封面 | 单腔光参量实现多波长单频激光输出

封面解读：封面展示了利用周期极化晶体产生近红外到中红外激光的输出过程。上方的泵浦激光经过第一个晶体利用光参量振荡过程产生红外和中红外激光，红外激光再经下方倍频晶体产生倍频光，同时所产生的激光可用于量子通讯领域中压缩纠缠态非经典光场的制备。通过将倍频过程整合进光参量振荡器中，实现了能应用于量子领域的高质量瓦级多波长输出单频激光器。

文章链接：王海龙, 杨慧琦, 苏静, 卢华东. 基于单共振光学参量振荡器实现近红外到中红外激光输出的实验研究[J]. 中国激光, 2022, 49(18): 1801005

制约单频激光器性能的关键问题

全固态连续波单频激光器以其结构紧凑、噪声低和光束质量好等优点被广泛应用于科研、军事、医疗、工业等领域。但是受到激光晶体自身荧光光谱的限制，激光的发射波长只能限制在特定的范围内，不能满足快速发展的科学研究需要。因此，亟需探索新的理论设计、技术和方法来大幅提升单频激光器的整体性能。

光参量振荡技术(OPO)可以弥补普通固体激光器发射波长受限的不足，有效拓展了激光的应用范围。在量子通信中，为保证激光在光纤中可远距离传输，激光光源一般使用的是位于光纤低损耗和低色散窗口的1.5 μm波段激光。尤其是在产生1.5 μm的量子压缩纠缠光的实验中，不仅需要高功率的单频连续波1.5 μm激光作为多个光学参量放大器(OPA)的种子光以及探测时的本底光，还需要其倍频光作为OPA的泵浦光。

目前在量子光源的产生过程中，1550 nm激光及其倍频光通常是使用两个分立的腔来实现的。但是，实验中过多的谐振腔增大实验装置的体积以及腔模耦合的难度，不利于非经典光源的集成和小型化。基于此，山西大学光电研究所卢华东教授课题组研制出一种能同时输出1.5 μm及其倍频光的激光器，不仅能减少量子压缩产生系统光路的复杂程度，也能提高产生的量子压缩纠缠态的稳定性。

打破波长限制，实现NIR到MIR单频多波长输出

本团队设计了结构紧凑的四镜环形单共振光学参量振荡器，利用周期极化晶体MgO:PPLN和PPKTP分别作为光学参量振荡晶体和倍频晶体，在实验上实现了输出功率大于瓦级的覆盖近红外到中红外的单频连续波775 nm、1550 nm和3393 nm 三波长激光输出。

首先对光学参量晶体因吸收泵浦光(1064 nm)、信号光(1550 nm)、闲频光(3393 nm)而产生的等效热透镜效应进行系统分析，如图1所示。结果表明，在信号光单共振的谐振腔内，共振的信号光对光学参量振荡晶体的热透镜效应贡献最大。而闲频光功率虽然较低，但晶体对中红外的吸收作用较强，其所产生的热透镜也较为明显，而1064 nm激光由于是单次穿过，其对晶体热透镜效应的贡献相对是最小的。

图1 估算的MgO:PPLN晶体的热透镜焦距。（a）泵浦光导致的晶体热透镜焦距;（b）信号光导致的晶体热透镜焦距; （c）闲频光导致的晶体热透镜影响;（d）MgO:PPLN晶体总热透镜焦

在考虑光学参量振荡晶体热透镜效应的基础上，设计了如图2所示的四镜环形腔双腰斑单共振光学参量振荡器。环形腔由两个曲率半径为60 mm（M1和M2）和两个曲率半径为40 mm（M3和M4）的凹面镜构成。其中，信号光在光学参量振荡晶体MgO:PPLN处的腰斑为70 μm，满足光学参量振荡过程中最佳聚焦因子的需求；在倍频晶体PPKTP处腰斑为52 μm，满足倍频过程的实验需求。与传统的六镜环形腔相比，团队设计的四镜环形腔结构不仅有效缩短了谐振腔的长度，使谐振腔结构更加紧凑稳定，还进一步减小了腔内两腰斑的大小，提高了非线性晶体的转化效率。

图2 实验光路图

在实验中，当光学参量振荡器注入21 W 的单频1064 nm泵浦光时，实现了输出功率分别为2.1 W、1.7 W和1.1 W的1550 nm、3393 nm、775 nm三波长激光输出，光光转化效率为23.3%。其中1550 nm和775 nm激光的光束质量因子M2分别小于1.05和1.13，如图3所示。实验中获得的三种波长激光的功率稳定性测试结果如图4所示，结果显示在5 h内三波长功率稳定性(RMS)分别为2.5%、0.8%、1.6%。

图3 激光光束质量分析图。（a）1550 nm激光的光束质量因子；（b）775 nm激光的光束质量因子

图4 信号光、闲频光和倍频光5 h内的功率稳定性

结论与展望

团队设计了结构紧凑的四镜环形单共振光学参量振荡器，该结构不仅满足了光学参量振荡过程的要求，还可以实现高效稳定的腔内倍频。在谐振腔的两个腰斑处分别放置光学参量振荡晶体MgO:PPLN 和倍频晶体PPKTP，实现了从近红外到中红外的倍频光、信号光和闲频光三波长高功率单频连续波激光输出。将本研究实现的三波长单频连续波激光器应用于量子光学以及量子技术的研究中，尤其是将同时产生的1550 nm激光及其倍频光用于产生高稳定高压缩度的1550 nm压缩态光场，为进一步制备多组分纠缠态光场奠定基础。

课题组介绍

山西大学光电研究所彭堃墀院士领导下的卢华东教授课题组，长期从事单频激光技术和光量子器件的研究和开发工作。近些年，课题组发展了一套利用非线性损耗提高全固态单频连续波激光器整体性能的技术和方法，将我国单频激光器的整体性能推进到世界先进水平。其中研究开发的全固态单频连续波1064 nm和532 nm激光器的输出功率分别超过了100 W和30 W，均为目前国际上同类激光器的最高指标。研究和开发的全固态单频连续波可调谐钛宝石激光器产品达到了国际上同类激光器的水平，填补了我国在该产品领域的空白。研究开发的系列激光器产品已经提供给国内外许多单位使用。目前，课题组正在进行低噪声单频单晶光纤激光器、深紫外激光光源、高压缩度及纠缠度的连续变量非经典光源等光量子器件的研制。