基于CO2激光的AgGaSe2晶体中3次谐波产生

饶志明，王新兵，肖贤波，卢彦兆

（1.华中科技大学光学与电子信息学院武汉光电国家实验室，武汉430073；2.江西中医学院计算机学院，南昌330004）

基于CO2激光的AgGaSe2晶体中3次谐波产生

饶志明1，2，王新兵1，肖贤波2，卢彦兆1

（1.华中科技大学光学与电子信息学院武汉光电国家实验室，武汉430073；2.江西中医学院计算机学院，南昌330004）

为了在AgGaSe2晶体中产生3次谐波，利用自行研制的1台可调谐脉冲CO2激光器，在2次谐波中采用Ⅰ类匹配，并在3次谐波中采用Ⅱ类匹配的方法。实验中CO2激光输出波长为9.6μm，在AgGaSe2晶体中得到了波长为4.8μm的2次谐波以及波长为3.2μm的3次谐波，其峰值功率分别为88kW和4kW，并测量了相位匹配允许角。结果表明，在该AgGaSe2晶体实验中能有效地输出3次谐波，随着CO2激光功率的增大，输出2次谐波峰值功率和3次谐波峰值功率的级数都增加。

激光技术；3次谐波；相位匹配；CO2激光；AgGaSe2晶体

引 言

AgGaSe2晶体是广泛应用于中红外频率变换的单轴晶体。如果将CO2激光进行3次谐波（thirdharmonicgeneration，THG），就可以简便而有效地获得波长范围在3μm～3.6μm的中红外可调谐激光。TAKAOKA等人［1］在AgGaSe2晶体中成功地获得了3次谐波输出，其在非临界温度相位匹配时用温度控制AgGaSe2晶体，BHAR等人［2］利用两块AgGaSe2晶体在3.5μm获得了3次谐波。在国内，WU等人［3］在AgGaSe2晶体中获得了连续和脉冲输出的2次谐波激光，使用的是自己生长的晶体。2009年，LI等人利用9.3μm脉冲横向激励大气压（transverselyexcitedatmospheric，TEA）CO2激光通过AgGaSe2晶体2次谐波产生（second-harmonicgeneration，SHG）技术实现4.65μm中红外波段激光输出的实验［4］。近年来，武汉光电国家实验室高能量激光脉冲团队利用CO2激光作为抽运光，获得了抽运光的2次谐波到4次谐波及差频波长激光，能够将激光的波长变换到2.3μm～5.4μm和72.3μm～2706μm的调谐范围，实现覆盖中红外波段和太赫兹波段［5-10］。而关于AgGaSe2晶体中红外的3次谐波，只有在本实验中得到实现。

AgGaSe2晶体属于点群负单轴晶体，黄铜矿3元化合物，2阶非线性系数d36（10.6μm）=39.5pm/V，透光范围为0.71μm～19μm，是中红外波段使用很广泛的频率变换非线性晶体。本文中介绍了利用AgGaSe2晶体产生CO2激光的3次谐波输出实验，在波长为3.2μm时，3次谐波的峰值功率为4kW。

1 实验装置介绍

图1是利用两块AgGaSe2晶体在CO2激光器中产生3次谐波的实验装置示意图。抽运光源是可以调谐的短脉冲单波长CO2激光器［11］。在该实验中，利用光栅把CO2激光器调谐到波长为9.6μm，工作重复频率设置为1Hz。因为AgGaSe2晶体双折射较小，只能用Ⅱ类相位匹配（e+o→e），在该非线性晶体中产生CO2激光的3次谐波输出。也就是说抽运光、2次谐波光和3次谐波光分别为e光、o光和e光时，才能满足AgGaSe2晶体中3次谐波的匹配。

Fig.1 Experimental setup for the third-harmonic generation in AgGaSe2crystals

该实验是由两块AgGaSe2晶体分为两步来进行3次谐波的产生。第1步是经过ZnSe透镜聚焦的9.6μm抽运光在体积为5mm×5mm×10mm，Ⅰ类（θ=50°）匹配切割的AgGaSe2晶体中产生2次谐波激光输出，此时聚焦点离AgGaSe2晶体不能很近，否则易导致AgGaSe2晶体受损伤。第2步是在第2块体积为5mm×5mm×13mm，Ⅱ类eo-e匹配（θ= 55°）切割的AgGaSe2晶体中产生3次谐波激光。两块非线性晶体的前后两面都镀上对波长为9.6μm，4.8μm和3.2μm高透射的增透膜，并且都装在能够3维方向调整的平台上。实验中使用焦热电探测器（Analog Joulemeter Probe）测量2次谐波光和3次谐波光的脉冲能量值。测量所产生的2次谐波激光能量时，是用白宝石片过滤抽运光。测量3次谐波激光能量时，是用焦距为150mm石英透镜和厚度为4mm的石英片相组合而收集到焦热电探测器。

2 3次谐波的实验结果及分析

9.6μm抽运光经过聚焦后的光斑面积约为0.2cm2，其脉冲能量约为100mJ，实验中获得了2次谐波的脉冲能量约为5.3mJ，能量转换效率约为5.3％。此时抽运光CO2激光峰值功率密度约为7.1MW/cm2，波长为4.8μm的2次谐波激光峰值功率约为88kW。图2表示2次谐波输出功率与CO2激光峰值功率密度关系。根据转换效率公式，2次谐波功率与抽运功率之间的关系是平方关系，可见实验数据曲线与理论比较接近。如果再加大CO2激光的功率密度，将导致AgGaSe2受损。

Fig.2 Relationship between peak output power of the second-harmonic and pump power intensity

3次谐波输出功率随CO2激光峰值功率密度变化的曲线如图3所示，在抽运光的脉冲能量约为100mJ时获得的3次谐波激光单脉冲能量约为0.14mJ，能量转换效率约为0.14％。抽运光CO2激光峰值功率密度约为7.1MW/cm2，3次谐波激光峰值功率约为4kW。由图3可知，抽运光峰值功率密度约为3.7MW/cm2，在波长为3.2μm的3次谐波激光峰值功率约为1.2kW。可得实验中3次谐波功率的增大倍数约为抽运功率增大倍数的2次方，而理论上根据功率转换效率理论两者的关系是3次方，实验结果和理论有所差距是由于在3次谐波的实验中能量转换效率很小、实验过程中存在的各种能量损失的原因导致的。

Fig.3 Relationship between peak output power of the thind-harmonic and pump power intensity

图4所示是3次谐波的Ⅱ类相位匹配允许角的调谐实验数据图，从图中可知，AgGaSe2晶体中CO2激光的3次谐波的Ⅱ类相位匹配允许角约为1.8°± 0.2°，也就是说在匹配角的角度前后几度的范围内都能输出3次谐波激光。说明其调谐范围较宽，相比于差频中GaAs晶体0.1°左右的允许角宽很多［6］。

Fig.4 Relationshipbetweenphase-matchingacceptanceangleandnormalizedsignal

3 结 论

利用CO2激光在AgGaSe2晶体输出的2次谐波激光和3次谐波激光，获得的2次谐波激光峰值功率为88kW，3次谐波激光峰值功率为4kW，随着CO2激光功率的增大，输出2次谐波峰值功率和3次谐波峰值功率的级数都增加。

［1］TAKAOKAE，KATOK.90°phase-matchedthird-harmonicgenerationofCO2laserfrequenciesinAgGa1-xInxSe2［J］.Optics Letters，1999，24（13）：902-904.

［2］BHARG，KUMBHAKARP，SATYANARAYANAD，etal.ThirdharmonicgenerationofCO2laserradiationinAgGaSe2crystal［J］.Pramana，2000，55（3）：405-412.

［3］WUHX，ZHANGW，TAODJ，etal.Continuous-wavefrequencydoublingofatunableCO2laserinAgGaSe2［J］.ChineseJournalofQuantumElectronics，2004，21（4）：440-443（inChinese）.

［4］LIDJ，YANGGL，XIEJJ，etal.Experimentsofsecondharmonicgenerationof9.3μmpulsedCO2lasers［J］.Opticsand PrecisionEngineering，2009，17（11）：2684-2691（inChinese）.

［5］LUYZh，WANGXB，ZHUXW，etal. TunablemiddleinfraredradiationgenerationinaGaSecrystal［J］.JournalofAppliedPhysics，2010，107（9）：93105.

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［10］RAOZhM，WANGXB，LUYZh，etal.Twoschemesforgeneratingefficientterahertzwavesinnonlinearopticalcrystalswith mid-infraredCO2laser［J］.ChinesePhysicsLetters，2011，28（7）：074215.

［11］LUYZh，WANGXB，DONGG，etal.Pulsecharacteristicsof adual-wavelengthtunableTEACO2laser［J］.LaserTechnology，2010，34（1）：88-90（inChinese）.

Third-harmonicgenerationinAgGaSe2crystalsbasedonCO2laser

RAOZhi-ming1，2，WANGXin-bing1，XIAOXian-bo2，LUYan-zhao1
（1.WuhanNationalLaboratoryforOptoelectronics，SchoolofOpticalandElectronicInformation，HuazhongUniversityof ScienceandTechnology，Wuhan430074，China；2.DepartmentofComputerScience，JiangxiUniversityofTraditional ChineseMedicine，Nanchang330004，China）

InordertogeneratethethirdharmonicinAgGaSe2crystals，ⅠandⅡphase-matchwereappliedforthe secondandthirdharmonicsofCO2laserrespectively.Intheexperiment，outputwavelengthofCO2laserwas9.6μm.The peakpowerofthesecond-harmonicat4.8μmwas88kWandthepeakpowerofthethird-harmonicat3.2μmwas4kW respectively.Thephase-matchingacceptanceanglewasmeasured.Theresultsshowthatthesecond-harmonicwaveandthe third-harmonicwaveareacquiredeffectivelyandpeakpowerofthesecond-harmonicwaveandthird-harmonicwaveincrease rapidlywiththeincreaseofinputpowerofCO2laser.

lasertechnique；third-harmonicgeneration；phasematching；CO2laser；AgGaSe2crystal

TN248.2+2

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.04.019

1001-3806（2013）04-0503-03

国家自然科学基金资助项目（11264019）

饶志明（1978-），男，博士，现主要从事激光技术的研究。

E-mail：raozm24＠163.com

2012-09-17；

2012-11-02