光參量振蕩是固體激光器實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧長波紅外輸出的主要技術(shù)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(duì)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(bào)道，近期，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院激光工程中心和中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《中國光學(xué)（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(shù)及應(yīng)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(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)諧長波紅外激光輸出。實(shí)驗(yàn)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(jìn)行溫度調(diào)諧實(shí)驗(yàn)研究，分別實(shí)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(shí)驗(yàn)裝置
ZGP - OPO長波激光器實(shí)驗(yàn)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(fù)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(shí)驗(yàn)中，ZGP - OPO采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，諧振方式為信號(hào)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(hào)光2.6 ~ 2.8 μm高反的45°平面鏡，M4為信號(hào)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(jī)控制，溫度設(shè)置范圍為15~30 °C，精度為0.1 °C。
圖1 ZGP - OPO實(shí)驗(yàn)裝置圖
器件性能表征
實(shí)驗(yàn)中，ZGP晶體熱沉固定在旋轉(zhuǎn)電機(jī)（調(diào)整精度：25′′）上，通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)ZGP晶體來改變其相位匹配角，進(jìn)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(duì)不同溫度下ZGP - OPO輸出的閑頻光波長進(jìn)行測量，不同相位匹配角下ZGP - OPO溫度調(diào)諧實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)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(jì)算值符合較好。
（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(dāng)相位匹配角θ為51.3°時(shí)，閑頻光波長范圍為7.53 ~ 7.67 μm，調(diào)諧范圍為0.14 μm；當(dāng)相位匹配角為51.0°時(shí)，閑頻光波長范圍為7.85 ~ 8.02 μm，調(diào)諧范圍為0.17 μm；當(dāng)相位匹配角為50.6°時(shí)，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(duì)應(yīng)的調(diào)諧范圍越大。
根據(jù)文獻(xiàn)中的諧振腔補(bǔ)償模型，實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定51.3°為ZGP晶體的初始位置，當(dāng)晶體分別旋轉(zhuǎn)到匹配角為51.0°和50.6°時(shí)，諧振腔補(bǔ)償量分別為0.21 mm和0.45 mm，實(shí)驗(yàn)中通過諧振腔補(bǔ)償技術(shù)得到了較高的閑頻光輸出功率。在泵浦功率為23.03 W時(shí)，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(duì)應(yīng)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(duì)閑頻光輸出功率影響不大。
當(dāng)閑頻光波長為8.77 μm，在輸出功率為1.503 W時(shí)，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(jī)記錄的相應(yīng)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(dāng)閑頻光輸出波長為8.77 μm時(shí)，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(diǎn)測量的脈沖波形顯示的脈沖寬度為20.0 ns。同時(shí)，該閑頻光波長下輸出功率不穩(wěn)定度的測量結(jié)果如圖5（b）所示，25 min的功率不穩(wěn)定度（RMS）為1.23%。
（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(dāng)輸出波長在7.53 ~ 8.02 μm范圍內(nèi)時(shí)，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(dāng)輸出波長大于8.45 μm時(shí)，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(dá)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(duì)值大），其光譜增益寬度達(dá)到μm量級(jí)，因此當(dāng)輸出波長在7.53 ~ 8.02 μm范圍內(nèi)時(shí)，其增益寬度隨波長變化不大，而當(dāng)輸出波長在8.45 ~ 8.77 μm范圍內(nèi)時(shí)，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(jié)論
本文通過對(duì)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(dāng)ZGP相位匹配角為51.3°、51.0°和50.6°時(shí)，在15~30 °C范圍內(nèi)開展溫度調(diào)諧特性研究，分別實(shí)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(gè)調(diào)諧范圍內(nèi)，輸出功率大于1.503 W，當(dāng)閑頻光波長為8.77 μm時(shí)，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(jié)果表明ZGP - OPO溫度調(diào)諧是實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧長波紅外激光的有效手段，并結(jié)合角度調(diào)諧實(shí)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(chǔ)。
這項(xiàng)研究獲得國家自然科學(xué)基金（61875198、61775215）、脈沖功率激光技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（SKL2021KF04）和中國科學(xué)院儀器設(shè)備研制項(xiàng)目（YJKYYQ20210045）的資助和支持。
DOI: 10.37188/CO.2022-0217
