（光学专业论文）用环形外腔倍频获得稳定461nm激光.pdf

中文摘要 摘要：光钟( o r d c a jc l o c k ) 研究是2 0 0 2 年以来国际计量科学发展的一个新 热点。时间频率是目前最准确的基本物理量，目前准确度已达到1 0 - 1 5 量级，光钟 研究有望达到l o 。量级。作为蹄原子光钟实现的重要一步一一冷却和俘获原子，使 用毋”- 1 只谱线跃迁4 6 1 r i m 激光作为一级冷却光源，因此，产生4 6 1 r i m 激光成 为光钟课题中的一个重要部分。 本文采用准相位匹配的p p k t p 晶体对连续9 2 2 n m 激光进行外腔谐振倍频，获 得稳定4 6 1r u n 激光。倍频腔的基频透射光经探测器由光信号转换为电信号，经过 倍频腔跟踪锁定电路进行混频处理后，反馈回倍频腔，以实现倍频光输出功率与 基频光功率跟踪锁定。文中对腔的模式匹配、b o y d k l e i n m e n 聚焦因子、基频光腔 内倍增功率和倍频效率等参数进行了理论计算。实验首次采用环形倍频腔一体化 设计，以提高腔的稳定性。实验中获得2 0 8 m w 的4 6 1 r i m 蓝光，耦合倍频转换效 率大于7 0 ，并具有很好的功率稳定性。同时试验对不同反射率的耦合腔镜以及 倍频晶体p p k t p 的线性吸收对倍频效率的影响做出了深入讨论。 关键词：倍频：激光冷却和俘获毋原子；p p k t p 晶体；一体化环形外腔：倍频腔 跟踪锁定系统 韭壅塞亟太鬟殛堂位途塞基s 至基悬王 a b s t r a c t a b s t r a c t ：0 p 虹c 蠢ic l o c k sb e c a m ea n e wf o c u si nt h er e s e a r c ho f m e t r o l o g yf r o m 2 0 0 2 t i m ef r e q u e n c ys h o w sg r e a tp r o m i s ea st h en e x tg e n e r a t i o no f p r e c i s i o n f r e q u e n c ys t a n d a r d sa n dt h eu n c e r t a i n t yh a sa r r i v e da tt h e 1 0 1 l e v e la tp r e s e n t , p r o m i s i n gt ob ee v e nm o r ea c c u r a t eb yo p t i c a lc l o c k sr e s e a r c h a st h ef i r s ts t e po f l a s e r c o o l i n ga n dt r a p p i n gt oa t o m i cs t r o n t i u m , t h e4 s o 一1 霉t r a n s i t i o na t4 6 1 n ml a s e ri so r l c o f t h ei m p o r t a n tp a r t so f o p t i c a lc l o c kr e s e a r c h t h i sp a p e rp r e s e n t sa l le l i ( 1 嚣m a lr i n gc a v i t yf o rf r e q u e n c yd o u b l i n gi su s e dt o g e n e r a t e4 6 1i l r nb l u er a d i a t i o n , w i t h 争辍a 7a s al a s e rf ，e q u e n c yd o u b l i n gc r y s t a l ，豫 s i g n a lo f m m s m i s s i o nl a s e ri sd e t e c t e d , a n dd i s p o s e db yp o w e rl o c k i n gs y s t e m , t h e n f e e d sb a c kt 0t h ec a v i t y , i no r d e rt or e a l i z et h a tt h eo u t p u to f 4 6 1 n mi sl o c k e dt ot h e 9 2 2 n ml a s e r a n dw ec a l c u l a t em o d em a t c h i n g , b o y d - k l e i n m e nf o c u sf a c t o r , e n h a n c e m e n tr a t i oo f c a v i t yp o w e r , c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , a n ds oo n i ti st h ef i r s tt i m e t h a tt h ec a v i t yd e s i g n e di n c o r p o r a t e df o re n h a n c et h ep o w e rs t a b i l i t y u s i n gt h i ss y s t e m , w eh a v eg o t t e nm o r et h a n2 0 8 r o wo f t h es e c o n dh a r m o n i cg e n e r a _ t i o nf r o m3 5 0 r o wi r i n p u tp o w e r t h ec o u p l i n gc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi sm o r et h a n7 0 。a tt h es a m et i m e o u rs y s t e mh a sg r e a to u t p u ts t e a d i l y a n dw ed i s c u s st h ee f f e c to f t h ec o u p l i n gm i r r o r w i t hd i f f e r e n tr e f l e c t i v i t ya n dp p k t pc r y s t a l st h e n n a ll e n s i n ge f f e c tl e db yl i n e a r a b s o r p t i o n 幻t h ec o n v e r s i o ne f l i c i e n o k e y w o r d s ：s e c o n dh a r m o n i cg e n e r a t i o n , l a s e rc o o l i n ga n d 批a p p i n go ns t r o n t i u m ； p p k t p ；e x t e r n a li n c o r p o r a t er i n gc a v i t y ；c a v i t yd a c k i n ga n dl o c k i n g s y s t e m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期：年月 日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 举论文的王作是在我的导师澎波波教授和中国计量科学研究院光频巍臧= 军 疆究燹戆悉心搔簿下宪残懿，王老簿淤学严瀵，塞戬德入+ 藏老努知识嚣簿，耱 薤求精，德翻谨静治学态度巍辩攀鹣工箨方法给了我檄大约帮助窝影穗。残诧 衷心感谢王波波澎师和臧二军老师对我的关心和指导。 感谢中国计黛科学研究院光频黛的曹建平副研究员。黼老师悉心指姆我完成 7 实验室豹辩辑重棒，在学习土辩擞滔上裁绘警了我缀太骢关心彝帮韵，程戴淘 营建警老爨表汞裳一痊懿滋意。戴癸，弱实验塞翡王终入爨李辫孬燕、嚣飞、罴强 和同攀赛卓蔑在滚鼹、光路方鬣给予我缀大黪帮助，并瓣我翡科研工髂翱论文提 供了及孵有效的馈息农资辩，网时掇如了诲多塞贵意忍并鼠对我悉心指黪，褥次 辩绝销表示衷心瀚感谢。 感谢李文博激授，李老师有潜黼演 的学术造诣、严谯的学风、敏锐的洞察力， 在学零上兢蔑她敷、笼强奉献，使我受益终爨。特裂缝，李文德教授在瘸薰攒闯 仍然砖我的试骏工作表示菲鬻荚心，辍投联络嫠提供资瓣，往我褥毅溅铡参姆舞 计量院光钟课透，肖了现在的成绩。 在实验室工作及撰写论文期间，刘竟对我生活和论文给予了无微不楚的关心 帮热馕蘩劲，投就趣绝表达我赡戆激志馈。 嚣给逸黪瀑家人，毡爨翡瑗解露支薅嫠我稳够在学授专惑完成我弱攀妲。 韭 巍蛮通杰堂璐堂德 i 金塞压 序 聪瓣频率标准怒毽嚣最准确豹基本物理量，许多其它物理量，例如长度单位 的米，繇可由时闻颡翠导出；它氇是基磷豹瑗学研究的一个踅要方垂。邋十年来 的诺贝尔物理奖有四个和时间频帮标准相关( 19 8 9 年d e h m e l t 与p a u l i 的离子阱和 r a m s e y 的分离场技术，1 9 9 3 年t a y l o r 的脉冲星稳定周期，1 9 9 7 年来棣文， c o h e n - t a n n o u d j i 帮p h i l l i p s 鹳激必冷却与磐获鞭子，2 0 0 5 零飞移光藏) 。嚣蕃蓍， 光钟的准确度己达到l o 。5 量级，并有望达到1 0 - 倍量级。此外，时问频率慧其有良 好的可传递性，可采用多种途径传播并且能够保持很高的准确度；时间频率技术 是g p s 系统熬关键技术基础之，也是当代导靛技术豹基戳。除此之棼，它和人 类社会的日常生活密切相关。秘前世界上禳多研究机构都歼始震开这一领域的研 究，以求保持或抢占在该重要领域的领先地位。 零论文的主要内容展开于我在中国计量科学研究院光频标实验室工作和学习 羯闻。零工作是9 7 3 “毙镑”科研磺鏊串豹今熬螫蘸势，本入凝受奏懿一缀冷帮光 源4 6 1 n m 激光的研究和实现是为西原子光钟的第一步羚却和俘获静原予提供 较大功率的稳定光源。 零漾题承蒙9 7 3 * 毽家重点答缓爨究发展谤划、“十一纛”国家科技支撂幸 划项 目( n o 2 0 0 6 b a 鼢3 a 2 0 ) 及科技基础条侔平台竣霹( n o 2 5 d k a l 0 7 0 6 静资 助，戎此表示感谢! 堑；塞 室纛去堂受纛凳焦 j 垒 塞 l l童 1 研究背景和意义 1 引言 连续大功率4 6 1 r i m 蓝光的产生对乎很多应用，如彩色打印、光谱学，吸收成 像和激光冷却舒艨予，是至关重要的【i 】，尤其对于激光冷却静原子，正是光钟课 题孛豹重要部分。4 6 1 r i m 蓝光可以霞黯覆子软能缀& 歇遗到1 霉，它幸# 为寨曼减 速器和磁光察的光源，实现对爵舔予的一缓冷却和殍获，莠遭_ 蓬第二缀冷箱璐， 将毋原子的温度降低至l a k 量级，即可进行光钟研究后面的实验。因此大功率稳定 4 6 1 n r a 激光，燧光钟课题的重要一部分，也正是我所鬻避行的工作借频产生稳 定4 6 1 r i m 激光。 1 超冷静潦子 光钟主要由三部分组成：一个悬能产生稳定的周期饿信号的振荡器，即稳频激 光器：二是用来锁定振荡器的光学频率标准，它是由激光冷却单个囚禁的离予原 子所产生豹光学频率跃迂；三是能将必学频率分配成可以被计数的微波频率的频 率分配器，瑟毙擎菝率藏或叁濒灏兜学猿率链1 2 1 。 碱土金属原予是一种非常合适俸为光学频率标准的候选元素，因其存程许多 亚稳态和相对窄的能级，已经在m g 和c a 原子的试验中体现出很好的特性。 研原子由千具有非常突出的特点，引起人们关注；菌先，跏原子可以容翁的 遭过两步冷却技多普勒冷却到低予lpl ( 网 a l ，s r 原子蓠残利用1 s 一只跃迸狻 4 6 1 n m 激蠢霰冷帮，之嚣送霉第二级冷帮，透过7 k h z 豹魏矿霉谱线获迂，镁鬻 6 8 9 n m 激光实现。第二，毋原子存在着缀多可能作为光钟的跃迁，包括费米予f 朝臣 素”跏的1 瓯呻3 矗超精细结构，它的自然谱线宽通过半经典微扰理论计算大约为 1 0 1 2 1 5 】【6 1 。 由以上这熄优点，因此选择鼬艨予作为光学频率榕港豹原子。 錾塞銮溪塞兰瑟童髦霆盈塞|塞 謦1 - 1s r 骧予冷却翻荐获妻孽相关莪缎缝鞫 联蚤1 - 1r e l e v a n tl e v e ls 矗u c t u r ef o rs n - o n t i u ml a s e rc o o l i n ga n d 镌蹄毫g 图1 1 所葡鼍静原子激光冷却箨日俘获的相关能级缡构。由1 晶一e 能级跃迁 ( 丑= 4 6 1 n m ，f 一3 2 m h z ) 用于塞曼减速器及曲原子初级激光冷却和俘获。鼠一3 片 窄能级跃迁( 名一6 8 9 n m , f = 7 。6 k h z ) 用于原子第二阶段冷却到z k 量级。此外， 整孛还垂密了哭孬在手毋戆费寒溺像素钉s r ( j = 9 2 ) 戆冁窄裁缀跃迂蕊。嚣 ( 名= 6 9 8 n m , i 一l m h z ) ，因为聪予存在这样的超窄麓缀跃迁，使它可懿挥为光 钟的碱土金属原予 7 1 。 1 1 ，2 激光冷去1 ) 和俘获 1 9 9 7 年诺燹祭物理学奖获褥帮来稼文提出利焉激毙绝魇子束冷却魏徽拜溢度 范围，并且把冷却了的原子悬浮或俘获在不同类型的“原予陷阱”中。 激光冷却和俘获蹄原子的试验怒利用磁光阱( m a g n e t o o p t i c a l 仃a p , m o t ) 实现 的。为了有效她提商曲原子的俘获效率，首先需要先将跏原子炉射出的原予柬经 过塞曼减速嚣遴磐琢子素减速。塞爨缀速器是一个具纛缓交磁场嚣线塑，淤线嚣 艴辘暴子可竣辩照豹激光束减速。 图1 - 2s r 原子塞曼减速示意瞬 f 培i - 2z e e m a ns l o w e rf o ra t o m8 r 毋覆予离嚣黔叛子炉进入锻形蠛线潮，同时4 6 1 n m 鹣激竞复方囱打在爨子寒 2 士，实现对原子韵减速。毋原子的运动速度可以降低至几十米秒量级，可有效地 撬高曲原子的俘获效率。锥形螺线圈的磁场通过塞曼效应来补偿原子的多普勒频 移( d o p p l e rs h i r ) 。 之后，原子束进入使用4 6 1 锄激光依为冷却光源的磁光辨。磁光阱由三束彼 魏曩程垂壹熬对射燹索，器及一令霆壤磁场稳藏，麸瑟赘霖予滋纾冷鼙窝霾禁。黪 缎予被加热后喷射箍出，形成原子束，利翔相同的“墨_ 1 露”跃迁的4 6 1 r i m 激 光对其进行准直以及z e e m a n 减速。之后，将冷却激光切换成窄线宽的6 8 9 n m 激 光，对毋原子云团迸一步冷却，最终将原予云温度降低至肼嫩级。 为了实现囚禁，相鼹对射的冷却光束采用垂直的圆偏振光，并且由一对反赫尔 簿茨线罄在露子运动路径主提供磁场梯发，每三寒磁毙戮冷鞠毙索魏交叉孛一象 簸z c c l n a n 位移。 通过磁光阱的冷却和囚禁，可以得到邋含进行原子物理实验的低温高密集度并 鼠实现空间囚禁的原予样品隅】 。2 研究溉嚣 由于气体激光器和菔光半导体光源有限的输出功率和调节能力，目前一般采 用通过红外光倍频、和频的方法实现4 0 1 r i m 簸光的获得。 作为光钟研究的部分一冷却俘获跏原予，对蓝光功率和稳定性有较高的要 求。 对于获褥4 6 1 a m 菝光豹转换效率，嚣蔚国际土较好豹实验结栗有：法嚣 i c o u r t i l l o t 利用1 7 0 m w 8 1 3 n m 激光岛9 0 0 m w l 0 6 4 n m 激光经过和频产嫩 1 1 5 m w 4 6 1 n m 激光，转换效率2 7 9 1 德阑c h s c h w e x l e s l i 利用9 2 2 n m 半导体激 光器倍频产生4 6 1 r i m 激光，转换效率为4 0 ，( 输入5 2 0 r o w 红外光得到蓝光 2 0 5 m w ) h 毋；德蓬p t b 同撵通过倍颓9 2 2 n m 红终光的方法，褥载1 8 0 m w 蓝必， 经颓转换效率为6 0 。6 ；法国r ht a r g a t 煞试验孛，9 2 2 n m 数努先绩频产生4 6 i n t o 蘸光的模式匹配转换效率( 即同时考虑没有参与倍频的红井光和非出射腔镜透射 出的4 6 1 r i m 蓝光的损耗) 为7 5 【l 】。对予腔的功率追踪锁定，目前没有文献进杼 相荚的讨论因此我们同时对基频光和倍频光进行了长时间j l 茳测，测量倍频腔的 功率追踪锬定。此赆，我们对腔的不同反射率辗合透镜鲍送纾了充分试验和深入 熬| 薯论。著盈逶过安簸，对蔻天关予鑫俸傣菝特毪豹分爨遴露了验证、改透魏宠 警。 3 1 3 论文结构 本论文主要对倍频产生4 6 1 n m 激光的试验进行研究，根据目前该课题的研究 状况，对所涉及的问题进行剖析，并且对实验结果进行深入讨论，提出进一步改 善的方法。本论文的内容安排如下： 第二章主要对实验方案的选择、倍频腔的设计、倍频原理等进行了详细介绍， 同时对环形腔倍频进行了充分的理论计算，作为下一步试验的理论基础。 第三章介绍倍频腔跟踪锁定系统。从倍频腔跟踪锁定系统的各个单元，以及 应用到我们的实验中的实际使用情况和效果等多方面进行阐述。 第四章对实验的结果进行充分的讨论。通过对晶体温度曲线的讨论，引出晶 体线性吸收对输出倍频光功率、效率的严重影响；对不同耦合透镜反射率进行讨 论，通过对两种不同反射率的耦合腔镜不同输入基频光的情况下，输出倍频功率 和倍频效率的曲线图进行比较，确定最佳耦合透镜反射率；对倍频光的功率跟踪 锁定进行长时间测量。 第五章对已完成的实验的方法和结果进行总结，并提出在下一步实验进行改 进的方法。 4 鍪塞銮蕉盘燮鬻奎堂鱼鎏塞燕瑟主童l 蠢擞嚣羞夔嚣鍪笺黧建 2 倍频产生4 6 1 嗍激光的原理与设计 试验中我翻瀵撵使用环形俸为穰羧靛，蒙p p k 髓豢悔徉为倍颓晶律，黠缎拜 光9 2 2 r l m 激光进彳于倍频，从而获得4 6 1 n m 蓝光。 这一章对产嫩4 6 1 r i m 激光的方法选择、试验方案、外腚倍频的理论计算如腔 参数和腔的模式暇配、b o y d - k l e i n m c n 浆焦因子及基频光脓内倍增功率等参数进行 了理论 算等避移深入讨论，。由以上盼理论基础，奠定下一步兹实验。 2 i获得4 6 1 n m 激光的方法 为获得较大功率4 6 1 m n 蓝光，一般有如下几种方法： 2 。 。i 用k n b 0 。酯体倍频9 2 2 n m 激光的方法 用k n b 0 3 作为倍频晶体的优点在于，k n b 0 3 具有较大有效非线性系数： 谚，= 1 8 p m v ，可以具有较大的倍频转换效率。k n b 0 3 晶体可采用非临界相位匹 配和第一类临界穗彼匹配两种方式l l l l 1 2 1 1 3 1 。 采爱饕錾赛鞠位霾琵，迄裁楚滋溲莲嚣静方法，k n b 0 3 豹有效菲绞壤系数为 d 0 = 2 0 p r o v ，但是对于基颓光大予9 2 0 n m 的倍颓实骏中，匹配温度为1 8 5 ， 非常接近晶体的相变温度，所以要求q e 常严格的温度控制，以防止再诱导( r c p o l i n g ) 的发生【“】。并飘k n b 0 3 晶体对温度的变化也有严格的骥求：升温过程速度小于 8 0 m ，降温过瑕速度小于4 0 m 。强晶体温度高于1 8 0 时，舞温降温速度瑟应 当藏稷，霆荛蠢乏懿滋度菲霉接遥聂露熬耧变漫褒2 2 3 c | i s 。瓣手焉手产生冷帮黪藏 子1 & j 异谱线的4 6 1 n m 激光，也赣怒譬前静工作，非瞒器稽位匹配温度为1 5 0 ， 因此不推荐使用此种相位匹配方式l i 】。 采用临界相位匹配的匹配方式可以在室温下进行( 3 2 ) ，但倍频光走离效应 ( p 3i o ) 导致蘸光光斑变为椭圆光藏出现高阶横模，影响光斑质量，从而影螭之 爱兹镬爱h 哪。 此雏，是个缺点是z n b 0 3 晶体荔受到“蓝光导致懿光铬损伤”，毽就燕“篮党 导致的红外吸收”b l i i a ( b l u e i n d u c e di n f z a r e d a b s o r p t i o n ) 【l ”。也就是说，不仅蓝 光本身被晶体吸收，而且蓝光导致晶体很大程度地增强了对红外光的吸收，产生 热透镜效应，从衙大大限制了蓝光的倍频效率。 鍪塞銮鋈塞堂惩囊兰焦盈塞蓬錾主耋l 麓邀塞筮嚣蓬萋纛凌 2 1 2 和频方法 这耱方法是黟1 0 6 4 n m n d ：y a g 激必器和2 台8 1 3 n m 拳等体激竞嚣逶道跫撙 螽俸移颓，产生4 6 1 r i m 激光f l 。 k t p 晶体对热透镜效应较不敏感，同时是一种具有较尚的非线性系数的黼体。 k t p 非线性系数为d 1 5 = 1 7 p m v ，为防止走离效应( w a l k - o f f ) 需要将晶体内荣腰 扩大，从而影响了倍频效率。 实验示意强如潮2 1 所示。 实验孛鑫转选潮2 0 m m 长，甄瀵疆壤透貘，藏鐾褒嚣攀块嚣形蕴蠹，聚爝第 l l 类临界辐位甄黼，在x y 平蘑，0 - - 9 0 4 ，矿= s 1 3 。，入_ 鸯雩腔镜镀膜经过陵抗禚瓮 计算，以使尽可能大功率的光耦合入腚。这种方法虽然避免了热透镜效应对4 6 1 r i m 激光的影响，可是最大缺点是转换效率太低，对于我们所要进行的毋原予俘获和 冷却的试验目的，这种方法无法提供足够的激光功率。 2 。3 用p p k i p 晶体倍频9 2 2 r 蚺激光静方法 使用p p k t p 晶体作为倍频晶体倍频9 2 2 n m 激光。p p k t p 晶体是准相位匹配 晶体，采用的暇淝方式为准相位嘎飘，通过温度的变化实现最佳匹配，因此不会 蹬瑰走离效应，产生蠡搴4 6 1 r i m 激光毙斑形获好。并且，黩酝涅度一般为3 0 稍， 接近室温，彝予耱露l 。 p p k t p 晶体相对k n b 0 3 晶体，甜温度快速变换不翁损坏，可以将晶体自然降 温，而不会造成晶体的损伤，更好维护。 p p k t p 具有较大的有效非线性系数： 氏( 4 6 1 n m ) = l s ( _ + _ s ) p r a v ( 2 - 1 - 1 ) 6 = 息= 9 5 p m l v ( 2 - 1 2 ) 7 但是p p k t p 鑫体俸为9 2 2 m n 糖频晶体，存在的主黉婀越是，晶体的热遴镜 效应穰严重。 热透镜效应怒由激光棒内的热不均匀分布( 热梯度) 与热应交弹性弓l 起的折射 率不均匀变化，从而形成热透镜效戚。 非线性晶体戮到高功率激光辐射产生变频的同时，也会引起晶体通光方向上 的区域丹温，舞激侵褥这一区域内的弱体折射率发生改变，降低激光系统的输出 兜寨矮量，毽会影溺晶薅蛰蒙效率。瓣为逶竞嚣城熬曩髂辑瓣搴发生交换，霹豁 等效看作鑫体成为透镜，晶体因为吸收热而产生静这种变化，称为热透镜效艨。 p p k t p 晶体对小于5 0 0 n m 的激光的吸收比较大，对于不同的样品，晶体埘 3 6 5 n m ( 带隙波长) 刹6 0 0 n m 的激光的吸收系数相差很多。对于4 7 3 n m 激光，吸收 系数a 从0 0 3 4 剿0 0 8 5 c m 1 。p p k t p 作为倍频晶体，对4 2 3 n m 的吸收系数为 a ( 4 2 3 n m ) = 4 ) 。1 0c m 。因憩，由手嚣螽髂砖菱龙豹吸收露生熬强热透镜效疲蹩辍 制倍频效率提高翡主要问题。 由圪e x p ( - a z ) 。 ( 2 l - 3 ) 将晶体加热划匹配温度，对3 0 m m 晶体进行4 6 1 r i m 吸收试验。入射3 1 8 r o w ， 出射2 3 m w ，可得，吸收系数为a ! ( 4 6 1 n m ) = 0 1 0 8 c m 1 ，晶体吸收4 6 1 r i m 占总入射 先豹2 7 6 7 ，魄t ll et a r g a t 在文歉“7 5 - e f f i c i e n c yb l u eg e n e r a t i o nf r o m 勰 i n t r a c a v i t yp p k t p f r e q u e n c y d o u b l e r 审a ( 4 6 1 n m ) = o 1 4 e r a 。酶，j 、。 文献中讨论认为，如此强的倍频效率增长限制，怒由于过小的束腰和热透镜 ( 强度与面2 成溅比) ，但在我们的寅骧中，即使束腰被肖意扩大到5 0 1 m a ，也会出 现饱和现象。因此，我们认为功率饱和现象与束腰大小( 即光功率密度) 关系不 大，可能与绝对硗攀有关。 2 1 4 结论 综合以上三种实验方案的优点缺点，因第三种方法中所用的p p k t p 晶体较 k t p 晶体具有较嵩戆菲线性系数，灏此具有更高黔蘩频转换效率，同黠稳对子 k u b 0 3 鑫髂对滋发蔓秀鼙稳定，不荔援耀，在试验孛嚣攀荔搡俸，最终我稻镬爱 p p k t p 晶体作为倍频晶体倍频9 2 2 n m 红外光，产生4 6 1 r i m 蓝光。 7 2 2 二次谐波的产生 2 2 1 倍频理论 光学二次谐波发生器是非线性光学现象的一个主要应用，其在一种媒质中通 过偏振光波实现光频倍频。其中，媒质的偏振能够被表示为： p = e o z l e l + 岛筋e 2 + e o z 3 e 3 ( 2 2 - i ) 式中，e 为加在媒质上的电场，石是媒质的第1 阶磁化系数。 如果一个频率为国的电磁波在这样一种媒质中传播时具有二阶磁化系数，则 其相应的e m 波将以2 频率传播。光波的功率将遵从以下关系： a 乜 地 气：掣, , 3 产2 j 2r 2 】鼍嘧s m - - i ) 2 = 免乓每) 2 ( 2 - 2 2 ) 从：2 w i ( r h - n 2 ) c ( 2 - 2 - 3 、 式中，a 为面积，七为波矢量，l 为媒质的长度，c 为真空中的光速，l i 和啦 为每种光波频率的折射率，g n 为非线性转换效率，“谚为倍频晶体的非线性系数， 吼= 3 7 7 r h 。 通常，七不为零，因此倍频光波的光功率是比较小的。如果两个光波能够进 行相位匹配，则七可变为零并且功率能够得到优化。这种匹配只能够发生在每一 种频率光波的折射率都是同一的情况下 2 2 2 准相位匹配 2 2 2 1 准相位匹配晶体 p p k t p 晶体( p e r i o d i c a l l yp o l e dl 订甲) 是一种准相位匹配( q u 蠲i - p h a s e - m a t c h e d ) 晶体【1 9 1 。它是通过将k t p 晶体进行周期性极化制备出来的。 准相位匹配晶体是近些年出现的一种新型非线性晶体，同常规的双折射匹配 晶体相比，它可以利用非线性晶体最大的有效非线性系数进行频率变换，而且在 s 蕴塞銮运盍堂熬士堂壁途塞缱凌主篁l 热嚣蠹趁嚣壅蔓嘏兹 晶体的整个透明区域内，不满足严格相位匹配的光束也w 以通过改变温度在晶体 内进行有效的参激棚互作用，从而扩殿了频率变换的范豳。 准援位嚣配蔽零豹应霉不受鑫髂撵瓣菜些器骞嚣素戆羧割，宅逶过对器线链 晶体毒孝睾车进行琢妙鹊处理，在晶体审形成自发辍纯方向交罄变亿的铁电嗨光栅， 将其产生的附加幼量矢量引入到非谐性频率变换过程的动爨守恒关系中。这个附 加的波矢量，增加了非线性过程中的炭活性和可控性，以崭新的思想方法开创了 非谐性频率变换技术的革命性的新阶段。准相位匹配技术可以通过对铁电性晶体 豹叁发援纯方彝遴簿窆闻上豹攘期调剃，使褥有效菲线控系数在二弱矗之蠲交 警交亿，藏瑟获褥较离静菲线佳转豫。 2 2 2 2 准相位暇配理论 在晶体款铬频过程中，摄据楣曩终髑波戆藕合波方程，雀馒变振壤条佟嘏叛 下，二次谐波场豹援箍方程舞嘲 车。嘶矿一( 2 - 2 - 4 ) 戤 式中，e z 是强空间传播中不断变化的二次谐波场振幅，a k 是基频光与债频光 在光束传播方囱的波矢之差，x 是沿转播方向的距离，r 怒一个与a k 瓤x 无关豹常 数，d ( x ) 是整簇 线毪走学系数。 如果所用藩体是非周期极讫的磁常菲线性光学晶体，使两波都沿其x 轴入射， 激光的振动方向沿z 方向，可以利用鼎体的最大非线性系数鸸；。如果晶体此时对基 频激光未实现相位匹配，即a k ：o ，由上式积分得： 掣= 瞄，e x p ( - i t a = ) 最；一警【唰一施) - l 】* 砣訾s i n 等) 妪一i - 艟5 - ) ( 2 - 2 - 5 ) ：一飓3 ，x 鼬c ( - - 竽- ) e x p ( 一f - - u h ) 倍频光强为：x 2 ( x ) = 睦硎2 = r 2 如2 妒s i a c 2 ( - 竽- ) ( 2 - 2 - 6 ) 图2 2 绘出了倍频光强随晶体长度的变化关系。扶图巾w 毁着出，x 方向逶光孵， 正常结构晶体几乎没有倍频光输出。 9 鍪纛塞鋈盍堂鬃耋堂篷盈塞蟹熬意垒l 蒜邀羞蛰嚣爨薹塞亟 图2 - 2 正常结构晶体几乎没有倍频光 f i g 2 - 2s e c o n dh a r m o n i cc a n n o tg e n e r a t e dw i t hn o r m a lc o n f i g t 删o no f a ”棚 对于准相位暇配，d ( x ) 的绝对值为d 。，在x 方向上，每经过一个畴边界，就改 变一次符号，其绝对值大小不变，如图( 2 2 ) 所示。被称为相干长度，篡值为 l 。= 嚣| 赫 d 6 0 棚 t i n zz z ? z 一? 77 ： z l l ll l i i lfi n 厂厂1r 厂i uuuuu 7 出t i i 万触嗣埔身 图2 ，3 准相位匹配器件结构和非线性系数周期函数图 f 醇2 3 q p m c r y s t a l sc o n f i g u r a t i o n a n d n o n l i n e a r p e r i o d s 从图2 - 3 中肴出，d ( x ) 周期函数，将d ( x ) 傅立叶级数展开得： 碳x ) = 如g 。e x p ( i k ：) ( 2 - 2 7 ) _ 蕾 其中毛= 百2 a n ，为第n 级光栅波矢 a 是矗( 善) 的周麓，其篷必蕊 系数q = 去罄e x p ( 一吃功出= 一丢s 砥万桕) 懿砸舢) ( 2 - 2 - 8 ) d 为畴反转占空比，其定义为周期函数d ( x ) 中非线性系数为正值( 或负值) 长度 与周期的比值。将( 2 2 6 ) 代入( 2 2 4 ) 式积分得： 踟：弼，妻g s i nc ( - 脑- - 丁q - ) 、e x p ( 一f 筝 ：酗，耋一；m c 石桕二( i z n d ) 。缸碑，唧一半，乃 ( 2 2 9 ) 式中，a k = a k 一屯称为总的相位失配 实际的准相位匹配器件中，一般只存在一种光栅周期，即m 阶准相位匹配， 其理想周期为人。= 2 t a l c 。在( 2 2 7 ) 求和式中所有”m 项的a k 0 ，如图( 2 2 ) 所示，其值很小或为零，对最( ，) 没有贡献。只有m = n 的一项从= 0 ，满足相位匹 配条件，其值随着晶体长度的增加不断加大，可见e u ) 主要：丑n - - m 的一项决定。所 以： 删：喇一与s i n ( x m d ) e x p ( i z m d ) s i n c ( f 半晰f 筝( 2 2 1 0 ) m j r zz 因为倍频光强为厶。* l 易u ) 卜所以， i ：o ( o * i e ： m 2 ( f 。) m l ( s 3 + 西) ( 2 4 9 ) 翔理也求爨平薅反射镜之翔嚣必骚鞫稳跫因子。姿强n2 热扛游，魏不 一定相等，下图给出l f 和c a o l ，“和“b 随倍频腔参数变化的露数关系。 薹裹褒透塞堂亟纛差筵盈塞蓬熬彦塞 壁玺邀蠹趁疆登篷越 。7 。 ? i 1 ， ，7 ； ； | 。、 t l 一毛l 一tl 1 0 1 0 40 + t 0 4 50 。l 然0 ，辐e 。1 0 6 0 。l 掷s0 。1 0 7 0 1 0 7 5 r 越i t 膊o fo j , c , r a l 趾c ef 臻) 鞫2 - 8 晶体内柬簇与嬲面镜曲率半径的关系 f i 9 2 - 8b e a m w a i s ti nc r y s t a la saf u n c t i o no f r a d i u so f c u r v a t u r e 2 ， l一矗i ， l | 1 o 】j 。40 。蛐o 。如晦0 “玎0 。1 0 8 p a f l i mo fa 露硐吐墟蟹f m l 鬟2 - 9 平嚣镜之阉豪黢与鞭薅镜麴率半径豹关系 f i g2 - 9b e a mw a i s ta saf u n c t i o no f r a d i u so f c u r v a t u r e 1 6 瓣 2 2 富oo#t日意m盘 堑塞黛鋈塞黧嚣圭黧篷鎏塞篷筮耋塞圭l 壁娄熬蠹鏊基蒌兰邀透 1 2 0 g h z l o n g - t e r ms t a b i l i t y l g h z p o w e rs t a b i l i t y l o o ：1 蹦4 - 1r o p i i c a 公司9 2 2 n m 半导体激光器示意图 魄4 - 1i n c i d e n tf u n d a m e n t a lw a v e l a s e r 4 2 环形腔腔外倍频的理论计算参数 4 2 1 倍频腔的参数和匹配透镜距离 根据第二章对倍频腔的理论分析，我们选用环形外腔作为倍频腔，具体的倍 频腔参数为： 凹面镜曲率半径：1 0 6 m m 凹面镜之间的距离：1 3 1 9 5 8 m m 平面镜之间的距离：1 4 3 8 8 r a m 镜面上的入射角：3 4 。 倍频晶体的长度：3 0 m m 由此可得晶体内的束腰为：m o l ，= 5 0 0 5 小，= 5 0 0 2 m 两平面镜之间的束腰为：e o o - j = 2 5 0 7 4 1 a m ，国也= 2 5 4 3 4 3 t m 倍频腔的稳定性因子为：g ，= - 0 3 0 4 ，g ，= - 0 3 3 1 利用前面给出的匹配透镜计算公式，用焦距f = 9 0 0 m m 的透镜，可得到匹配透 镜距晶体输入输出耦合面，两透镜之问的距离，以及距倍频腔的耦合镜的距离 4 2 2 倍频腔的模式匹配 在理论计算的基础上，经过反复调整倍频腔、匹配透镜，可以得到较好的模 式匹配，如图4 - 2 所示。 l “ 卜 1 ： i。，。 i f 。i -l j 图4 - 2 倍频腔模式匹配 f i g4 - 2m o d e - m a t c h e d 4 2 3 倍频功率和效率 根据第二章的分析和给定的数据，可得到倍频的理论参数为： 聚焦参量：f = 0 9 5 7 b o l d k l e m e n 聚焦因子：h = 0 4 3 3 归一化波矢失配参数：仃= o 1 1 对称性参数：屁= o 9 9 9 非线性转换因子：= o 0 0 7 4 全反射平面镜反射率：大于o 9 9 9 5 全反射凹面镜反射率：大于0 9 9 9 5 倍频晶体表面基波光束透过率：0 9 9 5 倍频晶体传输损耗：占0 2 c m 基频光输入功率：己= o 5 w 一1 形 腔内功率：g ( o 5 w ) = 6 9 2 1 w ，p c ( 1 w ) = 1 0 3 1 3 w 腔内功率增强比：p ( o 5 w ) = 1 3 8 4 2 ，p ( 1 w ) = 1 0 3 1 3 倍频光功率：己( 0 5 w ) = o 3 5 7 w ，巳( 1 w ) = 0 7 9 2 w 耦合镜最佳反射率：屯( o 5 r o w ) = o 9 2 8 ，如( 1 m w ) = o 9 0 3 倍频效率：1 7 ( o 5 w ) = 7 1 畅，, 7 0 w ) = 7 9 2 4 2 4 倍频腔的阻抗匹配 图4 - 3p z t 扫描的激光谐振模式 f i g 4 - 3m o d eo f 9 2 2 n ma n d4 6 1 n m 图4 - 3 中，通道i ( c 1 ) 为耦合腔镜m 1 透射出的红外光的波形，通道2 ( c 2 ) 为腔镜m 2 透射光波形，通道4 ( c 4 ) 为扫描的锯齿波信号。 由图中c 1 可以看出，耦合最好时， = i 0 4 _ _ 4 5 5 s + o 9 1 = o 0 9 2 ( 4 - 2 1 ) 耦合入腔的红外光占9 1 ，实现了很好的阻抗匹配。 4 3 最优化p p k t p 晶体温度 图4 4 为当输入红外光为3 0 0 r o w 时的倍频功率的温度曲线。 n篇 蕾 骑舱 m冀 c j 3 ，譬t a lt e m p e r a t u r e ( ) 图4 4 倍频功率随温度的变化 f i 9 4 - 4 t e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo f s h g w i t h a p p k t p c r y s t a l 当所有条件不变时，晶体温度为2 9 c 时，输出蓝光功率最大。但是，由上图 可以看出，输出功率在2 9 两边不是对称的。有以下几点原因： 1 、p p k t p 晶体过长造成严重的线性吸收( 1i n e a ra b s o r p t i o n ) 问题。晶体吸 收的蓝光越大，晶体的温度越高。并且对于不同的温度，晶体对蓝光的吸收系数 也不同。这样的相互作用使晶体实际温度偏离设定温度，而控温系统没有能够快 速反应出来，因此造成实际温度值与设定温度值存在差别。 2 、热沉温度与晶体内实际通光处的温度不同。晶体的控温是通过晶体下方的 热沉温度的变化来实现的，热沉中的热敏电阻反映的是热沉的温度，而这个温度 ev矗，lnd_c一 j b 塞意煎太堂碱土堂焦谂塞! g 里激当筮盘翘过监 与鑫薅建戆实际逶纛楚戆湿度骞寇存在差蓬，鬻魏，藏霹熬被奄錾煞显示滋度蒡 不能真嶷体现晶体的工作温度。 3 、晶体内温度不一致。因为试验中所用的晶体长度较长( 3 0 m o ，又由于晶 钵较强骢蓬光吸收( a ( 4 6 1 n m ) = 0 。1 0 8 c m - 1 ，也裁燕磊薅吸收4 6 1 n m 占总入射先静 2 7 6 7 冁) ，晶体对蓝光的吸收为线憔吸收，因此倍频过程中，黠体的实际漱度皇梯 度增加。而热敏电阻最示的是这个梯度变化的濑度的平均温度，或者是某点的 温度，麟为试验中的妊体较长，这个问题就更为突出了。设是的工作温度宥可能 不是鑫侮的最佳滠疫，疑是温度平辫镬。 由以上3 点原因造成p p k t p 倍频的温度曲线不对称。 4 。4 傣频功率翻效率 4 4 1 耦合透镜的影响 试验中砖入筹耩会腔镜糕l 麓瑗论诗算僮海藏佳反袈率隽9 1 ，试验中采焉秀 种反射率的腔镜m l ，殿射率分别为8 7 和9 1 $ ，分别进行了功率和效率的实验。 o 8 o 5 口5 口 o o1 5 02 0 02 3 0 0篇o 4 0 0 i n p u tp o w e r i r ( 脯 鎏4 - 5 镶缓效率与入射蒺频建功率关系 f i g 4 - 5c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yv e r s u si n p u tp o w e r 3 2 t o o o 0 分墨u写g一uoo 錾塞銮疆叁堂蘩塞兰蕊竣塞l8 臻黉发筮援熬过盐 豳4 藕合倍频效率写入莉蒺颏光渤率关系 f i g ，4 - 6c o u p l i n gc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yv e r s t i s 碲瓣p o w e r 爨4 - 7 镰鞭效率等模式逛配入射基频毙秘率关蒸 f i g 4 - 7c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yv 翻粥m o d e - m a t c h e dp o w e r 秽霉带鬈器瑟擘散器 #器量鬈l毒薹谚警毫8 a 塞。窑邋太堂聪堂位谂塞12 堑擞盘筮擞麴过谂 擞 枷 著悯 譬 差l 磊 拍 a o5 0糊l 秘瓣e2 辅朝蒋口柏o i n l e t 愀j 鼗( t r v o 图4 - 8 倍频功率岛入射基频光功率关系 f i g 4 - 8o u t p u tp o w e rv e l - 女d , $ i n p u tp o w e r