BaGa4Se7与KTiOAsO4光参量振荡输出3.5 μm激光性能对比*

孔 辉，卞进田，叶 庆，徐海萍，孙晓泉

(1. 国防科技大学 脉冲功率激光技术国家重点实验室， 安徽 合肥 230037；2. 国防科技大学 先进激光技术安徽省实验室， 安徽 合肥 230037)

3.5 μm波段处于大气窗口波段和C-H键伸缩振动吸收峰上，该波段的激光在光谱学、遥感、环境监测及红外对抗领域有着广泛而重要的应用前景。光参量振荡(optical parametric oscillator, OPO)技术可将成熟的 (近红外或可见) 激光进行频率下转换，实现中远红外波段激光输出，该技术手段具备结构简单、紧凑、稳定性好的优势，可实现高平均功率或高脉冲能量、高光束质量输出，是特点突出、发展迅速的中红外激光产生方式[1]。

目前常见的中远红外非线性晶体主要可分为氧化物、磷族化合物和硫族化合物三种[2]。磷锗锌ZnGeP2(ZGP)是典型的磷族化合物非线性晶体，其具有大的非线性系数(d36=75 pm/V)，但其在2 μm以下存在较强的声子吸收，因此须用2 μm以上的激光进行泵浦。砷酸氧钛钾 KTiOAsO4(KTA)和硒镓钡BaGa4Se7(BGSe)分别属于氧化物和硫族化合物非线性晶体，均可用1 μm激光泵浦产生3～5 μm激光，其中BGSe还可将输出激光拓展到2.7～17 μm[3]。

KTA是一种成熟的商用中红外非线性晶体，它是 KTiOPO4(KTP) 晶体家族中的一员，透光范围为0.35～5.3 μm，具有较大的非线性系数(d32=4.5 pm/V)、较高的损伤阈值(600 MW/cm2)、较宽的角度和温度匹配带宽，物理化学性能稳定等[4]。晶体沿X轴向(θ=90°，φ=0°)切割的KTA晶体在1 064 nm激光泵浦时，可在Ⅱ-A类相位匹配条件下输出3.5 μm的中红外激光，在该切割方式下晶体的走离角为零，克服了走离效应，近年来在激光雷达、超短脉冲激光等前沿领域得到了广泛的应用。2019年，Romanovskii等[5]利用KTA晶体输出的3～4 μm 和 1.8～2.5 μm波段激光作为激光雷达光源对1 km及以上的大气环境进行检测，根据激光雷达信号所计算出的H2O和CO2的浓度分布与实际情况一致，该实验验证了KTA-OPO作为激光雷达光源的可靠性，其中3～4 μm和1.8～2.5 μm波段所对应的最大脉冲能量分别为9 mJ和23 mJ(脉宽为10 ns)。同年，Dong等[4]使用30 ps/1.06 μm Nd ∶YAG激光器泵浦KTA，在3.5 μm下获得1.85 mJ的最大输出能量，首次利用KTA在3.5 μm波段获得了ps脉宽的mJ级OPA能量输出。此外，当泵能量为14 mJ时，中红外输出能量从0.6～1.4 mJ不等，调谐范围为2.9～3.6 μm。Lu等利用KTA-OPO产生了120 fs、149 μJ、3.5 μm、300 Hz 的激光，并据此压缩至21 fs、45 μJ、光谱范围为 2.2～4.9 μm的中红外激光，开启了固体阿秒强场物理的新机制。[6]

BGSe晶体是一种新型非线性晶体，由中国科学院理化技术研究所Yao等于2010 年首次合成[7]。BGSe具有较宽的透光波段(0.47～18 μm)，较大的非线性系数(d22=24.3 pm/V)，较高的损伤阈值(550 MW/cm2)，物理化学性能稳定，是极具应用前景的中远红外非线性晶体[8]。2010年，Yao等[7]对BGSe的基本特性进行了研究。Luo、Guo等[9-10]对BGSe的光学和晶体特性进行了深入分析和研究，它的二阶非线性系数是AgGaS2的2～3倍，损伤阈值是AgGaS2的3.7倍。Badikov、Yang、Boursier、Kato等[11-14]先后给出了四种不同的Sellmeier方程。Zhai等[15]和Kato等[16]分别于2017年、2018年给出了两种不同温度下的Sellmeier方程。Kato等使用了波长范围更广的激光测试光源(大于10μm)和更为完善的实验装置，因此，Sellmeier方程的准确度更大，基本明确了该晶体的Sellmeier方程。Yao、Zhang、Boursier等[7-8，17]给出了晶体二阶非线性矩阵的具体数值。但是这三篇文献有互相矛盾的地方，且部分数值差距较大。因此，具体数值还有待进一步测定。Yang、Kostyukova、Petrov、Boyko、Xu、Sun、He等[3，18-24]分别用1 064 nm激光泵浦BGSe晶体进行差频或光参量振荡产生了中远红外激光。Yuan、Zhao等[25-26]用2.1 μm激光泵浦BGSe晶体进行差频或光参量振荡产生了中远红外激光。Hu等[27]用2.79 μm激光泵浦BGSe晶体进行差频或光参量振荡产生了中远红外激光。E等[28]研究了太赫兹波段激光在BGSe晶体中的传播特性。Kostyukova等[29]研究了BGSe在1.053 μm激光(7～10 ns)下，重复频率分别为100 Hz、500 Hz、1 kHz时的激光损伤阈值。Kong等[30]对BGSe晶体的相位匹配角、有效非线性系数进行了计算，并给出了晶体在1 064 nm泵浦条件下，输出闲频光在2～12 μm范围内的最佳相位匹配角。

KTA(90°, 0°,type-Ⅱ-A)在1 064 nm激光泵浦下输出3.5 μm激光具有非线性系数大、无走离角、光束质量高等诸多优点。BGSe是一种新型中红外非线性晶体，其可在(56.3°,0°，type-Ⅰ)条件下输出3.5 μm激光。为对比两种晶体输出激光的特点，从泵浦阈值、温度调谐范围、输出线宽三个方面对这两种晶体输出的3.5 μm激光进行对比。

1 实验装置

实验装置如图1所示，泵浦源为 SL800 Series Pulsed Nd ∶YAG激光器，脉宽为13 ns，光斑直径为8 mm，重频1 Hz。激光器后放置一个小孔用于调光，然后通过一个望远镜系统将光斑直径压缩至4 mm，以提高泵浦光的能量密度。

图1 实验装置Fig.1 Experiment setup

由于OPO输出镜对泵浦光高反，为防止反射的泵浦光返回YAG激光器与YAG腔内的镜片形成谐振腔损坏YAG腔内的元件，因此需在望远镜系统后放置一个偏振片和一个磁旋光器组成光隔离器。由于YAG激光器输出的泵浦光偏振方向为水平方向，因此偏振片的偏振方向也调为水平方向，通过光隔离器后的泵浦光偏振方向由水平方向右旋了45°。BGSe晶体的尺寸为6 mm×8 mm×15 mm的长方体，切割角为(56.3°,0°)，KTA晶体的尺寸为一个10 mm×10 mm×20 mm的长方体，切割角为(90°,0°)，泵浦光为e2光时满足相位匹配，而e2的偏振方向垂直于XOZ面，因此偏振方向需沿Y轴方向。由于泵浦光的偏振方向右旋了45°，为了使晶体能够水平放置在温控炉上，提高设备的稳定性，需利用一个45°相位延迟片将偏振方向再左旋45°，使得偏振方向在水平方向。

OPO输入镜M1在1 064 nm处高透(透过率>95%)，在1.4～1.6 μm处高反(反射率>99%)；OPO输出镜M2在1 064 nm处高反(反射率>99%)，在1.4～1.6 μm处的反射率为90%，在3.4～4.3 μm处高透(透过率>95%)。BGSe和KTA晶体均进行了抛光处理，并在泵浦光、信号光和闲频光处镀了增透膜。晶体放置在温控炉(HCP TC038-PC)中，温控炉的最大可调温度为200 ℃，调整精度为0.1 ℃。

OPO输出镜后端放置了1 064 nm滤光片和Ge片，Ge片进一步滤除1 064 nm激光，对3～5 μm激光的透过率约为80%。

在Ge片后可放置能量计(Thorlabs ES120C)进行3.5 μm激光的能量测量，也可用光栅光谱仪、计算机、中红外探测器、示波器组合测量激光的输出波长。光栅光谱仪型号为Omni-300λ(北京卓立汉光)，其中闪耀光栅中心波长为3 000 nm，光栅刻线为300 g/mm，由计算机控制光栅转动使其透射波长在2 000～6 000 nm范围内连续可调，调整精度为1 nm。光栅光谱仪后端用PVI-2TE-4探测器(Vigo公司)对输出的中红外激光进行检测，随后使用DSOX3054T型示波器对探测器输出的信号幅度进行测量，示波器上的读数与光栅光谱仪所设置波长一一对应。

2 结果和讨论

2.1 振荡阈值和转换效率

在不同的泵浦能量下，BGSe-OPO和KTA-OPO所输出的中红外能量如图2所示。

图2 闲频光能量与泵浦能量的关系Fig.2 Idler energy at different pump energy

图2中，“*”和“o”分别是BGSe-OPO和KTA-OPO的实测值，直线为拟合数据。根据实验数据拟合可知，BGSe的能量阈值约为20.6 mJ，KTA的能量阈值约为52.6 mJ。且BGSe的斜率要高于KTA。由此可知，尽管BGSe晶体的长度(15 mm)短于KTA晶体(20 mm)，但是其阈值仍小于KTA，约为KTA的0.391 6，其斜率高于KTA晶体。

下面给出BGSe和KTA在理论上的泵浦振荡阈值。由于OPO腔为泵浦光往返通过非线性晶体的单谐振腔(double-pass pumped singly-resonant OPO, DSRO)，其泵浦振荡阈值[31]为：

(1)

其中：L为有效增益长度，约等于晶体长度l；γ为反射泵浦光与入射泵浦光的比值，由于在阈值附近泵浦光损耗较少，此处可取为1；τ为脉冲宽度，取13 ns;l为非线性晶体长度，BGSe晶体为15 mm，KTA晶体为20 mm；L为OPO腔的光学长度，受温控炉的长度的影响，OPO物理腔长为90 mm；一般取ln(Pn/P0)为33；α为晶体对信号光的吸收系数，在晶体的透光波段一般可以忽略。

(2)

式中：ωs、ωi分别为信号光和闲频光的圆频率；deff为晶体的有效非线性系数，需通过晶体的有效非线性系数矩阵计算求得，BGSe的deff=d16·cos2θ+d23·sin2θ=15.72 pm/V[3, 7-8, 17]，KTA的deff为4.47 pm/V[32]；ns、ni、np分别为三波的折射率；ε0为真空介电常数；c为真空中的光速。

信号光耦合系数为：

(3)

式中，wp、ws分别为泵浦光和信号光的腰斑半径，ws需满足：

(4)

经计算，BGSe OPO的泵浦振荡阈值约在18.32 mJ之间，KTA-OPO的泵浦振荡阈值为46.11 mJ。理论值比实测值略小一些，原因可能是OPO腔镜未能完全平行，或者晶体对参量光有少许吸收等原因。不过理论上的BGSe泵浦阈值约为KTA泵浦阈值的0.397 3倍，与实测的0.389 7倍吻合得较好。

2.2 温度调谐范围

当温度从30 ℃升高到180 ℃时，BGSe(56.3°,0°,type-Ⅰ)和KTA(90°,0°,type-Ⅱ-A)所输出的闲频光中心波长如图3所示。

图3 BGSe-OPO和KTA-OPO的温度调谐范围Fig.3 Idler wavelength of BGSe-OPO and KTA-OPO at different temperatures

由图3可知，当BGSe晶体的温度从30 ℃升高到140 ℃时，输出波长从3 637 nm升高到3 989 nm，调谐范围为352 nm，输出波长与温度的变化率，Δλ2/ΔT=3.20 nm/℃实验值高于理论值2.49 nm/℃。[33]而当KTA的温度从30 ℃升高到140 ℃时，输出波长从3 463 nm升高到3 474 nm，调谐范围为11 nm，输出波长与温度的变化率，Δλ2/ΔT=0.073 nm/℃，实验值略低于理论值0.077 nm/℃[34]。可见，KTA(90°,0°,type-Ⅱ-A)在输出3.5 μm激光时的温度调谐范围远小于BGSe(56.3°,0°,type-Ⅰ)晶体。相比KTA而言，BGSe的Δλ2/ΔT理论值和实测值之间存在较大的差距，造成这样的误差可能有以下几点原因：①BGSe晶体是新晶体，其随温度变化的Sellmeier方程尚未经过试验验证，可能存在一定的误差。②BGSe晶体的生长技术尚不成熟，各种途径生长出的晶体质量不同，光学性能存在一定的差异。

下面给出BGSe和KTA晶体在不同切割角不同温度下的相位匹配曲线，具体如图4所示。

(a) BGSe type-Ⅰ

图4(a)和图4(b)分别为BGSe晶体在type-Ⅰ、type-Ⅱ-B条件下的温度调谐曲线。图4(c)和图4(d)分别为KTA晶体在type-Ⅰ、type-Ⅱ-A条件下的温度调谐曲线。从图中可以看出，BGSe晶体在中远红外波段均有较大的温度调谐范围，BGSe-type-Ⅰ相位匹配中，当θ=45°、φ=0°时，λi(20 ℃)=7 468 nm，λi(140 ℃)=8 389 nm，Δλi/ΔT=6.175 nm/℃，BGSe-type-Ⅱ-B相位匹配中，当θ=45°、φ=0°时，λi(20 ℃)=8 922 nm，λi(140 ℃)=9 714 nm，Δλi/ΔT=6.60 nm/℃。[33]

相比而言，KTA type-Ⅰ相位匹配中，θ=35.5°时，λi(25 ℃)=3 088 nm，Δλi/ΔT=1.496 8 nm/℃；θ=37.5°时，λi(25 ℃)=4 614 nm，λi(180 ℃)=4 727 nm，Δλi/ΔT=0.729 0 nm/℃；KTA type-Ⅱ-A相位匹配中θ=90°时，λi(25 ℃)=3 475 nm，λi(180 ℃)=3 487 nm，Δλi/ΔT=0.077 4 nm/℃。[34]

因此，BGSe晶体的温度调谐范围普遍大于KTA晶体。

2.3 输出线宽

(a) BGSe-OPO

现给出BGSe-OPO和KTA-OPO在输出能量分别为0.4 mJ、0.5 mJ和0.6 mJ附近时测得的输出线宽，具体如表1所示。由表1可知，当闲频光能量为0.4～0.6 mJ时，BGSe-OPO的输出线宽在4.12～4.71 nm之间，KTA-OPO的输出线宽在2.45～2.64 nm 之间。

表1 BGSe-OPO和KTA-OPO的输出线宽

下面对BGSe和KTA晶体理论上的允许线宽进行仿真计算。

令相位失配量Δk为：

(5)

则三波互作用的效率可表示为：

(6)

经过对比可知，BGSe(56.3°，0°，L=15mm，type-Ⅰ)的允许线宽理论值为13 nm，实测输出线宽为4.71 nm；KTA(90°，0°，L=20 mm，type-Ⅱ-A)的允许线宽理论值为5 nm，实测输出线宽为2.45 nm。实测输出线宽均小于理论上的允许线宽，这可能是因为允许线宽的计算并没有考虑晶体对参量光的吸收等，因此实验中的损耗将大于理论计算的损耗，特别是当相位失配量Δk增大时，理论上可以起振的参量光由于损耗过大将不能振荡输出，因此实测的输出线宽将小于理论上的允许线宽。

下面给出BGSe和KTA在不同晶体切角情况下的允许线宽理论值。

图6(a)和图6(b)所示分别为BGSe晶体在type-Ⅰ、type-Ⅱ-B条件下的相位匹配曲线及闲频光的允许线宽。在BGSe type-Ⅰ相位匹配条件下，随着切割角θ的增大，闲频光波长单调递减，同时闲频光的允许线宽也从80 nm下降到12 nm，在简并点附近升高到119 nm。在BGSe type-Ⅱ-B相位匹配条件下，随着切割角θ的增大，闲频光波长单调递减，同时闲频光的允许线宽也从68 nm下降到5 nm左右。

(a) BGSe type-Ⅰ

图6(c)和图6(d)分别为KTA晶体在type-Ⅰ、type-Ⅱ-A条件下的相位匹配曲线及闲频光的允许线宽。在KTA type-Ⅰ相位匹配条件下，随着切割角θ的增大，闲频光波长单调递增，闲频光的允许线宽单调递减，从281 nm迅速下降到20 nm左右，然后缓慢下降到6 nm。在KTA type-Ⅱ-A相位匹配条件下，随着切割角θ的增大，闲频光波长单调递增，闲频光的允许线宽比较稳定，除了简并点外(简并点的线宽为12 nm左右)，其他相位匹配点的线宽在5.2～6.3 nm之间，呈现先上升后下降且有台阶式的上下起伏。在仿真过程中，需要较高的波长和角度采样率才能获得较为精确且平滑的允许线宽曲线。但过高的采样率会带来较长的程序运行时间甚至出现运行故障。在图6(d)中，切割角采样率为0.1°，波长采样率为0.1 nm，即线宽误差在0.1 nm以下。该误差远小于本实验中误差的运行范围，但由于图6(d)中允许线宽的数值比较接近(5.2～6.3 nm)，最大值与最小值之间仅相差1.1 nm，因此仿真图像不如图6(a)、图6(b)、图6(c)那样平滑，且出现了台阶式跳跃的情况。此外，由于KTA晶体生长技术比较成熟且在输出3.5 μm激光时没有走离角，因此光束质量较好。而BGSe晶体是新晶体，受生长工艺的影响，光学均匀性一般，因此在输出的光束质量方面低于KTA晶体。

3 结论

BGSe(56.3°,0°,type-Ⅰ)和KTA(90°, 0°,type-Ⅱ-A)均可在1.06 μm激光的泵浦下输出3.5 μm激光。在泵浦光波长为1 064 nm，脉宽为13 ns、光斑直径为4 mm、OPO腔长为90 mm条件下，当BGSe晶体长15 mm，KTA晶体长20 mm时，实验测得BGSe-OPO和KTA-OPO的泵浦振荡阈值分别为20.6 mJ(理论值为18.32 mJ)和52.6 mJ(理论值为46.11 mJ)。实测BGSe-OPO输出波长与温度的变化率Δλ2/ΔT=3.20 nm/℃(理论值为2.49 nm/℃)，实测KTA-OPO输出波长与温度的变化率Δλ2/ΔT=0.073 nm/℃(理论值为0.077 nm/℃)。实测BGSe-OPO的输出线宽约为4.71 nm，KTA-OPO的输出线宽约为2.45 nm。由理论和实验可知，即使KTA晶体长度大于BGSe晶体，且处于非临界相位匹配状态，BGSe在泵浦能量阈值、温度调谐能力等方面仍优于KTA晶体，因此BGSe是一种具有广泛应用前景的中红外非线性晶体。