塔西買提·玉蘇甫，牛素儉

基于PPLN渦旋光參變振蕩器的手性特性研究＊

塔西買提·玉蘇甫，牛素儉

（新疆師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054）

中紅外波長可調(diào)諧光參量振蕩技術(shù)是非線性變頻領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。它在激光通信、光譜學(xué)研究、醫(yī)學(xué)以及軍事上的紅外對抗等方面具有重要的應(yīng)用。采用Nd：YAG 激光器作為泵浦源，選取非線性光學(xué)晶體摻氧化鎂的鈮酸鋰晶體（MgO：PPLN），實(shí)現(xiàn)了波長調(diào)諧范圍在3～3.4 μm的中紅外波段渦旋光的輸出，并揭示了中紅外渦旋光參變振蕩器的手性控制機(jī)理，通過調(diào)制泵浦渦旋光的手性特性實(shí)現(xiàn)了中紅外波段渦旋光的手性控制。在泵浦光能量為21 MJ時，輸出的右（左）渦旋光能量最大為2.24MJ（2.28 MJ）。

光學(xué)參變振蕩器；渦旋光束；MgO：PPLN晶體；渦旋模式

1 引言

波長為 3～5 μm的激光通常稱為中紅外激光，該激光波段位于大氣的窗口波段，對霧霾、粉塵等具有較強(qiáng)的穿透力，受氣體分子吸收和懸浮顆粒散射影響小，在大氣環(huán)境污染監(jiān)測、光譜分析、激光雷達(dá)以及軍事紅外對抗等領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價值[1-2]。尤其是中紅外波段的高能量、波長可調(diào)性的渦旋光源在研究分子光譜學(xué)、有機(jī)材料處理、痕量氣體的探測、遙感方面具有巨大的潛在應(yīng)用價值和重要的戰(zhàn)略意義，并且廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。與目前中紅外光譜區(qū)傳統(tǒng)激光技術(shù)相比，利用技術(shù)成熟的近紅外渦旋激光光源抽運(yùn)光學(xué)參量頻率轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)在中紅外波段相干渦旋光輸出是一個高效率的技術(shù)[3-5]。周期極化摻氧化鎂的鈮酸鋰晶體是一種高效的非線性光學(xué)晶體，廣泛應(yīng)用于參量振蕩器、倍頻、差頻、和頻等。

渦旋光具有螺旋形相位分布的光束，光束中的每個光子攜帶軌道角動量[6-9]，被廣泛應(yīng)用在很多領(lǐng)域，如光學(xué)微操縱技術(shù)[10]、材料加工[11-12]、高分辨率顯微鏡[13]、光學(xué)通信[14]等方面。因此實(shí)現(xiàn)各個波段渦旋光的輸出對于其應(yīng)用有著更重要的研究意義。此前，采用1.064 μm渦旋光泵浦KTiOPO4光參量振蕩器（KTP-OPO），實(shí)現(xiàn)了波長連續(xù)可調(diào)諧2 μm渦旋激光的輸出[15-16]，并采用2 μm波段渦旋光光參量振蕩器輸出的信號渦旋光和閑頻高斯光，選取非線性光學(xué)晶體ZGP，結(jié)合角相位匹配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在5～12 μm波段高能量、波長連續(xù)寬調(diào)諧、窄線寬相干渦旋光輸出[17]。目前，中紅外區(qū)域的商用SPP和SLM尚未建立，因此基于光學(xué)參量振蕩器輸出的手型可控制、波長可調(diào)諧3 μm渦旋光源，將為手性有機(jī)材料加工、超分辨率分子光譜、環(huán)境光學(xué)等新一代技術(shù)提供新的思路。

本文采用1 μm渦旋光泵浦準(zhǔn)相位匹配的MgO：PPLN光參變振蕩器，實(shí)現(xiàn)了波長調(diào)諧范圍在3～3.4 μm的中紅外波段渦旋光的輸出。通過調(diào)制泵浦渦旋光的手性特性實(shí)現(xiàn)了中紅外波段渦旋光的手性控制。在泵浦光能量為21 MJ時，輸出的右（左）渦旋光能量最大為2.24 MJ（2.28 MJ），相應(yīng)的光轉(zhuǎn)換效率為10.66%（10.86%）。

2 實(shí)驗(yàn)裝置和結(jié)果

Nd：YAG 激光器泵浦的MgO：PPLN光參變振蕩器實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。采用傳統(tǒng)的閃光燈調(diào)Q Nd：YAG激光器（LS-2136LP；脈沖持續(xù)時間25 ns，波長1.064 μm，脈沖重復(fù)頻率50 Hz），利用螺旋相位板（方位角被分割成16段，每段具有π/8相移）將高斯光束轉(zhuǎn)化為拓?fù)浜蓴?shù)l為+1的一階渦旋光束。通過反轉(zhuǎn)螺旋相位板，可以實(shí)現(xiàn)泵浦渦旋光束拓?fù)浜蓴?shù) l 符號（旋向性）的反轉(zhuǎn)，其拓?fù)浜蓴?shù)為﹣1。經(jīng)過焦距為750 mm的透鏡將泵浦渦旋光束聚焦成直徑為 1 mm的環(huán)形光斑，并注入光參量振蕩器。選擇使用尺寸為40×4×2 mm3、光柵周期為30 μm的5 mol% MgO摻雜的PPLN晶體作為非線性光學(xué)晶體，其相位匹配方式為0∶e→e+e相位匹配。晶體端面均鍍有對1.064 μm、信號光和閑頻光的波長抗反射涂層。將MgO：PPLN晶體置于溫控爐中，晶體的溫度控制范圍在25～200 ℃，精度為0.1 ℃。單共振諧振腔由兩個平面鏡（M1和M2）組成。輸入腔鏡M1對于1.45～1.6 μm（信號光）和35～3.8 μm（閑頻光）具有高反射率，1.064 μm泵浦光具有高透射率，輸出鏡M2鍍有對1.45～1.6 μm（信號光）高反射率膜和35～3.8 μm（閑頻光）高透射膜，以確保信號光束在諧振腔內(nèi)高強(qiáng)度的單共振。諧振腔長度固定在110 mm。光參量振蕩器使用簡單的緊湊腔，諧振腔利用平面平行腔結(jié)構(gòu)，允許通過利用最小諧振腔元件來開發(fā)緊湊的中紅外渦旋激光源。使用熱電相機(jī)（Spiricon Pyrocam III，空間分辨率為75 μm）測量中紅外波段渦旋光的空間分布情況和干涉圖樣。

圖1 基于PPLN渦旋光參變振蕩器的實(shí)驗(yàn)光路圖

在光學(xué)參變振蕩過程中，初始泵浦光p被分成為信號光s和閑頻光i，要滿足能量和動量守恒定律，存在多種頻率組合，但在相位匹配條件下，泵浦光、信號光和閑頻光頻率之間需滿足p=s+i。相位匹配條件，控制頻率分離比從初始的泵浦光到輸出的信號光和閑頻光。

在光參量振蕩器中光參量增益取決于泵浦光和諧振光的空間振幅重疊效率，此研究中，通過對信號光在腔內(nèi)進(jìn)行單共振的設(shè)計(jì)，防止信號光以渦旋模式輸出，使泵浦光的拓?fù)浜蓴?shù)在諧振腔中轉(zhuǎn)移到中紅外波段的閑頻光束。其原因在于兩個平面鏡（輸入和輸出鏡）構(gòu)成的諧振腔中，信號光將產(chǎn)生具有無限大的模場尺寸，尤其是高階模式（即渦旋模式）具有更大的模場尺寸，所以信號光為渦旋模式，比高斯模式具有明顯的衍射損耗，從而阻止信號光以渦旋模式存在。泵浦光具有環(huán)狀的空間分布結(jié)構(gòu)，此時輸出的閑頻光為環(huán)狀的空間分布，其波長為3.4 μm；輸出的信號光波長為1.54 μm，空間分布為近似于TEM00模具有單峰分布的高斯光束。當(dāng)信號光在諧振腔中高強(qiáng)度諧振，泵浦光的拓?fù)浜蓴?shù)會傳遞到輸出的閑頻光束。

泵浦光為右渦旋時，空間分布和干涉圖樣如圖2所示，拓?fù)浜藬?shù)為+1，輸出的閑頻光空間分布圖為環(huán)形結(jié)構(gòu)，如圖2中的（c），其干涉圖樣具有一對叉形結(jié)構(gòu)的條紋，如圖2中的（d），表明閑頻光是拓?fù)浜藬?shù)為+1的右渦旋光束。通過反轉(zhuǎn)螺旋相位板，實(shí)現(xiàn)泵浦渦旋光束拓?fù)浜蓴?shù)的反轉(zhuǎn)，其拓?fù)浜蓴?shù)為﹣1，如圖2中的（e）和（f），此時，閑頻光的空間分布圖和干涉圖樣如圖2中的（g）和（h）所示，證明輸出的閑頻光是拓?fù)浜藬?shù)為﹣1的左渦旋光束。測量泵浦光和閑頻光的空間分布圖和干涉圖樣，證明了調(diào)制泵浦渦旋光的手性特性可以實(shí)現(xiàn)中紅外波段渦旋光的手性控制。

輸出的閑頻光能量與泵浦光能量關(guān)系如圖3所示，晶體周期為30 μm，溫度為25 ℃（對應(yīng)的閑頻光的波長為 3.4 μm），在泵浦光能量為21 MJ時，輸出的右（左）渦旋光能量最大為2.24 MJ（2.28 MJ），相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.66%（10.86%），產(chǎn)生的右渦旋和左渦旋光具有相同的輸出能量。又結(jié)合溫度調(diào)諧的方法，選取晶體溫度在25～200 ℃之間不同溫度下測量閑頻光的波長，實(shí)現(xiàn)了3～3.4 μm波段中紅外渦旋光的輸出。

注：圖（a）和（b）泵浦光為右渦旋時空間分布圖和干涉圖樣；（c）和（d）為輸出的閑頻光的空間分布圖和干涉圖樣；（e）和（f）為當(dāng)泵浦光為左渦旋時空間分布圖和干涉圖樣；（g）和（h）為閑頻光的空間分布圖和干涉圖樣。

圖3 輸出的閑頻光能量與泵浦光能量關(guān)系圖

3 總結(jié)

本研究基于1 μm渦旋泵浦準(zhǔn)相位匹配MgO：PPLN光學(xué)參變振蕩器，實(shí)現(xiàn)了波長調(diào)諧范圍在3～3.4 μm的中紅外波段渦旋光的輸出。通過調(diào)制泵浦渦旋光的手性特性實(shí)現(xiàn)了中紅外波段渦旋光的手性控制。在泵浦光能量為21 MJ時，輸出的右（左）渦旋光能量最大為2.24 MJ（2.28 MJ），相應(yīng)的光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.66%（10.86%）。

在今后的實(shí)驗(yàn)研究中，將會利用多周期MgO：PPLN晶體實(shí)現(xiàn)寬調(diào)諧、較高能量的渦旋光輸出。研究成果在分子光譜學(xué)、有機(jī)材料處理、痕量氣體的探測、遙感和廣泛的醫(yī)療領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

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O436

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.01.005

2095－6835（2020）01－0018－03

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金（編號：2016D01B047）

塔西買提·玉蘇甫（1984—），男，副教授，博士（后），主要研究方向?yàn)榉蔷€性光學(xué)。

〔編輯：張思楠〕