＊ 連續(xù)波單共振光學(xué)參量振蕩器的研究及進(jìn)展

張寬收，李鵬，劉建麗

（量子光學(xué)與光量子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山西大學(xué) 光電研究所，山西 太原030006）

＊連續(xù)波單共振光學(xué)參量振蕩器的研究及進(jìn)展

張寬收，李鵬，劉建麗

（量子光學(xué)與光量子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山西大學(xué) 光電研究所，山西 太原030006）

連續(xù)波單共振光學(xué)參量振蕩器（SRO）是拓展激光波長(zhǎng)范圍、獲取中紅外激光的重要手段之一.文章詳細(xì)介紹了連續(xù)波SRO的發(fā)展現(xiàn)狀，并簡(jiǎn)要介紹了本實(shí)驗(yàn)室在這方面的研究工作，最后指出了SRO的發(fā)展趨勢(shì).

連續(xù)波；單共振光學(xué)參量振蕩器；準(zhǔn)相位匹配晶體

0 引言

光學(xué)參量振蕩器（OPO）作為一種產(chǎn)生可調(diào)諧、多波段相干激光光源的器件，在靈敏探測(cè)、大氣污染檢測(cè)、高精細(xì)度分子光譜學(xué)以及量子通訊和量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)研究等方面有著廣泛的應(yīng)用［1－2］.OPO根據(jù)腔內(nèi)光束的共振情況大致可以分為三類：?jiǎn)喂舱窆鈱W(xué)參量振蕩器（SRO），僅有信號(hào)光或者閑置光在諧振腔內(nèi)共振；雙共振光學(xué)參量振蕩器（DRO），信號(hào)光和閑置光同時(shí)在腔內(nèi)共振；三共振光學(xué)參量振蕩器（TRO），泵浦光、信號(hào)光和閑置光都在諧振腔內(nèi)共振.圖1所示為SRO的原理圖，SRO由腔鏡（M1和M2）和非線性晶體構(gòu)成，信號(hào)光或者閑置光在腔中振蕩，另一束光輸出.SRO相對(duì)于其它兩種光學(xué)參量振蕩器，達(dá)到閾值的泵浦功率較高，但不需要電子伺服系統(tǒng)鎖定諧振腔就可以獲得穩(wěn)定的下轉(zhuǎn)換激光輸出，所以是人們研制激光光源的重要方法之一.

圖1 SRO原理圖Fig.1 Schematic diagram of SRO

早期，在連續(xù)波光學(xué)參量振蕩器領(lǐng)域，SRO的研究發(fā)展比較緩慢，其原因主要是實(shí)現(xiàn)單共振模式運(yùn)轉(zhuǎn)需要較高的泵浦功率.伴隨著高功率激光器的發(fā)展和有較高有效非線性系數(shù)材料的出現(xiàn)，尤其是準(zhǔn)相位匹配晶體的出現(xiàn)，使得SRO的閾值位于中、高功率泵浦源可以達(dá)到的范圍.準(zhǔn)相位匹配的優(yōu)點(diǎn)是可以利用晶體的最大非線性系數(shù)，使在晶體整個(gè)透射波長(zhǎng)范圍內(nèi)的相互作用的光波達(dá)到相位匹配［3］.目前在連續(xù)波SRO的研究中，使用的非線性晶體主要有KTP、KTA以及準(zhǔn)相位匹配晶體PPKTP、PPLN和PPLT等，使用的泵浦源主要有波長(zhǎng)位于1μm附近的激光二極管泵浦的全固態(tài)激光器、光纖激光器、光纖放大的二極管激光器以及波長(zhǎng)位于532 nm的全固態(tài)倍頻激光器［4］.但迄今為止，SRO仍然存在著振蕩閾值過(guò)高、轉(zhuǎn)換效率不佳等問(wèn)題，限制著SRO技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)一步應(yīng)用，因此對(duì)這些問(wèn)題的研究具有重要意義.

1 連續(xù)波SRO的發(fā)展?fàn)顩r

迄今為止，連續(xù)波SRO的種類繁多，根據(jù)泵浦激光的運(yùn)轉(zhuǎn)模式，有單頻運(yùn)轉(zhuǎn)的，也有多縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的；根據(jù)腔型，有兩鏡、三鏡和四鏡駐波腔結(jié)構(gòu)的，也有四鏡環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的；根據(jù)選用的晶體，有選用雙折射塊狀晶體，也有選用準(zhǔn)相位匹配周期性極化晶體的.我們根據(jù)構(gòu)建SRO的非線性晶體的類型分別介紹其發(fā)展?fàn)顩r.

1.1 基于塊狀晶體的連續(xù)波SRO

在準(zhǔn)相位匹配材料出現(xiàn)之前，KTP晶體是實(shí)現(xiàn)連續(xù)波SRO的首選晶體.KTP晶體（透射譜區(qū)為0.35～4μm）具有非線性系數(shù)較大（3 pm／V），吸收系數(shù)小，損傷閾值高，物化性能穩(wěn)定，不易潮解，生長(zhǎng)技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn).實(shí)驗(yàn)上最先實(shí)現(xiàn)連續(xù)波SRO就是采用KTP作為參量介質(zhì).1993年，美國(guó)Stanford大學(xué)的S.T.Yang等人采用外腔諧振倍頻Nd：YAG激光器作為泵浦源，泵浦基于KTP晶體的SRO，獲得了1 W的單模閑置光和48 mW的信號(hào)光輸出，總的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到34.6%［5］.1994年，他們?cè)诃h(huán)形腔中實(shí)現(xiàn)了SRO，在泵浦功率為6.7 W時(shí)，獲得了1.9 W的單頻閑置光輸出，信號(hào)光和閑置光的線寬均小于1 MHz［6］.在SRO中用到的塊狀晶體還有KTA，1999年，英國(guó)的實(shí)驗(yàn)人員通過(guò)內(nèi)腔SRO，采用KTA作為參量介質(zhì)，在泵浦功率為14 W時(shí)，獲得了620 mW的信號(hào)光輸出和840 m W的閑置光輸出，功率提取效率為35%［7］.

1.2 基于準(zhǔn)相位匹配晶體的連續(xù)波SRO

（1）PPKTP有較高的非線性系數(shù)（9.5 pm／V），對(duì)可見光的吸收非常低，光折變效應(yīng)可以忽略，但其缺點(diǎn)是損傷閾值較低.2000年，德國(guó)的實(shí)驗(yàn)小組通過(guò)采用PPKTP作為參量介質(zhì)，在駐波腔中實(shí)現(xiàn)了SRO，在泵浦功率為1.2 W時(shí)，獲得了72 mW的閑置光輸出和28 m W的信號(hào)光輸出［8］.2001年，他們采用PPKTP作為參量介質(zhì)，在環(huán)形腔中實(shí)現(xiàn)了SRO，并對(duì)輸出閑置光進(jìn)行外腔諧振倍頻使得輸出激光的調(diào)諧范圍為550～2 830 nm，輸出激光功率在30～500 m W之間.實(shí)驗(yàn)中當(dāng)泵浦功率超過(guò)2.4 W時(shí)，晶體的輸入端面出現(xiàn)了損傷［9］.

（2）PPLN晶體相比PPKTP晶體擁有更高的非線性系數(shù)（14～17 pm／V），但是，PPLN易受到可見光和近紅外波段的激光輻射而導(dǎo)致光折變損傷，通常使晶體工作于高溫或摻雜適量的MgO來(lái)增強(qiáng)抗光折變損傷的能力.1996年，W.R.Bosenberg等人首次實(shí)現(xiàn)了基于PPLN晶體的SRO，獲得了3.6 W的3.3μm閑置光輸出，光－光轉(zhuǎn)化效率達(dá)到80%，泵浦倒空高達(dá)93%［10－11］.通過(guò)調(diào)諧泵浦光波長(zhǎng)和非線性晶體的溫度可以實(shí)現(xiàn)幾百納米的輸出光波長(zhǎng)調(diào)諧；通過(guò)在諧振腔內(nèi)插入標(biāo)準(zhǔn)具可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的連續(xù)精細(xì)調(diào)諧［9，11－14］.M.E.Klein等人通過(guò)選用合適的標(biāo)準(zhǔn)具，將共振信號(hào)光的頻率固定在某個(gè)縱模上，通過(guò)對(duì)泵浦光進(jìn)行調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)了56 GHz的閑置光調(diào)諧［12］；S.E.Bisson等人分別采用固體標(biāo)準(zhǔn)具和有空隙的標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)SRO的調(diào)諧特性進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了50 cm－1的高分辨率調(diào)諧［13］；A.Henderson等人選用單頻1083 nm全光纖激光器作為泵浦源，通過(guò)采用長(zhǎng)的PPLN晶體（80 mm）大大降低了SRO的閾值，同樣通過(guò)對(duì)泵浦光波長(zhǎng)調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)了130 GHz的閑置光頻率調(diào)諧［14］.2008年，芬蘭的實(shí)驗(yàn)小組采用單頻窄線寬光纖激光器泵浦 MgO：PPLN SRO，未選用任何選模元件，通過(guò)對(duì)晶體精細(xì)控溫（控溫儀控溫精度±6 m K）和熱自鎖定效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)的單模運(yùn)轉(zhuǎn)并且沒有跳?，F(xiàn)象發(fā)生［15］；近年來(lái)，該實(shí)驗(yàn)小組也一直致力于SRO的調(diào)諧和穩(wěn)定性的研究［16－18］，其中在2009年，通過(guò)采用鍍金衍射光柵對(duì)SRO輸出的激光波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)諧，閑置光的調(diào)諧范圍可達(dá)到500 GHz，14 h內(nèi)的頻率漂移約為250 MHz.2006年，美國(guó)的科研人員研究了內(nèi)腔功率對(duì)SRO的影響，通過(guò)選取合適的輸出耦合透射率來(lái)降低共振信號(hào)的內(nèi)腔功率，從而減小晶體的熱效應(yīng)，提高輸出激光的光束質(zhì)量，同時(shí)獲得共振信號(hào)光波段的激光，提高總的功率提取效率［19］.隨后一系列實(shí)驗(yàn)選用對(duì)共振光有輸出耦合的鏡子，同時(shí)得到了信號(hào)光和閑置光輸出，并且確實(shí)有效地提高了SRO的功率提取效率［20－21］.2008年，S.T.Lin等人實(shí)驗(yàn)研究了SRO中的熱誘導(dǎo)和熱致雙穩(wěn)現(xiàn)象，采用高功率1 064 nm光纖激光器泵浦MgO：PPLN SRO，3 μm的閑置光在腔內(nèi)共振，當(dāng)泵浦功率高于某一值時(shí)，PPLN晶體對(duì)閑置光的吸收使得對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)不利的熱效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣谶\(yùn)轉(zhuǎn)的熱效應(yīng)，SRO腔鏡對(duì)共振光的輸出耦合透射率為5.3%，實(shí)驗(yàn)同時(shí)獲得了1.2 W的3μm激光輸出和7.4 W 的1.57μm激光輸出［20］.2009年，S.C.Kumar等人采用連續(xù)單頻1.06μm光纖激光器作為泵浦源，通過(guò)選取合適的共振信號(hào)輸出耦合透射率，在泵浦功率28.6 W時(shí)，得到了9.8 W的1.627μm信號(hào)光和7.7 W的3.07μm閑置光，功率提取效率達(dá)到61%，光束質(zhì)量 M2＜1.28［21］.

（3）PPLT的透光范圍為0.28～5μm，同樣通過(guò)摻雜Mg O可以增強(qiáng)該晶體的抗光折變損傷能力，所以MgO：sPPLT成為可見和近紅外區(qū)域連續(xù)波OPO的理想材料.2007年，西班牙的實(shí)驗(yàn)小組采用連續(xù)單頻532 nm Nd：YVO4激光器作為泵浦源，泵浦基于MgO：sPPLT的SRO，分別選用兩鏡駐波腔結(jié)構(gòu)和環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高功率的單頻閑置光輸出，閑置光波長(zhǎng)調(diào)諧范圍848～1 430 nm［22－23］.2008年，他們比較了SRO和有輸出耦合的SRO的性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)有輸出耦合的SRO下轉(zhuǎn)換效率更高，輸出的下轉(zhuǎn)換光光譜更純［24］.近年來(lái)，該實(shí)驗(yàn)小組一直從事著提高SRO輸出功率和功率穩(wěn)定性方面的研究［25］.

2 實(shí)驗(yàn)室的研究工作進(jìn)展

實(shí)驗(yàn)室一直開展著不同波長(zhǎng)激光光源的研制工作，其中重要的一項(xiàng)工作就是研制波長(zhǎng)位于光纖通訊窗口的高功率連續(xù)單頻1.5μm激光光源.實(shí)驗(yàn)室通過(guò)SRO來(lái)研制連續(xù)單頻1.5μm激光光源［26］，圖2所示為實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖.泵浦源為自制的全固態(tài)連續(xù)單頻1.06μm Nd：YVO4激光器，經(jīng)過(guò)兩個(gè)二分之一波片和光學(xué)隔離器注入SRO腔中.SRO腔型為近共心結(jié)構(gòu)兩鏡駐波腔，兩鏡曲率半徑均為26 mm；輸入鏡M1鍍1.06μm高透膜（HT，T＞99%），1.5μm 高反膜（HR，R＞99.8%）；輸出鏡 M2鍍1.06μm 高反膜，對(duì)1.5μm的透射率為1.8%，1.5μm的信號(hào)光在參量腔內(nèi)振蕩并以小透射率輸出.實(shí)驗(yàn)選用的非線性晶體為PPLN晶體（Deltronic Inc），尺寸為30 mm（長(zhǎng)）×10 mm（寬）×1 mm（厚），選用的通道極化周期為29.8μm.PPLN晶體放置于控溫爐中，通過(guò)高溫控溫儀對(duì)其進(jìn)行溫度控制，控溫精度為±5 m K（Model YG－2009B）.從SRO輸出的1.5μm激光，通過(guò)光束分束器分出一少部分用于監(jiān)視激光模式和測(cè)量激光的參數(shù)，大部分的光作為激光光源用于后續(xù)實(shí)驗(yàn).

圖2 SRO的實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Experimental setup of SRO

圖3（P246）所示為測(cè)量的1.5μm激光功率隨泵浦功率的變化曲線.由圖可知，SRO的閾值約為3.3 W，在泵浦功率為8 W時(shí)，實(shí)驗(yàn)獲得了1.4 W的連續(xù)單頻1.5μm激光.在30 min內(nèi)，SRO能夠保持穩(wěn)定單頻運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出激光功率波動(dòng)小于±2%.在量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，激光光源的噪聲特性是非常重要的參數(shù)之一，實(shí)驗(yàn)中我們采用平衡探測(cè)的方法來(lái)測(cè)量激光的強(qiáng)度噪聲［27］；用一個(gè)失諧的F－P腔把激光的相位噪聲轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度噪聲來(lái)測(cè)量［28］.圖4所示為測(cè)量結(jié)果，黑線為散粒噪聲基準(zhǔn)，紅線為激光的強(qiáng)度噪聲，藍(lán)點(diǎn)為在各個(gè)不同的分析頻率下測(cè)到的激光的相位噪聲.從圖中可以看出，1.5μm激光的強(qiáng)度噪聲在分析頻率4 MHz處達(dá)到散粒噪聲基準(zhǔn)，相位噪聲在10～20 MHz的分析頻率內(nèi)高于散粒噪聲極限不到1 dB.該1.5μm激光光源將用于實(shí)驗(yàn)室制備實(shí)用化量子糾纏源的實(shí)驗(yàn)中.

3 SRO的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 拓展輸出激光波長(zhǎng)

拓展SRO的輸出波長(zhǎng)是基于人們對(duì)不同波長(zhǎng)激光光源的應(yīng)用而開展的研究方向.一方面，隨著全固態(tài)激光技術(shù)的發(fā)展，用作SRO泵浦源的激光波長(zhǎng)的擴(kuò)展將直接影響著參量激光波長(zhǎng)的擴(kuò)展；另一方面，伴隨著光學(xué)超晶格技術(shù)的發(fā)展，極化周期更短、通光孔徑更大、非線性作用長(zhǎng)度更長(zhǎng)的光學(xué)超晶格材料的研制，將可以匹配出更寬的激光波段.

3.2 研制新型非線性晶體

圖3 輸出功率隨泵浦功率的變化關(guān)系Fig.3 Signal output versus the pump power

圖4 1.5μm激光的噪聲特性Fig.4 Quantum noise of 1.5μm laser

非線性材料的發(fā)展直接影響著單共振光學(xué)參量振蕩器技術(shù)的進(jìn)展，具有寬的透光光譜范圍、大的有效非線性系數(shù)、高的激光損傷閾值、物化性能穩(wěn)定且能生長(zhǎng)大尺寸的新型晶體是光學(xué)參量振蕩器研究的另一熱點(diǎn)［29－30］.大的有效非線性系數(shù)可以降低SRO的閾值和提高SRO的轉(zhuǎn)換效率；高的激光損傷閾值可以延長(zhǎng)非線性晶體的使用周期，也是研制高功率激光光源的需求.

3.3 改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)性能

目前報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然存在SRO轉(zhuǎn)換效率不高、輸出激光的頻率穩(wěn)定性差、系統(tǒng)抗干擾能力差等問(wèn)題，這些問(wèn)題限制著SRO的進(jìn)一步應(yīng)用，因此對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行原理上的研究和技術(shù)上的探討具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

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Continuous－wave Singly Resonant Optical Parametric Oscillator

ZHANG Kuan－shou，LI Peng，LIU Jian－li
（StateKeyLaboratoryofQuantumOpticsandQuantumOpticsDevices，InstituteofOpto－Electronics，ShanxiUniversity，Taiyuan030006，China）

The continuous－wave（cw）singly resonant optical parametric oscillator（SRO）can be used to obtain the light sources which are tunable over a wide spectral range.In this paper，we review the development of the cw SROs over the last decade，introduce the experimental results of 1.5μm cw SRO based on periodically poled lithium niobate in our lab，and give the prospect of cw SRO finally.

continuous－wave；singly resonant optical parametric oscillator；quasi－phase match crystal

TN248；O431

A

0253－2395（2012）02－0243－05＊

2012－03－09；

2012－03－21

國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2010CB923101）

張寬收（1965－），男，山西臨猗人，博士，教授，主要從事全固態(tài)激光技術(shù)和光量子器件的研究.E－mail：kuanshou＠sxu.edu.cn