3 μm低阈值MgO:PPLN-OPO布拉格体光栅腔谱宽压窄研究

邢廷伦; 王礼; 胡舒武; 程庭清; 吴先友; 江海河

doi:doi:10.3788/CJL201744.0101006

中国激光, 2017, 44 (1): 0101006, 网络出版: 2017-01-10

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Cavity-Linewidth Narrowing of 3 μm Low Threshold MgO:PPLN-OPO by Volume Bragg Grating

论文大纲

邢廷伦 ^1,2,*王礼 ¹胡舒武 ¹程庭清 ¹吴先友 ¹江海河 ^1,2

作者单位

¹ 中国科学院合肥物质科学研究院医学物理与技术中心, 安徽合肥230031

² 中国科学技术大学, 安徽合肥 230026

激光技术中红外光参量振荡器窄线宽高效率 laser technique mid-infrared optical parametric oscillator narrow linewidth high efficiency

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摘要

设计了一种双程抽运可调谐光参量振荡器(OPO)。利用1.065 μm单频脉冲光纤激光器抽运周期性畴极化掺镁铌酸锂晶体(MgO:PPLN), 采用反射式布拉格体光栅压窄振荡信号光, 将闲频光的谱宽从自由振荡时的38 nm压窄到0.42 nm, 并将振荡阈值降低至6.7 W, 从而获得了高转换效率的中红外激光输出。通过调节体光栅的角度和温度, 实现了闲频光230 GHz的调谐输出; 当闲频光输出功率为2.5 W时, 其水平方向和垂直方向的光束质量因子分别为1.8和1.9。

Abstract

One dual-pumped tunable optical parametric oscillator (OPO) is designed. With a 1.065 μm single-frequency pulsed fiber laser pumping the periodically poled domain MgO-doped lithium niobate (MgO:PPLN) and a reflective volume Bragg grating narrowing the oscillation signal linewidth, the idler signal linewidth is reduced from 38 nm at free oscillation to 0.42 nm, the oscillation threshold is reduced to 6.7 W, and the mid-infrared laser output with a high conversion efficiency is realized. By adjusting the temperature and angle of the volume grating, a 230 GHz tunable output of idler light is realized and the beam quality factors in the horizontal and vertical directions are 1.8 and 1.9 respectively when the output power of idler light is 2.5 W.

1 引言

利用光参量振荡器(OPO)可实现3~5 μm中红外可调谐激光输出,其在大气环境监测、目标特征探测以及高分辨率光谱学等诸多领域有着重要的应用价值^[1-3]。采用准相位匹配技术的周期性畴极化掺氧化镁铌酸锂(MgO∶PPLN)晶体具有高增益、无走离、抽运源成熟等优点^[4-5],1 μm光纤激光器具有高紧凑性和高便捷性,因此两者结合的光纤激光器抽运MgO∶PPLN-OPO可调谐中红外激光技术得到了较快发展^[6-8]。其中,脉冲光纤激光器抽运MgO∶PPLN-OPO具有高峰值功率和低阈值,受到了科研工作者的青睐^[9-10]。但是,受到抽运光谱宽和MgO∶PPLN晶体增益谱宽等因素的影响,OPO自由振荡输出的参量光谱宽通常都很宽,一般高达十几纳米甚至几十纳米^[11],难以达到高分辨率光谱的应用要求。为此,近几年来科研工作者尝试采用标准具或闪耀光栅等方法压窄OPO输出谱宽^[12-16]。Hempler等^[17]在L形腔内放置标准具,获得了2.94 μm中红外激光输出,输出功率为0.95 W,闲频光谱宽理论计算值约为1.3 nm,其最大光-光转换效率为9.5%。虽然内置标准具的方法可以有效控制OPO的谱宽,但是该方法增大了腔内参量损耗和OPO的振荡阈值,并降低了中红外激光的光-光转换效率。Peng等^[18]采用反射式体布拉格光栅(RBG)压窄振荡信号光谱宽,利用谱宽为0.04 nm的1.064 μm固体激光器抽运MgO∶PPLN晶体,实现了谱宽为0.7 nm的2.9 μm中红外激光输出,最大功率为51.7 W,对应闲频光的光-光转换效率为16.6%。由于该实验采用单程的抽运模式,OPO的振荡阈值较高,约为42 W。当抽运功率为50 W时,闲频光的功率只有2.6 W,其光-光转换效率较低。为了降低反射式体布拉格光栅OPO的振荡阈值、提高低抽运功率下的光-光转换效率,需要设计合理的窄谱宽OPO振荡系统。

本文从理论上分别分析了自由振荡和压窄两种情况下的闲频光谱宽,设计了一种双程抽运MgO∶PPLN-OPO振荡系统,采用单频脉冲光纤激光器抽运,使用RBG压窄振荡信号光谱宽实现了对闲频光的压窄,并降低了OPO振荡阈值,提高了光-光转换效率,获得了高效率窄谱宽的3 μm中红外激光输出,将闲频光谱宽压窄到0.5 nm以下。通过调节RBG的角度和温度,实现了闲频光中红外宽调谐输出。

2 理论分析

在单谐振OPO系统中,影响闲频光谱宽的因素有抽运光谱宽、抽运光发散角、振荡光高增益等^[19]。各种展宽因素引起的信号光频率色散的增益为

\begin{matrix} g (ω_{s 0} + Δ ω_{s}) L_{0} = \sqrt[]{Γ^{2} (ω_{s 0}) L_{0}^{2} - \frac{{(Δk L_{0})}^{2}}{4}}, (1) \end{matrix}

式中g(ω_s0+Δω_s)为信号光增益系数, ω_s为信号光频率, ω_s0为振荡信号光中心频率,Γ为单位长度的增益系数,L₀为晶体长度, Δk为波矢失配量。

其参量的总损耗为

\begin{matrix} δ_{all} = Γ_{t h} (ω_{s 0}) L_{0}, (2) \end{matrix}

式中Γ_th为阈值单位长度的增益系数。

为实现信号光振荡,须满足

\begin{matrix} g (ω_{s 0} + Δ ω_{s}) L_{0} \geq δ_{all} 。 (3) \end{matrix}

波矢失配量Δk为^[20]

\begin{matrix} Δk = Δ ω_{p} \frac{\partial k_{p} (ω_{p})}{\partial ω_{p}} - Δ ω_{s} \frac{\partial k_{s} (ω_{s})}{\partial ω_{s}} - Δ ω_{i} \frac{\partial k_{i} (ω_{i})}{\partial ω_{i}}, (4) \end{matrix}

式中ω_i为闲频光频率,w_p为抽运光频率。由(1)~(4)式可得信号光谱宽为

\begin{matrix} Δ ω_{s} [\frac{\partial k_{i} (ω_{i})}{\partial ω_{i}} - \frac{\partial k_{s} (ω_{s})}{\partial ω_{s}}] = 2 Γ_{t h} \sqrt[]{N - 1}, (5) \end{matrix}

式中 k_s和k_i分别为信号光和闲频光波矢大小;N为超阈值倍数;阈值单位长度的增益系数 $\begin{matrix} Γ_{t h} = χ_{e} \sqrt[]{2 ω_{s} ω_{i} I_{t h} / ε_{0} c n_{p} n_{s} n_{i}} / c^{[21]} \end{matrix}$ ,其中χ_e为晶体最大有效非线性系数,c为真空光速,I_th为阈值抽运光光强,ε₀为真空介电常数,n_p、n_s、n_i分别为抽运光、信号光、闲频光的折射率。

由能量守恒可得^[20]

\begin{matrix} Δ ω_{p} = Δ ω_{s} + Δ ω_{i} 。 (6) \end{matrix}

以上分析表明,闲频光的谱宽主要受抽运光谱宽和振荡信号光谱宽的影响。

2.1 单频激光抽运单谐振OPO闲频光的自由振荡谱宽

对于单频激光器抽运单谐振OPO的自由振荡,可忽略抽运光的线宽,闲频光谱宽主要受振荡信号光谱宽影响,因此闲频光谱宽表示为

\begin{matrix} Δ λ_{i} = {(\frac{λ_{i}}{λ_{s}})}^{2} Δ λ_{s}, (7) \end{matrix}

式中λ_i和λ_s分别为闲频光和信号光的波长, Δλ_s为自由振荡的信号光谱宽。

对于MgO∶PPLN晶体,极化周期Λ=31.2 μm。当晶体温度为80.41 ℃时,信号光和闲频光的中心波长分别为1.647 μm和3.017 μm。当抽运功率约为阈值的3.3倍时(阈值为4.2 W),由(5)式可得信号光的谱宽约为12 nm,由(7)式可得闲频光的谱宽约为40 nm。

2.2 单频激光抽运单谐振OPO闲频光谱宽RBG压窄

基于光致热折变玻璃的RBG具有优良的物理特性、较高的激光损伤阈值和较好的透射性,其透射范围长达400~2700 nm,且具有优良的光谱选择性和角谱选择性^[22-23]。

在采取RBG为信号光振荡腔腔镜的单频抽运单谐振OPO系统中,振荡信号光的谱宽被RBG压窄,一般信号光谱宽为RBG的反射带宽的半高全宽,因此闲频光谱宽表示为

\begin{matrix} Δλ'_{i} = {(\frac{λ_{i}}{λ_{s}})}^{2} Δλ'_{s}, (8) \end{matrix}

式中Δλ'_s为经RBG压窄后的信号光谱宽。

由(8)式可知,若要实现闲频光的谱宽不超过0.5 nm,信号光的谱宽必须小于0.15 nm,即RBG的反射带宽半高全宽约为0.15 nm。

3 实验装置

实验装置如图1所示。抽运源为美国Advalue Photonics 公司生产的型号为AP-P-SF的1.065 μm单频脉冲光纤激光器,重复频率为75 kHz,脉宽为315 ns,激光输出为单频线偏振光,线宽约为0.00014 nm,光束质量因子小于1.3。实验中采用可旋转的半波片和光隔离器组成光开关以控制抽运光功率的大小。采用焦距为300 mm的双凸透镜将抽运光耦合聚焦到晶体中心处,光斑直径约为100 μm。双程抽运间接压窄闲频光单谐振OPO由平凹腔镜M1、MgO∶PPLN晶体(MgO 物质的量分数为5%)、凹凸的弯月镜M3和RBG组成。其中,由M1和RBG组成的信号光振荡腔可实现窄谱宽信号光振荡,且M1凹面曲率半径为500 mm,镀膜对1.065 μm的抽运光高透,对信号光波段(1.5~1.75 μm)和闲频光波段(2.85~3.15 μm)高反;RBG尺寸为5 mm×5 mm×23 mm,其两端面镀膜对1.6~1.7 μm光波段高透,光谱半高全宽约为0.16 nm,最大衍射效率为99%,透射率曲线如图2所示。M2镀膜对45°入射的抽运光和信号光波段高透,对闲频光波段高反,可实现OPO的单谐振运转;M3为弯月镜,曲率半径为80 mm,其镀膜对信号光波段高透,对抽运光波段高反,且将透射抽运光再返回,可实现双程抽运MgO∶PPLN晶体;MgO∶PPLN晶体尺寸为45 mm×8 mm×1 mm,其两端对抽运光、信号光和闲频光波段高透;当温度为80 ℃时,闲频光中心波长理论计算值为3.0 μm^[24]。为了恒定晶体的工作温度,MgO∶PPLN晶体放置在自制的温控炉中,该温控炉的温控精度为±0.1 ℃,显示分辨率为0.01 ℃,温度调节范围为25~225 ℃。

图 1. 实验装置示意图

Fig. 1. Schematic diagram of experimental setup

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图 2. RBG透射率曲线

Fig. 2. Transmissivity curve of RBG

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4 实验结果及分析

利用单频脉冲光纤激光器抽运单谐振MgO∶PPLN-OPO,分别对自由振荡和信号光压窄两种情况下闲频光的功率和谱宽进行实验分析。

作为对比,采用信号光波段高反的平平腔替换RBG,此时OPO为自由振荡。温控炉温度设定为80.41 ℃,利用Ophir功率计测量经过滤光片的闲频光,闲频光输出功率和转换效率随抽运光功率的变化如图3所示。从图中可以看出,当OPO自由振荡时,OPO的振荡阈值为4.2 W;当抽运光抽运功率为14 W时,3 μm的闲频光输出功率为2.6 W,对应光-光转换效率为18.5%。当RBG作为谐振腔的腔镜时,OPO的振荡阈值增大至6.7 W;当最大抽运光功率为13.8 W时,3.017 μm的闲频光输出功率为2.5 W,对应光-光转换效率为18.1%。由此可见,RBG作为谐振腔腔镜并没有增大腔内损耗,闲频光的光-光转换效率基本没变;振荡阈值明显增大,并且当输入功率小于10 W时,两种情况的光-光转换效率相差较大,原因是当RBG作为腔镜时,在低功率下窄谱宽的振荡信号光和抽运光的模式失配较为严重;随着输入功率的增大,腔内热致抽运光和振荡信号光模式匹配,转换效率升高。

图 3. 闲频光输出功率和转换效率随抽运功率的变化

Fig. 3. Variations of output power and conversion efficiency of idler light with pump power

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当OPO自由振荡、抽运光抽运功率大小为14 W时,采用分光仪测量闲频光的光谱,测量结果如图4所示。闲频光谱宽约为38 nm,与理论值(约40 nm)基本吻合。当RBG作为谐振腔腔镜时,信号光被压窄;当抽运光抽运功率为13.8 W时,采用Bristol-721 A频谱分析仪测量的信号光谱宽约为0.12 nm,同时测量闲频光的光谱,结果如图5所示。从图中可以看出,当RBG作为输出镜时,闲频光的谱宽被间接地压缩至0.42 nm,理论计算的闲频光的谱宽为0.41 nm,实验值与理论值基本吻合。

图 4. 自由振荡时闲频光的光谱

Fig. 4. Spectrum of idler light at free oscillation

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图 5. RBG作为输出镜时闲频光的光谱

Fig. 5. Spectrum of idler light when RBG as the output mirror

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中红外激光输出为多横模,当RBG作为谐振腔腔镜、抽运光抽运功率为13.8 W时,调节RBG的角度和温度,同时匹配MgO∶PPLN晶体的温度,可实现闲频光230 GHz的波长调谐。利用光斑分析仪测量不同位置处闲频光的光斑直径,计算可得水平方向和垂直方向的光束质量因子分别为1.8和1.9;在此状态下连续测30 min,闲频光功率不稳定度不超过±5.1%。

5 结论

采用单频脉冲光纤激光器抽运MgO∶PPLN-OPO,从理论上分别分析了自由振荡和压窄两种情况下闲频光的谱宽,采用反射性布拉格体光栅对振荡信号光谱宽进行压窄,间接地将闲频光谱宽从自由振荡情况下的38 nm压窄到0.42 nm,与理论分析基本吻合。采用双程抽运模式,降低了OPO振荡阈值,提高了中红外激光的光-光转换效率。当抽运功率为13.8 W时,获得了平均功率为2.5 W、谱宽为0.42 nm、中心波长为3.017 μm的脉冲中红外激光输出,对应光-光转换效率为18.1%;相对于自由振荡的情况,闲频光的转换效率没有明显减小。通过调节RBG的角度和温度,实现了闲频光的宽调谐输出,水平方向和垂直方向的光束质量因子分别为1.8和1.9。

参考文献

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1 引言

2 理论分析

2.1 单频激光抽运单谐振OPO闲频光的自由振荡谱宽

2.2 单频激光抽运单谐振OPO闲频光谱宽RBG压窄

3 实验装置

4 实验结果及分析

5 结论

邢廷伦, 王礼, 胡舒武, 程庭清, 吴先友, 江海河. 3 μm低阈值MgO:PPLN-OPO布拉格体光栅腔谱宽压窄研究[J]. 中国激光, 2017, 44(1): 0101006. Xing Tinglun, Wang Li, Hu Shuwu, Cheng Tingqing, Wu Xianyou, Jiang Haihe. Cavity-Linewidth Narrowing of 3 μm Low Threshold MgO:PPLN-OPO by Volume Bragg Grating[J]. Chinese Journal of Lasers, 2017, 44(1): 0101006.

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1 引言

2 理论分析

2.1 单频激光抽运单谐振OPO闲频光的自由振荡谱宽

2.2 单频激光抽运单谐振OPO闲频光谱宽RBG压窄

3 实验装置

图 1. 实验装置示意图

Fig. 1. Schematic diagram of experimental setup

图 2. RBG透射率曲线

Fig. 2. Transmissivity curve of RBG

4 实验结果及分析

图 3. 闲频光输出功率和转换效率随抽运功率的变化

Fig. 3. Variations of output power and conversion efficiency of idler light with pump power

图 4. 自由振荡时闲频光的光谱

Fig. 4. Spectrum of idler light at free oscillation

图 5. RBG作为输出镜时闲频光的光谱

Fig. 5. Spectrum of idler light when RBG as the output mirror

5 结论

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2 理论分析

2.1 单频激光抽运单谐振OPO闲频光的自由振荡谱宽

2.2 单频激光抽运单谐振OPO闲频光谱宽RBG压窄

3 实验装置

图 1. 实验装置示意图

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图 2. RBG透射率曲线

Fig. 2. Transmissivity curve of RBG

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图 4. 自由振荡时闲频光的光谱

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