周玉霞，艾孜合尔江·阿布力克木，达娜·加山尔，塔西买提·玉苏甫
（**师范大学 物理与电子工程学院 **发光矿物与光功能材料研究重点实验室， 乌鲁木齐 830054）
1.5～1.6 μm波段是重要的人眼安全和大气窗口波段，该波段的光束进入人眼时先被眼球表面吸收，不会到达视网膜，被广泛应用于激光测距、雷达、遥感、通信等多个领域［1-2］。其中1.54 μm波长是人眼安全的一个奇点，该波长的激光器在国防安全等要求严苛的领域具有极大的应用需求［3-5］。3～5 μm波段是重要的大气红外窗口波段，涵盖了大量CH2、NO2等工业污染气体的分子振动吸收峰，许多痕量气体分子在该波段具有非常强的吸收特性和基本的振动带，对于浓度比较低的微量气体元素，可以借助该波段的激光来准确检测分子含量和浓度［6-7］。因此，中红外激光在环境监测、痕量气体追踪、分子光谱学、有机材料加工等领域有着非常重要的应用［8-9］。为满足上述激光在实际生活中的重要应用，国内外多位研究者为此做出极大努力。非线性频率转换技术作为一种非常紧凑高效的频率拓展技术，可以将固体激光器输出的单一波长通过非线性晶体进行倍频（Second Harmonic Generation， SHG）［10］、和频（Sum Frequency Generation， SFG）［11］、光参量放大（Optical parametric Amplification， OPA）［12］、光参量振荡（Optical Parametric Oscillator， OPO）［13］、受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering， SRS）［14］等方式进行转换，是产生多波长、高能量、高光束质量近-中红外激光源的主要方式之一。
非临界相位匹配（Non-Critical Phase Matching， NCPM）的砷酸钛氧钾（KTiOAsO4， KTA）（θ=90°，φ=0°）晶体由于具有较大的非线性系数（d24=3.43 pm/V）和接收角，在非线性频率转换过程中不具有任何走离效应等特性而在研究中广受关注［15］。其极低的温度敏感性和高的损伤阈值（600 MW/cm2）使得KTA晶体可以在高功率激光泵浦下有效运行［16-17］，相对于掺杂MgO周期性铌酸锂（MgO：PPLN）晶体，满足Ⅱ类非临界相位匹配（NCPM）的KTA晶体没有走离效应，并且输出光的光谱带宽窄，光束单色性非常好，是产生近-中红外高能量、高光束质量激光的极佳选择。目前，通过光参量振荡技术产生近-中红外激光的方法逐渐成熟，在实验中已经可以实现较宽波长调谐范围、输出能量和转换效率比较高的近-中红外激光输出［18-19］，但输出光的光束质量仍有待进一步提高。双谐振光参量振荡器起振阈值低，但稳定性较差，而单谐振光参量振荡器稳定性较好，所以中红外激光通常使用单谐振腔型产生。相对于闲频光单谐振的光参量振荡器，信号光单谐振光参量振荡器在实验中具有起振阈值低，输出能量高等优点，但由于产生的闲频光没有谐振、其模式未受到任何腔镜限制就直接输出腔外，导致输出的中红外激光光束质量较差。高光束质量的中红外激光源在超分辨率分子吸收光谱和超越衍射极限的红外吸收显微镜等方面具有非常重要的应用。为了提高输出中红外激光源的光束质量，多位研究者通过闲频光谐振的光参量振荡器来提高中红外激光的光束质量。TIIHONEN M团队在研究基于非共线周期性极化KTP-OPO的信号光谐振与闲频光谐振输出光谱及空间特性差异时，发现闲频光谐振的光参量振荡器具有更大的衍射损耗和角度色散，其输出谐振光的光束质量不仅得到显著的提升，而且光谱带宽也缩至近两倍小［20］。山东大学BAI Fen团队通过腔内泵浦闲频光谐振的KTA-OPO实现了光束质量因子为1.2的中红外激光输出，其总的功率转换效率为5.4%［21］。2018年HE Yang团队通过优化基于闲频光单谐振的MgO：PPLN-OPO的腔型设计，进一步提高了输出中红外光束的转换效率（>14%）和光束质量（M2x≈1.57，M2y≈1.49）［22］。自纳秒级闲频光单谐振光参量振荡器被证明以后，PARSA S团队提出光纤泵浦皮秒光参量振荡器技术，利用同步泵浦MgO：PPLN闲频光谐振腔，在波长调谐范围内得到了平均光束质量因子分别为M2<1.8，M2<1.4的闲频光（4 028～2 198 nm）和信号光（1 446～2 062 nm）［23］；
NANDY B团队通过同步泵浦闲频光单谐振的皮秒光参量振荡器得到M2<2.3的近红外激光输出［24］。可见，闲频光单谐振的光参量振荡器可以有效提高输出中红外激光的光束质量。最近，孟军等结合非临界相位匹配晶体KTA和基于高斯反射晶体的不稳定谐振腔体来有效提高输出近-中红外激光的光束质量，输出中红外闲频光在两个正交方向上的光束质量因子为=11.2，=11.5。相较于稳定谐振腔，非稳腔可以较好的提高输出光的光束质量［25］。
本文基于闲频光单谐振的光参量振荡器，利用腔外泵浦KTA-OPO技术，在中红外波段获得光束质量接近衍射极限的中红外激光（≈1.1，≈1.1）。通过选取合适镀膜参数的闲频光单谐振腔镜、优化腔型设计，极大的提高了近-中红外激光的输出能量。在泵浦光最大能量为20.2 mJ时，输出信号光（1.535 μm）和闲频光（3.468 μm）的最大能量可达2.91 mJ和1.13 mJ，对应斜效率分别为20.9%和8.1%。相对于之前研究者的相关报道，不仅提高了输出中红外激光源的光束质量，而且在近-中红外激光的输出能量中也有了很大的进步。
基于闲频光单谐振的高能量、高光束质量的KTA-OPO的实验装置如图1所示。采用波长为1 μm的传统纳秒闪光灯调Q Nd：YAG固体激光器（Lotis LS-2136， pulse duration：25 ns；
Pulse Repetition Frequency（PRF）：50 Hz；
wavelength：1 064 nm）为泵浦源，其输出光束具有近高斯空间分布。反向隔离器（Isolator）被用来防止反射光过强而损伤激光器。利用焦距f=750 mm的聚焦透镜（Lens）将泵浦光聚焦为1 mm光斑输入到KTA晶体中。非线性介质KTA （θ=90°，φ=0°）的规格为5×5×30 mm3，满足Ⅱ类非临界相位匹配（NCPM），两端面镀有对泵浦光（1.064 μm）、信号光（1.535 μm）和闲频光（3.468 μm）的增透薄膜，使得泵浦光、信号光和闲频光在非线性晶体中具有最高的非线性增益和最小的能量损耗。闲频光单谐振光参量振荡器的腔型设计为稳定半对称腔，输入镜IM（R=500 mm）对泵浦光增透，对信号光（1.4～1.6 μm）和闲频光（3～4 μm）高反射。输出耦合镜OC采用对泵浦光和信号光高透射，对闲频光具有约80%反射率的平面镜，谐振腔总腔长固定为35 mm，建立了一个稳定紧凑的闲频光单谐振半球形对称腔。S滤波片对1.9 μm以下的短波长高反射、对3～5 μm的中红外光波透射率高达95%以上，可以有效保证泵浦光和信号光被反射，而闲频光被提取出来。利用上述实验仪器，搭建稳定紧凑的闲频光单谐振腔，输出高光束质量、高能量的中红外闲频光。
图1 高能量、高光束质量的KTA-OPO的实验装置Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup for the high-energy and high beam quality KTA-OPO
采用常规的电荷耦合照相机（CCD）和高性能热释电相机（Spiricon Pyrocam Ⅲ， spatial resolution：
75 mm）分别测量了泵浦光、信号光和闲频光的空间分布。如图2所示，泵浦光的空间强度分布（a）与输出的信号光（b）和闲频光（c）的空间强度分布图样完全相似，均为近高斯空间分布，而且输出激光的空间强度分布非常均匀。相对于信号光单谐振，由于闲频光具有更大的发散角，在谐振过程中容易产生衍射损耗，故闲频光单谐振的光参量振荡器具有较大的起振阈值和光束能量损耗，在实验过程中对腔镜镀膜的精度参数和光参量振荡器的腔型设计均具有很高的要求［21］。为了提高输出近-中红外激光的能量，本实验选择曲率半径为500 mm的凹面输入镜和平面输出镜来建立半球形对称稳定腔，这样的腔型设计可以有效限制谐振闲频光的模式尺寸。当谐振闲频光被曲率半径为500 mm的凹面输入镜反射到KTA晶体时，其模式尺寸缩小到与泵浦光相近，极大的增加了泵浦光与谐振闲频光在晶体内的模式耦合，进而提高了输出激光的能量和转换效率。
图2 泵浦光、信号光和闲频光的空间强度分布Fig.2 Spatial intensity profile of pump beam， signal beam and idler beam
闲频光单谐振的光参量振荡器由于具有更大的衍射损耗和角度色散，进而限制了输出光束的光谱带宽，使得输出的中红外闲频光具有更窄的光谱带宽和更高的光束质量［20］。基于上述原理及实验数据，利用刀口法测得输出中红外闲频光在两个正交方向上的光束质量分别为≈1.1，≈1.1（图3）。另外，使用高性能扫描单色仪（SpectraPro HRS-500， 300 line/mm， 孔径尺寸50 μm， 光谱分辨率0.3～0.4 nm， 波长范围为1 000～5 000 nm）测量了输出近-中红外信号光和闲频光的激光光谱（图4）。可以发现，中心波长为1 535 nm和3 468 nm的近-中红外激光的半高宽分别为∆λs≈0.36 nm，∆λi≈0.71 nm，相较于信号光单谐振光参量振荡器所得的中红外闲频光光谱带宽（∆λi≈1.7 nm）［13］，光谱带宽被极大的窄化。
图3 中红外闲频光在两个正交方向上的光束质量因子（M2）Fig.3 The beam quality factors （M2） of the mid-infrared idler wave in tow orthogonal directions were measured
图4 输出信号光（1.535 μm）和闲频光（3.468 μm）的光谱，嵌入图表示输出信号光和闲频光的光谱带宽Fig.4 Spectrum of the signal and idler outputs at the wavelength of 1.535 μm and 3.468 μm， respectively.Insets show the spectral bandwidth of the signal and idler outputs
通过上述实验设计，得到输出信号光和闲频光的能量与泵浦能量之间的函数关系，如图5所示。在泵浦光的最大泵浦能量为20.2 mJ时，输出信号光的最大能量是2.9 mJ、闲频光的最大能量为1.1 mJ，对应的信号光和闲频光的斜效率分别为20.9%和8.1%，本文测量了信号光和闲频光的输出能量稳定性，在12 h内的能量稳定性均小于2% rms。可以发现，相对于信号光单谐振的光参量振荡器，闲频光单谐振的光参量振荡器具有更高的起振阈值，对实验光路的设计也具有更高的要求［26］。在谐振腔的设计中选择高精度镀膜参数的腔镜，合理设计谐振腔型有望更进一步提高输出激光的能量和转换效率，减小闲频光在腔内谐振时的损耗，进而降低闲频光单谐振光参量振荡器的起振阈值。
图5 信号光和闲频光输出能量与泵浦光能量之间的函数关系Fig.5 Signal and idler output energy as a function of the pump energy
通过闲频光单谐振KTA-OPO可以得到高光束质量、高能量的近-中红外激光输出。本文由波长为1 μm的纳秒调Q脉冲激光器泵浦一个基于KTA晶体的闲频光单谐振腔得到。通过合理设计腔型、选取高精度参数的谐振腔镜建立了一个稳定紧凑的半球形对称腔，实现了高能量、高光束质量的中红外激光输出。在泵浦光最大的输入能量为20.2 mJ时，输出信号光的最大能量为2.9 mJ、闲频光的最大能量为1.1 mJ，对应的信号光和闲频光的斜率效率分别为20.9%和8.1%，紧凑稳定的半球形对称闲频光单谐振腔可以有效提高输出激光的能量和转换效率。结合闲频光单谐振光参量振荡器能有效提高输出中红外激光的光束质量特性，测量到输出闲频光在两个正交方向上的光束质量分别为M2x≈1.1，M2y≈1.1。高光束质量、高能量的中红外闲频光的产生可以有效促进中红外激光在光谱分析、遥感、痕量气体追踪等多方面的应用。通过合理设计谐振腔型，选取优良光学特性的非线性晶体如MgO：PPLN，可以更近一步拓展高光束质量中红外激光的波段范围，提高中红外激光的输出能量和转换效率。
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