磷化硅镉晶体光学参量振荡角度调谐范围分析

夏士兴，范叶霞，苑利钢

(1．华北光电技术研究所，北京100015;2．固体激光技术重点实验室，北京100015;3．北京雷生强式科技有限责任公司，北京100015)

1 引言

近年来，新型红外非线性光学晶体材料磷化硅镉(CdSiP2，CSP)的出现引起人们的极大关注，该晶体材料系II－IV－V族黄铜矿类三元半导体化合物，其晶格常数a=b=5.68，c=10.431，空间点群为CSP晶体透光范围为0.52～9.5μm;非线性系数d36=84.5 pm/V，是ZnGeP2晶体非线性系数(d36=75 pm/V)的1.13倍;热导率13.6 W/m·K，是AgGaS2晶体热导率(1.4 W/m·K)和AgGaSe2晶体热导率(1.0 W/m·K)的10～15倍;显微硬度930 kg/mm2，便于晶体切割与加工。特别是波长1.064μm Nd:YAG激光器可作为其泵浦源实现6.0～6.5μm波长的激光输出，该波长可广泛应用在外科医疗领域，被认为是非常有前途的新型红外非线性光学材料［1－3］。

在CSP晶体光学参量振荡器研究上，各国学者也集中采用1.064μm Nd离子激光器为泵浦源抽运CSP-OPO晶体获得闲频光6.0μm以上的激光输出，CSP-OPO晶体相位匹配类型多为Ⅰ类匹配，相位匹配角为90°，切割角为45°，谐振腔调谐方式为(e→o+o)［4－8］。近几年来，我国山东大学和四川大学一些科研工作者［9－10］在CSP多晶合成和单晶体生长取得了较大的进展，但在CSP光学参量振荡应用领域的研究还未见报道。本文着重理论分析CSP晶体在不同波长激光泵浦源抽运下CSP晶体的激光输出波长与相位匹配角之间的关系。

2 调谐参数

CSP晶体系负单轴晶体(折射率no＞ne)，相位匹配方式有两类。Ⅰ类谐振腔调谐方式为(e→o+o)，Ⅱ类谐振腔调谐方式为(e→o+e)。

式中，下标p，s，i分别代表抽运光、信号光和闲频光。

根据CSP晶体折射率的色散方程(Sellmeier)计算其晶体折射率［1］。

式中，λ为波长;no，ne为折射率。

CSP晶体空间结构满足Kleinman交换对称性，Ⅰ类匹配有效非线性系数:

当θ=90°，=45°时，Ⅰ类匹配有效非线性系数最大。

Ⅱ类匹配有效非线性系数:

当θ=45°，=0°或90°时，Ⅱ类匹配有效非线性系数最大。

根据负单轴晶体折射率公式，结合CSP晶体的色散方程，可得到CSP晶体Ⅰ类和Ⅱ类两种匹配方式下的角度调谐曲线。本文分别计算了抽运光波长1.064μm、1.55μm、1.98μm、2.05μm和2.50μm时，CSP晶体Ⅰ类和Ⅱ类两种匹配方式下的角度调谐曲线。

3 调谐曲线

图1为抽运波长为1.064μm时，CSP晶体Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配角度调谐曲线。由图1可以看出，CSP晶体Ⅰ类相位匹配角度调谐曲线实现闲频光波长6.0～6.5μm输出，对应的匹配角度约为79.6°～90.0°，相应的信号光波长调谐范围1.27～1.28μm;CSP晶体Ⅱ类相位匹配角度调谐曲线实现闲频光波长7.86～9.06μm输出，对应的匹配角度约为71.1°～88.7°，相应的信号光波长调谐范围1.20～1.23μm。

图1 抽运波长1.064μm CSP晶体Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配角度调谐曲线Fig.1 The typeⅠand typeⅡphase matching angle tuning curve of CdSiP2 with a pump atλp=1．064μm

图2 为抽运波长为1.55μm时，CSP晶体Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配角度调谐曲线。由图2可以看出，CSP晶体Ⅰ类相位匹配角度调谐曲线实现闲频光波长3.0～5.0μm输出，对应的匹配角度约为55.8°～61.2°，相应的信号光波长调谐范围2.24～2.90μm;实现闲频光波长6.0～9.0μm输出，对应的匹配角度约为48.0°～53.1°，相应的信号光波长调谐范围1.87～2.09μm。CSP晶体Ⅱ类相位匹配角度调谐曲线实现闲频光波长6.0～9.0μm输出，对应的匹配角度约为55.1°～69.0°，相应的信号光波长调谐范围1.87～2.09μm。

图3为抽运波长为1.98μm时，CSP晶体Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配角度调谐曲线。由图3可以看出，CSP晶体Ⅰ类相位匹配角度调谐曲线实现波长3.0～5.0μm输出，对应的匹配角度约为46°～47°;实现闲频光波长6.0～9.0μm输出，对应的匹配角度约为44.5°～45.8°，相应的信号光波长调谐范围2.54～2.95μm。CSP晶体Ⅱ类相位匹配角度调谐曲线实现波长3.0～5.0μm输出，对应的匹配角度约为62.8°～90.0°;实现闲频光波长6.0～9.0μm输出，对应的匹配角度约为52.7°～61.7°，相应的信号光波长调谐范围2.54～2.95μm。

图2 抽运波长1.55μm CSP晶体Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配角度调谐曲线Fig.2 The typeⅠand typeⅡphase matching angle tuning curve of CdSiP2 with a pump atλp=1．55μm

图3 抽运波长1.98μm CSP晶体Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配角度调谐曲线Fig.3 The typeⅠand typeⅡphase matching angle tuning curve of CdSiP2 with a pump atλp=1．98μm

图4 为抽运波长为2.05μm时，CSP晶体Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配角度调谐曲线。由图4可以看出，CSP晶体Ⅰ类相位匹配角度调谐曲线实现波长3.0～5.0μm输出，对应的匹配角度约为44.8°～46.1°;实现闲频光波长6.0～9.0μm输出，对应的匹配角度约为44.2°～45.1°，相应的信号光波长调谐范围2.76～3.11μm。CSP晶体Ⅱ类相位匹配角度调谐曲线实现波长3.0～5.0μm输出，对应的匹配角度约为59.0°～90.0°;实现闲频光波长6.0～9.0μm输出，对应的匹配角度约为52.7°～61.3°，相应的信号光波长调谐范围2.65～3.11μm。

图5为抽运波长为2.50μm时，CSP晶体Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配角度调谐曲线。由图5可以看出，CSP晶体Ⅰ类相位匹配角度调谐曲线实现波长3.0～5.0μm输出，对应的匹配角度约为42.6°～49.4°;实现闲频光波长6.0～9.0μm输出，对应的匹配角度约为42.6°～43.7°，相应的信号光波长调谐范围3.46～4.26μm。CSP晶体Ⅱ类相位匹配角度调谐曲线实现信号光波长3.0～5.0μm输出，对应的匹配角度约为54.0°～74.7°，相应的闲频光波长调谐范围5.0 ～9.96μm。实现闲频光波长6.0～9.0μm输出，对应的匹配角度约为54.7°～63.2°，相应的信号光波长调谐范围3.46 ～4.29μm。

图4 抽运波长2.05μm CSP晶体Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配角度调谐曲线Fig.2 The typeⅠand typeⅡphase matching angle tuning curve of CdSiP2 with a pump atλp=0．05μm

图5 抽运波长2.5μm CSP晶体Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配角度调谐曲线Fig.5 The typeⅠand typeⅡphase matching angle tuning curve of CdSiP2 with a pump atλp=2．5μm

4 结论

计算了不同泵浦波长下CSP-OPO晶体Ⅰ类和Ⅱ类相位匹配角度调谐曲线，分析了相应的激光输出波长与相位匹配角之间的对应关系。确定了CSP-OPO晶体的相位匹配方式、调谐范围、调谐角度和晶体的切割角。所得结果为CSPOPO晶体光参变振荡器的实验研究提供了一定的理论参考。

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