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绿光泵浦的黄光波段可调谐窄线宽光学参量振荡器

张鹏泉 项铁铭 史屹君

张鹏泉, 项铁铭, 史屹君. 绿光泵浦的黄光波段可调谐窄线宽光学参量振荡器[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(11): 20200275. doi: 10.3788/IRLA20200275
引用本文: 张鹏泉, 项铁铭, 史屹君. 绿光泵浦的黄光波段可调谐窄线宽光学参量振荡器[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(11): 20200275. doi: 10.3788/IRLA20200275
Zhang Pengquan, Xiang Tieming, Shi Yijun. Green pumped yellow wavelength tunable narrow linewidth optical parametric oscillator[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(11): 20200275. doi: 10.3788/IRLA20200275
Citation: Zhang Pengquan, Xiang Tieming, Shi Yijun. Green pumped yellow wavelength tunable narrow linewidth optical parametric oscillator[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(11): 20200275. doi: 10.3788/IRLA20200275

绿光泵浦的黄光波段可调谐窄线宽光学参量振荡器

doi: 10.3788/IRLA20200275
详细信息
    作者简介:

    张鹏泉(1976-),男,正高级工程师,硕士,主要从事光电信号探测和对抗方向的研究工作。Email:zhpq1999@163.com

    通讯作者: 项铁铭(1976-),男,副教授,博士,主要从事微波电路的研究工作。Email:tmxiang@hdu.edu.cn
  • 中图分类号: TN248.1

Green pumped yellow wavelength tunable narrow linewidth optical parametric oscillator

图(5)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-15
  • 修回日期:  2020-07-11
  • 刊出日期:  2020-11-25

绿光泵浦的黄光波段可调谐窄线宽光学参量振荡器

doi: 10.3788/IRLA20200275
    作者简介:

    张鹏泉(1976-),男,正高级工程师,硕士,主要从事光电信号探测和对抗方向的研究工作。Email:zhpq1999@163.com

    通讯作者: 项铁铭(1976-),男,副教授,博士,主要从事微波电路的研究工作。Email:tmxiang@hdu.edu.cn
  • 中图分类号: TN248.1

摘要: 为实现波长可调谐的窄线宽黄光波段激光输出,设计搭建了以倍频声光调Q Nd:YAG激光器的532 nm脉冲绿光输出为泵浦源、以II类相位匹配磷酸钛氧钾(KTP)晶体为非线性介质的折叠腔光学参量振荡器(OPO)。首先产生腔内振荡的近红外可调谐闲频光,在此基础上基于LBO晶体I类非临界相位匹配方式对OPO的闲频光进行内腔倍频,得到波长调谐范围587.2~595.2 nm的黄光波段输出。为改善OPO光谱特性,在OPO闲频光谐振腔内插入熔融石英标准具,有效压缩了OPO输出黄光的光谱线宽。绿光泵浦源脉冲重复频率10 kHz、平均功率24.0 W下在波长591.2 nm处获得了最高黄光输出功率2.89 W,光束质量因子M2=3.4,从532 nm泵浦光到黄光输出的转换效率为12.0%,脉冲宽度37 ns,对应峰值功率7.8 kW。此时黄光光谱半高全宽为0.15 nm,相比未在OPO腔内插入标准具自由运转状态下的光谱得到明显改善。

English Abstract

    • 波长位于570~630 nm附近的黄-红波段可调谐激光光源在光谱、医疗、国防等领域具有诸多重要应用[1-2]。传统上,该波段的可调谐输出多由染料激光器产生,但染料激光器的体积和安全性在很大程度上限制了其应用。近年来掺镨(Pr3+)和掺铽(Tb3+)等激活离子的激光增益介质不断涌现[3-4],能够实现该波段的激光输出,但相关新型激光晶体的机械性能、热性能以及发光性能仍难以支撑高功率高光束质量的输出,波长调谐能力也非常有限。因此,受激拉曼散射(stimulated Raman scattering, SRS)和光学参量振荡器(Optical parametric oscillator, OPO)等非线性光学频率变换技术是目前实现可调谐全固态黄-红波段可调谐激光的主流技术途径[1-2, 5-9],其中OPO可通过相位匹配条件的控制实现波长的宽带调谐,在波长调谐能力上具有明显的优势,应用更为广泛,也是文中产生黄-红波段可调谐输出的技术手段。

      在连续波(continuous-wave, CW)运转以及微焦(μJ)量级的低能量脉冲可见光OPO方面,往往采用具有极高有效非线性系数的周期极化铌酸锂(periodically-poled lithium niobate, PPLN)和周期极化钽酸锂(periodically-poled lithium tantalite, PPLT)等准相位匹配(quasi-phase-matching, QPM)晶体实现高转换效率。例如My等人利用CW绿光泵浦MgO∶PPSLT外腔OPO,并用偏硼酸钡(BBO)晶体对闲频光内腔倍频产生最高300 mW的585~678 nm可调谐单纵模输出[1];Bäder等人利用被动调Q倍频Nd:YAG激光器的单纵模532 nm绿光泵浦PPLN,产生最高593~637 nm的可调谐信号光输出,627 nm处最高能量13 μJ,转换效率23% [2]。对于面向高能量和高峰值功率应用的脉冲运转的可见光OPO来说,PPLN和PPLT等非线性介质的损伤阈值较低,不能满足相关的能量和峰值功率需求,因此,多采用BBO、三硼酸锂(LBO)以及磷酸钛氧钾(KTP)等块状晶体作为非线性介质;而其实现方法上,多使用355 nm的紫外激光泵浦,以直接产生宽调谐的可见光输出,例如Bapna等人报道的BBO OPO,角度波长调谐范围420~670 nm,最低阈值0.5 mJ,3.7 mJ泵浦能量下输出能量1.2 mJ [5];Rao等人报道波长调谐范围490~630 nm,最高平均功率2.6 W、脉冲重复频率5 kHz的BBO OPO等[6]。355 nm紫外泵浦尽管能够实现宽波长调谐范围,但使用紫外泵浦源也存在很多问题,特别是紫外泵浦源的成本以及长时间高功率紫外辐照下激光器的稳定性和寿命等不可避免的因素。因此,532 nm绿光泵浦下对近红外闲频光倍频的OPO成为对调谐范围要求不甚苛刻时折中的方案,如Li等人采用绿光泵浦LBO-OPO获得波长调谐范围924~970 nm的信号光输出,其闲频光具有倍频获得黄-红波段输出的潜力[7];Bo等人则报道了18 W绿光泵浦下产生9.3 W近红外信号光输出的实验结果,转换效率高达54%[8];Sun等人在KTP-OPO腔内加入第二块KTP晶体闲频光倍频,得到调谐范围573~578 nm的黄光输出,但闲频光谱的半高全宽达到了0.6 nm[9]

      文中,笔者设计实现了532 nm绿光作为泵浦光、非临界匹配LBO作为非线性晶体的波长可调谐外腔OPO,并在OPO闲频光谐振腔内插入标准具压缩其线宽;利用KTP晶体对可调谐闲频光内腔倍频,产生了波长调谐范围587.2~595.2 nm的可见光输出,其中脉冲重复频率10 kHz、输出波长591.2 nm时最高平均输出功率3.12 W,光光转换效率13.0%,为改善OPO的光谱特性,在OPO闲频光谐振腔内插入标准具,获得了平均功率2.89 W、光谱线宽0.15 nm的窄线宽输出,最高输出功率时光束质量因子M2=3.4。

    • 实验光路如图1所示,532 nm泵浦光为声光调Q Nd∶YAG激光器的二次谐波输出,脉冲重复频率10 kHz,脉冲宽度50 ns,最高平均功率27 W,对应峰值功率54 kW,光束质量因子M2~4.3,使用光谱仪Ocean Optics USB2000测得其光谱线宽小于仪器分辨率0.12 nm (半高全宽,FWHM)。使用半波片调整其偏振方向至平行于台面后,经聚焦透镜组入射OPO非线性晶体KTP,泵浦光斑半径150 μm。平面镜M1,曲率半径(radius of curvature, ROC)100 mm的凹面镜M2,以及平面镜M3构成V形折叠的OPO闲频光谐振腔,其中M1镜双面镀532 nm增透膜(T~93%),单面镀1 120~1 300 nm高反膜(R>99.5%);M2镜凹面镀1100~1300 nm高反膜(R>99%),双面镀560~630 nm增透膜(T~91%);M3镜镀1 100-1 300 nm高反(R>99.5%)和560~630 nm高反(R>95%)膜。所用OPO非线性晶体KTP晶体尺寸5 mm×5 mm×20 mm,切割角度为θ=74.4°、φ=0°,对应20 ℃下闲频光波长1180 nm的II类相位匹配(o→e+o),晶体两端镀532 nm以及900~1 030 nm和1 100~1 300 nm增透膜;用于振荡闲频光内腔倍频的LBO晶体尺寸为4 mm×4 mm×30 mm,采用θ=90°, φ=0° I类非临界相位匹配(e→o+o)切割,两端镀900~1 030 nm、1 100~1 300 nm信号光和闲频光波段增透(T>99.5%)以及560~630 nm增透(T>95%)膜系。KTP晶体用铟箔包裹,置于铝制水冷夹具中,水温20 ℃,LBO晶体用铟箔包裹置于铝制夹具后TEC加温至30 ℃附近工作。

      图  1  实验光路示意图

      Figure 1.  Experimental light path schematic

      实验中M1镜距离KTP晶体3 mm,KTP晶体距离M2镜38 mm,M2镜距离LBO晶体45 mm,LBO晶体距离M3镜5 mm。由于脉冲运转的OPO非线性增益较高,得到的闲频光和信号光光谱较宽,在OPO腔内插入标准具压缩振荡闲频光的光谱线宽。所用标准具为熔融石英基质,厚度500 μm,未镀膜,在1 200 nm附近自由光谱范围0.98 nm,精细度0.6。忽略非线性晶体中的热透镜,利用传输矩阵得到腔内振荡1 180 nm闲频光的基横模光斑半径分布,如图2所示。折叠角半角15°,此时晶体中子午和弧矢面的像散并不明显,OPO增益介质KTP,光斑尺寸在141 mm×151 mm到145 mm×154 mm之间,与532 nm泵浦光实现良好的模式匹配以保证效率,而LBO晶体中光斑在126 mm×129 mm到140 mm×142 mm之间。实验中所用功率计表头和探头分别为Ophir NOVA II和50(150)A-BB-26。

      图  2  OPO谐振腔内振荡闲频光的基横模光斑半径分布

      Figure 2.  Fundamental transverse mode beam radius of the oscillating idler wave in the OPO cavity

    • 首先在没有插入标准具的情况下测试OPO自由运转时的波长调谐特性,入射KTP晶体的最大泵浦功率24 W下,通过调节KTP晶体角度得到的黄光输出波长调谐范围为587.2~595.2 nm,其中最大平均功率3.12 W出现在黄光波长591.2 nm处,而非晶体设计切割方向对应的590 nm,其原因可能在于内腔高功率作用下晶体温度的上升,也可能在于谐振腔和晶体准直因素。图3给出OPO波长调谐曲线,其间KTP晶体角度需在±0.6°范围内调节,对应24 W入射泵浦功率,最高平均输出功率3.12 W的转换效率为13.0%,需要说明的是,在信号光和闲频光波长调谐的同时,为获得较高的倍频转换效率,LBO晶体温度也需在30.1~35.6 ℃间进行相应调节。

      图  3  黄光输出波长调谐曲线

      Figure 3.  Yellow output wavelength tunable curves

      用光谱仪Ocean Optics USB2000记录输出黄光光谱。由于脉冲泵浦下OPO过程的非线性增益很高,未加入标准具自由运转情况下最高输出功率3.12 W时黄光光谱半高全宽在0.6~0.7 nm,如图4所示。加入标准具后,在输出波长591.3 nm时获得了最高输出功率2.89 W,转换效率12.0%,此时光谱线宽为0.15 nm,几乎到达仪器分辨率,可见腔内标准具的使用有效改善了OPO的光谱特性,实验中所用标准具没有镀膜,精细度仅为0.6,如使用精细度更高的标准具有望进一步压缩OPO的输出光谱。图3中同时也给出了加入标准具后OPO在最大泵浦功率下的调谐曲线,可以看出,标准具的引入并没有对激光器的功率效率以及波长调谐特性带来明显的负面影响。

      图  4  OPO自由运转以及加入标准具后的输出光谱

      Figure 4.  Output spectra of the OPO with and without etalon

      图5给出OPO固定输出波长591.2 nm、腔内插入标准具时平均输出功率随泵浦功率变化的曲线。在重频10 kHz的绿光泵浦下,OPO阈值为7.2 W泵浦功率;泵浦功率超过阈值后,OPO的黄光输出功率和转换效率,随泵浦功率增加迅速上升,但转换效率在泵浦功率18 W时有极大值,为13%,随后则出现缓慢下降,对应输出功率曲线的斜率发生下降,到最大泵浦功率24 W时2.89 W输出功率对应的转换效率为12.0%,推测是由于532 nm泵浦光的光束质量在高功率下发生劣化以及非线性晶体中的热效应所致。利用硅探测器Thorlabs DET10A和示波器Tektronix TDS2024C测得平均输出功率2.89 W时,黄光脉冲宽度37 ns,对应单脉冲能量和峰值功率分别为0.29 mJ和7.8 kW。通过刀口法测得此时的水平方向上的光束质量因子M2为3.4。

      图  5  OPO的输出功率和转换效率

      Figure 5.  Average output power and conversion efficiency of the OPO

    • 通过谐振腔优化设计实现532 nm脉冲绿光泵浦的折叠腔KTP-OPO,采用LBO晶体对振荡的闲频光内腔倍频,得到波长调谐范围587.2~595.2 nm的黄光输出。在此基础上,在OPO谐振腔内插入标准具,将黄光线宽压缩至0.15 nm,24 W平均泵浦功率下,脉冲重复频率10 kHz的窄线宽黄光最高输出平均功率2.89 W,峰值功率7.8 kW,对应转换效率12.0%,光束质量因子M2=3.4。证明了内腔倍频KTP-OPO是产生可调谐脉冲黄光的有效方法,而标准具的使用能够有效改善脉冲OPO的光谱特性。

参考文献 (9)

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