第 41 卷第 7 期激光与红外 Vol.41,No.7 2011 年 7 月 LASER & INFRARED July,2011 文章编号 :1001 5078(2011)07 0742 05 激光应用技术 中红外脉冲 KTA 光参量振荡器实验研究 张伟, 万勇, 陈鸿鸣, 吴振宇, 王滨, 牛瑞华, 李燕凌 ( 西南技术物理研究所, 四川成都 610041) 摘要 : 对 3~5m 中红外脉冲 KTA 光参量振荡器 (KTA OPO) 进行了理论及实验研究, 对影响转换效率的因素进行了深入分析和系统优化 采用单灯双棒 电光调 Q 的 1.064mNd YAG 激光器非共线泵浦外腔非临界相位匹配 (NCPM)KTA OPO, 当重复频率 1~25Hz 泵浦能量 120mJ 时, 获得波长 3.475μm 单脉冲能量 >17mJ 的闲频光输出, 最大光光转换效率为 14.3% 关键词 :3~5μm 中红外激光 ; 非线性光学 ; 光参量振荡器 ;KTA 晶体中图分类号 :TN244 文献标识码 :A DOI:10.3969/j.isn.1001 5078.2011.07.007 Experimentalstudyonmid infraredkta opticalparametricoscilator ZHANGWei,WANYong,CHENHong ming,wuzhen yu WANGBin,NIURui hua,liyan ling (SouthwestInstituteofTechnicalPhysics,Chengdu610041,China) Abstract:Mid infrared3~5μmktaopticalparametricoscilator(kta OPO)isanalyzedtheoreticalyandstudied experimentaly,thefactorsimpactingtheconversioneficiencyareanalyzeddeeplyandoptimizedsystematicaly.inour experiments,anexternalcavityandnon criticalyphase matched(ncpm)kta OPOnoncolinear1.064μmNd YAG laserisemployed.itisofanelectro opticq switchedsingle lampdoublerodstructure.withtherepetitionfrequency of1~25hzandthepumpenergyof120mj,theidleroutputpulseenergyashighas17mjisobtainedforthe3.475 μmwavelength,andthehighestoptical opticalconversioneficiencyisupto14.3%. Keywords:nonlinearoptics;opticalparametricoscilator;3~5μmmid infraredlaser;ktacrystal 1 引言 3~5μm 中红外光参量振荡 (opticalparametric scilator,opo) 具有调谐范围宽 输出线宽窄 功率高 全固态等特点, 一直是国内外研究的热点 [1-5] 采用非线性光学材料, 如 BBO,KTP,LBO,ZnGeP 2 等, 通过 OPO 技术, 能获得 3~5μm 中红外激光输出, 但由于这些材料在 3~5μm 范围内的透过率差或光损伤阈值低等原因, 限制了它们的使用 而具有较大透光范围和较高损伤阈值的 KTA( 砷酸钛氧钾,KTiOAsO 4 ) 非线性材料则被大量应用 [6-7] KTA 晶体属于 mm 2 类, 是正双轴晶体, 具有损伤阈值高 (>600mW/cm 2 ), 非线性系数大 (d 24 = 3.43pm/V), 物化性能稳定, 生长技术较成熟等优点 ; 其透光范围为 0.35~5.3μm, 在 3~4μm 处透过率接近 100%, 避免了 KTP 晶体在 3.4μm 附近的吸收峰问题 ; 在 1~4μm 范围内吸收系数 a< 0.01cm -1, 热传导系数高, 因而在泵浦功率较高时 作者简介 : 张伟 (1985-), 男, 在读硕士研究生, 主要从事非线性光学方面的研究 E mail:zhangwei3017@yahoo.com.cn 收稿日期 :2010 12 22; 修订日期 :2011 02 21
激光与红外 No.7 2011 张伟等中红外脉冲 KTA 光参量振荡器实验研究 743 不会产生明显的热透镜效应 本文采用非共线泵浦外腔结构 [8], 研究了 Nd YAG 激光非共线泵浦 KTA OPO 的输出特性, 对影响转换效率的因素进行实验研究, 通过系统优化设计, 获得了较高的转换效率 2 KTA OPO 的理论分析 2.1 KTA OPO 的相位匹配技术 光学参量振荡器是利用非线性晶体的混频特性实现光学频率变换的器件 KTA 晶体属于正双轴晶体, 对于光参量振荡器三波互作用而言, 应同时满足动量守恒和能量守恒 : n p λ p = n s λ s + n i λ i (1) 1 = 1 + 1 (2) λ p λ s λ i 其中,λ p,λ s,λ i 分别为泵浦光 信号光及闲频光的波长 ;n p,n s,n i 为相应波长的折射率 在双轴晶体中, 沿任意方向传播的单色平面波, 其折射率曲面方程为 : (sinθcosφ) 2 x + (sinθsinφ)2 y + (cosφ)2 =0 (3) z 其中,θ,φ 为波矢的传播方向 ;n 为光波的折射率 ; n x,n y,n z 为对应光波在晶体中的主折射率 ; 对于 [9] KTA 晶体其折射率 Selmeier 方程为 : n 2 x=1.90713+ 1.23522 1-(0.19692/λ) 2-0.1025λ2 (4) n 2 y=2.15912+ 1.00099 1-(0.21844/λ) 2-0.01096λ2 (5) n 2 z=2.14786+ 1.29559 1-(0.22719/λ) 2-0.01436λ2 (6) 对应的折射率曲线如图 1 所示, 由图可知, 在 3~5μm 波长范围内,KTA 晶体主折射率之间相差很大, 因而理论上可以在这一波段范围内找到相应的相位匹配角 对于 KTA 晶体, 由于 Ⅰ 类相位匹配时, 其有效非线性系数为零, 所以一般采用 Ⅱ 类相位 [10] 匹配, 由相位匹配关系得到对应的 KTAⅡ 类相位匹配曲线如图 2 所示, 由图可知, 为得到 3~5μm 波段的中红外,KTAⅡ 类相位匹配存在合适的相位匹配角, 因而从理论上证明了 KTA 晶体作为光参量振荡器的非线性材料产生 3~5μm 中红外激光方案的可行性 wavelength/nm 图 1 KTA 晶体的色散曲线 Fig.1 therefractivecurveofktacrystal phasematchingangleθ/( ) 图 2 KTA OPOⅡ 类相位匹配曲线 Fig.2 typeⅡ phase matchingcurveofkta OPO 2.2 KTA OPO 特性参数分析由参考文献 [11] 知, 对于 KTA OPOⅡ 类相位匹配的有效非线性系数为 : d ef =d 24 sinθ (7) 其中,d 24 =3.43pm/V, 对应的曲线如图 3 所示 由图可知, 在 θ 角为 0 ~90 范围内, 随着 θ 角的增大, 有效非线性系数 d ef 也不断地增大, 并且在 θ=90 时达到最大, 其值为 3.43pm/V phasematchingangleθ/( ) 图 3 KTA OPOⅡ 类相位匹配的有效非线性系数曲线 Fig.3 typeⅡphase matchingeficientnonlinear indexdefcurveofkta OPO 当 KTA OPO 进行 Ⅱ 类相位匹配时, 其相应的走离角及允许角曲线如图 4 所示 很明显, 当相位匹
744 激光与红外第 41 卷 配角 θ 在 85 以下时, 其 OPO 的接受角不大, 而之后随 θ 的增大而迅速增大, 在 θ=90 时达到最大 ;OPO 的走离角随着 θ 的增大而减小, 在 θ=90 时达到最小, 其值为零 而对于 OPO 而言, 为了获得尽可能高的转换效率, 要求有效非线性系数和允许角尽量大, 走离角尽量小, 因此, 我们选择相位匹配角 θ= 90, 即非临界相位匹配 (NCPM,θ=90,φ=0 ), 在这一相位匹配条件下, 有效非线性系数达到最大, 允许角也最大, 同时也消除了走离效应 1.064μm 和 1.4~1.6μm HR 对 3~5μm AR 的介质膜, 由此可知,OPO 只对信号光形成振荡, 即单谐振光参量振荡器 (SRO OPO), 且泵浦光双程通过 KTA 晶体, 从而有利于减少 OPO 起振阈值 [12] M5 为一锗片, 其对 2μm 以下波长的光进行截止, 以消除 2μm 以下波长的光对输出能量的影响, 而对 3.475μm 波长透过率为 48% θ/( ) (a) 允许角随 θ 的变化曲线 θ/( ) (b) 走离角随 θ 的变化曲线图 4 KTA OPO 允许角和走离角随相位匹配角 θ 的变化曲线 Fig.4 phase matchingacceptedanglevsθ (a)andwalkofvsθ(b)curveofkta OPO 3 KTA OPO 实验装置实验装置如图 5 所示,KTA OPO 的泵浦源为一单灯双棒 电光调 Q 的 Nd YAG 激光器, 两根水冷 Nd YAG 激光棒分别作为 1.064μm 激光器的振荡级与放大级, 对应直径分别为 5mm 和 5.5mm 平面镜 M1 与 M2 构成 1.064μm Nd YAG 激光谐振腔,M1 为 1.064μm 的全反镜,M2 为 1.064μm 输出镜 KTA OPO 腔内包括一个 Ⅱ 类非临界相位匹配 () 规格为 7mm 7mm 20mm 的 KTA 晶体, 其通光面镀有对 1.064μm,1.4~1.6μm 和 3~ 5μm 的抗反 (AR) 膜 OPO 的输入镜 M3 镀有对 1.064μm 高透 (HT) 对 1.4~1.6μm 与 3~5μm 高反 (HR) 的介质膜 OPO 输出耦合镜 M4 镀有对 图 5 KTA OPO 实验结构图 Fig.5 experimentalsetupofkta OPO 为了避免 OPO 输出耦合镜 M4 对 1.064μm 高反, 使 1.064μm 泵浦光返回泵浦激光谐振腔内, 影响泵浦激光器输出特性, 因此, 在实验装置中采用了非共线泵浦方式, 由参考文献 [8] 知 : 非共线泵浦会使阈值增加, 转换效率下降, 但在非共线角度较小 ( 1 ) 时, 影响很小 4 KTA OPO 输出特性及结果分析使用 WDG30 光栅单色仪和 PVI-5 型红外探测器对 KTA OPO 输出波长进行探测, 测得 KTA OPO 输出的闲频光波长为 3.475μm 实验中, 对所有输出的能量都采用 EPM2000 能量 / 功率计进行测量, 为分析影响转换效率的参数因子, 分别对以下几个参数进行了实验 (1) 腔长对转换效率的影响在重频 1Hz, 脉冲泵浦能量都相同的条件下, KTA OPO 闲频光输出能量随腔长的变化曲线如图 6 所示 由图 6 可知, 在允许的腔长范围内, 随着 OPO 腔长的缩短,KTA OPO 的起振阈值降低 [12], 输出闲频光能量升高, 转换效率逐渐提高 thelengthofkta OPOcavity/mm 图 6 闲频光输出随 KTA OPO 腔长的变化 Fig.6 idleroutputenergyversusthelengthofkta OPOcavity
激光与红外 No.7 2011 张伟等中红外脉冲 KTA 光参量振荡器实验研究 745 (2) 泵浦源功率密度 泵浦腔与 OPO 腔之间距离对转换效率的影响图 7 为闲频光输出随泵浦腔与 OPO 腔之间距离的变化关系图 由图可知, 在重频 1Hz, 脉冲泵浦能量都相同的条件下, 由于泵浦光束光腰的存在, 泵浦腔与 OPO 腔之间存在一个最佳距离, 在此位置处, 输出能量最大 ; 在 OPO 起振范围内, 随着泵浦功率密度的增加,OPO 的输出也增加, 因而转换效率也提高 但是泵浦功率密度过高, 会对 OPO 腔镜膜层及 KTA 晶体有所损伤, 因此实验中应同时兼顾转换效率 膜层及晶体的损伤, 选择最佳的泵浦功率密度 thedistantbetweenpumpcavityandkta OPOcavity/cm 图 7 闲频光输出能量随泵浦腔与 KTA OPO 腔之间距离的变化 Fig.7 Idleroutputenergyversusthedistantbetween pumpandkta OPOcavity (3) 工作频率对转换效率的影响由图 8 可知, 当灯压一定时, 泵浦能量与 OPO 输出都随工作频率的变化而变化, 当工作频率为 1Hz 时, 泵浦平均能量为 133mJ, 而 OPO 输出的闲频光能量为 17.4mJ, 转换效率 13%; 当工作频率为 25Hz 时, 泵浦平均能量为 114.8mJ, 输出的闲频光平均能量为 13.12mJ, 转换效率 11.4% 由此可见, 灯压一定, 当工作频率增加时, 由于泵浦源的热透镜效应, 单脉冲泵浦能量下降, 泵浦光光束质量变差, 以致转换效率有所下降 (b) 闲频光输出随工作频率的变化图 8 KTA OPO 泵浦光与输出的闲频光随工作频率的变化 Fig.8 pumpoutputversusrepetitionrate(a) andidleroutputversusrepetitionrate(b) 总结以上可知, 影响转换效率的因素有 :1OPO 腔长 : 虽然 OPO 腔长越短, 输出的能量越大, 转换效率越高, 但 OPO 腔长越短, 输出中红外激光的光束质量越差 [13], 因此应同时兼顾光束质量与转换效率, 选择一最佳的 OPO 腔长 ;2 泵浦源的功率密度 : 由于 KTA OPO 起振阈值及 KTA 晶体损伤阈值的存在, 泵浦功率密度并不是越高越好, 而是在起振阈值与损伤阈值之间存在一个最佳范围 ;3 泵浦腔与 OPO 腔之间的距离 : 由于泵浦光光腰的存在,OPO 腔与泵浦腔之间存在一个最佳距离, 当 KTA OPO 处在泵浦光腰处时, 转换效率达到最高 同时, 实验中为了避免 OPO 腔镜膜及 KTA 晶体的损伤, 应保证泵浦光源的光束质量 最终通过优化各影响因子进行实验, 在 25Hz 下, 当泵浦能量为 120mJ 时, 在 M5 后测得闲频光输出如图 9 所示 (a) 泵浦输出随工作频率的变化 图 9 25HzKTA OPO 闲频光脉冲输出 Fig.9 25HzKTA OPOIdlerpulseoutput 由图可知,OPO 平均输出 3.475μm 闲频光能量为 17mJ( 由 M5 后实测能量折并到 M5 前 ), 对应的转换效率为 14.3%, 明显提高了转换效率 最后用示波器观测了闲频光的输出波形, 如图 10 所示, 对应的脉冲宽度约为 8.5ns
746 激光与红外第 41 卷 图 10 KTA OPO 输出闲频光的波形 Fig.10 theidlercurveofkta OPO 5 结论对 3~5μm 中红外脉冲 KTA OPO 光参量振荡器进行较为深入 系统的实验研究, 通过实验对影响转换效率的参数进行分析及优化 以单灯双棒 电光调 Q 的 Nd YAG 激光非共线泵浦外腔的非临界相位匹配的 KTA OPO 技术为主开展实验, 当泵浦能量为 120mJ 时, 获得波长为 3.475μm 的中红外闲频激光输出, 单脉冲能量 17mJ, 转换效率 14.3% 上述工作为今后 KTA OPO 的进一步设计优化提供了参考依据 参考文献 : [1] GaryR Holtom,RobertA Crowel,etal.Femtosecond OPOSat3microsandbeyoNd designandperformance isuesrelatedtothecrystalpropertiesofktpandsimilar materials[j].spie,2010,2379:219. [2] ZhongKai,LiJiansong,CUIHaixia,etal.Lowthreshold andhighconversioneficiencynanosecondmid infrared KTA OPO,Chinese.Phys,2009,26:124213-1 - 124213-4. [3] DanielCreeden,PeterAKeteridge,PeterABudni,etal. Mid infrared ZnGeP 2 parametric oscilator directly pumpedbyapulsed2_mtm dopedfiberlaser[j].op ticsleters,2008,33(4):315-317. [4] XingbaoZhang,BaoquanYao,YuezhuWang,etal.Mid dle infraredintracavityperiodicalypoledmgo LiNbO 3 opticalparametricoscilator[j].chineseopticsleters, 2007,5(7):426-427. [5] LiChun,AnYuying,ZengXiaodong,etal.Theoreticalde signof3~5μm angle tunedlinbo 3 opticalparametric oscilator[j].laser&infrared,2001,31(6):348-350. (inchinese) 李春, 安毓英, 曾小东, 等.3~5μm 角度调谐 LiNbO 3 光参量振荡器的理论分析 [J]. 激光与红外,2001,31(6):348-350. [6] MarkSWebb,PeterFMoulton,JeffreyJKasinski,etal. High average powerktioaso 4 opticalparametricoscila tor[j].opticsleters,1998,23(15):1161-1163. [7] SDas.Line tunablesinglyresonantopticalparametricos cilatorin mid infrared spectralrangebased on KTA Crystal[J].IEEE,2009,45(9):1100-1105. [8] LuiYanwei,GongMali,ZhaiGang,etal.KTPopticalpar ametricoscilatorwithnoncolinearpump[j].actaoptica Shinica,1998,18(4):398-402.(inChinese) 刘彦巍, 巩马理, 翟刚, 等. 非共线泵浦的 KTP 光参量振荡器 [J]. 光学学报,1998,18(4):398-402. [9] KKato.Second harmonicandsum frequencygeneration inktioaso 4 [J].IEEEJournalofQuantumElectronics, 1994,30(4):881-883. [10] YaoJianquan.Nonlinearopticalfrequencyconversionand lasertunable technique[m].beijing:science Pres, 1995. [11]PEPowers,SRamakrishna,CLTang,etal.Opticalpara metricoscilationwithktioaso 4 [J].Opt.Let,1993,18 (14):1171-1173. [12] W KishNile.Solidstatelaserengineering[M].Beijing: SciencePres,2001.(inChinese) W 克希耐尔. 固体激光工程 [M]. 北京 : 科学出版社, 2001. [13] RenGang,CaiBangwei,ZhongMing,etal.Theoretical designof3~4μmkta[j].opticalparametricoscila tor,2006,33:222-225.(inchinese) 任刚, 蔡邦维, 钟鸣, 等.3~4μm KTA 光参量振荡器的理论设计 [J]. 中国激光,2006,33:222-225.