利用脉冲间差频产生（DFG）是获得超快长波中红外光源的有效手段。在这种装置中，一般通过改变泵浦光和信号光的波长并将中红外晶体旋转至一定角度来满足相位匹配条件。然而，旋转晶体时不可避免地造成输出光束偏移，在某些应用中需要其他的装置来保证稳定的光束指向。本期文章固定晶体角度，利用两个独立的可调谐OPO来产生DFG过程中所需要的泵浦光和信号光，通过分别调节泵浦光和信号光的波长，从而实现满足相位匹配条件的中红外脉冲输出。
图1 实验装置：（a）基于双OPO的DFG； （b）基于单OPO的DFG ［1］
利用双OPO实验装置如图1a所示，种子源为平均功率7 W的1 μm固态振荡器，其输出分为两束，分别驱动两个OPO，其中一路再引入额外OPA产生波长范围在1．45－1．6 μm、功率为1．2 W的泵浦光，另外一路产生波长范围在1．6－1．95 μm、功率为225－500 mW的信号光。然后聚焦到4 mm的GaSe中。再用长通滤波片将产生的中红外光过滤出来，利用热敏功率计测量其功率。为了作对比，他们还搭建了如图1b所示的基于单OPO的DFG装置，其中泵浦光波长为1．7－1．95 μm，信号光波长为2．6－2．2 μm。
图2 不同非线性晶体中外入射角偏差 ［2］
针对上述两种情况，作者选取不同的非线性晶体并严格限制输入光的波长在1．45－1．95 μm范围内，然后选择固定的角度，计算在这个角度下能够达到的最宽中红外调谐范围。计算结果显示：在双OPO驱动情况下，GaSe的调谐范围最宽为9－20 μm。而对于基于单OPO的DFG，不同中红外波长处外部入射角的偏差较大，固定角度下允许的相位匹配带宽要更小。
图3 基于双OPO的DFG实验结果 ［3］
在实验中，作者将外部入射角固定在35°后，实验与计算结果比较接近，9 μm以上角度几乎是相同的，并且11－20 μm只需要旋转0．3°。其中最大输出功率在7 μm处获得，对应的光子转换效率为5．3％，最高的光子转换效率在11 μm处获得，为6．2％。由于GaSe透射率的限制，转换效率在15－20 μm处直线下降，尽管如此，20 μm处输出功率仍达到了0．5 mW。
图4 基于双OPO的DFG与基于单OPO的DFG实验结果对比 ［4］
作者最后将基于单OPO的DFG实验结果与之对比，单OPO时信号光波长为2．6－2．2 μm，泵浦光波长为1．7－1．95 μm，差频后其中最大输出功率在6 μm处获得，对应的光子转换效率为14．4％，最高的光子转换效率在7 μm处为15％。与双OPO相比，波长小于11 μm时，其输出功率和光子转换效率都更高，但是在大于12 μm时功率和效率骤降，主要是因为泵浦和信号光波长相差较小，处于近简并的工作机制，而双OPO可以独立调节到一个较优位置，因此在整个波段内功率和转换效率比较平坦。
总而言之，双OPO最大的优势在于可以在晶体角度固定时，通过调节泵浦和信号光的波长实现宽带调谐范围的中红外输出，在对光束指向要求较高的领域中有很好的应用前景。
参考文献：
［1］ Florian M?rz， Tobias Steinle， Heiko Linnenbank， Andy Steinmann， and Harald Giessen， ＂Alignment－free difference frequency light source tunable from 5 to 20 ?m by mixing two independently tunable OPOs，＂ Opt． Express 28， 11883－11891 （2020）
原文标题 : 超快非线性光学技术之二十四 双OPO驱动差频产生的5-20 μm中红外光源
