本文属于类型a，即单项原创研究的学术论文。以下是根据该文档内容撰写的学术报告。
本文的主要作者为张梓琳（zilin zhang）、赵云峰（yunfeng zhao）、刘航（hang liu）、王子健（zijian wang）、杨雅茹（yaru yang）、于永吉（yongji yu）和金光明（guangyong jin）。研究机构为长春理工大学理学院吉林省固体激光技术与应用重点实验室（jilin key laboratory of solid laser technology and application, school of science, changchun university of science and technology）。该研究发表于《红外物理与技术》（infrared physics & technology）期刊，文章编号为124 (2022) 104234，于2022年5月31日在线发表。
该研究属于中红外激光技术领域，具体聚焦于3–5 μm中红外窄线宽激光源的实现。中红外激光源在军事、医疗、通信以及大气环境监测和激光雷达等领域具有广泛应用，尤其是对光谱精度要求较高的应用场景，窄线宽激光输出成为必然需求。光学参量振荡器（optical parametric oscillator, opo）是实现中红外激光的有效途径，其中掺镁周期性极化铌酸锂（mgo:ppln）晶体因损伤阈值高和非线性系数大而受到广泛关注。然而，常规的mgo:ppln-opo输出线宽较宽，例如2020年报道的3.8 μm激光输出线宽达到3.58 nm，难以满足实际应用对光谱精度的要求。根据准相位匹配理论，闲频光（idler wavelength，3.8 μm）的线宽不仅受基频光（fundamental wavelength，1064 nm）线宽限制，还受信号光（signal wavelength，1.4 μm）线宽影响。因此，通过压缩基频光或信号光的线宽来间接实现中红外窄线宽激光输出，是一种避免中红外波段直接窄线宽器件缺乏的可行方法。已有研究主要集中于外腔泵浦方式，而复合内腔泵浦光学参量振荡器具有更高的转换效率和更低的阈值，但相关窄线宽研究较少。基于此背景，本研究旨在利用复合内腔泵浦的mgo:ppln光学参量振荡器，通过多重法布里-珀罗标准具（f-p etalon）对基频光和信号光进行线宽压缩，从而在3.8 μm处实现无相邻纵模的窄线宽激光输出。
研究的实验装置包括808 nm激光二极管阵列模块作为泵浦源，最大功率45 w，光纤芯径400 μm，数值孔径0.22。增益介质为a切粘接复合nd:yvo4晶体，尺寸为3 mm × 3 mm × 24 mm，由16 mm的0.25 at.% nd3+掺杂yvo4和两端各4 mm的纯yvo4组成。晶体两端镀有808 nm和1064 nm增透膜，包裹铟箔并安装在铜质热沉中，通过20 ℃循环水冷却以减小热效应影响。泵浦光通过1:1.5耦合透镜组耦合进入增益介质。在最大泵浦功率下，nd:yvo4的热透镜焦距为150 mm。谐振腔内放置焦距为150 mm的聚焦透镜f作为光学镇流器，以提高光学稳定性和转换效率。整个双腔结构由1064 nm增益腔和3.8 μm中红外频率转换谐振腔组成，二者共用腔镜m3（曲率半径roc = –150 mm），并由分束镜bs分隔。1064 nm增益腔由腔镜m1、m2和m3组成，中红外频率转换腔由m4（roc = –150 mm）、bs和m3组成。腔镜的具体材料和膜系参数在表1中列出。声光调q器件长度为11 mm，置于m1和m2之间以实现内腔中红外opo的脉冲运转。非线性晶体为5%掺镁的ppln晶体，尺寸为40 mm × 5 mm × 2 mm，两端镀有1064 nm、1.4–1.7 μm和3.0–4.0 μm增透膜。晶体置于温控炉中，温度精度±0.1 k，极化周期为29.5 μm。1064 nm振荡腔长度为194 mm，opo腔长度为135 mm，bs距m3为95 mm。相应的聚焦参数分别为ξ1064nm = 0.2237，ξ1.4μm = 0.1965，ξ3.8μm = 0.2093。
实验中共使用三种法布里-珀罗标准具，反射率均为5%。标准具1厚度为2.5 mm，作用于基频光波长；标准具2厚度为2.5 mm，作用于信号光波长；标准具3厚度为0.5 mm，也作用于信号光波长。通过调整标准具的倾斜角度来优化透射率。在1064 nm处，2.5 mm标准具的最佳倾斜角为0.57°；在1476 nm处，2.5 mm标准具的最佳倾斜角为0.31°，0.5 mm标准具的转换范围为±0.39°。图2展示了标准具透射率随倾斜角和波长的变化曲线。双标准具组合的透射曲线在1476 nm周期内与单标准具几乎一致，但在相邻周期内透射率显著下降，从而能够有效抑制相邻纵模。
实验测量了不同标准具组合条件下3.8 μm的输出功率、转换效率和线宽。在自由振荡状态下，最大中红外输出功率为1.54 w，转换效率为3.83%，对应808 nm入射功率为40.10 w。当入射功率继续增加时，输出功率和转换效率开始下降，出现反演现象，原因是光学参量振荡器中参量波长的功率密度超过了基频光的功率密度。在最大入射功率43.84 w下，3.8 μm输出功率为1.45 w，转换效率为3.33%，线宽为3.96 nm，无相邻纵模。输出功率的均方根（root mean square, rms）波动在30 min内为1.79%。当仅使用标准具1压缩基频光线宽时，3.8 μm输出功率随入射功率增加而增加，最大输出功率为1.48 w，转换效率为3.38%，线宽压缩至2.24 nm，rms波动为2.26%。在此基础上加入标准具2作用于信号光，保持标准具1的倾斜角和位置不变，调整标准具2的倾斜角，得到最大输出功率1.15 w，转换效率2.62%，线宽进一步压缩至0.74 nm，但光谱测量结果中出现相邻纵模。这是因为标准具的自由光谱范围小于1.4 μm自由振荡时的线宽。为了抑制相邻纵模，在信号光路中引入0.5 mm薄标准具3，与2.5 mm标准具2组成双标准具。实验结果显示，标准具3的引入不仅抑制了相邻纵模，还在一定程度上提高了功率稳定性。在最大入射功率43.84 w下，3.8 μm激光输出功率为1.06 w，转换效率为2.41%，中心波长为3811.84 nm，线宽为0.73 nm，无相邻纵模，最大输出功率在30 min内的rms波动为0.95%。由于标准具的插入损耗，最大输出功率和转换效率受到影响，但图3©和(d)中输出功率和转换效率随入射功率增加而持续增加，反演趋势消失，表明通过继续增加入射功率可以进一步提高3.8 μm输出功率。
光束质量方面，在最大入射功率下使用pyrocam iii热释电阵列相机测量。当基频光和信号光分别由2.5 mm标准具作用时，3.8 μm光束质量因子m2在x和y方向分别为3.95和4.01。当基频光由2.5 mm标准具作用，信号光由2.5 mm和0.5 mm双标准具作用时，由于相邻纵模被抑制，激光输出模式更接近近基模，m2因子在x和y方向分别为1.92和1.87。脉冲宽度测量结果为11.17 ns。
本研究的结论是：在内腔泵浦的单谐振光学参量振荡器中，闲频光的线宽不仅受基频光线宽限制，还受信号光线宽影响。通过压缩1064 nm基频光和1.4 μm信号光的线宽，可以实现3.8 μm中红外窄线宽激光输出。不同厚度双标准具的组合能够有效抑制相邻纵模。在最大入射功率43.83 w、重复频率50 khz条件下，多重法布里-珀罗标准具同时作用时，获得了功率1.06 w、线宽0.73 nm的3.8 μm激光输出，转换效率为2.41%，rms波动为0.95%，脉冲宽度为11.17 ns，光束质量因子m2为mx2 = 1.92和my2 = 1.87。该研究为内腔泵浦中红外激光线宽压缩提供了一种有效方法，并对中红外窄线宽激光在光谱分析和激光雷达等领域的应用具有重要价值。
本研究的亮点包括：首次在复合内腔泵浦mgo:ppln光学参量振荡器中系统研究了通过多重法布里-珀罗标准具同时压缩基频光和信号光线宽来实现闲频光窄线宽输出的方法；通过引入不同厚度的双标准具组合，有效抑制了因强烈线宽压缩而产生的相邻纵模；在保持较好光束质量和功率稳定性的同时，将3.8 μm线宽从自由振荡的3.96 nm压缩至0.73 nm，并实现了无相邻纵模的窄线宽激光输出。