《Optics & Laser Technology》：Comprehensive enhancement of OPO performance via collinear irradiation of an MgO:PPLN crystal with a 405 nm laser
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•展示了一种共线405 nm激光辐照策略，用于抑制MgO:PPLN中的热电效应引起的 Photorefractive效应，所需的最小有效功率仅为300 μW。•同时实现了功率稳定性、频率稳定性、边模抑制比、光束质量和转换效率的提升。•性能改善源于光生载流子对热电场的屏蔽以及弱
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展示了一种共线405 nm激光辐照策略，用于抑制MgO:PPLN中的热电效应引起的 Photorefractive效应，所需的最小有效功率仅为300 μW。
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同时实现了功率稳定性、频率稳定性、边模抑制比、光束质量和转换效率的提升。
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性能改善源于光生载流子对热电场的屏蔽以及弱波导效应所提供的横向光束约束。
引言
3–5 μm中红外（MIR）光谱带处于大气传输窗口内，并与众多气体和物质的特征吸收峰重叠，因此被广泛应用于气体传感、自由空间光通信、激光雷达和医学等领域 [1], [2], [3], [4]。在该波段产生激光辐射的技术方案主要包括量子级联激光器（QCL） [5]、掺杂光纤/固体激光器 [6]、带间级联激光器 [7]和光学参量振荡器（OPO） [8]。其中，OPO凭借高平均功率、超宽带波长调谐范围、灵活的工作模式和高转换效率，已成为主流的中红外光源之一，并逐步进入工业和医疗应用 [9]。中红外OPO由泵浦源、非线性晶体和光学谐振腔组成，其中非线性晶体是核心元件。采用准相位匹配技术的MgO掺杂周期性极化铌酸锂（MgO:PPLN）晶体，因其大的非线性系数、宽的透明范围和高损伤阈值，在3–5 μm OPO系统中得到广泛应用 [10]。
稳定运行的OPO一直是研究目标。气体传感、激光雷达和光谱学等应用对OPO的功率稳定性、频率稳定性、光谱纯度和光束质量提出了严格要求 [11], [12], [13], [14], [15]。为此，研究人员开发了各种性能提升方案 [16]。其中，Pound–Drever–Hall（PDH）频率稳定技术 [17]、腔内etalons（ITE） [18]和精密温度控制（PTC） [19]等主动、被动和辅助技术引起了特别关注。PDH频率稳定技术通过相位调制引入边带作为频率参考，并从腔反射中解调频率判别误差信号，该信号随后反馈至压电驱动器（PZT）以微调腔长，从而实现频率锁定。然而，PDH系统通常需要电光调制器、快速光电探测器、高稳定参考腔和伺服控制电子器件，使其体积庞大且相对昂贵，并因环境扰动或参数漂移而存在失去相位锁定的固有风险。ITE可视为插入谐振腔中的超精细滤波器。它利用多光束干涉原理，仅传输特定纵模，从而迫使OPO在单频模式下运行。与PDH技术相比，其配置更简单，可提高频率稳定性；但它引入了插入损耗，降低了OPO输出功率和转换效率。此外，etalon的自由光谱范围和带宽限制了OPO的波长调谐范围，宽调谐可能需要旋转或更换etalon。PTC是OPO中近乎通用的配置，通常采用热电冷却器（TEC）或电阻加热器来稳定晶体温度。然而，在高腔内功率水平下，振荡光被晶体吸收会导致照明区域局部温度升高，即使整体温度控制良好也是如此。这种不均匀的温度升高通过热电效应产生强电场，进而引发 Photorefractive效应，导致光束畸变和腔模匹配恶化，从而降低OPO性能；该效应在较高工作温度下更为严重 [20], [21]。在我们之前的工作中，我们在材料层面证明了405 nm激光可以缓解MgO:LN和MgO:PPLN中的热电效应引起的 Photorefractive效应 [20]，随后采用300 mW 405 nm激光顶部辐照来增强温度调谐过程中的OPO性能 [21]。然而，顶部辐照方案需要较高的辅助功率和较大的照明面积，且此前的研究并未确定共线配置下的最小有效功率，也未评估频率稳定性或边模抑制比。因此，探索一种具有简单配置、低成本并有效抑制晶体内 Photorefractive效应的性能提升方法具有重要的研究意义。
在本工作中，我们提出并演示了一种新方法：使用405 nm辅助激光与泵浦光束共线辐照MgO:PPLN晶体。该方法具有简单紧凑的配置、易于实现和低成本的特点；它能有效缓解热电效应引起的 Photorefractive效应，并实现对OPO输出特性的全面提升。共线405 nm激光辐照的最小有效功率仅为300 μW。与无共线405 nm激光辐照的情况相比，OPO在功率稳定性、频率稳定性、边模抑制比（SMSR）、光束质量和转换效率方面均有改善。我们的结果显著提高了OPO的鲁棒性，有望进一步促进其在各领域深入和广泛的应用。
各节摘要
最小有效功率的确定与理论分析
我们之前的工作证明了使用405 nm激光有效抑制MgO:PPLN晶体中热电效应引起的 Photorefractive效应 [20]。为了进一步确定405 nm辅助激光能够有效抑制共线配置下 Photorefractive效应的最小功率阈值，我们搭建了图1a所示的实验装置。1064 nm DFB激光作为探测源；其光束经透镜L1和L2整形后被入射
OPO的实验配置
为了验证405 nm辅助激光带来的OPO性能提升，我们搭建了图2a所示的实验装置。OPO由一台连续波、线偏振的掺镱光纤激光器（型号YLR–50–1064–LP–SF，IPG Photonics, Inc.）泵浦，该激光器中心波长为1064 nm，线宽为70 kHz，最大输出功率为50 W，束腰半径为800 μm（在1/e2水平）。泵浦光束经透镜对L1和L2整形，
结果与讨论
OPO的输出性能使用波长计（771B–MIR，Bristol, Inc.）、光谱分析仪（OSA207，Thorlabs, Inc.）和功率计（S401C，Thorlabs, Inc.）在自由运行状态下进行了全面表征（此处"自由运行状态"特指无405 nm辅助激光辐照的OPO工作条件），如图3所示。OPO的振荡阈值仅为5 W。首先，闲频光光谱的
结论
总之，我们提出了一种共线辐照方案，其中405 nm激光与泵浦光束共线穿过MgO:PPLN晶体，从而提升中红外OPO的输出性能。主要原因在于405 nm激光有效消除了热电效应引起的不均匀 Photorefractive效应，并在照明区域形成了弱波导结构，这增强了OPO的腔模匹配并为光提供了横向约束
CRediT作者贡献声明
许朝阳：方法论、调查研究、形式分析、概念设计。张坤：方法论。胡帮炎：项目管理。陈一凡：验证。姚洪泉：方法论。吕新杰：监督指导、资源、项目管理。宁剑：软件。赵刚：验证。朱 shiny：可视化、项目管理。
资金支持
国家重点研发计划（编号：国家自然科学基金（编号：国家重点研发计划（编号：
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文报道工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
许朝阳|张坤|胡帮炎|陈一凡|姚洪泉|吕新杰|宁剑|赵刚|朱 shiny
