基于近简并PPMgLN的中红外双共振光学参量振荡器的纵模演化及输出特性

《Infrared Physics & Technology》：Longitudinal-mode evolution and output characteristics of a near-degenerate, PPMgLN-based mid-infrared doubly resonant optical parametric oscillator

　　

摘要

近简并双共振光学参量振荡器（DROs）能够以低阈值和高转换效率产生间隔紧密的中红外（MIR）波长。简并附近的密集纵模被已知会导致强烈的输出不稳定性，但模式演化的作用尚不明确。在本工作中，基于耦合波方程并纳入吸收损耗，为基于 periodically poled MgO:LiNbO₃（PPMgLN）的中红外DRO开发了一种温度相关的往返模型。该模型描述了在相位匹配、腔模共振和吸收的联合约束下，振荡模式对及其增益的演化。计算表明，当系统从微小失谐接近简并时，纵模分布从局部化的高增益模式簇演化为强多模竞争和光谱碎裂。在更接近精确简并时，振荡模式对的数量迅速减少。因此，最佳工作条件通常出现在微小失谐状态下，此时增益仍集中在少数主导模式簇中。在实验上，构建了一台由Tm:YAP激光器泵浦的PPMgLN DRO，并通过寄生非线性过程追踪了主导的MIR参量模式。所测得的模式行为和温度相关的输出特性与模型预测吻合良好。这些结果建立了纵模演化与DRO输出行为之间的理论联系，使预测最佳工作范围成为可能，并为稳定高效参量光源的设计提供了指导。

引言

中红外（MIR）脉冲激光器在3–5 μm光谱区域对医学诊断、遥感、环境监测和红外对抗等应用具有重要的意义[1], [2], [3], [4]。在可用的方法中，光学参量振荡器（OPOs）在输出功率、调谐范围和光束质量方面相对于直接MIR激光器具有明显优势[5], [6]，这得益于近红外固态泵浦激光器和MIR非线性晶体技术的发展。常用于MIR OPOs的非线性晶体包括体材料如ZnGeP₂[7]和AgGaS₂[8]，以及光学超晶格晶体如periodically poled MgO掺杂LiNbO₃（PPMgLN）[9], [10]。与通常依赖双折射相位匹配和角度调谐的体晶体相比，PPMgLN具有大的有效非线性系数、成熟的制备技术和通过温度调谐实现的非临界相位匹配，使其在3–5 μm可调谐MIR光源方面尤其具有吸引力[11]。迄今为止，大多数基于PPMgLN的MIR光源以1 μm泵浦的单共振OPO（SROs）形式实现，其中共振波留在近红外区域，因此量子效率相对较低[12], [13], [14]。相比之下，2 μm泵浦的PPMgLN双共振OPO（DROs）由于其较小的量子缺陷和潜在更高的光到光转换效率而日益受到关注。特别是，工作在1.9 μm附近的Tm掺杂激光器为3.8 μm附近的近简并运行提供了实用的泵浦源[15], [16], [17]，而该波段在电光对抗领域有迫切需求。近年来，此类系统的输出性能已从毫瓦级[18]进步到瓦级[15], [17], [19]，显示出进一步发展的强大潜力。

尽管DROs已被广泛研究，但先前的工作主要研究了双折射相位匹配（BPM）系统，对其工作特性的讨论很大程度上仍停留在现象学水平[20], [21], [22]。在近简并区域情况变得更加复杂：更宽的等效相位匹配带宽通常有利于更高的输出功率和转换效率[23], [24]，但它也允许更多的参量纵模对同时接近阈值，从而导致更强的模式竞争、更频繁的模式跳跃以及更复杂的稳定性行为[25], [26]。主动稳频[27]、双腔设计[28]和色散控制[29]可以抑制DROs中的模式跳跃和簇跳跃，但通常会增加系统复杂性。因此，识别本质上稳定的工作范围对于紧凑型DROs非常重要。近简并DRO的输出不仅受相位匹配的支配，还受调谐过程中主导模式对演化的支配。尽管早期研究表明DROs对腔长、吸收和失谐高度敏感[30], [31], [32], [33]，但在近简并条件下这些因素如何共同决定主导模式对，从而影响光谱、输出功率和运行稳定性，目前仍理解不足。

这一问题在基于PPMgLN的MIR DROs中尤为突出。在type-0准相位匹配（QPM）下，PPMgLN DROs在简并附近通常表现出宽得多的相位匹配带宽。随着温度变化，相位匹配条件、腔失谐和参量波的模式重叠同时改变，因此不同模式对之间的竞争被连续重新分配。此外，PPMgLN在MIR范围内对参量波的非可忽略吸收[34], [35]进一步改变了不同模式对的相对净增益。因此，光谱漂移、功率波动和模式跳跃不能仅由相位匹配变化来解释，还必须从模式选择和增益竞争的角度来理解[30], [35]。然而，这些现象与主导模式对演化之间的联系仍不清楚，直接实验观察也很困难。当前MIR傅里叶变换光谱仪在分辨简并附近的密集纵模结构方面能力有限[36], [37], [38]，因此实验通常仅提供整体光谱包络，而无法直接识别主导模式对及其切换行为。因此，如非精确简并处的输出峰值[15], [19], [39]和稳定性变化[30], [33]等现象仍然难以与底层的模式演化联系起来，且仍缺乏直接与实验观测相关联的解释。

在本工作中，从耦合波方程出发提出并开发了一种温度相关的往返模型，用于描述近简并MIR PPMgLN-DRO的纵模演化并分析其输出特性。阐明了在温度调谐过程中，相位匹配、腔共振和波长相关吸收的联合作用下，振荡模式对的选择与演化。为进行实验验证，构建了一台由Tm:YAP泵浦的MIR PPMgLN DRO。采用了一种基于寄生非线性过程的简单光谱表征方法来追踪主导参量光谱分量及其跳跃行为。理论与实验结果的结合揭示了近简并MIR DRO的输出行为受到主导模式对演化的密切支配，这为理解此类系统中的最佳运行和稳定性提供了物理基础。

章节摘要

理论模型与数值分析

如图1(a)所示，考虑了一台采用长度为L_c的PPMgLN晶体作为非线性介质的线性腔DRO。假设输入镜（IM）对泵浦波透明并对参量波高反，而输出耦合器（OC）对泵浦波高反，并为参量波提供强度反射率R_j（此处及下文j = s, i分别表示信号波和闲频波）。泵浦波从IM一侧注入，通过

实验装置

为验证理论分析，构建了一台由电光（EO）Q开关Tm:YAP激光器泵浦的MIR PPMgLN DRO，如图6所示。自行开发的EO Q开关激光器产生中心波长为1938.34 nm的脉冲。由于Tm:YAP较宽的增益带宽，输出光谱范围从1936.21扩展到1939.80 nm。在5 kHz的重复频率下，平均输出功率为480 mW，脉冲宽度约为29 ns。镜M1为一平面镜，镀有高反

结果与讨论

首先将PPMgLN晶体温度从30到58 °C以2 °C为步长逐步变化，以研究DRO参量发射（包括MIR信号波和闲频波）的温度依赖性，如图8所示。根据第3节的分析，由于傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率有限和响应缓慢，直接MIR测量无法精确分辨纵模动力学。因此，MIR波长是通过

结论

总之，通过建模与实验相结合的方式，系统地研究了近简并MIR PPMgLN DRO的纵模演化和输出特性。开发了一种温度相关的往返模型来描述在相位匹配、腔共振和吸收的联合约束下振荡模式对的演化。结果表明，近简并MIR DRO的性能不仅仅受接近精确简并程度的支配，

CRediT作者贡献声明

郑一哲：撰写 – 初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式化分析，数据整理，概念化。钟凯：撰写 – 审阅与编辑，监督，资金获取。池晶：验证，调查。刘雨欣：验证，调查。陈凯：验证，调查。李宁静：可视化，验证。徐德刚：撰写 – 审阅与编辑。姚建泉：资源，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金委员会（62175184）和教育部微纳电子机械系统技术重点实验室的资助

郑一哲|钟凯|池晶|刘雨欣|陈凯|李宁静|徐德刚|姚建泉

天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072，中国