亮点 | 百赫兹大能量中短波双波长光参量振荡器

编者按

2021年是山东大学建校120周年，也正值山东大学光学学科成立逾50周年之际，《中国激光》特别组织策划“山东大学光学50周年”纪念专辑，邀请山大光学优秀校友撰稿，集中展示山大光学学科的最新研究成果。本专辑将于2021年6月正式出版，请多多关注！专辑遴选7篇“亮点文章”。本文来源于山东大学信息科学与工程学院刘兆军教授课题组，文章报道了百赫兹大能量KTA晶体光参量振荡器(OPO)系统。原文下载：孟君, 丛振华, 赵智刚, 王上, 亓云轩, 张行愚, 刘兆军. 百赫兹大能量KTA双波长光参量振荡器[J]. 中国激光, 2021, 48(12): 1201009

1.5 μm和3~5 μm波段的激光均位于大气近红外窗口，对空气（包括战场硝烟，尤其是以红磷、白磷为主的烟雾）的穿透性很强，在激光干扰、激光雷达和军事方面具有很高的应用价值。目前，基于光参量振荡器（OPO）的非线性频率转换技术是获得1.5 μm和3~5 μm波段激光的主要技术手段之一。OPO具有可以高重复频率工作、易获得较大输出能量等优点。

非线性晶体KTiOAsO₄（KTA）具有高损伤阈值、大非线性系数、良好的中红外透光性等优点，因此KTA-OPO在输出大能量中短波激光方面备受青睐。但较大能量的中短波激光器重复频率大多低于100 Hz，达到100 Hz、百毫焦量级的激光输出报道较少。

为了在百赫兹重复频率下获得大能量的中短波KTA-OPO激光系统，山东大学信息科学与工程学院刘兆军教授课题组研发了百赫兹、大能量、中短波双波长激光器。该系统由半导体侧泵Nd:YAG-MOPA和KTA-OPO组成，实验装置如图1所示。

图1 实验装置图

OPO系统中必不可少的是能量高、光束质量好的泵浦源，团队自主研制了Nd:YAG-MOPA放大器。在泵浦源放大器中，由于受到热效应的影响，光束质量和平均功率的提升均受到了限制。因此，为了获得高光束质量，泵浦源采用非稳腔振荡器+两级放大器的方案。经过两级放大最终得到1064 nm激光能量为580 mJ，光束质量和分别为4.6和3.7，如图2所示。

图2 放大器输出能量。插图为光束质量

在OPO实验中，采用X方向（ϕ=0°，θ=90°）切割的KTA晶体，与两个腔镜组成单共振OPO平-平腔的装置。OPO平-平腔具有阈值低、效率高的优点。优化OPO腔长并选择最佳非线性晶体长度，得到OPO输出能量（图3）。

光参量振荡的阈值为20 mJ，最大泵浦入射能量为580 mJ时，输出参量光总能量为242 mJ，泵浦光到参量光的光-光转换效率为43.6%。1.53 μm信号光和3.47 μm闲频光的单脉冲能量分别为178 mJ和64 mJ。

图3 KTA-OPO的输出能量曲线

参量光的典型脉冲如图4所示。在最大泵浦能量时，1.54 μm和3.47 μm波长的脉冲宽度分别为13.7 ns和11.8 ns。

图4 OPO在最大输出能量时的典型脉冲

课题组未来会进一步开展更加深入的研究工作，结合相关措施，突破现有技术难题，对大能量中短波激光系统的各项性能指标进行有效提升，往更大能量、更高重复频率、更多波长、更好光束质量方向努力。

通过对光路的合理布局以及水路、电路集成化设计，最终实现激光器一体化样机的设计。

课题组简介

刘兆军教授领衔的先进激光技术及应用团队隶属于山东大学信息科学与工程学院。团队长期致力于激光物理与技术、非线性光学、光纤传感和光学系统设计等方面的研究工作。近年来，团队承担了多项国家级重点项目、国家自然科学基金项目、山东省重大科技创新工程项目及企业单位委托项目等。当前主要工作集中于晶态光纤激光技术研究、高能多波长脉冲激光技术、高功率超快激光技术、分布光纤传感技术、光学系统及精密光学仪器技术和海洋光学技术等方向，在主流学术期刊发表论文200余篇，获授权发明专利10余项。

科学编辑 | 孟君 刘兆军

编辑 | 沈灵灵

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