（物理电子学专业论文）全固态钛宝石激光内腔倍频蓝光激光器.pdf

中文摘要 本文主要以全固准连续钛宝石激光为基础，设计并研制了全固态准连续宽调 谐钛宝石激光器并对其增益开关性质进行了验证。以双折射相位匹配( b p m ) 技术 为理论基础，研究了偏硼酸钡( 1 3 - b a b 2 0 4 、b b o ) 、三硼酸锂( l b o ) 、周期极化 铌酸锂晶体( p p l n ) - - 种晶体钛宝石激光倍频时的相位匹配特点，并用偏硼酸钡作 为倍频晶体，设计全固态准准连续蓝光激光器，进行大功率全固态钛宝石激光器 的内腔倍频研究。 钛宝石激光器是迄今为止输出光在红光和近红外波段调谐范围最宽的固体 激光器之一，在很多重要领域都有着广泛的应用，而增益开关特性为我们提供了 获得窄脉宽高峰值功率的钛宝石激光脉冲的方法。利用以上优点，通过倍频等频 率变换技术扩展其调谐范围，使得钛宝石激光器的性能得到进一步的提高，以满 足更广阔的实际应用需要。 通过对钛宝石激光器泵浦源的优化，及对其增益开光特性的研究，获得了高 质量可调谐钛宝石激光输出。利用偏硼酸钡( p b a b 2 0 4 、b b o ) 作为非线性材料， 设计并完成了钛宝石内腔倍频蓝光激光器，最终获得了2 2 w 的蓝光输出，最高 光光转换效率为7 5 9 。 本论文主要进行了以下实验工作： 1 研究全固态准连续内腔倍频n d ：y a g 激光器泵浦的可调谐钛宝石激光 系统。用单棱镜实现了全固态准连续钛宝石激光器宽调谐输出，调谐 范围为6 8 0 n t n - , 9 5 0 n m ，泵浦电流为2 3 a 时，最大输出功率为5 0 w 。 2 运用增益开关理论，研究了钛宝石激光器的增益开关特性，并通过实 验验证。在泵浦电流为2 3 a ，q 开关重复频率为7 5 k h z ，在中心波长 ( 8 0 0 r i m ) 附近获得了1 3 2 m 的窄脉宽输出。 3 使用b b o 晶体作为倍频晶体、选择内腔倍频方式、采用三镜折叠腔型， 设计并研制了全固态钛宝石激光内腔倍频蓝光激光器，在泵浦电流为 2 1 5 a 时，获得蓝光最大输出功率为2 2 w ，最大光光转换效率为 7 5 9 。 关键词：全固态钛宝石可调谐增益开关倍频蓝光 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w ed e s i g na na l l - s o l i d - s t a t eq u s i - c o n t i n u o u st i ：s a p p h i r el a s e r w i t hw i d et u n i n gr a n g eb a s e do na l l - s o l i d - s t a t eq u s i - c o r a i n u o u st i ：s a p p h i r el a s e r , a n d w ev a l i d a t et h et h e o r yo fg a i n - s w i t c h w er e s e a r c ho nt h er m t c h i n gp a r a m e t e r so f c r y s t a l sb b o 、l b oa n dp p l nw i t hb i r e f r i n g e n t - p h a s e m a t c h i n ga st h et h e o r e t i c a l b a s i s w eu s eb b oa st h en o n l i n e a rr m t e r i a lt od e s i g nt h ea l l - s o l i d s t a t et i ：s a p p h i r e l i e - f i g h tl a s e r , a n dd os o m er e s e a r c ho ni n n e r - - c a v i t yd o u b l ef r e q u e n c yo u t p u to fh i g h p o w e rt i ：s a p p h i r el a s e r s of a r , t i ：s a p p h i r el a s e rh a st h ew i d e s tt u n a b l er a n g ei nr e da n di n f r a r e dw a v e b a n di ns o l i d - s t a t et u m b l el a s e r s ，w h i c hh a sm a n yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si nm a n y f i e l d s t b cg a i n - s w i t c h e dc h a r a c t e rs h o wu saw a yt oo b t i a nt i ：s a p p h i r ep u l s ew i t h i l a r r o wp u b s w i d t ha n dh i g hp o w e rp e a kv a l u e e x t e n i n gt h et u n a b l ew a v e l e n g t h r a n g eb yo p t i c a lf i e q u e n e yc o n v e r s i o ns u c ha ss h g w i l li m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t i ：s a p p h i r el a s e r h i 曲q u a l i t ya n dt u a m b l et i ：s a p p h i r eo u t p u ti so b t a i n e db y t h er e s e a r c ho f p u m p s o u r c eo p t i m i z a t i o na n dt h ec h a r a c t e ro fg a i n - s w i t c hi sr e s e a r c h e d w ed e s i g n dt h e i n n e r - c a v i t yd o u b l ef r e q u e n c yt i ：s a p p h i r el a s e r 璐i n gb b os h gc r y s t a l , a n dt h e m a x i m u mo u t p u ti s2 2 w , l e a d i n gt oo p t i c a l - t o - o p t i c a lc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f 7 5 9 i t i sa ni m p o r t a n tn o n l i n e a ro p t i c a lf r e q m n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g y , a n du s e f u lf o ra v a r i e t yo f m i l i t a r y , s c i e n t i f i c ，a n dc o m m e r c i a la p p l i c a t i o m w em a i n l yd os 0 1 1 舱e x p e r i e m e n t sa sl b l l o w ： 1 r e s e a r c h e so na l l - s o l i d - s t a t et i ：s a p p h i r el a s e rp u m p e db yi n n e r - c a v i t yd o u b l e f r e q u e n c yn d y a gl a s e r a na l l - s o l i d - s t a t eq u s i - c o n t i n u o u st i ：s a p p h i r el a s e r o u t p u tw i t hw i d ew a v e l e n g t ht u n i n gr a n g el i - o m6 8 0 n mt o9 5 0 n mh a sb e e n d e m o n s t r a t e d ，u s i n gs i n g l ep r i s m w i t hap o w e ro f2 3 w ，t h em a x i m u m t i ：s a p p h i r eo u t p u tp o w e ri s5w 2 w ed os o m et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nb a s i n go nt h et h e o r yo fg a i n - s w i t c h a f t e r t h a t , w ev a l i d a t ei tb ye x p e r i m e n t s w i t hap u m pp o w e ro f2 3 aa n dt h e q - s w i t hr e p e a tf i e q u e n c yo f7 5k h z , w eg e tar e s o r to f13 2 mn a r r o w p u l s e w i d t ho u t p u t 3 w eu b eb b oa st h es h g c r y s t a lt od e s i g na ni n n e r - c a v i t yd o u b l ef r e q u e n c y t i ：s a p p h i r el a s e rf a rb l u e - l i g h tw eo b t i nt h eo u t p u tw i t har m x i m u mp o w e r o f2 2 ww i t hap u m pp o w e ro f 21 5 a ，a n dt h eo p t i c a l - t o o p t i c a lc o n v e r s i o n e f f i c i e n c yi s7 5 9 k e yw o r d s - a l b s o l i d - s t a t et i ：s a p p h i r et u m b l e f i e q u e n c y - d o u b l e g a i n - s w i t c h e d b l u e - l i g h t 独创性声 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，也不包含为获得叁鲞盘堂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：庑弭 签字日期：2 ，o o7 年么月b 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：墨鲞盘堂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：庞明 签字日期：2 口口7 年6 月j 日 导师签名：丁圻久 j i 签字同期：2 j 0 7 年莎月了日 第一章蓝光激光器综述 第一章蓝光激光器综述 1 1 蓝光源的研究意义及应用 目前激光行业中对于5 3 2 n m 绿色激光的获得己有了相当成熟的技术，绿光的 功率及光束质量可满足诸多不同行业的应用需要。同时掺钛蓝宝石( 简称钛宝石) 激光器是一种新型的顺磁子固体可调谐激光器，具有结构简单、调谐范围宽 ( 6 5 0 - - 1 2 0 0 n m ) 、转换效率高、运转方便以及可用多种不同波长的光源泵浦等许 多突出的优点。利用高功率5 3 2 n m 绿光进行泵浦钛宝石晶体，可以获得宽调谐范 围的激光输出，对其进行频率变换可进一步扩展钛宝石激光器输出波段，获得蓝 光输出。蓝光激光具有广阔的应用前景： 1 高密度光存储：与目前常用作光源的7 8 0 n m l d 相比较，蓝色激光其优点 是波长短，衍射效应小，分辨率高，光点面积小。光盘的存储密度与光源波长成 反比，所以若采用适合蓝光的新的编码技术，则可提高存储密度近一个数量级。 2 数字视频技术：全固体蓝激光器最令人鼓舞的应用是用作数字视频领域 中cd - ro m 、c d 及d v d 等的光源。蓝光取代红光是一种必然( 现在打部分d v d 机都是使用红色激光器) ，因为蓝光容量大，能存储2 0 多g b 的数据( 红光只能记 录4 7 g b ) ，能把高质量、高清晰的图像轻而易举地放进去。以蓝光为光源的光 存储设备已经研制成功，0 8 奥运即将使用蓝光技术的存储设备。 3 彩色激光显示：红绿蓝激光器是彩色显示的三原色光源，与传统电子管 的彩色显示相比，彩色激光显示具有较宽的色彩范围和亮度。高亮度的蓝色激光 器和发展相对成熟的红绿激光器一起，作为彩色显示的全固体标准三原色光源。 这种新型激光光源，光束质量高，效率高( 与荧光光源相比) ，而且更加忠实于自 然光，能够消除荧光光源产生的绿影和白炽光源产生的黄影，实现三原色的平 衡。 4 海洋水色、海洋资源探测及水下通讯：4 0 0 , - , 5 0 0 n m 之间的蓝色激光光源 是感知海洋水色的有利武器，可用于探测海洋渔业资源。另外蓝绿波段是海洋的 水下传输窗口，可用于水下通讯。 5 军事应用：在军事上，激光主要是用于防护和对抗的，激光的防护不仅 是军方的需要，对使用激光场所的人员的保护就是激光防护，也就是说，只要有 激光的场所，就有激光的防护问题。 第一章蓝光激光器综述 6 医学应用：小型蓝绿激光器可用于流动血球计数，另外蓝色光源可用于 癌症的早期荧光检侧以及检测生物分子特性的高灵敏度小型激光拉曼光谱仪。 7 激光娱乐：快速运动的激光束与立体声音等组成特殊效应和气氛用于娱 乐和舞台表演中。随着全固体激光产品的发展和价格的下降，全固体绿激光器已 进入激光娱乐市场，市场销量逐年增加。全固体蓝激光器具有全固体激光器的所 有特点和不同的色彩，尤其在暗背景下，表现了与绿光不同的艳丽颜色。因此， 随着市场销量的上升和价格的下降，具有结构紧凑，使用方便和色彩鲜艳等特点 的全固体蓝激光器将会大批量地进入激光娱乐市场，并与其他颜色组合将使激光 娱乐业具有更多的颜色选择。 1 2 蓝光激光器的研究背景 近几年蓝光激光器发展迅速，获得蓝光输出方式多种多样： 1 直接发射蓝光的半导体激光器 由于结构简单、使用方便、电光转换效率高，能够直接发射蓝光的l d 一直 受到人们的关注。早在1 9 9 0 年，人们便开始了对半导体材料z n s e 的研究，1 9 9 6 年日本索尼公司采用单量子阱激活层分别限制双异质结结构在常温下实现了 5 1 5 n r n 的蓝光发射，输出功率l m w ，连续工作了1 0 0 d x 时。然而在生长过程中p n 结内形成的缺陷在高闽值电流、高结温环境下迅速扩散，使其寿命难以大幅度提 高，距离商品化的1 0 0 0 0 d x 时的目标相距甚远。推进半导体蓝光二极管商品化进 程最有贡献的是日本的日亚( n i e h i a ) 化学工业公司，该公司在1 9 9 7 年采用m o c v d 技术利用g a n 材料，在1 5 失配的石英基底上生长出了i n c a n 多量子阱结构的 4 0 8 6 加 1 蓝光l d 。该蓝光l d 的寿命达到了1 0 0 0 d x 时【l 】。目前，日本的日亚公司和 美国的相干公司均推出了输出功率为5 r o w 的产品封装的蓝光l d 。虽然，该产品 已经日渐成型，距离广泛推广己经为时不远。 2 对激光二极管输出光直接倍频 采用这种方法可以实现比较高的光光转化效率。但它对l d 要求很严格，不 仅需要较高的输出功率，而且必须要单管、单频运转。因此采用电学边带压缩或 光学反馈压缩等技术，通过外腔加强的办法，改善l d 的光束质量，压缩其发射 线宽，并将l d 输出锁定在非线性晶体无源谐振腔的共振频率上就成为这项技术 的关键。1 9 8 9 年，l c o l d k e y 和m k c h u 拥k n 晶体倍频8 4 2 n m 的l d ，获得了2 4 m w 的连续蓝光输出1 2 。w j k o z l o v s k y 并g l w l e n g t h f f j 电学反馈技术钳制8 5 6 n m l d ，在 1 4 0 i n w 的注入功率下得到了4 1 l n w 的4 2 8 n m 的连续蓝光输出【3 1 。j a t r a i l 采用实时 闭环反馈，有效的控制了光束质量，抑制了噪声，改善了激光器的工作稳定性， 第一章蓝光激光器综述 得到了输出功率4 0 m w 的4 3 0 n r n 连续蓝色激光输出。德国的d w o l l 和b b e i e r 等人 将这种方法产生的蓝光推向了瓦级水平，他们用4 w 的9 3 0 n m 的l d ，采用外腔加 强办法，用l b 0 晶体倍频，获得了l w 输出的4 6 5 n m 蓝光输出【4 1 。 3 蓝光波导激光器 这种激光器由于在波导中传播的激光功率密度高、与泵浦光耦合充分、阐值 低、转换效率高、相位匹配范围宽而倍受关注。1 9 9 4 年，g g u p t a 用l i t 0 3 波导对 8 4 0 n m l 约l d 倍频而得至u 2 6 p w 的功率输出，转换效率为2 9 0 w c m ，位相匹配宽 度为3 r i m 。我国南京大学的陆亚林等人用l i n b 0 3 波导倍频8 1 0 n m 的g a a s a 瞰光， 在入射功率为2 5 0 m w 时，获得了0 3 m w 的4 0 5 n r n 输出，光学转换效率0 1 4 。日 本的t o h r ud o u m u k i 等人用s i 0 2 t a 2 0 s k t p 薄膜波导对钦宝石激光进行倍频，波 导长度4 1 m m ，得到了1 3 m w 的近t e m l o 模4 1 3 n m 输出。 4 光纤蓝光激光器 蓝光光纤激光器是利用稀土离子上转换的发光机理，即采用波长较长的激 发光照射掺杂的稀土离子的样品时，发射出波长小于激发光波长的光。稀土离子 的上转换发光机制一般可以分为激发态吸收、能量转移和光子雪崩三种过程。蓝 光上转换光纤的输出波长一般在4 5 0 n m - - 4 9 0 n m 之间，目前能获得蓝光输出稀土离 子主要有t i n 3 + 和p r 3 + 等，但大多数情况下，为了提高泵浦吸收效率和上转换发光 效率，往往采用将t 矗+ 或者p r 3 + 离子与y b 3 + 离子共掺的方式，通过) 3 + 离子的敏 化作用，利用多声子吸收的原理获得高效的上转换发光效应，t 矗怖3 + 共掺和 p r 3 - 胁”共掺这两种方式的上转换光纤激光目前报道地最多。1 9 9 7 年德国 h a 由w 苡学z e h e r 等人在p r 3 + y b 3 + 光纤中获得 3 7 5 m w 的4 8 0 r i m 激光输出。 5 频率转换技术蓝光激光器 这种方法主要利用了l d 的发射谱线可以很好地与n d 3 + , c r 3 + 等激活离子的吸 收带相匹配这一特性，并通过和频、倍频等非线性手段来得到蓝光输出。 ( 1 ) 腔内倍频掺n d 3 + 激光介质：采用大功率半导体激光泵浦激光晶体的 准三能级，再通过腔内倍频是获得全固体蓝光输出的主要方法。目前研究的激光 晶体主要有n d ：y a g 、n d ：y v 0 4 和n d ：g d v 0 4 等，倍频后分别获得4 7 3 n m , , 4 5 7 n m 和4 5 6 n m 等波长的蓝光。用8 0 8 n m 半导体激光泵泪汛d ：y v 0 4 晶体能产生9 1 4 n m 基 频光，腔内倍频可获得4 5 7 n m 的深蓝光输出。但在该方案中如采用端泵浦方法， 需要制备对8 0 8 n m 波长泵浦光简反和9 1 4 n m 波长基频光高反，同时抑制1 0 6 4 r i m 四 能级跃迁的多层介质膜。由于8 0 8 n m - 与9 1 4 r n n 两种波长光谱间隔较近，制备谐振 腔镜的多层介质膜较难。同时，由于n d ：y v 0 4 晶体准三能级基态的斯塔克分裂是 4 3 9 c m 1 低7 ：n d ：y a g ( 8 5 7 c m 1 ) 。在室温下n d ：y a g 准三能级的基态有0 7 的粒子 数，n d ：y v 0 4 有5 的粒子数，故该晶体具有较高的再吸收损失，因此国内外对 第一章蓝光激光器综述 该蓝光激光器研究的报道很少。n d g d v 0 4 晶体是一种近几年发展起来的新激光 晶体，最初的研究报道发表于1 9 9 2 年。与n d ：y v 0 4 相比，该晶体具有高两倍多的 热导率；而与n d ：y a g 相比，具有高的受激发射截面和宽的吸收带宽，因此是一 种很有发展前途的用于全固体蓝激光器的晶体。用8 0 8 n m 半导体激光泵浦 n d ：y a g 晶体的准三能级产生9 4 6a m 的基频光，腔内倍频获得4 7 3 m n 的蓝光输出， 是目前在国际上研究最早和应用最广泛的获得全固体蓝激光器的技术方案。天津 大学姚建铨科研组的赵士勇对n d 3 + 离子的准三能级激光的倍频以实现4 7 3 n m 蓝 光激光输出，获得9 8 2 m w 的4 7 3 n m 蓝光连续输出【5 】。 ( 2 )通过和频方法得到蓝光：这通常是对l d 的8 0 9 r i m 的激光和1 0 6 4 n m ：激 光进行和频得至u 4 5 9 n m 蓝光，和频转换效率比较低，很难获得大功率激光输出。 p n k e 锄和r w s t a n l e y 在1 9 9 3 年采用折叠腔结构，利用1 0 0 m w 的单管u ) 得到了 2 0 m w 的4 5 9 n m 蓝光输出【6 i 。 本文主要采用上述第5 种方法产生蓝光，但是我们采用的是全固态钛宝石内 腔倍频方案。钛宝石晶体具有结构简单，调谐范围宽( 6 5 0 n 1 2 0 0 n m ) 、转换效率 高、运转方便以及可用多种不同波长的光源泵浦等许多突出的优点。在此基础上 对其进行频率变换理论上可获得可调谐蓝光输出，调谐范围可以至u 2 3 0 , - , 6 0 0 n m 。 在1 9 9 1 年r tw h i t e 和w pb o w e n 等人利用p p l n 晶体获得了钛宝石可调谐蓝光， 输出功率为9 1 i i l w ( 转换效率为1 9 ) 、调谐范围为3 9 1 3 9 5 n m t 7 】。中国科学院西 安光学精密机械研究所程光华在2 0 0 4 年报道了，利用l b o 对y l f 倍频激光器抽运 的钛宝石激光进行二倍频，随后利用b b o 晶体进行再次倍频的蓝光激光器，获得 了6 l o m w ( 4 1 6 n m ) 和“r d w ( 2 0 8 m n ) 的蓝光输出【8 】。 1 3 论文研究主要内容介绍 本文的主要工作是全固准连续态钛宝石激光器的基础上展开的，主要研究钛 宝石激光器的宽调谐和增益开关特性及其内腔倍频方面的内容，通过对非线性倍 频晶体的相位匹配特性的研究，设计全固态钛宝石激光内腔倍频蓝光激光器。 钛宝石激光器一个重要的优点是它的调谐范围，有利于实现倍频需要的相位 匹配条件，并且可以进一步扩展钛宝石激光器的输出光谱范围，本文在全固态准 连续钛宝石激光器的基础上又进行了内腔倍频实验，获得了高达2 2 w 的蓝光输 出，光光转换效率最高为7 5 9 。 钛宝石激光器的倍频可以将输出光的光谱范围扩展到蓝光和紫外光，我们知 道，钛宝石的荧光光谱为6 5 肛1 2 0 0 n m 理论上经倍频后其倍频光的光谱可达 3 2 5 n n ：卜6 0 0 n m 。钛宝石激光的倍频可以使光谱范围更宽，达到蓝光的范围。 第一章蓝光激光器综述 相位匹配是非线性光学中的一个非常重要的概念。相位匹配技术的采用，是 非线性作的转换效率大幅度提高。 论文各章节主要内容如下： 论文的第二章二次谐波倍频相位匹配原理，并介绍二次谐波的产生原理及基 频波的输出特性。 论文的第三章从b b o 、l b o 和p p l n 三种倍频晶体的光学和物理特性出发， 从理论上计算各种晶体的相位匹配条件以及其他相位匹配时的参数。 论文的第四章为三镜折叠腔的简单计算。 论文的第五章主要是全固态准连续钛宝石激光器实验内容，首先对其泵浦源 ( 内腔倍频n d ：y a g 激光器) 进行优化设计的研究，随后研究了钛宝石激光器的 调谐理论，并实现了钛宝石激光器的宽调谐输出。 论文第五章分析了增益开关理论，在实验中证明了增益开关理论。 论文第六章在掌握了钛宝石激光器的调谐以及增益开关特性的基础上进行 内腔倍频蓝光实验，并且获得了较理想的指标。 论文第七章对实验进行了总结和展望。 第二章相位匹配及频率变换原理 第二章二次谐波产生及基频光输出特性 2 1 二次谐波产生的基本原理 晶体中的电极化强度按入射光场强度可展开成级数： 月= 岛对1 弓+ 岛砖1 弓乓+ 岛删弓最局( 2 - 1 1 ) 在激光出现以前，由于缺乏强的光源，光学现象表现出线性特点；在激光出 现以后，在强场作用下，非线性现象将不能被忽略了，许多有趣的非线性光学现 象均起源于二次和三次电极化率。其中二阶非线性极化率可引起倍频、和频、差 频、光参量和电光效应等非线性现象；三阶非线性极化率可导致双光子吸收，受 激散射及四波混频效应等。特别是二阶非线性光学效应中晶体的极化强度于光场 强度存在二次关系，导致了光的混频。当一束单色光入射晶体，极化场中包含基 波国，二次谐波2 功和直流项( d c ) ；当具有频率为缈l 、国2 、2 c o l 、2 c 0 2 、c o l + 哆、 q 一吼等各项。这是由于不同频率成分的极化波之间能量发生了交换。所有这 些效应是起源于二阶极化率和光场之间的耦合。由m a x w a l l 方程可导出光波在介 质中的波动方程。 v 2 。占警批警( 2 - 1 - 2 ， 式中p 是方程的源，在倍频作用下，极化强度为： p = 占o x 2 j e 2( 2 1 3 ) 对于倍频，入射波频率为国，振幅为e ，在共线相互作用下，取慢变振幅近 似，则二次谐波耦合振幅方程为： 警叫诬。警如i 剧2 p 舶 ( 2 - l - 4 ) 式中，波矢失配量- a k = 岛。一2 t o ( 2 - l 一5 ) d 盯为有效非线性系数，取小信号近似，即e q ) = e ( 0 ) ，由初始条件 e 2 。( o ) = 0 ，积分( 2 1 4 ) 有： 第二章相位匹配及频率变换原理 础) - _ ，岷b i e l 2 - 塑- i a k ) 式中，为晶体长度，由电动力学知，光强和振幅的关系为： 卜纠拶i 州) 可得到倍频波光强，功率，效率的表达式： j = 三警缈2 2 口够2l 2 i 司4s 盘c 2 g 触刁 q 小8 ， 耻鬻小缸c 2 ( 三从z ) 刚， 刁= 糕舳c 2 ( 三盐z ) 州。， 在式( 2 1 9 ) q a ，s 是基频光的光束截面，对式( 2 1 1 0 ) ，要使转换效率达到最 大，只需： = 乞。一k = 0( 2 - 1 - 1 1 ) 对于双折射相位匹配，要使触= 0 ，折射率应满足： i 类相位匹配： 恐( 2 a o = ( 功 ( 2 - 5 - 1 2 ) i i 类相位匹配： ( 2 国) ：i 1 吃( 国) + ( 国) ( 2 - 1 1 3 ) 上式是相位匹配下，负单轴晶体折射率所满足的相位匹配条件。掺钛蓝宝石 激光器是一种新型的顺磁子固体可调谐激光器，具有结构简单，调谐范围宽 ( 6 5 0 , - , 1 2 0 0 n m ) 、转换效率高、运转方便以及可用多种不同波长的光源泵浦等许 名突m 的优点。 2 2 双折射相位匹配及准相位匹配原理 在非线性激光变频领域，要获得有效的激光输出，必须满足相位匹配，即双 折射相位匹配或准相位匹配。目前人们常用的双折射相位匹配( b p m ) 技术，是 利用单轴或双轴非线性晶体的双折射特性和色散特性，通过选择光波的波矢方向 和偏振方向来实现的。此方法受到波矢方向和偏振方向的限制，使得只能在特定 的晶体上实现固定波长的相位匹配使用受到极大限制。通常双折射相位匹配对晶 第二章相位匹配及频率变换原理 体得要求较多，如要有特殊的切割方向，或者需要特定的工作温度，n e 和n o 要 有较大的差异，不论是i 类或是i i 类相位匹配，都要有特定的通光方向，而该方 向一般不能利用最大的二阶非线性系数对角张量，加之存在走离，不能有较长的 通光长度，限制了激光输出功率的提高。另一种获得高效非线性频率变换的相位 匹配技术是准相位匹配( q u a s i - p h a s em a t c h i n g ，简称q p m ) 技术与双折射相位 匹配相比，准相位匹配有如下优点： l 、扩大了现有材料的应用范围。要发现一种新的个方面性能十分优异的非 线性材料是十分困难的，而准相位匹配技术充分利用现有的材料，不失为一种好 方法，特别是它对于有较大非线性系数但无法用双折射相位匹配实现的某些晶体 得到有效利用，如l i t a 0 3 。q p m 通过周期性极化结构来获得有效的能量转换， 与材料的内在特性无关，没有双折射效应( 或很小) 的晶体也可以实现相位匹配， 对透光区内任意波长的光波都不存在匹配的限制。理论上能够利用晶体的整个透 光范围。 2 、可利用晶体的最大非线性系数。一般的非线性材料，如k t p ，l i t a 0 3 ， l i n b 0 3 等最大的非线性系数均为d 3 3 ，而传统的双这数相位匹配中，由于匹配有 过程要用到不同的偏振光，无法利用最大非线性系数，而准相位匹配可实现基波 和谐波相同的匹配方式( 如e + h e 的匹配) ，q p m 过程不再要求正交光束，能 够利用传统双折射相位匹配过程所达不到的高非线性系数。充分利用非线性介质 的最大非线性系数，可使得非线性效应得以显著提高，因而可利用最大的非线性 系数。这将极大提高转换效率，以l i n b 0 3 晶体为例，用q p m 比用b p m 理论上 其倍频效率将提高( 2 ，r ) 2 ( 如匾，) 2 2 0 倍。 3 、在整个透明波段对不同的入射波，可人为设计周期，实现非临界相位匹 配。q p m 由于没有晶体双折射特性的限制，三波的偏振方向可以任意选择，所 以只要它们沿同一晶轴方向传播，就可以使走离角为零。不存在走离效应，就降 低了对入射角的要求，基波和谐波等互作用光束能够严格限制在非线性晶体中。 因而，可以使用较长的晶体，获得较大的转换效率。 我们以倍频为例，对准相位变频过程作一个初步了解，与双折射相位匹配不 同。准相位匹配( q p m ) 主要通过非线性稀疏的周期来实现，即每隔一个相干 长度，将晶体主轴方向旋转1 8 0 0 ，相干长度由介质的色散效应和非线性频率变 换过程决定： 乞= 致 对倍频过程，相干长度为： ( 2 2 - 1 ) 第二章相位匹配及频率变换原理 ，c2 硕茜丽 ( 3 - 2 2 ) 其中九为入射波长， ( 2 妫、刀( 动分别为谐波和基波的折射率。在不满足准 相位匹配时，若基频光功率足够强，则在第一个相干长度内，倍频光会随长度的 增大而增加，达到晟大；在第二个相干长度内，又随长度的增大由最大变为零， 如此反复。这样，光波能量在基频波和倍频波之间来回转化，形成振荡，得不到 有效的倍频波输出。若在第二个相干长度内，人为将其主轴反转1 8 0 0 ，则二阶极 化张量的值与原来相差一个负号，倍频光就由下降变为上升，如此继续下去经过 一定长度的晶体后，可获得有效的倍频输出理论曲线如图2 1 。 0 123 45 p r o p a g a t i o nd i s t a n c et h r o u g hc r y s t a l ( c o h e r e n c el e n g t h s ) 图2 1 相位匹配，相位失配及准相位匹配示意图 在非相位匹配和非准相位匹配情况下，它们的波矢失配量分别为： 从= 乞一k ( 2 - 2 - 3 ) 越t - 岛。- 2 吒一彳 ( 2 - 2 - 4 ) c 理论和实践表明准相位匹配是一种有效的频率变换技术。目前，连续的倍频 效率已达到4 2 以上，而准连续倍频效率已经达到6 5 以上，均已达到实用水 平。 准相位匹配技术的应用发展，完全依赖准相位匹配介质材料的制备，从微结 构观点看，准相位匹配材料即为光学超晶格，由于其周期为微米量级，与光波为 同一量级，其晶格倒格矢可参与光波的激发与传播过程从而产生一些新的效应， 若这个相互作用满足相位匹配，则会有新的频率产生。 目前，准相位匹配材料的制备主要采用室温外电场极化法。除此之外还有电 子束扫描法、质子交换法、生长条纹法何激光基座法等。准相位匹配材料可以是 l一c一c一一_jqc_9 第二章相位匹配及频率变换原理 体块材，也可以是波导材料，波导型的准相位匹配材料主要用质子交换制备，波 导结构可以提供高的功率密度，大的相干长度，具有优质的成畴质量，制备技术 已经成熟。1 9 8 0 年，人们用生长条纹法首次成功制备了周期结构的l i n b 0 3 体块 材料，在试验上验证了q p m 理论。1 9 9 3 年人们才首次用室温脉冲外电场极化法 成功制备了p p l n 晶体，随后，用该方法成功制备了p p l t 、p p k t p ，样品厚度 也由0 2 m m 提高到3 m m 。相比之下，p p l n 由大的d 3 3 2 7 2 p m v ，但矫顽电场 最高2 4 k v m m ，室温下破坏阈值最低，约为0 2 7 g w c n ，p p l t 有较高的矫顽 电场2 1 k w m m ，但室温下有较高的破坏阈值，且紫外透光性好；p p k t p 有较低 的矫顽场( 约为2 k w m m ) ，易于制大尺寸的晶体，适宜较大功率下的频率变换。 综上所述，每一种准相位匹配材料均有各自的优缺点，我们要避其之短，用其之 长，目前，准相位匹配材料的研究热点和发展方向主要有：1 加大极化厚度；2 极化周期向短波方向发展；3 从结构上看，由周期向准周期、非周期，由一维向 二维方向发展。 2 3 双折射匹配的倍频理论 双轴晶体的折射率曲面是一个双壳层的闭合曲面，折射率曲面的方程为： 上n - ：- n + 丢nn ；2 + 志= 。 - 2 一。刀- 2 一刀- 2 。 ( 2 - 3 - 1 ) 刀，、 y 和疗：分别是频率为缈的光波的三个主折射率，则有 屯= s i n o c o s 缈, b = s i n o c o s 缈, 恕= c o s 8 ( 2 3 - 2 ) 设： 口= 砰，6 = 妒，c = 妒 b = 一s i n 2 目c o s 2 伊( 6 + c ) 一s i n 2 口s i n 2 伊( 口+ c ) 一c o s 2 目( 口+ 6 ) ( 2 - 3 3 ) c = 一s i n 28 c o s 2 钐b c + s i n 2o s i n 2 伊a c + c o s 2o a b 工= 沪 将式( 2 3 3 ) 和( 2 3 - 2 ) 带入式( 2 - 3 一1 ) ，可得 ，+ 擞+ c = 0 解方程( 2 3 - 4 ) 得 n 。：五| 5 函毛面 ( 2 3 - 4 ) ( 2 3 5 ) 第二章相位匹配及频率变换原理 刀和 一( i t _ 刀+ ) 分别对应于电场矢量e 两个可能的偏振方向，称为快光和 慢光的折射率。 根据电场矢量的偏振方向，双轴晶体中三波互作用的相位匹配方式可分为i 类匹配和i i 类匹配，其中i i 类匹配又可分为i i ( a ) 和i i ( b ) 两种形式，它们 需满足下列条件： i 类： q 吃( 神+ 叼d 培) 【 ( 2 3 6 ) i i ( a ) 类： q 珥( 柚+ 训谚颂 ( 2 - 3 - 7 ) i i ( b ) - 类：c o i n ( 曲+ 酬谚颂l ( 2 - 3 8 ) 其中，q 、伤分别为三束光的角频率，且满足c o l 码 瑰) 分别与结晶轴a ，c ，b 平行，色散方 程为： f x _ 2 4 5 4 1 4 0 + 0 0 1 1 2 4 9 ( x 2 0 0 1 1 3 5 0 ) - 0 0 1 4 5 9 1 k 2 6 6 0 x l o 。5 妒 f y - - 2 5 3 9 0 7 0 + 0 0 1 2 7 1 1 ( x 2 0 0 1 2 5 2 3 ) - 0 0 1 8 5 4 0 l 2 + 2 0 0 x 1 0 4 妤 f ：= 2 5 8 6 1 7 9 + 0 0 1 3 0 9 9 ( a , 2 0 0 1 1 8 9 3 ) 0 0 1 7 9 6 8 x 2 - 2 2 6 x 1 0 4 妒0 1 3 ) l b o 的光损伤阈值是常用无机非线性光学晶体中最高的。因此，它是高功率 二次谐波发生器和其他非线性光学应用的最佳选择。l b o 可用于n d ：y a g 和 n d ：y l f 激光二、三倍频的相位匹配，i 类、i i 类匹配皆可。在室温下，二次谐 波可达到i 类匹配，在5 5 1 n m _ - 至3 0 0 0 n m 的较大波长范围内，最大的有效倍频系数 在x y 和x z 面上为： d c di ) = d 3 2 c o s p 一( i nx yp l a n e ) d 。毹i ) = d 31c o s 2 0 + d 3 2 s i n 2 0 - - n ( i nx zplane)0一l-4) 最佳h 类匹配的有效倍频系数在y z 和x z 面上为： 第三章用于蓝光激光器的倍频晶体 d e f t ( i i ) = d 31 c o s o 一( 证y zp l a n e ) d e f “i i ) = d 3 1 c o s 2 0 + d 3 2 s i n 2 0 一一- ( i n x z p l a n e )( 3 1 5 ) 其q hd 31 = 1 0 5 + 0 0 9 p n c v , d 3 2 = - 0 9 8 - 4 - 0 0 9 p n , v , d 3 3 = 0 0 5 + 0 0 0 6 p m v 。+ 3p p l n 晶体： p p l n 的物理特性指标为： 通光范围： 非线性光学系数： 0 6 3 3 1 a m 的双折射： 1 0 6 i t m1 0 n s 脉冲条件下的损伤阈值 3 2b b o