光参量振荡是固体激光器实现可调谐长波红外输出的主要技术手段之一。常用的长波非线性晶体主要有ZnGeP₂、CdSe、BaGa₄Se₇（BGSe）等晶体，而ZGP晶体由于其在非线性系数和损伤阈值等方面有明显的优势，已经成为长波红外固体激光器的主要非线性晶体之一。目前可调谐ZGP - OPO的研究主要集中在角度调谐和泵浦波长调谐，而在ZGP温度调谐方面的研究较少。开展ZGP - OPO温度调谐特性研究，一方面拓展了长波ZGP - OPO调谐方式，另一方面也对长波红外可调谐固体激光器的工程化具有重要研究意义。
据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院空天信息创新研究院激光工程中心和中国科学院大学电子电气与通信工程学院的联合科研团队在《中国光学（中英文）》期刊上发表了以“温度调谐ZnGeP₂长波红外光参量振荡器”为主题的文章。该文章第一作者为田俊涛，主要从事可调谐长波红外固体激光器方面的研究工作；通讯作者为谭荣清研究员，主要从事激光器和激光技术及应用方面的研究工作。
本文研究了ZGP - OPO温度调谐特性，通过改变ZGP的工作温度，实现连续可调谐长波红外激光输出。实验中采用Ho:YAG激光器作为泵浦源，在ZGP相位匹配角为51.3°、51.0°和50.6°条件下，在15~30 °C范围内进行温度调谐实验研究，分别实现闲频光7.53~7.67 μm、7.85~8.02 μm和8.45~8.77 μm连续可调谐激光输出，总调谐范围为1.24 μm。
实验装置
ZGP - OPO长波激光器实验装置如图1所示，泵浦源采用声光调Q的Ho:YAG激光器，中心波长为2097 nm，光谱宽度为0.65 nm，最大输出功率为23.03 W，脉冲宽度为21.5 ns，重复频率为10 kHz，光束质量因子小于1.5。泵浦光经过焦距为150 mm的透镜M1聚焦之后，束腰位于ZGP晶体的中心位置，腰斑直径为0.65 mm。实验中，ZGP - OPO采用环形腔结构，谐振方式为信号光单谐振模式，OPO谐振腔由4片平面镜组成，其中M2、M3和M5为泵浦光2.1 μm高透、信号光2.6 ~ 2.8 μm高反的45°平面镜，M4为信号光2.6 ~ 2.8 μm的输出镜，透过率为18%。谐振腔物理腔长为80 mm。闲频光和剩余的泵浦光直接从M3镜输出。镜M6为2.1 μm高反、闲频光7.5~9.5 μm高透45°滤光片，用于过滤剩余的泵浦光，便于测量闲频光输出功率。ZGP晶体的切割角为θ=51.5°、φ=0°，ZGP晶体的通光截面为6 × 6 mm²，长度为20 mm。ZGP晶体两端镀有2.1、2.6~2.8和7.5 ~ 9.5 μm增透膜。为了便于研究温度调谐特性，ZGP晶体由铟箔包裹后置于通水的铜块中，水温由水冷机控制，温度设置范围为15~30 °C，精度为0.1 °C。
图1 ZGP - OPO实验装置图
器件性能表征
实验中，ZGP晶体热沉固定在旋转电机（调整精度：25′′）上，通过电机旋转ZGP晶体来改变其相位匹配角，进而研究不同匹配角下的温度调谐特性。采用傅里叶变换红外光谱仪（分辨率：0.125 cm⁻¹）对不同温度下ZGP - OPO输出的闲频光波长进行测量，不同相位匹配角下ZGP - OPO温度调谐实验和理论结果如图2所示，可以看出，测量得到的闲频光波长随温度的变化与理论计算值符合较好。
（a）51.3°；（b）51.0°；（c）50.6°
由图2可以看出，ZGP晶体在15 ~ 30 °C温度变化范围内，当相位匹配角θ为51.3°时，闲频光波长范围为7.53 ~ 7.67 μm，调谐范围为0.14 μm；当相位匹配角为51.0°时，闲频光波长范围为7.85 ~ 8.02 μm，调谐范围为0.17 μm；当相位匹配角为50.6°时，闲频光波长范围为8.45 ~ 8.77 μm，调谐范围为0.32 μm。因此，在51.3° ~ 50.6°范围内，在相同工作温度下，相位匹配角越小，闲频光输出波长越大；而且在相同温度变化下，相位匹配角越小，对应的调谐范围越大。
根据文献中的谐振腔补偿模型，实验中，设定51.3°为ZGP晶体的初始位置，当晶体分别旋转到匹配角为51.0°和50.6°时，谐振腔补偿量分别为0.21 mm和0.45 mm，实验中通过谐振腔补偿技术得到了较高的闲频光输出功率。在泵浦功率为23.03 W时，不同匹配角和温度下的闲频光输出功率如图3所示。
图3 不同匹配角和温度下的输出功率
可以看出，在7.53 ~ 8.77 μm范围内，闲频光输出最小功率为1.503 W，最大功率为1.882 W。闲频光输出功率的变化主要由ZGP相位匹配角的变化引起，相位匹配角越小，对应的输出波长变大，在ZGP晶体内的透过率降低，输出功率越低。在同一相位匹配角条件下，ZGP工作温度变化对闲频光输出功率影响不大。
当闲频光波长为8.77 μm，在输出功率为1.503 W时，在出光口处放置焦距为256 mm的平凸透镜，通过90/10刀口法测量闲频光通过透镜后在不同位置处的光斑直径。通过高斯拟合得到光束质量因子M2，如图4所示，水平方向（x）和竖直方向（y）上的M2值分别为1.46和1.12。图4中插图部分是用红外相机记录的相应的光斑图，光束轮廓较好。
图4 闲频光8.77 μm的光束质量和光斑
如图5（a）所示，当闲频光输出波长为8.77 μm时，ZGP - OPO闲频光最高输出功率为1.503 W，斜率效率为12.19%，光光转换效率为6.53%。图5（a）插图中是在最高输出功率点测量的脉冲波形显示的脉冲宽度为20.0 ns。同时，该闲频光波长下输出功率不稳定度的测量结果如图5（b）所示，25 min的功率不稳定度（RMS）为1.23%。
（a）输出功率和脉冲波形；（b）功率不稳定度
利用傅里叶变换红外光谱仪测量的不同相位匹配角和温度下ZGP - OPO闲频光光谱如图6所示。可以看出，闲频光光谱宽度最小为18.1 nm，最大为118.7 nm。当输出波长在7.53 ~ 8.02 μm范围内时，闲频光光谱宽度均在18.1~40.2 nm之内，其随温度变化不大。但是当输出波长大于8.45 μm时，闲频光光谱宽度随着波长增大而明显增加，其中8.77 μm处的光谱宽度达到118.7 nm。这是由于ZGP晶体的Ⅰ类相位匹配在9.7 μm附近参量允许线宽值大（角度调谐曲线斜率绝对值大），其光谱增益宽度达到μm量级，因此当输出波长在7.53 ~ 8.02 μm范围内时，其增益宽度随波长变化不大，而当输出波长在8.45 ~ 8.77 μm范围内时，光谱增益宽度随着波长增大而明显增大。
图6 测量的ZGP - OPO闲频光光谱图
结论
本文通过对ZGP - OPO温度调谐特性研究，获得了连续可调谐长波红外激光输出。采用中心波长为2097 nm的Ho:YAG激光器作为泵浦源，当ZGP相位匹配角为51.3°、51.0°和50.6°时，在15~30 °C范围内开展温度调谐特性研究，分别实现闲频光7.53~7.67 μm、7.85~8.02 μm和8.45~8.77 μm连续可调谐长波红外激光输出，总调谐宽度为1.24 μm。在整个调谐范围内，输出功率大于1.503 W，当闲频光波长为8.77 μm时，输出功率为1.503 W，斜率效率为12.19%，光光转换效率为6.53%，水平方向和竖直方向上的光束质量分别为1.46和1.12。研究结果表明ZGP - OPO温度调谐是实现可调谐长波红外激光的有效手段，并结合角度调谐实现更宽调谐范围的长波红外激光输出，为可调谐长波固体激光器的发展奠定了基础。
这项研究获得国家自然科学基金（61875198、61775215）、脉冲功率激光技术国家重点实验室开放基金（SKL2021KF04）和中国科学院仪器设备研制项目（YJKYYQ20210045）的资助和支持。
DOI: 10.37188/CO.2022-0217
