1 引言

宽波段调谐的近红外和中红外激光在高分辨率分子光谱^[1]、大气污染监测^[2]、量子信息与技术^[3]等领域有广泛的应用。光学参量振荡器(OPO)可产生从紫外到太赫兹波段的相干辐射激光^[4-5]。相对于其他可调谐激光器,OPO在激光波长调谐范围、输出功率等方面都具有一定优势。双共振光学参量振荡器(DRO)可实现较低阈值运转,但需要信号光和闲频光同时在腔内共振,从而对OPO的腔长进行严格控制,对抽运光的频率稳定性也有较高的要求。单共振光学参量振荡器(SRO)只需信号光或闲频光在腔内共振,具有输出功率稳定性好及可连续调谐等优点。

2004年von Basum等^[6]利用基于周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体的连续波(CW)OPO获得了宽调谐中红外激光。通过改变晶体极化周期获得了波长可从3.1 μm调谐到3.9 μm的闲频光,当抽运功率为2.5 W时,闲频光输出功率为100 mW。并利用Pound-Drever-Hall (PDH)稳频技术稳定闲频光的频率,在45 min内闲频光的频率变化范围小于±30 MHz。2006年,Henderson等^[7]利用中心波长为1.083 μm的光纤激光器抽运基于氧化镁掺杂的周期性极化铌酸锂(MgO∶PPLN)晶体的SRO,获得了调谐范围为2.65~3.20 μm的闲频光。SRO的阈值为780 mW,当抽运功率为2.8 W时,2.8 μm闲频光的输出功率750 mW。同年,van Herpen等^[8]报道了利用基于PPLN晶体的OPO,实验产生了调谐范围为3.9~4.8 μm的连续单频红外激光,并将红外激光与光声光谱相结合来探测追踪通风状态下昆虫所释放的CO₂。2007年,Samanta等^[9]报道了利用连续单频532 nm激光抽运基于MgO∶sPPLT晶体的SRO,通过温度调谐获得了1.14~1.417 μm的闲频光输出。当抽运功率为7.8 W时,1.159 μm闲频光的最大输出功率为1.59 W,测量得到的闲频光在5 h内的峰值功率波动为16%。2012年,Hong等^[10]利用光纤放大器抽运基于MgO∶PPLN晶体的OPO,在优化MgO∶PPLN晶体温度的基础上,通过调谐抽运波长,中心波长为1.535 μm信号光可无跳模连续调谐900 GHz,并将该可无跳模连续调谐的红外激光用于研究甲烷的高分辨率吸收光谱。2015年,Li等^[11]报道了一种基于PPLN晶体的连续单频1.5 μm SRO,在晶体温度从120 ℃变为180 ℃时,获得了波长调谐范围为1.560~1.592 μm的连续单频红外激光。2016年,Jiang等^[12]通过优化抽运光功率和输出镜反射率,在2.9 μm波段实现了8 W的闲频光输出,输出效率达到19.5%。2017年, Shukla 等^[13]报道了利用基于MgO∶PPLN晶体的OPO产生可调谐高功率连续单频红外激光。通过对MgO∶PPLN晶体进行温度调谐,获得了波长调谐范围为3.761~3.970 μm的中红外激光和1.453~1.484 μm的近红外激光。当抽运功率为16 W时,1.464 μm信号光和3.895 μm闲频光的最大输出功率分别为4 W和2 W。

为了满足量子信息与技术、高分辨率光谱分析等领域对高功率宽调谐连续单频红外激光的需求,本文采用自制的高功率全固态连续单频1.06 μm激光器抽运由PPLN构成的、信号光共振且有部分耦合输出的SRO,进行稳定的宽调谐、高功率连续单频红外激光的实验研究,并对SRO的波长调谐、输出功率、功率和频率稳定性等特性进行了详细研究。

2 实验装置

图1为利用基于PPLN晶体的SRO获得宽调谐高功率连续单频红外激光的实验装置。抽运源为自制的高功率全固态连续单频1.06 μm激光器,最大输出功率为25 W,线宽小于200 kHz,1 min内的频率漂移小于5 MHz。半波片(HWP)用来控制抽运光的偏振方向,光隔离器(OI)用来防止光学元件反射的激光进入激光器。SRO是由两个曲率半径为25 mm的平凹镜构成的两镜驻波腔,输入耦合镜的平面镀抽运光减反膜( R1.06μm<0.2%),凹面镀抽运光高透膜、闲频光和信号光高反膜(T_{1.06 μm} > 95%,R_{3.3 μm}>99.8%,R_{1.5 μm}>99.8%);输出耦合镜的平面镀信号光和闲频光减反膜(R_{1.5 μm}<0.2% ,R_{3.3 μm} <0.2%),凹面镀抽运光高反膜、闲频光高透膜和信号光部分反射膜(R_{1.06 μm}>99.8%,R_{3.3 μm}<5%,R_{1.5 μm}=97.5%)。在上述SRO腔镜的镀膜参数下,抽运光在腔内两次穿过非线性晶体,信号光在腔内共振并经输出耦合镜部分耦合输出,闲频光在腔内两次穿过非线性晶体并经输出耦合镜输出。PPLN晶体(Deltronic Inc,美国)的尺寸为1 mm×10 mm×30 mm,双端端面均镀抽运光、信号光和闲频光减反膜(R_{1.06 μm,1.5 μm,3.3 μm}<0.5%),PPLN晶体具有8个极化周期,极化周期Λ分别为28.2,28.6,29.0,29.4,29.8,30.2,30.6,31.0 μm。图2为周期极化的PPLN晶体的示意图。

图 1. 利用单共振光学参量振荡器产生连续单频红外激光的实验装置

Fig. 1. Experimental setup for CW single-frequency infrared laser generated by a SRO

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图 2. PPLN晶体的示意图

Fig. 2. Diagram of PPLN crystal

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PPLN晶体放置在控温炉中,并由控温精度为0.01 ℃的温度控制仪(YG-1HC,宇光公司,山西太原)来控制。控温炉固定在电动平移台上,通过电动平移台精确控制PPLN晶体的极化周期。通过选择SRO腔长为59 mm,使得晶体中心处信号光的腰斑为59 μm。利用焦距为90 mm的聚焦透镜(L1)将抽运光聚焦至PPLN晶体的中心位置,聚焦腰斑为48.7 μm,使抽运光与SRO腔实现模式匹配,模式匹配率达到98.3%。选择上述实验条件使得抽运光和信号光的聚焦因子均为1^[14],从而降低SRO的抽运阈值功率,提高光光转换效率。用功率计(LabMax-TOP,Coherent,美国)分别测量经双色镜过滤掉抽运光和闲频光的信号光,以及经双色镜过滤掉抽运光和信号光的闲频光的输出功率和长期功率波动。通过HWP和偏振分束器(PBS)构成的光束分束器分出小部分信号光,利用Fabry-Perot(F-P)腔监视其纵模模式,通过波长计(WS6,HighFinesses GmbH,德国)测量其波长和长期频率漂移。

3 实验结果

通过精确控制PPLN晶体温度,调节抽运光方向、SRO腔镜,改变输出镜上压电陶瓷(PZT)的电压来微调SRO的腔长,即可获得稳定的下转换红外激光输出。当PPLN晶体极化周期为29.4 μm、晶体温度为120 ℃时,下转换信号光和闲频光的波长分别为1.52 μm和3.53 μm,实验测量的信号光和闲频光的输出功率曲线如图3所示。SRO的阈值抽运功率为3 W。当抽运功率为15.5 W时,1.52 μm信号光和3.53 μm闲频光最大输出功率分别为5.1 W和2.1 W,光光转换效率为46.5%,斜效率达57.6%。

图 3. 信号光和闲频光的输出功率随抽运功率的变化曲线

Fig. 3. Output power of signal and idler versus pump power

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在上述SRO运转条件下,利用光束质量分析仪(M-200,Spiricon Inc,美国)测量分析了信号光的光束质量,信号光的光斑轮廓如图4所示。实测的信号光在水平方向上的光束质量因子 M2x=1.13,在垂直方向上的光束质量因子 M2y=1.31。由于光束质量分析仪的波长测量范围为1.44~1.60 μm,实验中来测量分析闲频光的光束质量。

图 4. 信号光的光斑轮廓

Fig. 4. Profile of the signal

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在研究SRO输出信号光和闲频光的波长调谐过程中,为了避免PPLN晶体的光折射损伤,需要控制PPLN晶体的温度不低于120 ℃。而温度控制仪(YG-1HC,宇光公司,太原)的最高控制温度为196 ℃,因此在研究SRO输出信号光和闲频光的波长调谐过程中,PPLN晶体温度的控制范围为120 ℃~196 ℃。在抽运功率为15.5 W的情况下,利用电动平移台精确改变PPLN晶体的极化周期,通过温度控制仪精确控制PPLN晶体的温度,使用分辨率为50 MHz的波长计(WS6,HighFinesses GmbH,德国)测量记录的由SRO输出的信号光的波长如图5所示(图中的菱形数据点)。由于波长计的波长测量范围为1.0~2.25 μm,实验中无法直接测量记录闲频光的波长。图5中的圆形数据点是根据能量守恒关系计算的由SRO输出的闲频光的波长。从图5可以看出,当PPLN晶体的极化周期由28.2 μm变为31.0 μm,晶体的温度由120 ℃变为196 ℃时,由SRO输出的信号光的波长可从1.45 μm调谐到1.79 μm,闲频光波长可从2.62 μm调谐到3.99 μm。

图 5. 信号光和闲频光波长随PPLN晶体的极化周期和温度变化的调谐曲线

Fig. 5. Signal and idler wavelength versus PPLN crystal temperature at different polarization periods

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当抽运功率为15.5 W、PPLN晶体极化周期为29.4 μm、晶体的温度为120 ℃时,SRO输出的中心波长为1.52 μm的信号光的输出功率最大(实测值为5.1 W),中心波长为3.53 μm闲频光的输出功率最大(实测值为2.1 W)。在该极化周期下,当控制PPLN晶体的温度从120 ℃变为196 ℃时,SRO皆可高效运转。当信号光波长从1.52 μm调谐到1.55 μm,信号光的输出功率均大于3.3 W。当闲频光波长从3.53 μm调谐到3.37 μm,闲频光的输出功率均大于1.0 W,如图6所示。由于镀膜技术的原因,随着SRO输出的信号光和闲频光中心波长的变化,SRO腔镜的镀膜参数逐渐偏离最佳值,信号光和闲频光的输出功率逐渐减小,SRO的光光转换效率降低。当抽运功率为15.5 W、PPLN晶体极化周期为28.2 μm、晶体温度为130 ℃时,获得的最短波长的信号光的中心波长为1.45 μm,该波长信号光的输出功率为32 mW;同时获得的最长波长的闲频光的波长为3.99 μm,该波长闲频光的输出功率为16 mW。

图 6. 信号光和闲频光的输出功率随PPLN晶体温度的变化曲线

Fig. 6. Signal and idler powers versus temperature of PPLN crystal

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在实验中,用中心波长为1.55 μm的共焦F-P干涉仪(自由光谱范围为750 MHz,精细度为1100)监视信号光的纵模模式,并用数字存储示波器(DPO 7245,Tektronix,美国)记录。共焦F-P干涉仪输出的透射曲线如图7所示,SRO自由运转时,输出的信号光的模式为单纵模。但在改变PPLN晶体温度进行波长大范围调谐时,信号光会出现纵模模式跳变,不能实现无跳模波长调谐。

图 7. 共焦F-P干涉仪输出的透射曲线

Fig. 7. Transmitted intensity of F-P interferometer

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为进一步研究SRO的输出稳定性,用功率计(LabMax-TOP, Coherent,美国)分别测量记录了信号光和闲频光的长期功率波动,并用波长计(WS6,HighFinesses GmbH,德国)测量记录了信号光的长期频率漂移。当抽运功率为15.5 W,PPLN晶体极化周期为29.4 μm、晶体的温度为120 ℃时,用功率计测量记录的信号光和闲频光的输出功率随时间的变化曲线如图8所示,在4h内测得的信号光和闲频光的功率波动分别小于±2.77%和±2.79%。用波长计测量记录的信号光的长期频率漂移曲线如图9所示,在4h内测得的信号光的频率漂移小于±45 MHz。

图 8. SRO自由运转时,信号光和闲频光的输出功率随时间的变化曲线

Fig. 8. Output power of the signal and idler versustime when the SRO was free running

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图 9. SRO自由运转时,信号光的频率漂移曲线

Fig. 9. Frequency drift of the signal when the SRO free running

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4 结论

采用自制高功率全固态连续单频Nd∶YVO₄ 1.06 μm激光器抽运由PPLN构成的单共振光学参量振荡器,进行了稳定的宽调谐、高功率连续单频红外激光的实验研究。通过控制改变PPLN晶体的极化周期和温度,连续单频的信号光和闲频光波长分别可从1.45 μm调谐到1.79 μm和从2.62 μm调谐到3.99 μm。当PPLN晶体极化周期为29.4 μm、晶体的温度为120 ℃时,SRO的阈值抽运功率为3 W,1.52 μm信号光和3.53 μm闲频光的最大输出功率分别为5.1 W和2.1 W,光光转换效率为46.5%,斜效率达57.6%,信号光和闲频光的光束质量接近衍射极限。当控制PPLN晶体的温度从120 ℃变为196 ℃时,SRO皆可高效运转,信号光的输出功率均大于3.3 W,闲频光的输出功率均大于1.0 W。当SRO自由运转时,信号光和闲频光在4 h内实测的功率波动分别小于±2.77%和±2.79%,同时信号光在4 h内实测的频率漂移小于±45 MHz。该稳定运转的高功率宽调谐连续单频红外激光可广泛应用于量子信息与技术、高分辨率光谱分析等领域的研究。