长波红外 光谱仪（红外 长波）

光参量振荡是固体激光器实现可调谐长波红外输出的主要技术手段之一。常用的长波长非线性晶体主要有ZnGeP2、CdSe、BaGaSe（BGSe）等晶体。 ZGP晶体因其在非线性系数和损伤阈值方面的明显优势，已成为长波红外固体激光器的主要非线性晶体之一。一。

目前可调谐ZGP-OPO的研究主要集中在角度调谐和泵浦波长调谐，而ZGP温度调谐的研究较少。对ZGP-OPO温度调谐特性的研究不仅拓展了长波ZGP-OPO调谐方法，而且对于长波红外可调谐固体激光器的工程化具有重要的研究意义。

据Memes咨询了解，近日，中国科学院空天信息创新研究院激光工程中心与中国科学院大学电子电气与通信工程学院联合科研团队发表了一项研究成果。论文发表在《中国光学（中英文）》杂志上。主题为“调谐ZnGeP2 长波红外光参量振荡器”的文章。文章第一作者为田俊涛，主要从事可调谐长波红外固体激光器研究；通讯作者为谭荣清研究员，主要从事激光及激光技术与应用研究。

本文研究了ZGP-OPO的温度调谐特性，通过改变ZGP的工作温度实现连续可调的长波红外激光输出。实验中采用Ho:YAG激光器作为泵浦源。在ZGP相位匹配角51.3、51.0和50.6条件下，在15~30 范围内进行温度调谐实验，闲频光分别为7.53~7.67 m。7.85~8.02m和8.45~8.77m连续可调激光输出，总调谐范围为1.24m。

实验装置

ZGP-OPO长波激光实验装置如图1所示，泵浦源采用声光调Q Ho:YAG激光器，中心波长为2097 nm，谱宽为0.65 nm，最大输出功率为23.03 W，脉冲宽度为21.5 ns。重复频率为10 kHz，光束品质因数小于1.5。泵浦光经焦距为150 mm的透镜M1聚焦后，束腰位于ZGP晶体的中心，束腰光斑直径为0.65 mm。实验中，ZGP-OPO采用环形腔结构，谐振模式为信号光的单谐振模式。 OPO谐振腔由4个平面镜组成，其中M2、M3和M5对泵浦光具有2.1m的高透过率，对信号光具有2.62.8m的高透过率。 M4是一款高反射45平面镜，是2.6~2.8m信号光的输出镜，透过率为18%。谐振腔的物理腔长为80mm。闲频光和剩余泵浦光直接从M3镜输出。反射镜M6是2.1m高反射、7.5~9.5m高透过率45闲散光滤光片。用于过滤剩余的泵浦光，方便闲频光输出功率的测量。 ZGP晶体的切割角度为=51.5，=0，ZGP晶体的透光截面为66mm，长度为20mm。 ZGP晶体两端镀有2.1、2.6~2.8和7.5~9.5m增透膜。为了便于研究温度调谐特性，ZGP晶体用铟箔包裹并放置在流有水的铜块中。水温由水冷却器控制。温度设定范围15~30，精度0.1。

图1 ZGP-OPO实验装置示意图

器件性能表征

实验中，ZGP晶体散热器固定在旋转电机上（调节精度：25）。电机旋转ZGP晶体来改变其相位匹配角，然后研究不同匹配角下的温度调谐特性。采用傅里叶变换红外光谱仪（分辨率：0.125 cm-1）测量了ZGP-OPO在不同温度下输出的闲频光波长。不同相位匹配角下ZGP-OPO温度调谐的实验和理论结果如图2所示，可以看出，实测闲频光波长随温度的变化与理论计算值吻合较好。

图2 不同匹配角下的计算波长调谐曲线和测量波长。

(a) 51.3； (b) 51.0； (c) 50.6

从图2可以看出，在1530温度范围内，当相位匹配角为51.3时，ZGP晶体的闲频波长范围为7.537.67m，调谐范围为0.14m ;当相位匹配角为51.0时，闲频光波长范围为7.85~8.02m，调谐范围为0.17m；当相位匹配角为50.6时，闲频光波长范围为8.458.77m，调谐范围为0.32m。因此，在51.350.6范围内，相同工作温度下，相位匹配角越小，闲频光输出波长越大；并且在相同的温度变化下，相位匹配角越小，相应的调谐范围就越大。

根据文献中的谐振腔补偿模型，实验中将51.3设置为ZGP晶体的初始位置。当晶体旋转到匹配角51.0和50.6时，谐振腔补偿量分别为0.21 mm和0.45 mm。实验中，通过谐振腔补偿技术获得了更高的闲频光输出功率。当泵浦功率为23.03 W时，不同匹配角度和温度下闲频光输出功率如图3所示。

图3 不同匹配角度和温度下的输出功率

可以看出，在7.53~8.77 m范围内，闲频光输出功率最小为1.503 W，最大功率为1.882 W。闲频光输出功率的变化主要是由ZGP 相位匹配角。相位匹配角越小，对应的输出波长越大，ZGP晶体中的透过率降低，输出功率越低。在相同相位匹配角条件下，ZGP工作温度的变化对闲频光输出功率影响较小。

当闲散光波长为8.77 m、输出功率为1.503 W时，在出光口放置焦距为256 mm的平凸透镜，得到闲散光通过后不同位置的光斑直径使用90/10 刀口法测量通过镜头的情况。通过高斯拟合得到光束质量因子M2，如图4所示。水平方向（x）和垂直方向（y）的M2值分别为1.46和1.12。图4插图部分是用红外相机记录的相应光斑图，光束轮廓良好。

图4闲散光8.77m的光束质量和光斑

如图5(a)所示，当闲频光输出波长为8.77 m时，ZGP-OPO闲频光的最大输出功率为1.503 W，斜率效率为12.19%，光光转换效率为6.53%。图5(a) 插图中在最高输出功率点测量的脉冲波形显示脉冲宽度为20.0 ns。同时，该闲频光波长下输出功率不稳定性的测量结果如图5(b)所示。 25分钟的功率不稳定性（RMS）为1.23%。

图5 闲散光8.77 m 的输出特性。

(a)输出功率和脉冲波形； (b) 电源不稳定

使用傅里叶变换红外光谱仪在不同相位匹配角度和温度下测量的ZGP-OPO闲频光谱如图6所示。可以看出闲频光的光谱宽度最小为18.1 nm，最大为118.7 nm。当输出波长在7.53~8.02m范围内时，闲频光的谱宽在18.1~40.2nm范围内，随温度变化很小。然而，当输出波长大于8.45m时，闲散光的光谱宽度随着波长的增加而显着增加，在8.77m处的光谱宽度达到118.7nm。这是因为ZGP晶体的I型相位匹配参数允许在9.7m附近有较大的线宽值（角度调谐曲线的斜率绝对值较大），其光谱增益宽度达到m级。因此，当输出波长在7.538.02m范围内时，当输出波长在8.458.77m范围内时，光谱增益宽度随着波长的增加而显着增加。

图6 测量的ZGP-OPO 闲频频谱

综上所述

本文通过研究ZGP-OPO的温度调谐特性，获得连续可调谐的长波红外激光输出。采用中心波长为2097 nm的Ho:YAG激光器作为泵浦源。当ZGP相位匹配角为51.3、51.0和50.6时，研究了15~30范围内的温度调谐特性，分别获得了闲频光7.53。 ~7.67 m、7.85~8.02 m和8.45~8.77 m连续可调谐长波红外激光输出，总调谐宽度为1.24 m。在整个调谐范围内，输出功率大于1.503 W。当闲频光波长为8.77 m时，输出功率为1.503 W，斜率效率为12.19%，光光转换效率为6.53%，水平和垂直方向的光束质量分别为1.46和1.12。研究结果表明，ZGP-OPO温度调谐是实现可调谐长波红外激光的有效手段，并与角度调谐相结合，实现了更宽调谐范围的长波红外激光输出，为可调谐长波红外激光的发展奠定了基础。长波固体激光器。

审稿人：刘庆