中科院研制溫度調(diào)諧ZnGeP?長波紅外光參量振蕩器

光參量振蕩是固體激光器實現(xiàn)可調(diào)諧長波紅外輸出的主要技術手段之一。常用的長波非線性晶體主要有ZnGeP?、CdSe、BaGa?Se?（BGSe）等晶體，而ZGP晶體由于其在非線性系數(shù)和損傷閾值等方面有明顯的優(yōu)勢，已經(jīng)成為長波紅外固體激光器的主要非線性晶體之一。

目前可調(diào)諧ZGP - OPO的研究主要集中在角度調(diào)諧和泵浦波長調(diào)諧，而在ZGP溫度調(diào)諧方面的研究較少。開展ZGP - OPO溫度調(diào)諧特性研究，一方面拓展了長波ZGP - OPO調(diào)諧方式，另一方面也對長波紅外可調(diào)諧固體激光器的工程化具有重要研究意義。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院激光工程中心和中國科學院大學電子電氣與通信工程學院的聯(lián)合科研團隊在《中國光學（中英文）》期刊上發(fā)表了以“溫度調(diào)諧ZnGeP?長波紅外光參量振蕩器”為主題的文章。該文章第一作者為田俊濤，主要從事可調(diào)諧長波紅外固體激光器方面的研究工作；通訊作者為譚榮清研究員，主要從事激光器和激光技術及應用方面的研究工作。

本文研究了ZGP - OPO溫度調(diào)諧特性，通過改變ZGP的工作溫度，實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)諧長波紅外激光輸出。實驗中采用Ho:YAG激光器作為泵浦源，在ZGP相位匹配角為51.3°、51.0°和50.6°條件下，在15~30 °C范圍內(nèi)進行溫度調(diào)諧實驗研究，分別實現(xiàn)閑頻光7.53~7.67 μm、7.85~8.02 μm和8.45~8.77 μm連續(xù)可調(diào)諧激光輸出，總調(diào)諧范圍為1.24 μm。

實驗裝置

ZGP - OPO長波激光器實驗裝置如圖1所示，泵浦源采用聲光調(diào)Q的Ho:YAG激光器，中心波長為2097 nm，光譜寬度為0.65 nm，最大輸出功率為23.03 W，脈沖寬度為21.5 ns，重復頻率為10 kHz，光束質(zhì)量因子小于1.5。泵浦光經(jīng)過焦距為150 mm的透鏡M1聚焦之后，束腰位于ZGP晶體的中心位置，腰斑直徑為0.65 mm。實驗中，ZGP - OPO采用環(huán)形腔結構，諧振方式為信號光單諧振模式，OPO諧振腔由4片平面鏡組成，其中M2、M3和M5為泵浦光2.1 μm高透、信號光2.6 ~ 2.8 μm高反的45°平面鏡，M4為信號光2.6 ~ 2.8 μm的輸出鏡，透過率為18%。諧振腔物理腔長為80 mm。閑頻光和剩余的泵浦光直接從M3鏡輸出。鏡M6為2.1 μm高反、閑頻光7.5~9.5 μm高透45°濾光片，用于過濾剩余的泵浦光，便于測量閑頻光輸出功率。ZGP晶體的切割角為θ=51.5°、φ=0°，ZGP晶體的通光截面為6 × 6 mm2，長度為20 mm。ZGP晶體兩端鍍有2.1、2.6~2.8和7.5 ~ 9.5 μm增透膜。為了便于研究溫度調(diào)諧特性，ZGP晶體由銦箔包裹后置于通水的銅塊中，水溫由水冷機控制，溫度設置范圍為15~30 °C，精度為0.1 °C。

圖1 ZGP - OPO實驗裝置圖

器件性能表征

實驗中，ZGP晶體熱沉固定在旋轉(zhuǎn)電機（調(diào)整精度：25′′）上，通過電機旋轉(zhuǎn)ZGP晶體來改變其相位匹配角，進而研究不同匹配角下的溫度調(diào)諧特性。采用傅里葉變換紅外光譜儀（分辨率：0.125 cm?1）對不同溫度下ZGP - OPO輸出的閑頻光波長進行測量，不同相位匹配角下ZGP - OPO溫度調(diào)諧實驗和理論結果如圖2所示，可以看出，測量得到的閑頻光波長隨溫度的變化與理論計算值符合較好。

圖2 不同匹配角θ下計算的波長調(diào)諧曲線和測量的波長。

（a）51.3°；（b）51.0°；（c）50.6°

由圖2可以看出，ZGP晶體在15 ~ 30 °C溫度變化范圍內(nèi)，當相位匹配角θ為51.3°時，閑頻光波長范圍為7.53 ~ 7.67 μm，調(diào)諧范圍為0.14 μm；當相位匹配角為51.0°時，閑頻光波長范圍為7.85 ~ 8.02 μm，調(diào)諧范圍為0.17 μm；當相位匹配角為50.6°時，閑頻光波長范圍為8.45 ~ 8.77 μm，調(diào)諧范圍為0.32 μm。因此，在51.3° ~ 50.6°范圍內(nèi)，在相同工作溫度下，相位匹配角越小，閑頻光輸出波長越大；而且在相同溫度變化下，相位匹配角越小，對應的調(diào)諧范圍越大。

根據(jù)文獻中的諧振腔補償模型，實驗中，設定51.3°為ZGP晶體的初始位置，當晶體分別旋轉(zhuǎn)到匹配角為51.0°和50.6°時，諧振腔補償量分別為0.21 mm和0.45 mm，實驗中通過諧振腔補償技術得到了較高的閑頻光輸出功率。在泵浦功率為23.03 W時，不同匹配角和溫度下的閑頻光輸出功率如圖3所示。

圖3 不同匹配角和溫度下的輸出功率

可以看出，在7.53 ~ 8.77 μm范圍內(nèi)，閑頻光輸出最小功率為1.503 W，最大功率為1.882 W。閑頻光輸出功率的變化主要由ZGP相位匹配角的變化引起，相位匹配角越小，對應的輸出波長變大，在ZGP晶體內(nèi)的透過率降低，輸出功率越低。在同一相位匹配角條件下，ZGP工作溫度變化對閑頻光輸出功率影響不大。

當閑頻光波長為8.77 μm，在輸出功率為1.503 W時，在出光口處放置焦距為256 mm的平凸透鏡，通過90/10刀口法測量閑頻光通過透鏡后在不同位置處的光斑直徑。通過高斯擬合得到光束質(zhì)量因子M2，如圖4所示，水平方向（x）和豎直方向（y）上的M2值分別為1.46和1.12。圖4中插圖部分是用紅外相機記錄的相應的光斑圖，光束輪廓較好。

圖4 閑頻光8.77 μm的光束質(zhì)量和光斑

如圖5（a）所示，當閑頻光輸出波長為8.77 μm時，ZGP - OPO閑頻光最高輸出功率為1.503 W，斜率效率為12.19%，光光轉(zhuǎn)換效率為6.53%。圖5（a）插圖中是在最高輸出功率點測量的脈沖波形顯示的脈沖寬度為20.0 ns。同時，該閑頻光波長下輸出功率不穩(wěn)定度的測量結果如圖5（b）所示，25 min的功率不穩(wěn)定度（RMS）為1.23%。

圖5 閑頻光8.77 μm的輸出特性。

（a）輸出功率和脈沖波形；（b）功率不穩(wěn)定度

利用傅里葉變換紅外光譜儀測量的不同相位匹配角和溫度下ZGP - OPO閑頻光光譜如圖6所示?？梢钥闯?，閑頻光光譜寬度最小為18.1 nm，最大為118.7 nm。當輸出波長在7.53 ~ 8.02 μm范圍內(nèi)時，閑頻光光譜寬度均在18.1~40.2 nm之內(nèi)，其隨溫度變化不大。但是當輸出波長大于8.45 μm時，閑頻光光譜寬度隨著波長增大而明顯增加，其中8.77 μm處的光譜寬度達到118.7 nm。這是由于ZGP晶體的Ⅰ類相位匹配在9.7 μm附近參量允許線寬值大（角度調(diào)諧曲線斜率絕對值大），其光譜增益寬度達到μm量級，因此當輸出波長在7.53 ~ 8.02 μm范圍內(nèi)時，其增益寬度隨波長變化不大，而當輸出波長在8.45 ~ 8.77 μm范圍內(nèi)時，光譜增益寬度隨著波長增大而明顯增大。

圖6 測量的ZGP - OPO閑頻光光譜圖

結論

本文通過對ZGP - OPO溫度調(diào)諧特性研究，獲得了連續(xù)可調(diào)諧長波紅外激光輸出。采用中心波長為2097 nm的Ho:YAG激光器作為泵浦源，當ZGP相位匹配角為51.3°、51.0°和50.6°時，在15~30 °C范圍內(nèi)開展溫度調(diào)諧特性研究，分別實現(xiàn)閑頻光7.53~7.67 μm、7.85~8.02 μm和8.45~8.77 μm連續(xù)可調(diào)諧長波紅外激光輸出，總調(diào)諧寬度為1.24 μm。在整個調(diào)諧范圍內(nèi)，輸出功率大于1.503 W，當閑頻光波長為8.77 μm時，輸出功率為1.503 W，斜率效率為12.19%，光光轉(zhuǎn)換效率為6.53%，水平方向和豎直方向上的光束質(zhì)量分別為1.46和1.12。研究結果表明ZGP - OPO溫度調(diào)諧是實現(xiàn)可調(diào)諧長波紅外激光的有效手段，并結合角度調(diào)諧實現(xiàn)更寬調(diào)諧范圍的長波紅外激光輸出，為可調(diào)諧長波固體激光器的發(fā)展奠定了基礎。

審核編輯：劉清