（光学专业论文）基于准相位匹配理论的光参量振荡器及其相关激光技术研究.pdf

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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得滥姿蠢堂或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名：奢移纷 签字日期：2 嘞年岁月j 莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿态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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：夺移弘 导师签名： 签字日期：力四年万月j 莎日 学位论文作者毕业后去向：甬诲 工作单位： 通讯地址： 洫= 1 1 豆秭事印臣嵩工够秀舡 签字日期：伽彳年箩月如日 电话： 邮编： 俐 浙江人学博b 学位论文摘要 摘要 光参量振荡器可实现输出波长在一定范围的调谐，可代替传统的固定波长激 光器，在军事国防、环境检测及生物医学等领域都有重要的应用前景。近年来， 随着准相位匹配技术的发展，特别是周期性畴极化反转铌酸锂晶体制各工艺的不 断成熟，基于准相位匹配技术的光参量振荡器得到了普遍关注，并获得了广泛应 用，已成为目前光参量振荡器领域的研究热点。 本研究工作的主要内容包括周期性畴极化反转掺镁铌酸锂晶体的制备，基于 p p m g l n 晶体的光参量振荡器、大功率声光调qn d ：g d v 0 4 及t m ：y a p 激光器 研究。通过大量的实验研究，所取得的研究成果可归纳如下： 1 系统地研究了掺5 m 0 1 m g o 的铌酸锂晶体在不同温度下折射率随波长变化 的s e l l m e i e r 方程。在此基础上，对基于p p m g l n 晶体的光参量振荡器的畴 周期调谐特性与温度调谐特性进行了相应的理论研究，为r r m g l n 晶体制各 过程中畴周期大小的设计提供了依据。 2 采用两步电脉冲触发方法成功地制备出多种规格的l m m 厚p p m g l n 晶体， 反转面积超过5 2 m m x 4 0 m m ，最大可利用长度超过5 2 m m ，正负畴占空比接 近1 ：1 。对影响极化反转畴质量的诸多因素，如晶体中m 9 2 + 离子分布均匀性、 金属电极的宽度、注入电流的大小等，都进行了相应地分析。同时，在2 m m 厚p p m g l n 晶体制备上面也取得了可喜的成果。 3 自行研制了一台大功率声光调q 、工作波长为1 0 6 3 r i m 的n d ：g d v 0 4 激光器。 以此激光器作为泵浦光源，泵浦一多周期的p p m g l n 晶体，在泵浦功率为 1 0 9 w 时，获得了5 7 3 w 的参量光输出，非线性光光转换效率为5 2 6 ，斜 率效率为6 8 2 ，对应的信号光与闲散光波长分别为1 5 5 2 n m 、3 3 7 3 8 n m 。同 时，利用畴周期调谐方式实现了光参量振荡器输出信号光波长在1 4 1 6 8 9 i n 、 闲散光波长在2 8 8 4 3 8 1 , t m 范围内的调谐。 4 自行研制了一台大功率声光调q 、工作波长为1 9 4 9 m 的t i n ：y a p 激光器， 并对该激光器的各种特性进行了详细的研究。同时对采用t m ：y a p 激光器泵 浦的p p m g l n 光参量振荡器做了探索性研究。 摘要 较之传统的依靠角度相位匹配的光参量振荡器，基 振荡器在非线性转换效率、输出波长调谐等方面都更 有重要的应用前景。 g l n ，光参量振荡器，n d ：g d v 0 4 ，t i n ：y a p 浙江人学博：i j 学位论义 a b s t r a c t a b s t r a c t 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 s ( o p o s ) h a v es u b s t i t u t e dt r a d i t i o n a ll a s e r si nm a n yf i e l d s ，t h u sa s n a t i o n a ld e f e n c e ，p o l l u t e rd e t e c t i o n ，b i o m e d i c i n ee t c ，b e c a u s eo fi t sw i d ew a v e l e n g t ht u n a b i l i t y i n r e c e n ty e a r s ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to fq u a s i - p h a s e - m a t c h i n gt e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yw i t ht h e m a t u r i t yo ff a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yo fp p l na n dp p m g l nw a f e r s m u c ha t t e n t i o nh a sb e e n a t t r a c t e db yq u a s i - p h a s e - m a t c h i n gb a s e do p o sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n s n o w , q u a s i - p h a s e - m a t c h i n g b a s e do p o sh a sb e c o m ear e s e a r c hf o c u si nn o n l i n e a ro p t i c sf i e l d w ee m p h a s i z e d0 1 1 1 r e s e a r c ho nt h eb a s i so ff a b r i c a i o no fp e r i o d i c a l l yp o l e dm g o - d o p e d l i t h i u mn i o b a t e ( p p m g l n ) ，o p t i c a lp a r a m e t r i co s c i l l a t o rb a s e do np p m g l na n di t sr e l a t e d h i g h - p o w e rs o l i d - s t a t el a s e r s t h ew o r ki n t e g r a t e dag r e a td e a lo fe x p e r i m e n t a le v i d e n c ea n d c o r r e s p o n d i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n di t sm a j o rc o n t r i b u t i o ni sl i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h es e l l m e i e re q u a t i o no f5 m 0 1 m g o - d o p e dl i t h i u mn i o b a t ea td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e w a ss y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d t h e n , b o t hd o m a i n - t u n i n ga n dt e m p e r a t u r e - t u n i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp p m g l no p ow e r ei n t e n s i v e l ys t u d i e db yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n t h e t h e o r e t i c a lr e s u l t sw i l lb eu s e f u li nt h ep r o c e s so fp p m g l nd o m a i np e r i o dd e s i g n i n g 2 i m mt h i c kp p m g l nw a f e r sw i t hd i f f e r e n td o m a i np e r i o d sw e r es u c e s s f u l l yf a b r i c a t e db y a p p l y i n ge x t e r n a le l e c t r i cf i e l d s a f t e re t c h i n gi nh fs o l u t i o nf o raf e wm i n u t e s ，t h ep p m g l n w a f e r ss h o w e da h o m o g e n o u s l yp o l i n ga r e ag r e a t e rt h a n5 2 m m x 4 0 m m a n dag o o dd u t yc y c l eo f n e a r1 ：1 t h ee l e m e n t st h a tw o u l di n f l u e n c et h eq u a l i t yo fr e v e r s a ld o m a i n sw e r ea s l oc a r e f u l l y s t u d i e d ，w h i c hi n c l u d e dw i d t ho fe l e c t r o d e ，a p p l i e dv o l t a g e ，i m m e r g i n gc u r r e n te t c a f t e rt h a t , f a b r i c a t i o np r o c e s so fp p m g l nw a f e rw i t h2 m mi nt h i c k n e s sw a sa l s oc a r r i e do u t ，a n ds o m e e l e m e n t a r yb u te x c i t i n gr e s u l t sh a v eb e e no b t a i n e d 3 ah i 曲p o w e ra 一0qs w i t c h e dn d ：g d v 0 4l a s e rw o r k i n ga t1 0 6 3 n mw a se s t a b l i s h e da sa p u m ps o u r c ef o rp p m g l nb a s e do p o u pt on o w , am a x i m u no u t p u tp o w e ro f5 7 3 ww a s o b t a i n e df r o mt h eo p oa tap u m pp o w e ro f10 9 w ，w i t hac o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f5 2 6 a n da s l o p ee f f i c i e n c yo f6 8 2 t h ec o r r e s p o n d i n go p os i g n a la n di d l e rw a v e l e n g t hw e r e1 5 5 2 n ma n d 3 3 7 3 8 n m , r e s p e c t i v e l y b yc h a n g i n gt h ed o m a i np e r i o do ft h ep p m g l nw a f e r , aw i d es p e c t r a l t u n i n gr a n g eo ft h eo p oo u t p u tl a s e rw a sa c h i e v e df r o m1 4t o1 6 8 i _ t mf o rs i g n a la n df r o m2 8 8t o 4 3 8j _ t mf o ri d l e n 4 ah i g hp o w e ra - oq s w i t c h e dt m ：y a pl a s e ro p e r a t i n ga t1 9 4 l - t mw a sa l s oe s t a b l i s h e d a tt h es a m et i m e t h e p e r f o r m a n c eo ft h et m ：y a pl a s e ri na - oqs w i t c h e dm o d ew a si n v e s t i g a t e d i i ld e t a i lf o rt h ef i r s tt i m e w h a t sm o r e t h et h e r m a l l c n se f f e c to f t m ：y a pl a s e rc r y s t a la td i f f e r e n t p u m pp o w e rw a si n t e n s i v e l ye x a m i n e d t h i sl a s e rs y s t e mw i l lb eu s e da sap u m ps o u r c ef o r p p m g l no p oo p e r a t i n ga t3 - 5 i t m ，a n dw ea r ec o n f i d e n tt h a ti tw i l lb r i n gi nh i g h e ro u t p u tp o w e r t e c h n o l o g yb a s e do p ow a sm u c h e s p e c i a l l yo ni t sh i 曲c o n v e r s i o n a p p l i c a t i o n si nm a n y f i e l d s g d v 0 4 ，t m ：y a p 浙江火学博上学位论义日录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 准相位匹配技术发展概况。1 1 1 1 准相位匹配理论的提出1 l1 2 准相位匹配技术的发展历史与国内外研究现状2 1 1 3 准相位匹配技术的应用5 1 2 基于准相位匹配技术的光参量振荡器发展概况7 1 2 1 基于准相位匹配技术的光参量振荡器国内外研究现状。8 1 2 2 基于准相位匹配技术光参量振荡器的发展趋势1 0 1 - 3 本论文的立题意义及工作目标1 0 1 4 论文结构1 l 1 。5 本章小结1 2 参考文献1 2 第二章非线性光学基础及准相位匹配理论 2 1 非线性光学基础18 2 1 1 光在非线性介质中的传播18 2 1 2 三波混频耦合波方程2 0 2 1 3m a n l e y r o w e 关系式2 2 2 1 4 光学倍频过程2 3 2 1 5 相位匹配2 4 2 2 准相位匹配理论2 7 2 2 1 准相位匹配理论2 8 2 2 2 关于准相位匹配阶数m 与占空比d 的讨论3 0 2 2 3 准相位匹配技术的优点3 2 2 3 基于准相位匹配技术的光参量振荡器及其调谐方法3 2 2 3 1 基于准相位匹配技术的光参量振荡器3 3 2 3 2 基于准相位匹配技术光参量振荡器的调谐3 4 2 4 本章小结3 9 参考文献3 9 第三章周期性畴极化反转掺镁铌酸锂晶体的制备 4 1 3 。1 铌酸锂晶体的基本性能4 1 3 1 1 铌酸锂晶体的基本物理化学特性4 l 3 1 2 铌酸锂晶体的基本晶格结构4 2 3 1 3 铌酸锂晶体的铁电畴结构4 3 3 1 4 掺镁铌酸锂晶体的特性4 4 3 1 5m 9 2 + 离子在铌酸锂晶格中的占位机制4 6 3 2 外加电场法制备周期性畴极化反转掺镁铌酸锂晶体一4 7 3 2 1 外加电场法制备p p m g l n 晶体的原理4 7 3 2 2 样品准备4 9 3 2 3 实验装置一5 0 浙江火学博j 二学位论文目录 3 2 4 铁电畴的选择性腐蚀5 2 3 3 影响p p m g l n 晶体极化反转畴质量的因素分析5 4 3 3 1 晶体中m g o 掺杂均匀性的影响5 5 3 3 2 电极占空比的影响5 5 3 3 3 第一步高强度短脉冲的控制5 6 3 3 4 第二步注入电流的控制5 6 3 4 本章小结5 8 参考文献5 8 第四章基于p p m g l n 晶体的光参量振荡器研究6 0 4 。1 大功率声光调qn d ：g d v 0 4 激光器研究6 0 4 1 1n d ：g d v 0 4 晶体的基本特性6 0 4 1 2 实验装置6 5 4 1 3 实验结果及讨论6 7 4 2 基于高品质p p m g l n 晶体的光参量振荡器研究7 1 4 2 1 实验装置7 1 4 2 2 实验结果及讨论7 2 4 3 本章小结8 2 参考文献8 2 第五章2 1 t t m 波段声光调qt m ：y a p 激光器研究 8 4 5 1t m ：y a p 晶体的基本特性8 4 5 1 1 物理特性8 5 5 1 2 能级结构8 6 5 1 2 吸收光谱特性8 7 5 1 3 荧光光谱特性8 8 5 2 声光调qt m ：y a p 激光器研究8 9 5 2 1 实验装置8 9 5 2 2 实验结果及讨论9 0 5 37 9 3n l l ll d 泵浦的连续t i n ：y a p 激光器研究9 5 5 4n n ：y 耻晶体的热透镜效应9 8 5 5t m ：y a p 激光器泵浦的p p m g l n 光参量振荡器初探1 0 0 5 6 本章小结10 2 参考文献1 0 2 第六章本文总结及展望 1 0 5 6 1 主要研究成果回顾。1 0 5 6 2 研究工作主要创新点1 0 6 6 3 存在的不足及后续工作展望1 0 6 攻读博士学位期间发表的学术论文列表 致谢 1 0 8 1 0 9 浙江人学博- j ：学位论义 第一带绪论 第一章绪论 自上世纪六十年代第一台激光器问世以来，激光作为一种新型光源，以其高 亮度、高单色性、高方向性和高相干性等优点，引起了人们的普遍重视，并已广 泛地应用于工农业生产、大气监测、化学分析、微加工、光通讯、医疗、军事等 各个领域，对科学与社会的进步产生了深刻的影响，并发挥着越来越重要的作用。 但是，受到激光产生机制与增益介质能级结构的限制，常规的激光器一般只能工 作在个或者少数几个特定的波长，不能产生宽带可调谐的光谱，而且在许多实 际应用所需的波段都没有直接的激光输出，这些问题均在一定程度上限制了激光 器的应用。 1 9 6 1 年，p a f r a n k e n 等人将红宝石激光入射到石英片上，发现出射的光束 中不仅有波长为6 9 4 3 衄l 的红宝石激光，还存在一波长为3 4 7 2n n l 的紫外光， 这一波长刚好是红宝石激光的倍频光【l 】。虽然由于石英属于正单轴晶体，在实验 过程中相位匹配条件并未得到满足，非线性转换效率很低，但是这一结果仍然毫 无疑问地确证了二次谐波产生( s h g ，s e c o n d h a r m o n i cg e n e r a t i o n ) 效应，并掀开 了非线性光学研究的新领域。在随后的几年内，与s h g 效应相关的差频【2 j ( d f g d i f f e r e n c ef r e q u e n c yg e n e r a t i o n ) 、和频【3 1 ( s f gs u mf r e q u e n c yg e n e r a t i o n ) 等二阶非线 性光学现象又相继被发现。这些基于三波混频等非线性光学过程的频率变换技 术，为常规激光器输出波长的变换与扩展提供了可能，并成为目前激光频率变换 领域唯一有效的途径。目前，利用该方法获得的相干激光波长，几乎覆盖了从红 外、可见乃至紫外的整个光学波段，并延伸到了毫米波与x 射线波段，已基本 上能满足日益发展的科研、生产与国防的需求。 1 1 准相位匹配技术发展概况 1 1 1 准相位匹配理论的提出 对于非线性光学频率变换过程而言，首先必须考虑的是如何提高非线性光光 转换效率。这点上，除了要求所选择的非线性材料具有尽可能大的非线性系数 率【6 1 。随后，1 9 7 6 年，m s p i l t c h 7 】及m o k a d a 等人8 】分别用3 5 片c d t e 、g a a s 、 l i n b o 扑石英晶体等材料的薄片，以自发极化方向交替变化的方式堆积起来， 满足准相位匹配条件实现了倍频输出，这些方法的共同缺点是由于材料厚度远大 于相干长度，利用的是高阶准相位匹配，因此非线性转换效率很低，且实验重复 性较差。1 9 7 9 年，日本的s m i y a z a w a 在制作钛扩散l i n b 0 3 波导时发现：高温 钛扩散可以使晶体中的铁电畴方向发生反转【9 】。这一发现后来被yi s h i g a m e 等人 2 浙江人学博卜学位论文第一章绪论 用来制作t i 扩散准相位匹配倍频器件【l0 1 ，但是它的缺点是畴反转很浅，波导特 性也受到负面影响。1 9 9 1 年，h i t o 等人尝试着用电子束写入法使l i n b 0 3 晶体 中的铁电畴方向反转，也成功地实现了倍频输出】，但这种方法很难制作出光栅 均匀的畴反转结构。南京大学闵乃本院士领导的科研小组于1 9 8 0 年开始在 c z o c h r a l s k i 提拉法生长铌酸锂晶体的过程中，通过控制晶体生长时的温度涨落， 生长出周期性畴极化反转的光学超晶格晶体，并进行了大量的倍频实验【1 2 。8 1 。之 后他们又用同样的方法生长出周期性畴极化反转的l i t a 0 3 晶体【1 9 】。用这种方法 制备出来的晶体，通光面积大，可以大量生产，但是，生长条件要求复杂。总之， 上述诸多方法，要么制备工艺太复杂，不利于大批量生产，要么成本太高或者很 难制备出周期均匀的极化反转畴结构，因此，准相位匹配技术的发展曾一度停滞 不前。 直到1 9 9 3 年，m y a m a d a 等人将半导体光刻工艺与外加电场法结合起来， 成功地在铌酸锂晶体中制备出了周期性畴极化反转结构【2 0 1 ，才从根本上解决了这 一难题，并掀起了这一领域新一轮的研究热潮。1 9 9 4 年以来，斯坦福大学m m f e j e r 教授领导的研究小组，敏锐地看到了外加电场法制各周期性畴极化反转铁 电体材料的发展潜力及经济效益，投入了大量的人力、物力、财力研究周期性畴 极化反转铌酸锂( p p l n , p e r i o d i c a l l yp o l e dl i n b 0 3 ) 器件，进一步完善了该项技 术，使得准相位匹配技术获得了高速发展。经过十几年的努力，利用该方法，人 们已经逐渐地在l i n b 0 3 ，l i t 0 3 ，k n b 0 3 2 1 】，k ，r p 【2 2 1 ，k t a l 2 3 1 等晶体上成功实现了 周期性畴极化反转，并已将这些晶体广泛地应用于光学倍频、差频、和频、光参 量振荡等非线性光学频率变换领域。 其中，铌酸锂晶体由于具有较大的非线性系数( 如3 = 2 7 p r o v ) ，较宽的透光范 围( o 4 5 p m ) 、成熟的制备工艺、相对低廉的价格等优点，在所有可实现周期性 畴极化反转的晶体中被研究得最为广泛，成为目前该领域的主流研究方向。当前， 我国台湾的h cp h o t o n i c s 公司、美国的i n o 公司，加拿大的i s o w a v e 公司等都 已经有p p l n 晶体成品出售。但是由于共熔型无掺杂的铌酸锂晶体在室温下的矫 顽场较高( 2 1k v m m ) ，制备大厚度的p p l n 晶体非常困难，因此目前市场上出 售的p p l n 晶体规格仍主要以o ，5 r a m 厚为主。 经过长期的研究，人们发现在铌酸锂晶体中掺入适量的m g o 可极大地降低 浙江人学博i 学位论文 第一章绪论 矫顽场，并同时可提高材料的抗光损伤阈值，使其更适合于在大功率激光条件下 应用。1 9 9 6 年，日本的a k u r o d a 等人首先成功地制备出了p p m g l n ( p e r i o d i c a l l y p o l e dm g o d o p e dl i t h i u mn i o b a t e ) 晶体，并发现掺5 m 0 1 m g o 的铌酸锂晶体在 常温下的矫顽场约为无掺杂时的1 5 ( 4 4 5k v m m ) 2 4 】。随后，1 9 9 9 年，m n a k a m u r a 等人采用液体电极成功地制备出了厚度为o 5 m m ，畴周期大小为 3 0 i _ t m ，长度大于3 0 m m ，占空比接近l ：1 的p p m g l n 晶体【2 5 】。2 0 0 3 年，h i s h i z u k i 等人系统地研究了掺5 m 0 1 m g o 铌酸锂晶体在不同温度下的矫顽场大小，并采 用油浴加热的方法控制反转畴的横向膨胀速度，成功地制备出3 m m 厚度均匀畴 极化反转的p p m g l n 晶体2 睨7 1 。2 0 0 5 年，该研究小组更是将p p m g l n 晶体的厚 度增加到了5 r a m 2 8 1 ，代表了当前世界上p p m g l n 晶体制备工艺的最高水平。 目前，美国、日本、中国台湾、加拿大、法国等国家和地区都已经掌握了比 较成熟的p p l n 及p p m g l n 晶体制备工艺，实现了商品化，并广泛地应用于科 学研究、军事防御、环境检测、通信等领域，但是器件的价格仍非常昂贵。 同时，国内的许多科研单位也看到了p p l n 及p p m g l n 晶体的广泛应用价 值，纷纷开展了相应的研究工作，已经成为该领域不容小觑的一股研究力量。在 国内，最早开始研究工作的是前面提到的南京大学闵乃本院士领导的研究小组， 他们从上世纪八十年代开始用c z o c h r a l s k i 提拉法制备超晶格晶体，研制出周期 性畴极化反转的铌酸锂晶体，之后，他们又研制出周期性畴极化反转的钽酸锂晶 体。天津大学姚建铨院士领导的研究小组也是国内较早开始p p l n 晶体制备的单 位之一。他们从1 9 9 4 年开始研究制备p p l n 晶体，并进行了倍频实验，取得了 较大进展，目前又在进一步深入研究周期性畴极化反转的k t p 晶体【2 9 1 。南开大 学与西南技术物理研究所合作在南开大学实验室发现，在铌酸锂晶体中掺入适量 的m g o 可提高材料的抗光损伤阈值【3 0 】。之后，南开大学在近化学计量比铌酸锂 晶体、掺杂铌酸锂晶体以及材料的周期性畴极化反转方面获得了较出色的成果 3 1 - 3 3 】。同时，上海交通大学、山东大学、电子科技大学、上海理工大学等单位也 在这一领域做了相应的实验与理论研究，取得了不错的成绩。 本课题小组从1 9 9 9 年开始着手周期性畴极化反转铌酸锂晶体制备工艺的研 究。目前已经成功完成了多种畴周期规格的0 5 m m 厚p p l n 晶体，l m m 厚 p p m g l n 晶体的制备，并且在不远的将来有望实现商品化。同时，利用自行制备 4 浙江人学博| 二学位论文第一章绪论 的p p l n 及p p m g l n 晶体，开展了近、中红外波段光参量振荡器实验研究，并 取得了可喜的成绩。 1 1 3 准相位匹配技术的应用 进入9 0 年代以来，随着准相位匹配技术的不断发展与周期性畴极化反转晶 体制备工艺的不断成熟，特别是外加电场法制备p p l n 及p p m g l n 晶体的成功， 准相位匹配技术的研究取得了突破性进展，而它的应用范围也变得越来越广泛。 利用周期性畴极化反转晶体，可产生可调谐的相干光源、可实现光脉冲压缩、可 产生t h z 波等，并可广泛地应用于环境检测、生物医学等领域 1 1 3 1 产生可见波段的相干光源 利用p p l n 、p p m g l n 等周期性畴极化反转晶体，通过光学倍频、和频等频 率变换过程可获得可见光波段的激光输出。目前，采用该方法，人们已经获得了 各种不同波长的可见光波段激光器，并广泛地运用于激光显示等领域。 1 9 9 7 年，gd m i l l e r 等人利用一厚度为0 5 m m ，畴周期大小为6 5 9 m ，长 度为5 3 m m 的p p l n 晶体，在6 5 w 波长为1 0 6 4 n m 的n d ：y a g 激光作用下，得 到了2 7 w 波长为5 3 2 n m 的倍频光输出，转换效率达到了4 2 t 3 4 1 。 1 9 9 8 年，w r b o s e n b e r g 等人采用一具有两个畴周期的p p l n 晶体，利用 输出波长为1 0 6 4 n m 的n d ：y a g 激光器，首先通过p p l n 晶体的第一个周期，产 生波长为1 5 4 0 n m 的参量光；然后通过第二个周期，由1 5 4 0 n m 的参量光与1 0 6 4 n m 的泵浦光和频，最后获得2 5 w ，波长为6 2 9 n m 的红光输出【3 5 1 。 2 0 0 4 年，南开大学的陈云琳等人采用l m m 厚的p p m g l n 晶体，在泵浦功 率为2 7 0 m w 时获得了2 7 8 m w 波长为4 6 0 n m 的激光输出【3 6 】。 2 0 0 7 年，a j e c h o w 等人利用p p l n 波导对分布反馈式半导体激光器输出 波长进行倍频，得到了1 5 9 m w 波长为4 8 8 n m 的可见光输出，非线性转换效率为 5 2 【3 7 】。 2 0 0 8 年，k s a k a i 等人在p p m g l n 平面光波导中实现了3 4 6 m w 的绿光输出 1 3 8 1 。 的波长为4 0 5 n m 脉冲激光，是当前这一波段最短的激光脉冲m 】。 研究表明，只要满足准相位匹配条件，超快脉冲激光通过简单的啁啾周期性 畴极化反转晶体，就能在完成非线性光学频率变换的同时实现光脉冲的压缩与放 6 浙江人学博：f ：学位论义第一章绪论 大。与传统技术相比，基于啁啾周期性畴极化反转晶体的超短脉冲压缩技术不仅 能使系统更紧凑、轻巧，而且能提供足够大的群速度色散( g v d ，g r o u pv e l o c i t y d i s p e r s i o n ) 对脉冲进行色散控制，且能完成对超高功率脉冲的处理。 1 1 3 4t h z 波产生 t h z 波是介于微波与红外波段之间的、频率大约在o 1 至5 0 t h z 范围内的电 磁波。利用t h z 波可以观察到许多用传统手段无法观测到的有趣的物理现象， 例如，可以探测到半导体亚带内的跃迁、分子的振动能级、晶体的声子共振等。 近年来，t h z 波作为一门新兴学科正快速蓬勃地发展着，并已经在理论与实验研 究上取得了不错的进展。 高品质p p l n 及p p m g l n 晶体的出现为t h z 波的产生提供了一种新的思路。 2 0 0 0 年，美国密西根大学的ys l e e 等人将宽带飞秒光脉冲注入到p p l n 晶体 中，观察到反向传播的t h z 波【4 7 1 。同年，他们又研究了p p l n 晶体中产生t h z 波的温度调谐特性，通过改变p p l n 晶体的温度实现了t h z 波频率在0 8 2 5 t h z 范围内的调谐【4 8 】。2 0 0 1 年，c w e i s s 等人提出了基于p p l n 光学整流的表面发射 t h z 波技术【4 9 】。2 0 0 2 年，日本ys a s a k i 等人利用二束光波在斜条形p p l n 晶体 中差频互作用获得了t h z 波表面辐射【5 0 】。利用p p l n 晶体产生t h z 波具有泵浦 阈值低、输出功率大、光谱带宽窄、可通过改变畴周期大小或者晶体温度实现波 长调谐等优点，因此，目前基于p p l n 及p p m g l n 晶体的t h z 波产生技术正在得 到越来越多的关注与发展。 除此之外，周期性畴极化反转晶体在高速光开关、纠缠态光子对产生、超短 脉冲自相关测量等领域均有相应的应用价值，此处我们不再一一赘述。 1 2 基于准相位匹配技术的光参量振荡器发展概况 光参量振荡器是基于准相位匹配理论的光学频率变换技术的重要应用，也是 本人博士期间研究工作的重要组成部分。在这一节中，我们主要针对基于准相位 匹配技术的光参量振荡器的国内外研究现状进行简单概括，并对其发展趋势做相 应的介绍。 7 泵浦功率下，产生了3 5 5 w 的3 2 5 9 m 的红外闲散光输出，量子效率达到了 8 6 【5 8 】。 1 9 9 8 年，p e p o w e r s 等人利用扇型结构的p p l n 晶体( a = 2 9 3 3 0 1 9 m ) ，以 1 0 6 4 9 m 的n d ：y a g 激光器作为泵源，通过环形腔结构在1 5 9 m 波段获得了8 0 n m 浙江人学博j ：学位论文第一章绪论 的可调谐输出，并将其用以检测环境中c 0 2 气体含量【5 9 】。 1 9 9 8 年及1 9 9 9 年，l l e f o r t 等人【6 0 】与el o z a a l v a r e z 等人【6 1 】分别利用锁模 激光器同步泵浦p p l n 晶体，在强闲散光吸收情况下，分别获得了6 3 9 i n 与6 8 9 m 波长的参量光输出。2 0 0 4 年，s h a i d a r 等人更是利用p p l n 光参量振荡器输出 的信号光与闲散光，通过a g g a s 2 晶体差频，将波长调谐范围进一步延伸到了 9 4 1 0 5 9 m 6 2 】。而在通常情况下，由于材料的吸收，p p l n 光参量振荡器的调谐波 长是很难达到这一波段的。 2 0 0 1 年，日本的h t a n i g u c h i 等人利用r p m g l n 晶体的高抗损伤阈值，利 用高功率n d ：y a g 激光器，在信号光波长为1 5 9 i n ，闲散光波长为3 3 9 i n 时获得 了平均功率大于6 0 w 非线性转换效率高达6 8 的输出。据我们所知，这代表了 当前该波段光参量振荡器的最大输出功率【6 ”。 除了在延伸光参量振荡器输出波长、扩展调谐范围、提高输出功率、压缩脉 冲宽度等方面所作的努力，人们还不断地尝试采用新的泵浦光源以及泵浦方式来 提高o p o 的转换效率。1 9 9 8 年，南安普敦大学的p e b r i t t o n 等人首次采用调q 的掺铒光纤激光器作为泵浦光源来泵浦p p l n 光参量振荡器【6 钔。2 0 0 5 年， d w c h e n 等人采用一功率为5 0 w ，工作波长为1 0 7 9 i n 的连续工作的帕光纤激 光器泵浦p p m g l n 晶体，在3 1 t m 波段获得了1 0 w 的光参量振荡输s t 6 5 】。采用 大功率光纤激光器作为泵浦光源为实现小型化且高效的光参量振荡器提供了一 种新的思路。 国内的科研机构，如前文曾提到的天津大学、南开大学、南京大学、哈尔滨 工业大学、中科院物理所等单位也都在基于准相位匹配技术的光参量振荡器领域 做了大量的工作。2 0 0 3 年，天津大学的张百钢等人采用准连续泵浦的全固态 n d ：y a g 激光器泵浦p p l n 光参量振荡器，获得调谐范围在1 4 8 1 5 4 p m 内的信 号光输出，平均输出功率大于1 4 0 r o w 6 6 】2 0 0 5 年，中科院物理所的林学春等人， 采用双振谐振腔结构，在3 4 1 1 t m 的闲散光波段获得了4 6 6 m w 的参量输出【6 7 1 。 2 0 0 7 年，朱江峰等人以钛宝石激光器作为泵源，采用同步泵浦的方式泵浦 p p m g l n 光参量振荡器，实现了输出信号光波长在1 1 1 3 1 t m 、闲散光波长在 2 0 8 2 9 3 9 m 范围内的调谐，信号光脉冲宽度为1 6 7 f s l 6 s 】。凭借较成熟的p p l n 及 p p m g l n 晶体制备工艺，本研究小组也在基于p p l n 及p p m g l n 晶体的光参量 9 1 3 本论文的立题意义及工作目标 虽然如前文所述，我国早在上世纪八十年代就开始着手研究p p l n 晶体的 制备工艺，但是目前研究工作仍只停留在实验室阶段，除台湾地区以外，目前国 内尚未见有商品化的p p l n 或者p p m g l n 晶体出现，商品化过程中与国际水平 仍存在较大的差距。同时，当前市面上出售的p p l n 及p p m g l n 晶体价格仍较 1 0 浙江大学博上学位论文第一章绪论 为昂贵，如果全部依靠进口，会极大地降低我们在后续基于p p l n 及p p m g l n 晶体的相关器件发展上的竞争力。基于这些考虑，本研究小组于2 0 0 0 年开始 p p l n 晶体制各工艺的研究，并于2 0 0 4 年开始p p m g l n 晶体的研究工作。