高功率中红外单频连续光参量振荡器（OPO）——SpectroStar
张志伟 博士
（北京晨辉日升光电技术有限公司，北京，100102）
摘要：本文介绍了OPO的发展过程以及世界首台商品化高功率中红外（2-5微米）单频连续OPO的工作原↓理、技术细节→等。
1． 综述：
近40年来，光学参量振荡器（OPO）被认为是获得传统激光器所达不到的光谱范围内的相干光的理想光源。一台OPO就可以在非々常宽的光谱范围中获得连□续可调谐的输出，同时OPO还具有全固态设计、高效率和具有∞可观的输出功率等优点，而且从时间域上OPO可以连续输出或者输出诸如飞秒等超短脉冲。
OPO的性能参数几乎完全依赖于泵＠ 浦激光器的光谱特性（是☉否为单频）和光束质∮量，以及非线性晶体的特性。自从1965年第一台原理样机演示以来，直至许多年以后OPO才真正进入实用化◥。这主要是由于缺少具有足够的相干性和在所需要的光谱区内具有相当光※强的泵浦激光器，同时还缺少具有良好的光学性能和高破坏阈值的非线性晶体。直到二↓十世纪八十年代，一大批性能优良的非线性晶体涌←现出来，如BBO、LBO、KTP等。它们的破坏阈值远远超▓过原来的非线性材料而且具有非常好的非线性性能，从而使对OPO的研究〇再次风靡起来。几乎在同一时间，市场上出现了时间和空间相干性都得到了提高的泵∩浦激光器，这也使OPO的输出功率大大提高』。最近出现的准相位匹配非线性晶→体PPLN使OPO对泵浦激光器的功率要∑ 求大大降低，从而真正使OPO从实验室走向实际应用。而且OPO的工作范畴也从以前的有限的谱段和时间域扩展⌒ 为：谱段★从近紫外（near-UV）到中红外（mid-IR）；时间域从连续▓（CW）到超快飞秒▲。从目前激光器发展情况看，中红外谱段的相干光源还是要依赖于OPO（采用PPLN晶体）。
从工作谱段和时间域来看，脉冲（ns）和锁模（ps/fs）的OPO市场已经有很多成型的产ζ品，但中红外（2-5μm）的连续OPO的匮乏一直困扰着♀广大科研人员。随着PPLN晶体和高功率单频近红外固体激◆光器的出现，市场上已经出现了一种高功率中红外单频连续光参量振荡器（OPO）——SpectroStar，它非常适合于中红外高分辨率光谱，如大气科学中的≡痕量气体分析，光声光谱，废气检测，机载大范围陆地和海洋污染ζ 探测，大气污染〓分析等。
2． 工作原理
在典型的OPO中，一台频率固♀定或可调的泵浦激光器的泵浦光被转换成两个具有新的不同的可调频率的光，具有较高能量的光被称为信号光（signal），而另一束则被Ψ称为闲置光（idler）。
对于低功率泵浦激光器而言，OPO可以选择泵浦增强○型、双谐振腔或三谐振腔，因为它的非线性转换过程可以通过单个或多个谐振腔中的光束共振而得到增强。这种结构的优点是振荡阈值大大降低，OPO可以工作在毫瓦量级。其主要↑缺点是调谐范围有限，因为在OPO的调谐过程中不仅仅是一∮个，而是两个、三个频率要与OPO的腔长频率保持一致。此外，闲置光的低功率输出也限止了它的应用。
准相「位匹配非线性晶体PPLN和高功率泵浦激光器（几十瓦）的出现使单谐№振腔OPO真正进入实用化阶段，由此带来的最大优点是可以非常容易地实现宽带调谐，因为OPO只需与一个波＠ 长保持谐振。如果泵浦激光器⊙是一台高功率单频可调▆谐的固体激光器，则OPO的输出光就可以在╱很宽的谱段范围内进行调谐。前不久，德国ELS公司推出了一款可以在2-5μm范围内调谐的商品化OPO——SpectroStar。它由一台高功率╲单频Yb:YAG固体激光器（>20W）VersaDisk 1030-20 SF泵浦，通过』该激光器在1024-1034nm范围内调谐，SpectroStar就可以在2-5μm内调谐，并在2.954μm处输出高达3W的功率！
图1 SpectroStar的︻系统结构图
泵浦激光器VersaDisk 1030-20SF是一台采ω 用Yb:YAG作为激光介质的薄片式固体激光器，Yb:YAG薄片的厚度为240μm，直径为10mm。输出功率为单频（线宽<5MHz）20W，横模模式为TEM00，而且波◆长可以在1024-1034nm之间调谐。
光参量振荡器（OPO）SpectroStar是单谐振腔振▽荡器（SRO），腔型采用经过实◎践证明的工作非常稳定的环行腔，环行腔结构使SpectroStar对外界影响不●敏感（如由于振≡动、冲击︾或突然的温度变化带来的谐振腔失调），所以可以在非常苛刻的环境★中可靠的工作。SpectroStar的晶体材料为PPLN，为了提高转换效率，在整个2-5μm调谐波段中使用2块PPLN晶体，一块的调谐范围是2-4μm，另一块的调谐范围是3-5μm。即使在PPLN工作范▲围的边缘（4-5μm），由々于其效率下降，VersaDisk的高功率也能给予补偿。
SpectroStar和VersaDisk是一对理想的搭档，如VersaDisk可以输出50W的单频功率和小于5MHz的线宽，而▂且波长可以从1000nm到1060nm中选择。用VersaDisk作为泵浦◤源，SpectroStar的线宽小于5×10-4cm-1（15MHz），这对于许多高分辨率光谱实验是非常理想的。借助于附加的扫描电子控制系统，可以使SpectroStar在5cm-1（150GHz）范围内实现单纵模输出而没有跳模
图2 SpectroStar系统配置图
由于OPO本身是一个无源器件々，所以它的性能主要取决于泵浦激光器的性能和参数，所以SpectroStar的输出功率取决于泵浦的VersaDisk激光器的输出功↘率，而线宽和扫描的连续性则主要取决于扫描电子←系统和它的频率稳定性。
3． 输出功率
由于SpectroStar的用途是作为一个高功率的宽带可▓调谐中红外光源，因此如何获得尽可能高的输出功率就显得尤为重要。为此，SpectroStar的四块腔镜【（2块平面镜，2块曲面镜）的镀膜都是对信号光高反而对泵浦光高透的，而对闲置光的反射率则作为一个自由的参数（估计在10%-20%左右）。 PPLN晶体的入射和出射表面都镀的是对泵浦光、信号光和闲置光的减反射膜。
为了保证SpectroStar是单频输出，除了它本身采用◢环行腔结构、泵浦源采用单频激光器外，在它的腔︼内还放入了一块未镀膜的标准具来增强它的单频特性。
如图2所示，整个SpectroStar系统是一个模块化结构。如果泵浦激光器选择VersaDisk 1030-20 SF（20W单频），则在2.954μm处可以获得大于3W的输出。这是迄今为止世界上报道的PPLN OPO获得的最高的单〖频连续功率（图3）。
图3 SpectroStar的泵浦光与输出功率的关系曲线
4． 可以在4-5μm之间工作的OPO
由于有许多实验样品的吸收峰都大于4μm，所以如何把OPO的可调谐范围拓展到长于4μm就成了非常重要的问◢题，并引起了广大科研工作者的浓厚兴趣。从前使用LiNbO3晶体的连续波OPO要实现长于3.9μm的输出非常困难，因为LiNbO3晶体在长波的吸收非常大。所以采用PPLN晶体的OPO的出现■再次激起了人们的兴趣，因为此前在该波段还没有具有ξ可观输出功率的宽带可调谐单频连续光源。
由于泵＠浦激光器的宽带可调谐性和具有8个极化周期的PPLN晶体的完美结合，SpectroStar可以轻※松实现3.3μm到4.6μm的输出。图4给出≡的是用11.5W泵浦功率时SpectroStar的输出功率。
图4 SpectroStar在3.3μm到4.6μm的调谐曲线（11.5W泵浦功率）
正如预计的那样，SpectroStar的输出功率在波长♂大于3.9μm时下降的很快。在3.8μm处的Ψ输出功率是1.5W，而在4.66μm处为90mW，这是由于OPO的振荡阈值从3.5W增加到7.5W。而当泵浦激光器在满功率下（20W）工作时，在4.235μm可以产生200mW的输出功率，在4.8μm处可以产生约90mW的输出功率。
5． 结论：
Yb:YAG激光器VersaDisk 1030被证实是非常适合于用▂来泵浦2-5μm的宽带可调谐连续OPO。VersaDisk1030最主要的优点是它有非常高的输出功率，从而可以使OPO得到非常高的输出∑功率。
由于泵浦激光器VersaDisk1030采用Yb:YAG作为激光晶体，可以在1000-1060nm进行选择性波长调谐，所以，SpectroStar的调谐可以只依靠VersaDisk1030的调谐来实现。精心设计的扫描电子系统同时控制VersaDisk1030的标准具、双折射滤光片和SpectroStar的标准具◣及PPLN晶体温度（角度），从而＠ 实现自动宽谱段连续调谐。此外，由于该系统采用模块化设计，用户可以根据自己的科研工作对功率的要求来选择不同功率的泵浦激光器VersaDisk1030，从而得到最↑合适的输出功率。
SpectroStar在工作时，可♀以先调节到所需要的波长（粗调），然后再在5cm-1或者150GHz范围内扫描。如果需要调节到下一个波长，可以通过调节PPLN晶体的温度或角度（两种方法□均可）来实现。
在实验中，需要一台波长计或光谱分析仪来测量∞泵浦光或SpectroStar的波长。如果泵浦光的波长固︻定的话，那么SpectroStar的波长可以通过PPLN晶体的周期数和它的温度得出（图5）。
图5 泵浦波长与☆SpectroStar的输出波长的关〇系曲线
SpectroStar的主要应用领域是中红外高分辨率光谱，它◆的工作波长范围是2-6μm，整个范围需要2块PPLN晶体（2-4μm和3-6μm）和多套腔镜，在这一点上№就象一台染料激光器。配有一块PPLN晶体和一套腔镜的※SpectroStar的实际工作波段※范围是750nm左右，要远大于高分▃辨率染料激光器的工作范围（100nm），而这对于一个特定分子来说已经足够了。
