基于PPLN的中红外涡旋光光学参量振荡器的研究

Noticing a geographical advantage of extremely rich nonlinear crystal resources in China, utilizing the frequency conversion property of the nonlinear crystals, we systemically study the unique application properties of the optical vortex for the strive to develop the mid infrared optical vortex in the wavelength range of the 3-5 um by means of research methods including laser science, quentum optics, nonlinear optics and material science. The optical vortex beam having the wavelength of 1064nm used as the pump source to the optical parametric oscillator consist of the nonlinear crystal MgO:PPLN with a single resonant linear cavity configuration. Based on the theory of quasi-phase matching (QPM) technique, we investigate the output power, wavelength tunability and conversion efficiency of the system depend on the temperature of the nonlinear crystal MgO:PPLN, to develop the high energy, high beam quality mid infrared vortex laser source. We will also further improve the conversion efficiency and decrease the threshold of the system. To achieve the high energy and high stable mid infrared optical vortex laser beam and realizing the more compact solid state optical parametric oscillator. This will be meet the needs of the major strategy of the country related with the energy solving and finding the new light sources. This research project is useful to employing the advantage of rich nonlinear crystal resources in China, the research results have the potential to be used in applications such as molecular spectroscopy, organic material processing, atmospheric sensing, laser medicine and so on.

本项目针对我国非线性光学晶体资源极为丰富的地域优势，利用非线性光学晶体的调频特性，用激光学、量子光学、非线性光学、材料学的研究方法，研究涡旋光的独特性质，力求开发出中红外波段（3-5μm）新型涡旋光源。首先采用1064nm涡旋激光源抽运MgO:PPLN光参量振荡器，同时利用闲频光单谐振（SRO）方式的直型腔，以及MgO:PPLN晶体准相位匹配技术中晶体的周期调谐和温度调谐对输出功率、输出波长调谐、转换效率的关系，开发出波长为连续可调谐、高能量、高光束质量的中红外涡旋光源。并进一步提高系统的转换效率、降低阈值，实现小型化和全固化、输出功率更高、稳定性更好的中红外涡旋光的光参量振荡器。解决能源，新型光源问题的重大战略需求，开发新型中红外涡旋光源。该研究项目，有利于发挥我国非线性光学晶体资源优势，研究成果在分子光谱学、有机材料处理、痕量气体的探测、遥感和广泛的医疗领域具有很好的应用前景。

本项目针对我国非线性光学晶体资源极为丰富的地域优势，利用非线性光学晶体的调频特性，用激光学、量子光学、非线性光学、材料学的研究方法，研究涡旋光的独特性质。采用传统 Nd:YAG 激光器作为泵浦源，搭建纳秒涡旋光泵浦的光参量振荡器，开发出近红外（1-2µm）和中红外波段（3-5µm）涡旋光源。. （1）对中红外光参量振荡器的研究现状进行分析，设计两镜直腔型光参量振荡器。利用多周期MgO:PPLN晶体的单谐振光参量振荡器，控制晶体的温度和周期，获得了调谐范围在2.2µm到4.8µm中红外可调谐激光。在泵浦能量为21mJ时，获得的最大闲频光输出能量为2.15mJ，相应的光学效率超过10％。为实现中红外宽调谐、高能量激光的输出提供有效的方法。. （2）研究了涡旋光光参量振荡器的输出特性。采用1µm纳秒涡旋光泵浦多周期MgO:PPLN晶体的光学参量振荡器，通过改变谐振腔的腔镜，实现泵浦光的轨道角动量可控转移到输出信号光或者闲频光，获得了1.36–1.63µm或3.07–4.81µm波段连续可调谐涡旋光。在泵浦光能量为21mJ时，实现了信号光(闲频光)为涡旋光的最大能量输出4.3mJ(2.2mJ)。揭示了中红外涡旋光光参量振荡器的涡旋光束输出机理。在满足周期晶体准相位匹配条件下,采用直型单谐振光参量振荡器,实现输出波长快速调谐、高能量的中红外涡旋光输出，为开发波长连续可调谐、高能量中红外涡旋光源提供新思路。. （3）我们通过使用KTA晶体涡旋光单谐振光参量振荡器，结合非线性光学晶体 KTA角度相位匹配技术，通过设计直型单频光参量振荡腔的腔型，实现近红外和中红外波段高能量、窄线宽相干涡旋光源输出。通过控制谐振腔的腔镜参数，实现了输出的信号光和闲频光的拓扑荷数转移。在泵浦光能量为21mJ时，得到了最大的信号光（闲频光）能量输出，达到2.04mJ（1.75mJ），其对应的斜效率为14%（10%）。测量得到信号光（闲频光）的光谱带宽为Δλs=1.3nm(Δλi=1.7nm)。