摘要采用半导体激光器(LD)端面抽运声光调Q 的Nd:YVO4激光器做为抽运源，选用周期性极化掺氧化镁铌酸锂晶体(PPMgLN)，通过优化抽运光光束质量和模式匹配，获得了中红外光参变振荡器。实验发现，对于确定的LD 抽运功率，当重复频率较小，输出功率随着重复频率的增加而增加，但是达到某一重复频率时，输出功率便随着重复频率的增加而减少。改变PPMgLN 晶体的周期，实现了中红外2.95~4.16 mm 宽带调谐。
关键词激光器；光参变振荡器；中红外激光；可调谐激光器；PPMgLN 晶体
1 引言
光参变振荡器（OPO）是利用晶体（如双折射晶体KTA、LBO、KTP，周期性极化晶体PPLN、PPKTA 等）的非线性效应来实现频率变换的重要方法。相对于其他的可调谐激光器（如染料激光器、Ar3+激光器、钛蓝宝石激光器、Tm:YAG 激光器等），OPO 在调谐范围、效率和性能结构等方面，都有很强的竞争力，可以广泛地应用于遥感、差分吸收雷达、光电对抗、光谱分析等各个领域[1-4]。
近几年，准相位匹配非线性晶体的出现极大地推动了OPO 技术的发展[5-6]。准相位匹配技术可以利用晶体最大非线性系数，消除光束间的走离效应，极大地降低了OPO 阈值，提高了输出功率和转化效率。目前，实现中红外激光输出最常见晶体为PPLN、PPLT、PPRTA、PPKTP、PPMgLN 等。与PPLN 相比，PPMgLN有更强的抗光折变损伤能力，在室温即可实现高效率激光输出[7-9]。2011 年，夏林中等[7]以1. 064 mm 声光调Q 的Nd:YAG 激光器作为抽运源，获得了输出功率约1 W 的3. 365 mm 闲频光输出，光-光转换效率达27%，其重复频率为10 kHz。2012 年，吴羽等[8]采用声光调Q 的Nd:YVO4 激光作为抽运源，获得了3.2 W 的2 mｍ中红外激光输出，但是其重复频率仅仅限制在20 kHz。2013 年，彭珏等[9]采用重复频率为８kHz 的声光调Q的Nd:YAG 激光器抽运PPMgLN 晶体，获得了5 W 的2.765 mｍ中红外激光。本文采用PPMgLN 晶体实现了中红外脉冲激光输出，并重点研究了不同重复频率的输出特性。
2 实验设计
要想实现OPO 的低阈值和高效率运转，必须精心设计优化实验装置。
3 实验装置
根据理论分析，如图1 所示采用外腔单谐振结构。OPO 抽运源为半导体激光器（LD）端面抽运1064 nm声光调Q 的Nd:YVO4 激光器。LD 中心波长为809.1 nm。激光介质的掺杂原子数分数为0.5%、切割方向为a、键合晶体为YVO4/Nd:YVO4 /YVO（4 3 mm×4 mm×3 mm）。声光Q开关重复频率4~50 kHz可调。
OPO 谐振腔是由平凹镜M3（K9 玻璃，曲率半径200 mm）和平凹镜M4（CaF2衬底，曲率半径200 mm）构成，腔长为60 mm。PPMgLN 晶体厚度为10 mm，长度为45 mm，在28.5~31.5 mm 共有7 个极化周期，间隔为0.5 mm。PPMgLN 晶体固定在平移平台上，通过平台的移动，可以改变晶体周期，以实现闲频光调谐。经计算信号光1.5 mm 的谐振腔光腰尺寸为196 mm。将透镜放置在D 大约为0.3 mm 处，经计算ωp =178 mm。OPO 输入镜M3 为平凹镜，对抽运光有一定的扩散作用，可以实现模式匹配。非线性晶体也会改变光腰的位置，但不会改变光斑大小。
4 OPO 的输出特性
4.1 1064 nm 抽运光的输出特性
图2 给出了1064 nm 抽运光输出功率与单脉冲能量同重复频率的变化关系，在LD 抽运功率相同（8、10、16 W）时，1064 nm 抽运光的输出功率随着重复频率的增加而增加，最后逐渐趋于饱和；单脉冲能量随着重复频率的增加而减少，最后逐渐趋于饱和。
4.2 OPO 输出功率
当LD 功率分别为8、10、16 W，PPMgLN 极化周期为30 mm 时，分别测量了不同重复频率下闲频光（3.61 mm）的输出功率。
对于确定的抽运功率，中红外激光的输出功率与重复频率有很大关系。开始时，输出功率随着重复频率的增加而增加，达到某一重复频率时，输出功率便随着重复频率的增加而减少。即对于一确定抽运功率，声光Q 开关存在一最佳重复频率。这主要是声光调Q 的Nd:YVO4 抽运源决定的[11]。当重复频率过低，1064 nm 基频激光的平均输出功率下降，导致光参变转换效率下降，闲频光输出平均功率下降；而重复频率过高时，1064 nm 基频激单脉冲能量和峰值功率下降，又会导致光参变转化效率下降，闲频光输出功率降低。
当LD 抽运功率为8 W、单脉冲能量为66.5 mJ、重复频率为15 kHz 时，可以获得207.2 mW 中红外激光，单脉冲能量为13.8 mJ；LD 抽运功率为10 W、单脉冲能量为75.2 mJ、重复频率为25 kHz 时，可以获得321.9 mW 中红外激光，单脉冲能量为12.9 mJ；LD 抽运功率为16 W、单脉冲能量为146.8 mJ、重复频率为40 kHz 时，可以获得590.0 mW 中红外激光，单脉冲能量为14.8 mJ。
在重复频率为20 kHz、极化周期为30 mm 时，测量了闲频光与抽运光的关系，OPO 阈值为4 W。在抽运光为20 W 时，可以获得537 mW 中红外脉冲激光输出，如图4 所示。
4.3 OPO 输出波长
通过改变PPMgLN 晶体的周期，室温下可以实现2.95~4.16 mm 中红外激光宽带调谐。如图5 所示，实际测量与理论非常吻合。
当PPMgLN 周期为30 mm 时，闲频光3.61 mm 的光谱宽度约为19 nm，根据信号光与抽运光的和频光光谱宽度可以近似计算出信号光的光谱宽度小于5 nm。
4.4 OPO 输出脉宽
由于没有高速响应的中红外探测器，只能通过检测1.064 mm 抽运光和1.51 mm 信号光的脉冲宽度来分析中红外波段的脉冲宽度。在重复频率为20 kHz 和抽运光为20 W 时，测量了1.064 mm 抽运光和1.51 mm信号光的脉冲宽度。抽运光脉宽为24 ns，信号光脉宽为10.6 ns。
根据OPO 理论，信号光子和闲频光子是成对产生的，即在有信号光子的地方就会有闲频光子存在。另一方面，Debuisschert[12]指出，对于信号光单谐振OPO，闲频光的输出特性完全由基频光场和信号光场决定。因此，可推知闲频光应该与信号光具有相同的脉冲特性，所以中红外激光的脉冲宽度为10.6 ns，峰值功率为2.5 kW。
5 结论
采用LD 端面抽运的声光调Q 的Nd:YVO4 激光器与PPMgLN 非线性晶体，获得了中红外光参变激光输出。实验表明，对于确定的LD 抽运功率，中红外激光的输出功率对应一最佳重复频率，且最佳频率会随着抽运功率的增加而增加。当LD 抽运功率为16 W，重复频率为40 kHz 时，可以获得590.0 mW 中红外脉冲激光。改变PPMgLN 晶体的周期，可以实现2.95~4.16 mm 中红外激光宽带调谐。
通过简单改变重复频率、抽运功率和PPMgLN 周期，即可改变脉冲激光器的输出特性（输出功率，脉冲宽度，峰值功率以及波长）以满足不同的实际需要。