可调高能Nd:YAG泵浦的1.9至2.4 μm波段光学参量振荡器

《Photonics》：Tunable High-Energy Nd:YAG-Pumped Optical Parametric Oscillator in the 1.9 to 2.4 μm Spectral Range

　　

研究人员展示了一种由Nd:YAG激光在1064 nm直接泵浦的单晶KTP（钾钛氧磷酸盐，potassium titanyl phosphate）光学参量振荡器（OPO），并将其性能与由1个OPO和4个OPA（光参量放大器，optical parametric amplifier）级联构成的常规主振荡功率放大（MOPA）系统进行比较。该高能OPO产生的信号脉冲能量最高达90 mJ，而MOPA系统达到116 mJ。在2005 nm信号波长处，测得的信号与对应闲频光脉冲宽度约为7 ns。该高能OPO的信号波长可在1.90至2.17 μm调谐，对应闲频光波长覆盖2.10至2.40 μm。利用SNLO所得数值模拟与高能OPO实验结果吻合良好。两种系统的光束传输因子相当，M2值均约为10。

论文《Tunable High-Energy Nd:YAG-Pumped Optical Parametric Oscillator in the 1.9 to 2.4 μm Spectral Range》发表于《Photonics》。可调红外激光源在振动/转动光谱学、表面与气体非侵入原位检测、医药与医学吸收光谱中具有重要作用；2.0 μm辐射还可用于泵浦OPO以产生3–5 μm与8–12 μm激光，或通过差频产生（DFG）拓展至太赫兹。已有Ho/Tm增益介质可在近2 μm直接输出较高能量，也有OPO/OPA系统实现百毫焦级输出，但多数集中于固定波长，缺乏实验验证的宽波段调谐能力。由于吸收光谱与激光泵浦常要求精确波长，发展可由1064 nm Nd:YAG直接泵浦、兼具高单晶KTP OPO信号能量与宽调谐能力的光源成为必要。研究人员据此开展直接Nd:YAG泵浦单晶KTP OPO研究，并与MOPA对照，结论是：HE-OPO信号可达90 mJ、调谐仅需单晶旋转，MOPA达116 mJ但调谐需五片晶体顺序对准；两者M²约10。该工作首次在近2 μm区将单晶KTP OPO的高信号能量与宽实验调谐结合，为高能波长依赖测量提供简便源。

关键技术方法：研究人员使用Continuum Powerlite 8010型Nd:YAG泵浦源（1064 nm、10 Hz、10 ns、最大1.2 J），以λ/2波片与偏振立方调控泵浦P偏振与能量；OPO采用10×10 mm²、长16 mm、切角θ=53.6°（?=0°）的KTP晶体，腔镜为SiO₂:HfO₂高损伤阈值介质膜；通过旋转晶体改变相位匹配角，并利用信号+泵浦、闲频+泵浦的和频（SFG）可见光用Ocean Optics USB2000光纤光谱仪间接算λ_s、λ_i，再以McPherson 208单色仪校验；模拟采用SNLO下Matlab的2D-cav-LP子程序，考虑横向光场、衍射与走离。MOPA则用6.5%分光入OPO、四片同切角KTP作OPA，以望远镜变束、电机转台调角、Si片布儒斯特角分束。

1. 2.
   Experimental Setup
   研究人员搭建HE-OPO：泵浦经λ/2与偏振立方后入射含单晶KTP的平面镜腔；晶体可转，SFG峰经λ_s+p、λ_i+p换算信号/闲频波长，直接单色仪测得θ=53.6°时λ_s=2005 nm、λ_i=2267 nm，脉宽约7 ns短于泵浦10 ns，源于OPO阈值以上瞬时泵浦才起振。腔镜泵透20%、输出耦合器泵反95%，信号/闲频镀SiO₂:HfO₂膜，KTP平均透射>98%（1950–2350 nm）。因大泵束径致大菲涅耳数、弱横模鉴别，加走离与非均匀增益，信号/闲频M²≈10。MOPA中6.5%泵入OPO，其余经T3缩至6 mm泵四OPA；OPA同θ、走离补偿、四Si片分束，双色镜去残泵。
2. 3.
   Simulations
   研究人员用SNLO模拟：光场按腔往返时延切片，解傍轴麦克斯韦方程；先优镜反，为安全选M1泵反20%、M2信号反40%/闲频反93%等折中值。模拟显示信号1900–2160 nm、闲频2100–2400 nm，最大理论高实测约15%，偏差来自转角改光程、AR膜效应及腔内SFG等损耗；θ=54.8°时λ_s+p=688.71 nm、λ_i+p=730.69 nm，对应λ_s=1952.59 nm、λ_i=2332.53 nm；2005 nm处泵765 mJ得信号90 mJ。
3. 4.
   Comparison with the MOPA System
   研究人员比较二者：MOPA调谐需五电机晶体顺序优角（精度<0.1°，首次数分钟、已校准可秒级切换），HE-OPO仅转单晶。MOPA泵909 mJ得信号116 mJ，四级OPA后M²仍约10；首级OPA因泵M²优于OPO输出信号，M²暂改善，后随剖面退化再升。OPO后加2 mm光阑可提质但最高信号降至2.6 mJ。HE-OPO腔强近损伤阈但调谐/波长诊断更易（可见SFG），MOPA腔强弱需近红外光谱或BBO（β-BaB₂O₄）倍频测长。
4. 5.
   Summary
   研究人员总结：HE-OPO由1064 nm Nd:YAG直接泵浦单晶KTP，信号1.90–2.17 μm、闲频2.10–2.40 μm，2005 nm、泵765 mJ得90 mJ，脉宽约7 ns，SNLO吻合；MOPA为1 OPO+4 OPA，2005 nm、泵909 mJ得116 mJ；两系统M²≈10。MOPA能量略高但调谐需四OPA重对；HE-OPO单晶旋转即调谐，简便，是高功率波长依赖测量理想源。

讨论与结论译文：研究人员论证了由Nd:YAG在1064 nm直接泵浦的单晶KTP高能OPO可产生可调信号与闲频脉冲，在2005 nm/2267 nm工作点信号与闲频脉宽约7 ns；信号调谐1.90–2.17 μm、闲频2.10–2.40 μm；2005 nm处泵765 mJ获90 mJ信号，角度依赖能量与SNLO一致。对照MOPA（1 OPO+4 OPA）泵909 mJ获116 mJ；两系统M²约10。MOPA信号能稍高但调谐须各OPA重校，HE-OPO仅转单KTP即可调谐，其直接可调特性使之成为高功率波长依赖测量的理想激光源。