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摘 要:非线性频率变换技术是当今激光技术领域的研究热点之一,通过对非线性晶体的特性研究,来实现不同频率的激光输出。本文依据倍频和频理论,首先介绍了常见的几种非线性晶体,主要有KTP晶体、LBO晶体和DKDP晶体,并对他们的非线性特性进行分析对比,归纳出适合紫外倍频的晶体。本文采用DKDP晶体作为紫外激光实验系统的倍频晶体,经过理论分析计算,调试出脉冲Nd3+: YAG紫外激光实验系统,三倍频的转换频率为0.42%。
关键词:激光;DKDP晶体;倍频技术
中图分类号:O434 文献标识码: A 文章编号: 2095-8595 (2016) 03-221-04电子科学技术 URL: http//.cn DOI: 10.16453/j.issn.2095-8595.2016.03.007
引言
非线性光学频率变换技术是指可以在固有的激光工作物质的情况下,扩展波段从红外激光到紫外激光,从而开拓新的应用领域。紫外光在光印刷、精密加工、紫外固化、光谱分析和科学研究等领域有广泛的应用前景,所以倍频技术一直是激光技术领域的研究热点之一。
1 非线性光学频率变换技术简述
在对非线性光学效应的唯像描述中,将非线性光学介质中电极化强度P展开为外光场E的幂级数形式,即
有两列频率不同的平面波,如(2)和(3)所示,传播方向为Z轴,达到位相匹配,
假设入射的两列平面波频率为ω1和2ω1,他们的和频为3ω1,也称为三倍频。同理,可将激光频率ω1倍频为2ω1,获得绿光,再进行倍频,则可获得深紫外激光,激光频率为4ω1。
1.1 双轴晶体中的三波互作用的相位匹配
在双轴晶体中,倍频极化场在基频光的传播方向上被激发。由于具有相同的相位,而使倍频极化场互相加强,这样就达到了相位匹配的目的。根据入射的基波光的偏振方向,相位匹配方式可分为第I类相位匹配和第II类相位匹配。I类相位匹配是指偏振方向平行,II类相位匹配与之相反,即偏振方向正交。第I类相位匹配的入射基波光均为慢光,第II类相位匹配的入射的基波光既有慢光又有快光。用电场表示相位匹配条件为:
1.2 和频理论
三波互作用的稳态耦合波方程:
设三个波的复振幅为
如果实验中的脉冲激光的脉宽大于1ns时,可以用上述稳态方程,本文主要研究的是脉冲宽度大于1ns的紫外激光的实验系统[1]。
2 倍频晶体的非线性特性简介
量子阱半导体激光器的诞生,使激光器的功率有了明显的提高。随着激光技术、激光倍频技术及激光调谐技术的迅猛发展,研究人员逐步寻找实现紫外激光输出的有效方法。紫外激光器有着广泛的应用前景,现已成为激光器一个研究热点。由于Bass在硫酸三甘氨酸晶体内第一次观测到激光和频的产生,以至于以后越来越多的科学家们开始利用非线性频率变换技术获得紫外激光的输出[2]。
下面简单介绍几种常用倍频晶体。磷酸氧钛钾晶体(KTiOPO4)是负双轴晶体,晶格结构为正交晶系,简称KTP晶体。KTP晶体具有非线性系数大、透光波段宽等特点,被广泛应用于倍频、和频实验中。表1是KTP晶体的特性。
三硼酸锂晶体(LiB3O5),简称LBO晶体,是优良的大功率紫外倍频晶体[3],同时具有宽的允许角和小的走离角,已成功地应用于YAG、YLF及YAP等激光器的二倍频及三倍频,属于负双轴晶体,晶体结构为斜方晶系。表2是LBO晶体的特性。
磷酸二氘钾(KD2PO4)晶体,简称DKDP晶体,是一种优良的非线性光学晶体。DKDP晶体具有光学均匀性好、半波电压低、线性电光系数大等优点。表3是倍频晶体DKDP的非线性特性。
3 实验装置及结论
3.1 实验装置
为了获得优质的紫外输出模式,结合现有实验装置,本实验采用Nd3+: YAG腔外三倍频的方式得到355nm的紫外激光。脉冲Nd3+: YAG激光器的谐振腔采用平-平腔设计。首先调制好高功率绿光激光器,将DKDP晶体放在二倍频所用的DKDP晶体前方,最后用分光棱镜把波长为1064nm红外光、波长为532nm绿光及波长为355nm紫光三种激光分开。实验装置简图如图1。
3.2 实验数据及分析
通过反复实验测量,动态时输入电压800V时,可获得最大转换效率为0.89%。在二倍频实验中,输入电压在750V~800V时可获得较高效率,在三倍频实验中输入750V~800V时,可获得0.40%左右的转换效率。
4 结束语
本文从倍频理论出发,用DKDP晶体作为倍频晶体,分别进行二倍频和三倍频的相关实验,最终实现了紫外激光的输出。通过反复实验,当输入电压800V时,紫外光的转换效率可达到0.42%。
基金项目:
大庆市指导性科技计划项目(szdfy-2015-59)和大庆师范学院自然科学研究基金项目(15ZR03)。
参考文献
杜长龙,李隆,齐兵.大功率CO2混合模光束输出窗的热效应研究[J].激光杂志.2015(07).
苏卓琳,孟庆龙,于军立,张彬.掺氧化镁铌酸锂晶体的损伤阈值分析[J].光学学报.2015(11).
江涛.磁光调制技术与应用研究[J].激光与光电子学进展.2016(06).
4 结束语
本文从倍频理论出发,用DKDP晶体作为倍频晶体,分别进行二倍频和三倍频的相关实验,最终实现了紫外激光的输出。通过反复实验,当输入电压800V时,紫外光的转换效率可达到0.42%。
基金项目:
大庆市指导性科技计划项目(szdfy-2015-59)和大庆师范学院自然科学研究基金项目(15ZR03)。
参考文献
杜长龙,李隆,齐兵.大功率CO2混合模光束输出窗的热效应研究[J].激光杂志.2015(07).
苏卓琳,孟庆龙,于軍立,张彬.掺氧化镁铌酸锂晶体的损伤阈值分析[J].光学学报.2015(11).
江涛.磁光调制技术与应用研究[J].激光与光电子学进展.2016(06).