（光学专业论文）knbo3晶体外腔谐振倍频的理论与实验研究.pdf

中文摘要 k n b 0 3 晶体外腔谐振倍频的理论与实验研究 摘要 k n b 0 3 晶体具有较大的非线性光学系数( 破= 1 7 9 p m v ，吐，= 2 0 9 p m v 8 5 8 n m ； d ，= 1 5 8 p m v d = 1 8 ，3 p m i v 1 0 6 4 n m ) ，抗光损伤i 蜀值太于3 5 0 m w l c m2 ，被广 泛用于中低功率激光器近红外光( 8 4 0 n t o 1 l o o n m ) 的二次谐波产生，如二极管激光器、l d 泵溏的圊体激光器、t l ：s a p p h i r e 激光器及连续的n d ：y a g 激光器。该晶体采用非临界相位 匹配方式，用d 3 ：系数倍频波长约为8 6 0 r i m 的激光，在室温下即可实现相位匹配条件，因 此被广泛用于蓝光激光源的产生。而此蓝光激光源在激光制冷、高密度光储存、数字视频 技术、彩色激光显示及激光印届怵、激光医学、材料科学等许多领域都有着重要应用和潜 在市场，所以对蓝光激光源的研究也越来越广泛和深人。 在量子光学中，该蓝光作为下转换的泵浦源，可以产生8 6 0 r i m 非经典光场，其探测效 率可达9 9 9 ，高于目前产生的其他任何波段的非经典光场。同时通过温度调谐，可望产 生与铯原子d 2 线作用的8 5 2 n m 波段的压缩真空态，从而开展非经典光场与冷原子的相互 作用等方面的实验研究。 本文主要通过k n b 0 3 晶体外腔谐振倍频技术来产生蓝色激光光源。其主要内容如下： ( 1 ) 从理论上分析了k n t , 0 3 晶体外腔谐振倍频的产生原理。根据对其倍频原理及性能的 分析讨论，在用该晶体完成波长从8 5 8 n m 到4 2 9 , a m 的二阶菲线性转换时，采用非临界相 位匹配条件( 此时无离散效应，对应的双折射参数b = 0 ，共焦长度为 = 2 8 4 ，最佳相 位失配因子为o = 0 5 7 4 ) ，在相位匹配温度约为2 3 5 ”c 时，理论上通过计算得到理想情 况下非线性转换系数约为1 4 5 m ( 长度为7 m m ) ，2 0 7 w ( 长度为1 0 m , m ) 。 ( 2 ) 根据最佳聚焦条件和腔的稳定性条件( 1 a + d l 2 ) 对四镜环型倍频腔进行了设计， 并分月4 从模式匹配”和嘬佳输入耦台镜透射率的选择”两方面着手对腔进行优化，在 我们的实验中采用1 0 的输入耦合镜，获得阻抗匹配效率为9 9 9 6 ，空间模式匹配效率高 于9 5 以上的模式。 ( 3 ) 采用钛宝石激光器作泵浦源，泵浦单共振的k n b 0 3 晶体外部环型倍频腔，在室温附 近产生了稳定的4 2 9 n m 蓝光激光源。泵浦功率为6 0 0 m w 时，由于两种效应“蓝光导致红 外吸收( b l g r a y 和“热效应( t h e r m a le f f e c t s ) ”的严重影响，室温下( 约2 1 5 0 c ) 获得了3 9 的倍频转换效率：采用边带锁频技术，5 6 5m w 的泵浦光获得1 3 7m w 的蓝光 输出，在没有外界强烈的干扰下可以锁定1 小时以上而不失锁。 ( 4 ) 简单介绍了b b o 晶体8 5 2 n m 倍频的实验原理。从分析其性能出发通过计算指出，使 用b b o 晶体获得倍频4 2 6 n m 蓝光( 切割角度为2 7 4 3 0 ，长度为1 0 m m ) ，虽其非线性转 换系数小，但由于该晶体的损耗小，在泵浦功率约为6 0 0 m w 时，理论上同样可以得到5 0 的倍频转换效率。但基于离散角大( 约为3 7 1 1 0 ) 、接受角度又小( 约0 , 3 5 m r a d ) 。所以 会给倍频过程调节带来了一定的难度。 a b s l r a c t t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho i le x t e r n a lc a v i t y f r e q u e n c y d o u b l i n gb yu s i n gk n b o ac r y 3 娩i a b s t r a c t p o t a s s i u m n i o b a t e ( k n b 0 3 ) h a s t h e l a r g e s t n o n l i n e a r o p t i c a lc o e f f i c i e n t ( 屿f = j 7 助m v ， 也2 = 2 0 9 p m v 8 5 8 n m ；d 3 i = 1 5 8 p m v ，d 3 2 = 1 8 3 p m v 1 0 6 4 ，z m ) a n dm l a f i 、? l a r g ed a m a g et h r e s h o l d ( a b o u t3 5 0 胁v c m2 ) h e n c e i ti sw i d e l yu s e df o rs e c o n dh a r t n ( 1 i l i ( 1 g e n e r a t i o n ( s h g ) w i t hn e a i h a f r a r e dl a s e r s ( 8 4 0 r i m - 1 1 0 0 m a ) a tl o wa n dm e d i u mp o w e rl e v e l ， s u c ha sd i e d el a s e r s d i o d ep u m p e ds o f i ds t a t ek e r s ，t i ：s a p p h i r ei a s e r sa n dc wn d ：y a g l a s e r s m o r e o v e r , i ti sp o s s t h l et or e a l i z en o n m t i c a lp h a s e m a t c b , i n g ( t y p e 一目a tr o t 3 mt e m p e r a t = l ：u e a r o , a n d8 6 0 h mw i t hl a r g en o n l s t e a ro p t i c a lc o e f f i c i e n td - 3 z s o ，k n b 0 3i sf o u n dt ob eo i co ft h e m o s tm _ l p o r t a n tc r y s t a l sf o rt h eg e n e r a t i o no fb l u eh 曲tr e s e a r c ho nt h cg e n e r a t i o no fb l u el a s e r s h a sb e c o m eaf o c u sb e c a u s eo fi t si m p o r t a n ta p p f i c a t i o n sa n dp o t e n t i a lc o m m e r c i a lv e j u ei ni n a , q y & l d s s u c ha sh i g h - d e n s i t yo p t i c a ls t o r a g e ，n u m e r i cv i d e o - f r e q u e n c yt e c t m i q u e ，c o l o rl a s e rv i s i o n ， l a s e rt y p o g r a p h y , l a s e rm e d i c i n ea n dm a e f i ns c i e n c ea n ds oo n i nt h ef i e l do ff i m d a m e n t a lm s e a r c h s u c ha sq u a n t u mo p t i c s ，b l u ef i g h tc - a nb eu s e da sa p u m ps o u i e eo fo p d c a lp a n a m e n co s c i l l a t o rf o p 0 1t og e n e r a t e 也en o n c l a s s i c a ll i g h tf i e l d s a r o u n dw a v e l e n g t ho f8 6 0 r a n w h i c hc a nb ed e t e c t e dv n t h9 99 o fq u a n t u me 西c i e n c y , t h e h i g h e s te f f i c i e n c yi nt h em e a s l l r e m e n to fn o n c l a s s i c a lt i g i i t a sk l l o w ny e t i ti sa l s op o s s i b l et o g e n e r a t et h es q u e e z e dv a c u u ms t a t e a t8 5 2 n m ，w h i c hi st h er e s o n a n c ew a v e l e n g t ho ft h e w a a s i t i o nl i n ed 2o fc e s i u ma t o i r h sa n dc a l lb es u p p o s e x lt oi n v e s t i g a t et h ep r o p e v i e so fa t o m i c r a d i a t i o ni nt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e na t o m sa n dq u a n t u ms a t eo fl i g h tf i e l d s t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h eg e n e r a t i o no fb l u el i g h tb yu t i l i z i n gt h ee x t e r n a lf f “- l u e n c 3 + d o u b l i n gw i l ：! lk n b 0 3 f o u o w i n g i sa b o u tt h ec o n t e n t s 1w ea n a l y z et h eg e n e r a t i o no fe x t e r n a lc a v i t yf f e q u e n c y ! o u b l i n g 谢t lk n b c hc r y s t a l t h e o r e t i c a l l y i n , o r d e rt og e td t es e c o n d o r d e rn o n l i n e a rc o n v e r s i o nf r o m8 5 8 n mt 4 2 9 n mw i t hk n b 0 3 w eu s en o n - c r i t i c a lq p e ip h a s e m a t c h i n gt oa v o i dt h ew a l k - o f f e f f e c t t h ec o r r e s p o n d i n go p t i m u mf o c u s i n gc o n d i t i o ni sa s f o l l o w i n g s ：d o u b l e r e f r a c t i o np a r a m e t e rb = 0 ，f o c u sp a r a m e t e r = = 2 8 4 ，o p t i m u mp h a s em i s m a t c h p a r a m e t e ro = o 5 7 4 b a s e do nt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n s w eo b t a i nt h ei d e a ln o n l i n e a rc o n v e r s i o nc o e f f i c i e n ta b o u t1 4 5 9 rw i t hc r y s t a ll e n g t h o f7 m ma n d2 0 7 ww i t hc r y s t a ll e n g t ho fl o m ma tt h ep h a s e m a t c h i n gt e m p e r a t u r e a m u n d2 3 5 0 c a b s t r a c t 2 w ed e s i g nac o n f i g u r a t i o no ff r e q u e n c y - d o u b l e ra c c o r d i n gt ot h eo p t i m u mf o c u s c o n d i f i o na n dt h ec a v i t ys t a b i l i t yc o n d i f i o nf a + d i b ，由于在晶体| t l j i 光求 发散增大反而降低了倍频效率，所以我们就需考虑最佳聚焦的问题，为此引入一个倍频效 率因子a 。p 。，b ， ) ，y r q 做b o y d - - k l e i n m a n 聚焦因子。当考虑到双折射及衍射等效应 时，通过计算得到单次通过的晶体非线性系数为：f m - 3 1 ：鲁：罢 地p r e , b , 亭) 泣1 - 2 8 ) k ( d ，b ，孝