（光学专业论文）红外宽带光参量振荡器及其应用的研究.pdf

p s l 红外宽带光参量振荡器及其应用的研究 光学专业 研究生彭玲指导教师蔡邦维 光学参量振荡器具有可调谐的优点，调谐范围可从紫外到远红外以上，弥 补了普通的激光器只能输出一种波长激光的缺点，并且覆盖了普通激光器不能 达到的波长，具有很高的应用价值。本论文对o p o 的理论设计做了详细研究， 测试和分析了s u r e l i t eo p o 和m i r a g e 3 0 0 0 b 的输出特性，并研究了o p o 在光腔 衰荡法中的应用。研究的内容和取得的成果包括以下几个方面： 1 介缁了光学参量振荡器的进展，研究现状及发展趋势，阐述了o p o 激光 器的基本原理；理论上，从晶体的选择、相位匹配，调谐方式的确定以及对调 谐精度的要求等方面分析了o p o 设计过程中应考虑的问题。为设计参量振荡器 提供了理论依据。 2 对两种参量振荡器s u r e l i t eo p o 和m i r a g e 3 0 0 0 b 的结构做了剖析，详细地 研究了其中的关键技术，对其输出波形、脉宽以及输出能量等特性进行了实验 研究，并做了理论分析。 3 在o p o 的应用方面，介绍了o p o 输出激光作为光源，用光腔衰荡法测 量腔镜高反射率的原理。介绍了光腔衰荡的发展历史和研究现状；对光腔衰荡 测量高反率与传统测量方法进行了对比分析；从理论上分析了光腔衰荡对光源、 振荡腔、探测器和示波器等实验装置的要求：对腔长和衰荡时间的测量误差对 反射率测量精度的影响做了理论分析。对进行光腔衰荡的实验研究具有指导意 义。 4 设计并建立了用光腔衰荡法测量氧碘激光器( 波长为1 3 1 5 i im ) 和氟化 氘激光器( 波长为3 8 m ) 高反射腔镜的实验平台：测量了氧碘激光器振荡腔 镜的反射率，并对实验结果做了详细的误差分析。 随着红外宽带光参量振荡器的不断发展，它的应用也越来越广泛。用o p o 红外输出激光作为光腔衰荡的光源代替价格昂贵、体积庞大的氧碘和氟化氘激 光器，对其谐振腔镜的高反射率进行测量，以达到对高功率激光器腔镜高反膜 质量的评价，为改进膜系设计、镀膜工艺优化和提高激光器的输出能量提供理 论依据。 关键词：光参量振荡器氧碘氟化氘光腔衰荡 i i s t u d yo fi n f r a r e d o p t i c a lp a r a m e t r i c o s c i l l a t o rw i t hb r o a db a n d a n di t sa p p l i c a t i o n s p e c i a l t y ：o p t i c s g r a d u a t es t u d e n t ：p e n gl i n g s u p e r v i s o r ：c a ib a n g w e i t h eo p t i c a lp a r a m e t r i co s c i l l a t o r ( o p 国h a sb e e nw i d e l yu s e da saw a v e l e n g t h t u n a b l ec o h e r e n tr a d i a t i o ns o u r c e ，s i n c ei to f f e r s ab r o a d t u n i n gr a n g e f r o m u l t r a v i o l e tt of a ri n f r a r e d 。a n ds o m eo fi 括w a v e l e n g t h sa f eu n a e c e s s i b l et oc o n l t l o n l a s e rs y s t e m s ，s oo p oh a sg r e a tv a l u eo fa p p l i c a t i o n 。i nt h i sp a p e r , s o m ec r u c i a l a s p e c t s o i lt h ed e s i g no fo p o a f ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l a n dt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s o fs u r e l i t eo p oa n d m i r a g e 3 0 0 0 b a r et e s t e da n d a n a l y z e d f u r t h e r m o r e c a v i t y r i n g 两w ni sr e s e a r c h e da so n e o ft h ea p p l i c a t i o no fo p o 。o p oa n di t s a p p l i c a t i o na r es t u d i e di nd e t a i la sf o l l o w s ： l 。t h e d e v e l o p m e n t o fo p 0a n di t sr e s o n a n tt h e o r ya r ei n t r o d u c e d w ed i s c u s s h o wt os e l e c tc r y s t a l ，t h et y p eo f p h a s em a t c h i n ga n dt u n i n gp r e c i s i o n ，w h i c ho f f e r s s o m et h e o r e t i c a lr e f e r e n c e st ot h ed e s i g nf o r 船a n a b l eo p o 2 t h ed e v i c eo fs u r e l i t eo p oa n dm i r a g e 3 0 0 0 ba r ea n a l y z e d ，a n ds o m e e x p e r i m e n t a l r e s u l t so f t h e o u t p u t w a v ea n d e n e r g y8 辑o b t a i n e da n d d i s c u s s e d 3 a sf o rt h ea p p l i c a t i o no fo p o ，w ed e s c r i b et h et h e o r yo fm e a s u r i n gm i r r o r r e f l e c t i v i t yb yc a v i t y - r i n g - d o w n ，w h i c hu s e t h eo u t p u to fo p oa sas o u r c e ，a n d d e m o n s t r a t et h a t c a v i t y - r i n g d o w n i sam o r e p r e c i s e m e t h o d b y c o n t r a s tt o c o n v e n t i o n a lm e a s u r e m e n t s ，i no r d e rt op e r f o r mo u re x p e r i m e n t ，w em a k ea t h e r o r e t i c a la n a l y s eo ft h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e ，s u c ha st h el a s e rs o u l c e ，r e s o n a n t i i i c a v i t y ，d e t e c t o ra n do s c i l l o g r a p h ，a n da s od i s c u s st h ei n f l u e n c eo f t h em e a s u r e m e m o f r i n g - d o w n t i m ea n dt h el e n g t ho f c a v i t yo nt h ee x p e r i m e n t a lp r e c i s i o n 4 w ed e s i g nt h ee x p e r i m e n to fa c v i t y - r i n g - d o w nt om e a s u r er e f l e e t i v i t yo f t h e m i r r o r so fc o i la n dd fl a s e rw i t hh i | g hr e f l e c t i v i t yr e s p e c t i v e l ya tw a v e l e n g t h1 315 l ama n d3 g1 1 m ，a n dp e r f o r mt h ee x p e r i m e n to fm e a s u r i n gr e f l e c t i v i t yo fc o i l l a s e rr e s o n a n tm i r r o r s ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti sd i s c u s s e di nd e t a i l w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f r a r e dt u n a b l eo p o ，i t sa p p l i c a t i o ni sm o r ea n dm o r e w i d e i ti sp o s s i b l ef o ru st oe s t i m a t et h eq u a l i t yo f r e s o n a n tm i r r o r si nl a s e rw i t hh i g h e n e r g ya n dt oi m p r o v et h eo u t p u te n e r g yo fl a s e r , b ym e a s u r i n gt h er e f l e c f i v i t yo f r e s o n a n tm i r r o r so fc o i la n dd fl a s e rb yc a v i t y r i n g d o w nw h i c hu s eo u t p u tw a v e o fo p oa st h el a s e rs o u r c e ，i n s t e a do fc o i la n dd fl a s e rw i t hh i g hp r i c ea n dh u g e s p a c e k e y w a r d s ：o p o c o i ld f c a v i t y r i n g d o w n 四川大学硕士学位论文 第一章引言 l 1 光参量振荡器研究的进展 1 1 。1 光参量振荡器的发展历史 光学参量振荡器( o p t i c a lp a r a m e t r i co s c i l l a t o r , 简称o p o ) 的理论最早是在 1 9 6 2 年k o f l l 提出的1 。1 9 6 5 年美国贝尔实验室的j a g i o r d m a i n e 和r c m i l l e r 用q 开关多模g a w 0 3 ：n d 激光通过l i n b 0 3 晶体，获得了0 9 7 一1 1 5 | im 的参 量信号输出。1 9 6 5 年，g d b o y d 等人提出了光参量振荡器连续工作的可能性， 之后r g s m 油和r l b y e r f e n b i e 成功地获得连续运转的o p o 。1 9 7 0 年以前。 国际上探索了各种o p o 的结构，获得较大的调谐范围、窄的光谱线宽及均匀调 谐，泵浦源为各种固体激光器及其谐波，调谐方式有温度、角度及电光调谐等，所 用的非线性晶体有k d p 、a d p 、l i n b 0 3 及b a 2 n a n b 5 0 1 5 ( b n n ) 等。双谐振( d r o ) 的o p o 最大调谐范围为o 6 8 4 2 3 6 l am ，单谐振( s r o ) 的o p o 在效率及光 谱特性方面优于d r o ，但调谐范围窄，线宽约为l n m ，而d r o 可实现单模工 作。这一阶段在理论上建立了完善的参量互作用理论，但由于所用的这些晶体 或是非线性系数小，或者是物化性能不稳定，损伤阈值低等原因而使o p o 的发 展沉寂了很长一段时期。 8 0 年代以后，特别是近十几年来非线性晶体研究的重大突破使o p o 进入 了实用阶段，这些晶体有k t p 、b b o 、l b o 、k t a 、m g o ：l n 、a g g a s e 2 及a g g a s 2 ， 这些性能优良的非线性晶体的出现，重新给光学参量振荡器的发展注入了活力 t 2 l 。o p o 进入了实用阶段，出现了商品化的可见和近、中红外眈的o p o 产品 投入市场。 1 1 2 国内外研究的现状 到目前，人们采用不同的泵浦波长、不同的非线性晶体及调谐方式已实现 的调谐范围为o 4 1 6 l am ，谱线宽度般达几个波数。它的运转方式有脉冲、 连续及锁膜运转，有多模也有单模工作，泵浦源已遍及固体、气体、染料、准 分子、半导体、光纤激光器以及二极管直接泵浦，输出脉冲宽度从长脉冲，几 个纳秒到皮秒，甚至达到飞秒级，腔型也从直腔发展成三镜、四镜、多镜折叠 四川大学联士学位论文 环形腔结构，并且利用臌电晶体腔稳频，还有将o p o 置入激光胶内，研究内腔 o p o 豹姆牲。 美国c o n t i n u u m 公司生产的b b o o p o 采用采用种子注入的办法，输出的参 鬃光线赛霹达 泵浦m g o ：l i n b 0 3 晶体采用温度调谐获得了7 3 8 9 1 4 1 1 3 n m 的调谐范围；柳强等人用腔内含有k t p 光学参量搬荡器的调0 n d ：y a g 激光振荡器实现了高速4 5 豹转换效率“朝。 l 。1 3o p o 发震趋势“1 宽带可调谐作为光学参量振荡器的最大特点，也必然成为光学参量振荡器 发震豹主黉趋势。o p o 瓣嵇频、耱频、慧颡甚至受激拉受散射、粱耨或瀚俸可 调谐激光光源等级合起来，构成多种调谐方式，w 望在远紫外到远红外范围内 缮到调瀵激光稔趱。慧之，缀合调港必将怒耀震o p o 藏不戆匿配波长静主要手 段。 放毙举参量羰荡器翡发震史胃戳看窭，必擎参譬摄荡嚣弱发璇与 线往晶 体的发展商着密不可分的荚系，非线性晶体的发展直接影响光学参量振荡器的 2 四川大学硕士学位论文 发展，具有宽的透光光谱范围，大的非线性系数，高的损伤阈值，物化性能稳定 且能生长大尺寸的新型晶体是o p o 研究的另一热点。 目前o p o 的发展也朝着小型化多功能连续参量光输出的方向发展。由于双 谐振( d r o ) o p o 的频率稳定性辕轰，单谐振( s r o ) o p o 的泵浦阈值较高，以 至于在实际中实现运转的都是调q 激光器泵浦，而对于脉冲泵浦的o p o ，其频 率确定性上存在着定的极限限制。所以连续泵浦的s r o 是人们努力的方向。 利用二极管泵浦固体激光技术，发展全固化宽调谐o p o ，它具有高效率、长 寿命、结构紧凑、体积小、重量轻、可高重复频率工作的特点，将开辟更多的应 用领域，在近几年发展十分迅速，是将来的发展方向。 由于高峰值功率、窄线宽、超短脉冲激光技术的发展，已经可以用其直接泵 浦非线性光学晶体，而不采用振荡的方式，产生足够高效率的可调谐参量放大 ，这可克服振荡腔片镀膜波段窄、投资高的缺点，这是参量相互作用 发展的一个重要分支。 1 2 光参量振荡器的应用 1 2 1 高功率化学氧碘和氟化氘激光器的发展 在各种激光器中，化学激光器是人们较为陌生的，不同于其它所有类型激 光器，化学激光是利用化学能泵浦的。由于化学储能的巨大，化学激光有可能 不用庞大的电源而达到极高的功率输出。迄今已制成数十种化学激光器，输出 波长从1 3 1 5um 1 0 ui l l ，在这些化学激光体系中，氟化氘和氧碘是两种最有 希望的大功率器件的候选者，也是研究的重点。 化学氧碘激光器m 埘1 ( c o i l ) 诞生已有2 0 余年。t l 从美国空军实验室发明 它以后，为军事应用而加强了研究，因为它的高功率和高可扩展性，完全有可 能作为战区防空和反导武器，目前研制的c o i l 激光器单台功率已达2 0 0 - - 3 0 0 kw ，化学效率2 5 ，光束质量达到近衍射极限。 除军事应用之外，连续波c o i l 在民用上也很有发展潜力由于1 3 1 5 pm 处 于大气窗口，可利用它进行大功率激光远距离传输能量，实现化学能一光能一电 能远距离输送转换。化学氧碘激光器有穿透许多材料的能力，包括以三倍于c 0 2 激光的速率来穿透铁、钢、铝和钛。其激光束产生吸附的小孔尺寸灰尘和烟雾 最少，其气体激活媒质又为低发散激光束的产生提供很好条件；这些特色为化学 四川大学硕士学位论文 氧碘激光用于材料切割和焊接等工业应用创造了很好的条件。日本川崎重工已 实现输出功率为1 0kw 的c oi l 工业加工机，被切割材料表面上激光功率密 度达到1 0 7 w ci t - , 切割效果优于c0 2 激光加工机这种激光加工机输出的激 光由于易用光纤传输，使用起来也较方便。 氟化氘( d f ) 激光器“”川输出的中心波长为3 8um ，由于该光谱区域附 近的各种波长与大气窗相符，很适合用于通过大气的长距离光束传输，因此d f 激光器是光雷达有前景的光辐射源。 7 0 年代初，美国、前苏联等几个国家就开始了燃烧驱动d f 激光器的研制， 到丁s o 年代，已发展到相当大的规模，其波长范围为3 7 4 0l am 。数年前， 美国空军在白沙导弹靶场建成一台称为m i r a c l 的氟化氘化学激光器，其连续 波输出功率达到2 2 m w ，光束质量已接近2 倍衍射极限值。 1 2 2 高功率激光器对谐振腔镜的要求 由于化学氧碘激光器和氟化氘激光器在军用和民用的应用非常广泛，世界 各国都在进行更深入的研究，希望能提高它的功率。2 0 年来，它的输出功率从 几毫瓦增加到几百千瓦，甚至达到兆瓦量级。谐振腔是激光器的关键部件之一， 随着输出功率和能量的提高，对振荡腔镜反射膜的反射率要求也越来越高。腔 镜反射率的高低、均匀性不仅直接影响激光系统的效率和输出功率，而且对光 束质量起着决定性的作用。如此高的能量要求谐振腔镜必须具有高反射率和弱 吸收，而光学薄膜较其它光学元件而言，其损伤阂值低，在强激光的照射下极 易造成薄膜的损伤，这也因此成为制约高功率激光输出的瓶颈。国际上许多发 达国家投入了大量人力、物力研究和探索得到高反射率膜层的途径，目前国际上 反射率最高可达到9 9 9 9 9 8 ，是用离子束溅射技术得到的。美国军队空间和战略 防卸司令部组织研制的波长为3 8pm 的氟化氘( d f ) 激光系统中，已有报道用热 蒸发技术镀制成功反射率大于9 9 9 9 的反射镜。中科院光电所研制的氧碘激光 腔镜反射率已达到9 9 。9 以上“3 12 8 1 0 随着高功率激光系统的技术进步对精确测 量激光器腔镜反射率的需求非常迫切，但对高反射率的精密测量技术并没有得 到相应的发展，常用的反射率检测方法测量误差大，精度低，对反射率高于 9 9 9 的高反膜已不能给出准确的结果。 四川人学硕士学位论文 1 2 3 传统方法测量腔镜反射率及其局限性 透射法和反射法 4 6 1 是测反射率的传统方法，其原理都是通过检测经待测 样品透射( 透射法) 或反射( 反射法) 后的光强与原光强的比值求得样品的反 射率。 图1 1 电学比例式分光光度计原理图 分光光度计是测量薄膜透过率最常用的仪器，图1 1 是电学比例式分光光 度计原理图。从光源发出的光束经样品室后，由调制盘分成两束：测量光束s 和参考光束r ，调制盘上装有同步信号发生器，使测量光束和参考光束轮流投 射到光电接收器上，分别产生相应的测量信号和参考信号，这两种信号可以用 同步整流电路分离开来，并经过量程变换线路送至比例记录系统进行记录，得 到样品的 罨_ 射率曲线。 由于实际透明薄膜的反射率和透射率之和近似为1 0 0 ，反射率便可以从 透射率中近似推算得到，这在许多场合下能满足需要。但对于损耗敏感的激光 高反膜镜等，由于r + 丁1 ，因此测量误差较大。 单次测量法是最基本的反射率测量方法，i o 是入射的的光强，i 是经样品反 射后的光强。 四川大学硕士学位论文 样品反射率：r = 毒 测量相对误差为： i 等l = i 舢i 等 为消除单次反射法中参考样品对测量精度的影响，可利用两次反射法测量 其基本的方法是v w 方法，其原理图如图1 2 所示。 品 = r f r 2 工o ( a ) “参考一光路( b ) 铡萱 弗 图i 2 v w 方法测薄膜反射率原理图 测量时需要一块辅助反射镜r f ( 不必知道具体数值) ，在第一次测量中，r f 在位置t ，光线仅收到该镜的反射。如果入射光强为i o ，光电器件接收到的反射 光强1 1 为： i 、= r f i n ( 1 - 2 ) 第二次测量中，加入待测样品，将r f 转至位置i i ，位置i i 关于样品表面与位置 i 成轴对称。光线在样品表面反射两次，在辅助反射镜上反射次，然后沿与第 一次相同的光路投射到光电器件上，接收到的光强1 2 为： ，2 = r ，r2 ，0 6 ( 1 3 ) 四川大学硕士学位论文 将两式相除得到样品的反射率： r = 厝 由上式计算相对误差为： i 等目i a , 日等l c ，刊 由( 1 1 ) 式和( 1 - 4 ) 可知，在样品上反射两次与反射一次相比，精度 能提高一倍。 为进一步提高测量精度，常常利用共振腔来构成多次反射的光路系统，图 1 3 是离轴共振腔的多次反射光路图。离轴共振腔由两块反射镜组成，光线与光 轴成一。夹角从轴外射入腔内，光线便在两反射镜之间来回反射。当腔长满足一 定条件时，光线经过r 1 次反射后能够又回到入射点。 样品 ， 洇 屿 囤1 3 离轴共振腔的多次反射光路图 m 2 m 1 和m 2 的反射率分别为r l ，r 2 ，入射光强为i o 不加样品时出射光强为： = ，。r ? 一r ； 式中n 为第二镜面上的光斑数。然后把第二镜面转至镜1 的一侧，将反射 率为r 的样品引入共振腔内，出射光强1 2 为： 四川大学硕士学位论文 ，2 = o r r ；- r 2 “ 从上两式可得到样品反射率为 只：f 生1 2 ” l ，】 相对误差为： l 百a rl = 磊1 l 等j + 万1i 百a i i 从上式看出，光束在镜面上反射次数越多，测量精度越高，但该法始终会 受到光源强度起伏的影响，实际测量精度最多只能达到o 0 1 。 由以上分析我们可知，透射法和反射法只适用于对较低反射率的测量。对 高反射率薄膜，不加样品和加入样品时的光强非常接近，因此对信号接收器的 灵敏度要求非常高，并且激光输出强度的涨落将对测量结果产生很大影响，因 此不能得到准确结果。 1 2 4 光腔衰荡法的发展历史和研究现状 光腔衰荡( c a v i t yr i n g d o w n ，c r d ) 技术是2 0 世纪8 0 年代兴起的一种高灵 敏探测技术，经过近二十年的发展，光腔衰荡技术已经趋于成熟，被广泛运用 于高反射率薄膜反射率以及分子、原子、团簇吸收光谱的测量 3 5j 还可以用于 环境生态检测领域和化学反应动力学过程的研究。 1 9 8 4 年，a n d e r s o n 首先提出了光腔衰荡技术 3 2 1 ，并用腔衰荡直接测量光子 在腔中的时间t ；它通过对指数型的腔内衰荡信号的检测，摆脱了激光能量输 出的起伏引起的误差，因此大大提高了测量精度。 1 9 8 8 年，美国a ok e e f e 和d e a c o n 用脉冲光激发腔1 3 3 1 直接测量光在腔 中的衰荡时间，大大简化了实验装置，腔内强度的衰减不再是连续的。 1 9 9 7 年，d r o m a n i n i 等人用连续光斩波激发光腔测量h c c h 在5 7 0 n m 附 近的泛频跃迁进行探测，这标志着光腔衰荡技术已经趋于成熟。 1 9 9 7 年，国内中科院大连化物所孙福革等人建立了光腔衰荡装置妇引，光源 采用准分子激光( l p x 3 0 0 0 ，l a m d ap h y s i k ) 泵浦的染料激光器( l p d 3 0 0 0 ，l a m d a p h y s i k ) 的输出激光脉冲，经过空间滤波器后进入衰荡光腔，腔镜中心波长为 四川大学硕士学位论文 6 2 0 n m ，反射面曲率半径为1 m ，腔长9 0 c m 。测得腔镜在中心波长的反射率为 9 9 。9 蠓在波长为6 4 0 h m 处的反射率为9 9 9 7 8 8 ，并测量了腔镜反射率随激光 波长的变化曲线，表明腔镜的反射率随着波长远离中心波长而逐渐降低。并将 直型和折叠衰荡光腔结合，测定了q u a n t a r a y 的4 5 。激光耦台镜的反射率曲线。 1 9 9 9 年1 3 4 1 ，国内中科院武汉物理与数学研究所和安徽光学精密机械研究所 赵宏太等人测量了q u a n t a - r a yn d ：y a g 激光器的二倍频输出在两块反射镜构成 的共焦腔中的衰荡时间，计算出中心波长在5 5 3 5 n m 的高反膜对5 3 2 n m 的反射 率为9 9 9 3 3 ；2 0 0 0 年。用腔衰荡四腔镜轮换的方法测量了中心波长为 6 3 2 ，8 n m 的四个腔镜的反射率，即利用四个共焦镜片，两两构成共焦衰荡光腔， 对每一光腔测量衰荡时间，就可以得到含有五个未知数的六个方程，从而可求 出镜片的反射率和光在腔内的损耗。测得四个腔镜反射率分别为o 9 9 9 3 2 ， o 9 9 9 2 8 ，o 9 9 9 0 1 ，o ，9 9 8 1 ，光在腔内的损耗为4 7 1 1 0 。8 c m 。 1 3 本论文研究内容和目标 熟悉光参量转换理论，深刻理解o p o 的工作原理，掌握理论设计o p o 过程 中应考虑的问题，如晶体及调谐方式的选择，以及对调谐精度的要求等。安装 调试m i r a g e 3 0 0 0 b 和s u r e l i t eo p o 可调谐激光器，对其结构、性能进行消化吸 收，分析其关键技术；测量o p o 的输出波形和输出能量等输出特性，测量输出 波长为l3 1 5u m 和3 8u m 的能量，脉宽，光束质量，工作特性等参量。 熟悉光腔衰荡的原理，对光源、衰荡腔形、腔长、探测器和示波器的选择 做理论设计，分析衰荡时间和腔长的测量误差对实验精度的影响：设计测试高 反射率的实验方案，熟悉探测器的工作原理，熟练使用示波器，安装调试衰荡 光腔，进行样品测量，处理实验数据，计算腔镜反射率；对实验结果进行误差 分析，改进实验方案。 本研究用光腔衰荡法实现对反射率的精确检测，光源采用可调谐光参量振 荡器的输出激光代替价格昂贵、体积庞大的氧碘和氟化氘激光器，通过测量光 在高反镜腔中的衰荡时间计算出腔镜的反射率，以达到对凡= 1 3 1 5umc o i l 激光器腔镜和九= 3 81 - 1i nd f 激光器腔镜高反射膜质量的评价，为膜系设计及镀 膜工艺的改进优化提供依据，为进一步提高这两种激光器的功率提供依据。本 研究对强激光薄膜光学技术、高反射率精密测量技术的发展具有理论意义和应 四川大学硕士学位论文 用价值。 0 四川大学硕士学位论文 第二章光参量振荡器的研究 2 1 光参量振荡原理 当一束频率为，的激光( 简称泵浦光) 射入非线性晶体时，若在晶体中再 加入频率远低于u 。的弱信号光( 频率为u 。) ，由于差频效应，晶体中将产生频 率为。一q = 脚，的极化波，而辐射出频率为u ，的光波( 简称闲频光) ，当此光 波在晶体中传播时又与泵浦光混频，产生频率为棚。一，= ，的极化波，进而辐 射出频率为u 。的信号光。若当满足相位匹配条件时，则原来弱的。信号光波 在损耗泵浦光波功率的作用下得到放大，这就是光参量放大原理“1 ，如图2 1 所示。 图2 1 光参量放大示意图 在光参量放大过程中，能量的转换效率是很低的，为了获得较强的参量光， 可把非线性晶体置于光学谐振腔内，这一过程不断反复进行，以使频率为m 。 和u 的极化波不断地从泵浦光吸收能量，从而产生增益。当增益超过腔体损耗 时便发生振荡，这就是光参量振荡器原理“1 ，如图2 2 所示。 图2 2 光参量振荡示意图 3 一 在非线性晶体传播的三个光波达到完全相位匹配时，满足能量守恒和动量 守恒“”。 四川大学硕士学位论文 由能量守恒：+ 去：士( 2 - 1 ) i s 。 ，以， 。分别是闲频光，信号光，泵浦光的波长。 由动量守恒：k = k k 。一k t = 0 k d ，k ；，k 。分别是泵浦光，信号光，闲频光的波矢。通常，我们假定晶体中 三个光波是共线匹配的，因此上式可表示为： a k = k 。一k ；一k ，= 0 用波长表示为： ”， ，+ 月， ，= n p 2 p ( 2 2 ) 式中，h ，”。，竹。是闲频光，信号光和泵浦光在晶体中传播的折射率，它与光波 的偏振态及传播方向有关。光波在非线性晶体中传播，其电场矢量有两个可能 的振动面，分别对应快光和慢光，对正晶体，快光为寻常光( 简称o 光) ，慢光 为非常光( 简称p 光) ：对负晶体，快光为e 光，慢光为o 光。我们可定义相位 匹配的类型，见表2 1 。 相位匹配类型正单( 双) 轴晶体负单( 双) 轴晶体 ( e ，+ e 。斗e 。)( e s + e ，呻e 。) i 类 p + p 0d 十o 呻p i i ( a ) 类 e + o _ od 十8 p i i ( b ) 类 0 + e 专op + o _ p 表2 1 非线性晶体相位匹配表 对单轴晶体而言，p 光的折射率为“1 ： 椭) = 丽蒜 c z s ， 它是0 ( 光传播方向与光轴的夹角) 和波长的函数，o 光的折射率与0 无 关，n o 以l 怫以) 由单轴晶体的色散方程给出。 光在双轴晶体中传播的折射率为“1 ： 。：下丝：；一i ( 2 4 ) h 2 ；2 = = = = = = = = = 一 i z qj 一占q 可- 4 c 。 四川i 大学硕士学位论文 式中 b = 一s i n 2 0 c 。s 2 k 2 ) + n ；2 以一s i n 2o s i n 2 k ，0 ) + ” 0 ) 】 - - c o s 2 目k 2 以) + k 2 0 ) 】 c = s i n 2o c o d 庐妒以垮+ s i n 2o s i n 2 痧乎”以) + c o s 2 伪：2 ( 五k 2 k 以l q l 心以) 由双轴晶体的色散方程给出。可见，光在双轴晶体中传播 时，折射率还和庐有关( 庐是光传播方向与x 轴的夹角) 。根据不同的晶体选择 适当的相位匹配方式，可计算出泵浦光波长不变时o p o 的调谐曲线。 2 2s u r e l i t eo p o 的研究 2 2 1 泵浦源 泵浦由n d ：y a g 激光器一级主振荡一一级功率放大器( m 0p ：a ) 和两块k d + p 组成，实验装置如图2 3 所示，主振荡级n d ：y a g 尺寸为西6 删”x 8 0 脚聊，k d p 电光开关调e ，放大级n d ：y a g 尺寸为咖l o m mx 8 0 埘珑。 倒装望远镜 图2 3 n d ：y a g 激光器m o p a 系统经两块k d + p 输出1 0 6 4 m a 及二次和三次谐波的实验装置示 意图m i 和m i 为振荡级谐振腔镜；p 为偏振片：m 3 和m 4 为转向镜，对1 0 6 4 n m 全反； i 幽 量 岷下多 n m m m | 荟 四川大学硕士学位论文 m 5 ，m 6 ，m 7 为分光镜，m s 对1 0 6 4 n m 高透，对5 3 2 n m 和3 5 5 n m 全反；m 6 对5 3 2 n m 全 反，对3 5 5 n m 高透；m 7 对3 5 5 n m 高反。 调qn d ：y a g 激光器输出的1 0 6 4 r i m 激光经一套倒装望远镜扩束后进入双 灯泵浦的n d ：y a g 放大级，以提高激光能量，再通过两块k d p 进行二倍频和 三倍频，得到1 0 6 4 r i m 的二次和三次谐波，最后用分光镜将不同波长的光束分 开，分别得到1 0 6 4 m n ，5 3 2 n m 和3 5 5 n m 的激光输出。 为了提高泵浦光束质量和输出能量，主振荡级采用了变反射率腔镜“” ( v r m ) ，反射率为超高斯分布： r = r 。e x p - 2 ( r d ) “i 式中，为镜中心处反射率，d 为中心反射率1 恕处的半径，称为膜斑尺寸。 这种腔镜的反射率曲线具有理想的平滑形状，能有效地改善光强分布的均匀性。 和均匀反射率镜相比，v r m 具有许多新的特性：增强光束的抗扰动能力， 提高腔膜的稳定性；膜体积增大；提高横膜选择能力。由于上述特点， v r m 可消除硬边光阑效应，改善谐振腔损耗的空间分布，提高腔的横膜鉴别能 力，增大膜体积，提高激光介质的填充因子，获得近场分布均匀和远场光能量 更集中的高光束质量激光输出。 主振荡级输出的光束采用倒装望远镜扩束、准直后再进行功率放大的方案， 有利于提高放大介质的利用率，增加了光束的填充因子，实现泵浦光发散角小， 角度匹配准确。 由能量计测得1 0 6 4 n r n 泵浦光经过一级放大后的能量为l t 2 j ，通过k d + p 后 5 3 2 n m 倍频光的能量可达o 6 j ，转换效率为5 0 ，再经过一块k d + p 得到的3 5 5 n m 激光能量为0 1 9 m j ，能量稳定度分别为2 5 ，3 5 和4 , 0 。测试结果见 表2 2 。使用a g i l e n tt e c h n o l o g i e s 公司生产的5 4 6 1 5 型5 0 0 m h z 数字存储示波 器测波形，1 0 6 4 r i m 泵浦光脉宽为7 7 n s ，二倍频光( 5 3 2 n m ) 脉宽为7 5 n s ，三 倍频光( 3 5 5 r m a ) 脉宽为7 2 n s 。 f 波长( r l n )能量( j )脉宽( n s )能量稳定度 1 0 6 41 27 。72 5 5 3 2o 67 53 5 3 5 5o 1 9 7 2 4 0 表2 21 0 6 4 n m 及其二次和三次谐波的输出特性 四川大学硕士学位论文 疆2 43 5 5 n m 辕赘竞寒酶毙斑 圈2 , 4 是3 5 5 n m 输出光熬竞激鹜。瓿窝中 可看出，3 5 5 n r n 输出光束的光斑半径约为8 m m ， 能量浍睾径分布均匀，巍寐霞量较好。 2 。2 。2s u r e l i t eo p o 实验装置 对b b o 晶体采用i 类相位匹配：e 叼o ，晶体尺寸为7 5 9 5 1 4 m m 3 ，切 割角为0 = 2 8 。，实验装餐妇图2 , 5 。 m im 3 m 4 豳2 5 角度调谐b b o - - o p o 实验装露示意图 m 2 署m 3 组成o p o 的谐振腔，3 5 5 泵漓光通过襁合镜m i 反射注入谐振腔。 螽腔镜m 2 对信号光和闲颓光均为金反，黹输出藕台镜m 3 对泵浦光全反，反射 部公闲频光，而将所有信号光透射如谐振腚。m l 对3 5 5 n m 全反，在4 1 0 - - 2 6 3 0 n m 范豳高透。款o p o 输出的信号光和瘸频光经两块二向色镜m 4 ( 对信号光高反， 对闲频光商透) 和m s ( 对信号光高殷) 分开。 2 2 3 s u r e l i t eo p o 设计的理论分析博1 l 鑫髂懿选登 四川大学硕士学位论文 光参量振荡器技术的发展离不开非线性光学晶体材料的发展。光参量振荡 是以非线性光学晶体材料为介质来实现的，在参量振荡过程中晶体的切割方式 决定了参量光的互作用方式、能量转换方向和输出参量光的波长范围。因此， 如何选定合适的晶体并对其进行精确的加工是完成光参量振荡器的首要任务。 角度调谐o p o 是利用光波在晶体中折射率的变化来满足相位匹配，在相应 的波长上实现参量振荡输出。首先要保证选用的晶体对泵滇光和参量光的吸收 率较小。b b o 晶体的透过率曲线如图2 6 所示，透光波段为1 8 9 - 3 5 0 0 n m ， 对于泵浦光3 5 5 n m 和参量光4 1 0 2 2 0 0 n m 的波长范围透过率能达到8 0 。 ，、 、 爵 帮 始 图2 6b b o 晶体的透过率曲线 0 0 还应保证晶体对光波的双折射率差别较大，b b o 晶体的色散方程 n 衲= 2 7 3 5 9 + 再0 面0 1 8 面7 8 一o 。1 3 5 4 2 n ；( 五) = 2 3 7 5 3 + 五f 0 二石0 1 丽2 百2 吾4 万一。0 1 5 1 6 2 2 1 6 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 四川大学硕士学位论文 圈2 7b b o 晶体的色散曲线 色散曲线如图2 ，7 所示，从图看 出，在4 1 0 2 2 0 0 n m 波长落罄肉晶 体的双折射率差别较大，易于用角度 调瀵实现这一范围内的参量掇荡。 i i 相位匹配方式的选择 图2 8 是b b o 晶体在3 5 5 n r a 泵漓下实现4 1 0 n m 2 2 0 0 n m 范围参蹙光输出 的两类角廉调谐相位匹配曲线9 4 3 1 。在i 类和i i 类相位匹配方式下，调谐角 的变化范潮分裂是2 3 。3 2 ；7 4 和2 3 。8 。3 6 1 。，从图2 。9 番蹬，在调 谐范围内i 类相位匹配韵j # 线性系数d 。，大子i i 类相位匹配方式，而参量 振荡的增益系数艘d 。，因此为提高转换效率，应采用i 炎调谐方式 2 0 1 a 为减小晶体的反射损耗，黼体的切割角应选在调谐范围的中心附近，根据 调谐角度豹变化，将切割角选在毋= 2 8 4 ( 对应的信号光和闲频光波长分别 为4 6 5 n m ，1 5 0 0 h m ) 。 ( a ) i 类相位匹配 ( b ) i i 类相位匹配 凰2 8 n d ：y a g 激光嚣的三次谮波( 波长为3 5 5 n m ) 泵浦懿b b o - - o p o 调谐l | l 线 四川大学硕士学位沧文 图2 9 b b o 晶体在3 5 5 n m 泵浦下的的有效非线性系数 i i i 调谐精度的确定9 1 参量振荡过程中，当光沿某个特定的方向0 。入射时，满足七：0 ，即实 现完全相位匹配。频率转换效率最高。如果光波的传播方向偏离相位匹配方向， 转换效率将降低。 三波互作用的效率可表示为【l 】= 吼l s i n 洲( a k 2 ) j 1 2 ( 2 7 ) 2 r o r 式中n o 为理想匹配( a k - o ) 时的效率，n 。，为相位失配系数，f 为晶体中 光波相互作用长度，相位匹配宽度为： ak=，(2-8、 ，为晶体巾光波相互作用长度，此时三波互作用的效率下降到理想匹配时 效率的4 0 ，5 ，对应的失配角ae 。称为允许角。 设晶体中三波的波矢入射方向为e 。( 位相匹配角) ，频率为 ，q 忉p = ( o s + ( - o i ) 。当三个波波矢方向为0 = o m + a o 时，相位失配量ak 为； 龇= 女，) 一尼池) 一女( q ) ；孚”b ) 一孚。h ) 一竿雎h ) ( 2 9 ) 。l l 1 8 璺删奎堂堡主堂垡堡苎 籍k 对8 在0 。，娃展开为泰赣级数： = h ) + d 圳a k 眦) 毋+ 圭u d 拶：a k 陋) g 毋) 2 十 ( 2 l o ) 前面已经确定了对b b o 晶体用i 类相位匹配方式，因此： n ( o a , ) = n o ( q ) n 【q ) = h ) ( 2 1 1 ) 枷) ；丽盖糕 | 鑫( 2 - - 9 ) 秘( 2 - - 1 ) 式褥； d k k d k p d k , d k ； d o d o d od o d k 。 ：生，叠剑 旺1 2 cd o = 一端咖z 静 将式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 代入( 2 1 0 ) ，并利用 】i | f 。毛= 0 ( 2 - - 1 4 ) 可觯得竞许角a0 。 图2 1 0 是b b o o p o 采用l 类相位匹配时光束传播的允许角，泵浦光波 长为3 5 5 n m ，b b o 晶体长度为，= 1 4 r a m 。乎 0 表示光渡与壳轴的夹角丈于相 位匹配角；a o 0 表示小于相位匹配角，两者并不相等。由图看出，随着调谐 角度酌增大，允诤兔逐濒减夺，对晶体瓣角度诞诺精凌要求更高。蕊并轰处 1 9 研万愀两娟嗣甄“甄喘地孤 乜 k 警 四川大学硕士学位论文 图2 1 03 5 5 n m 泵浦的b b o - - o p o 在i 类 相付旺配时的允许角c l = l # m m ) 2 2 4s u r e l