～3.398 μm之间连续调谐输出.晶体温度为60℃，泵浦功率为3.7 W时，获得输出功率近1 W的3.365 μm闲频光输出，泵浦光-闲频光转换效率达到27%.同时，理论分析了谐振腔中几种非信号光和闲频光的产生原因，结果表明，这些激光分别是由信号光倍频、泵浦光与信号光和频及泵浦光与闲频光和频产生的.

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