英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
通过光学活性石英晶体产生I型临界相位匹配晶体的三次谐波频率
摘要
我们提出了一种在355nm处的三次谐波的生成方法，该方法是在掺杂镱纳秒脉冲全光纤激光器中利用I型相位匹配的（LBO）晶体中的基波和二次谐波辐射相互作用来实现，其中原始的正交极化面基频波和二次谐波光束通过具有光学活性的石英晶体进行对准。实现了输出8W的355nm紫外光，并具有从1064nm基频光辐射光功率的40％的转换效率。在I型相位匹配条件下的LBO晶体中获得的转换效率比在类似的实验条件下在II型相位匹配条件下LBO晶体中实现的转换效率高了1.6倍。与传统上用于偏振对准的半波片相比，具有光学活性的石英晶体具有低得多的温度依赖性，并且对于实验需要的光学对准更加易于实现。
- 引言
目前，在诸如LED划线，芯片切割，通孔钻孔，塑料标记等各种工业领域的应用中，对于高功率紫外（UV）脉冲激光器的需求日益增长。与更常见的红外输出激光器相比，紫外（UV）激光器通过某些非线性光学材料可对紫外（UV）光线进行更高的线性以及非线性吸收，并且它们拥有实现更小聚焦点的可能性的优点。如今大多数市场上出现的脉冲输出紫外激光器是二极管泵浦固态激光器，或半导体激光器或Yb掺杂光纤主振荡器功率放大器（MOPA）激光器，它们的工作波长都在1 micro;m附近，输出的脉冲具有腔内或腔间输出连续激光的三倍或四倍的频率（参见[1]和其中的参考文献）。 泵浦激光输出光束在准直器之后具有0.5mm的直径（FWHM）。为了优化二次谐波和基波功率之间的比率，使和频转换效率达到最高，我们通过调整倍频LBO晶体的温度使倍频转换效率从最佳值失真。在0.35micro;m波长附近工作的大多数紫外（UV）激光器中采用的是常规的三次谐波生成方法（光学和频）包括了两阶段的工艺：I型相位匹配非线性光学晶体中的二次谐波产生（SHG）和 II型相位匹配晶体的基波和二次谐波的相互作用。在这两阶段的工艺中常用到（LBO）晶体，因为它们具有高的高损伤阈值，高的非线性系数，在可见光和紫外（UV）范围内的低吸收性，以及高的晶体生长产率。本文所描述的方案的普及可以通过其易于实现的优势来解释：在第一块非线性晶体的输出混合光中，我们具有在正交平面中极化的基频光束和倍频光束，这正是在第二个非线性晶体中II型相位匹配条件所需要的光波的极化条件。因为除了光束聚焦外，非线性晶体之间不需要其它的光束特性改变。光学和频的替代方式是使用I型相位匹配晶体处理两个不同的过程[2]。在某些普通的非线性光学晶体中，在I型相位匹配条件下获得更高的和频产生转换效率的方法有一个好处。我们建议在用于和频效应过程的I型相位匹配晶体之前，在非线性光学晶体（例如石英晶体等）中使用光学活度来对准基波和二次谐波的偏振平面。这些晶体中的比光学活度（单位长度晶体的极化旋转角）rho;具有很强的波长依赖性（近红外可见光范围内随波长增加单调减小），倍频 LBO晶体的输出辐射由正交偏振的基波和二次谐波共传播光束组成。这些光束被聚焦到具有35mm焦距的透镜的第二和频LBO晶体中用于三次谐波的生成。
表1比较了I型和II型LBO晶体中的光学倍频参数。使用表1中的光学倍频转换效率值和三次谐波光束的输出强度与有效非线性极化系数的平方成正比的事实，可以计算出在I型相位匹配条件下的LBO晶体中，总的频率转换效率比在60°C的355nm波长的II型相位匹配条件下的LBO晶体中的总转换效率高约2.2倍。另外，在I型相位匹配方案中，基波和二次谐波之间的相互作用不存在空间偏移，这消除了II型相位匹配中存在的晶体长度的限制[3]。然而，三次谐波波束相对于基波和二次谐波波束存在着非零空间偏移。这种效应导致了355nm的输出光束中包含有一些椭圆偏振光，这被认为是一个小问题，并且可以通过例如非晶棱镜作用来补偿损耗。因此，由于具有较高的非线性系数和不存在晶体长度的限制，I型LBO晶体中的和频效应明显具有更高的转换效率。这对于具有低IR泵浦峰值功率的器件尤其重要，例如光纤激光器。通过和频LBO晶体的角度调整，可以在不同的温度下获得不同的相位匹配角度。然而，对于给定的温度变化，II型相位匹配晶体需要比I型相位匹配具有更大的角度调谐范围。因为我们能够测量II型相位匹配晶体的性能只有大约60°C的范围，而I型相位匹配晶体在55到155°C的更宽的范围内被测试。更高频率转换的效率还提供了通过放宽倍频晶体中的聚焦条件来降低晶体材料降解速率的方法。
表1. 在355nm波长激光在60°C下的I型相位匹配和II型相位匹配LBO晶体的倍频参数
I型相位匹配非线性光学晶体中的二次谐波产生（SHG）和 II型相位匹配晶体的基波和二次谐波的相互作用。在这两阶段的工艺中常用到（LBO）晶体，因为它们具有高的高损伤阈值，高的非线性系数，在可见光和紫外（UV）范围内的低吸收性，以及高的晶体生长产率，然而，I型相位匹配方案的特性是基波光束和倍频波光束必须在同一平面中进行极化。这意味着经过第一个非线性晶体之后还需要偏振控制元件来改变光波的偏振态。通常为了达成此目的，会在实验装置的非线性光学晶体之间插入波片[6]。该波片应同时向基波光束提供半波长相移，并将整个波长相移到二次谐波波束。如果这种波片的相位轴相对于基波束的偏振平面定向成45°，则通过波片后，基波的偏振翻转90度，而二次谐波的偏振将保持不变。用这种方式，基波和二次谐波的极化将变得共线。
然而，使用波片有以下缺点：
1) 相移具有的高温度依赖性（可能导致三次谐波输出功率不稳定）,
2) 谐振波长依赖性（这需要非常高精度的波片制造，从而导致该元件的高成本），
3) 要求在光束传播轴周围进行精确的角度调整（使波片安装变得复杂）。
值得一提的是，由于寻常光和非寻常光的折射率的绝对值的分散，导致不可能制造出在基波和二次谐波波长下工作的单波长相移波片。因此，所需的波片将具有相当数量的整数波长（N）的相移，并且依次具有N倍的热依赖性。
在本文中，我们建议在用于和频效应过程的I型相位匹配晶体之前，在非线性光学晶体（例如石英晶体等）中使用光学活度来对准基波和二次谐波的偏振平面。这些晶体中的比光学活度（单位长度晶体的极化旋转角）rho;具有很强的波长依赖性（近红外可见光范围内随波长增加单调减小）[8]。因为如果基波和二次谐波光束在光轴方向上通过光学活性材料传播，它们的偏振平面将以不同的速度旋转并且将在一定位置精确地重合。:
获得基波和二次谐波光束偏振对准的光学活性晶体的最小长度L可以由下式计算：
（1）
其中和分别是基波和二次谐波波长的特定光学活动。
我们通过等式（1）给出的长度为L的光学活性晶体来考虑共线条件下和初始垂直偏振条件下的基波和二次谐波的传播情况。
在光学活动晶体的输出端面，基波和二次谐波光束偏振围绕光束传播轴旋转角度分别为。因此，基波和二次谐波光束将相对于原始基波谐波偏振以的相同的角度共线偏振。以上所描述的方法的益处在于其低得多的温度依赖性。
图1给出了在1064nm处6.9mm长的石英晶体的偏振旋转角的实验测量依赖性。如图1所示，在15-55°C的范围内石英晶体的偏振旋转角几乎没有变化。此外，不需要石英晶体的精确调谐。表2给出了波长分别为1064nm和532nm的条件下（石英）和晶体所需的最小光学活性晶体长度L，偏振旋转角以及比光学活度。最终所得到的极化旋转角度为负或为正取决于光学活动的类型（顺时针或逆时针）。
- 实验结果与讨论
实验装置如图2所示。掺镱纳秒脉冲光纤激光器（IPG光子学）被用作泵浦源。泵浦激光器的输出是1064nm波长的红外光，小于0.1nm线宽（FWHM），21.5W平均功率，1.5ns脉冲持续时间（FWHM），18kW峰值功率的线偏振单模光束。
Fig. 1. Experimental temperature dependence of a polarization rotation angle of a 6.9 mm quartz crystal.
图1 6.9mm石英晶体的偏振旋转角的实验温度依赖性。
Table 2. Properties of Some Optically Active Crystals
表2 一些光学活性晶体的性质
由表可知，输出的光脉冲的输出频率调节在20〜791kHz的范围内。输出光脉冲的参数（即脉冲能量，持续时间和峰值功率）在所有重复率下是恒定不变的。本文提供的所有实验数据均在791 kHz频率条件下获得。 泵浦激光输出光束在准直器之后具有0.5mm的直径（FWHM）。为了优化二次谐波和基波功率之间的比率，使和频转换效率达到最高，我们通过调整倍频LBO晶体的温度使倍频转换效率从最佳值失真。沿着光束传播轴方向调整透镜#2的位置和和频LBO晶体的位置。这样，和频LBO晶体的聚焦腰径在50〜150mu;m的范围内变化。我们对每个和频LBO晶体进行了优化处理。 15mm长的I型相位匹配和II型相位匹配条件下的和频LBO晶体的转换效率最高的时候，输出达到了约70micro;m的IR束腰径
将光束聚焦成具有用于二次谐波产生的40mm焦距透镜的20mm长的I型LBO晶体。对于倍频过程，我们在150℃的温度条件下使用非临界相位匹配。 LBO晶体的输入和输出表面均为1064和532 nm波长的抗反射膜（AR）。倍频 LBO晶体的输出辐射由正交偏振的基波和二次谐波共传播光束组成。这些光束被聚焦到具有35mm焦距的透镜的第二和频LBO晶体中用于三次谐波的生成。
图2 实验设置
我们使用II型和I型相位匹配条件下的15 mm长的LBO晶体进行光学和频。
两个晶体在输入端面具有1064和532nm的增透涂层，在输出断面具有保护涂层。晶体温度变化范围为55摄氏度到155摄氏度。当使用I型相位匹配条件的倍频LBO晶体时，在LBO晶体之后放置4.39mm长的光学活性石英晶体以匹配基波和二次谐波的极化。石英晶体具有1064和532nm波长的双面增透膜。来自和频LBO晶体的输出光束被引导到两个分色镜中以滤出未完成频率转换的基波和二次谐波辐射。测得的红外（IR）光束的最小束腰直径位于倍频LBO晶体的中间，大小约等于70micro;m。在这些条件下，实现了75%的二次谐波最佳转换效率。然而，为了优化二次谐波和基波功率之间的比率，使和频转换效率达到最高，我们通过调整倍频LBO晶体的温度使倍频转换效率从最佳值失真。沿着光束传播轴方向调整透镜#2的位置和和频LBO晶体的位置。这样，和频LBO晶体的聚焦腰径在50〜150mu;m的范围内变化。我们对每个和频LBO晶体进行了优化处理。 15mm长的I型相位匹配和II型相位匹配条件下的和频LBO晶体的转换效率最高的时候，输出达到了约70micro;m的IR束腰径。由于基波光束的偏振面相对于Yb光纤激光输出光束的偏振面旋转了石英晶体27.7度（参照表2），所以和频LBO晶体围绕光束传播轴旋转相同的角度，以使晶体的Z轴与入射的基波和二次谐波束的偏振平面对齐。
实验测量355 nm辐射功率和和频转换效率对1064 nm泵浦功率的依赖关系如图3所示。在60 °C温度下切割II型相位匹配条件下的和频LBO晶体进行相位匹配，而将I型相位匹配条件下在100 °C下切割。通过和频LBO晶体的角度调整，可以在不同的温度下获得不同的相位匹配角度。然而，对于给定的温度变化，II型相位匹配晶体需要比I型相位匹配具有更大的角度调谐范围。因为我们能够测量II型相位匹配晶体的性能只有大约60°C的范围，而I型相位匹配晶体在55到155°C的更宽的范围内被测试。请注意，我们通过乘以在不具有抗反射涂层的输出晶体表面中负责反射损耗的1.05的校正因子，可以计算出实际测量的355nm功率的总产生量。从图中可以看出。 如图3所示，在55℃温度下，在I型相位匹配和频LBO晶体中实现了355nm紫外光的最大的辐射功率为6.4W。这对应于从1064nm到355nm的30％转换效率，其是在II型相位匹配和频晶体方案中获得的频率转换效率的1.6倍。在155℃下，在具有33％转化效率的I型LBO中实现了7W的355nm紫外光输出功率。
从图中也可以看出。 3在I型晶体中，即使在最高的泵浦功率下，我们也没有达到355 nm的转换效率饱和度，因此我们希望在更高的泵浦激光峰值功率下获得更高的效率。如引言中所述，提高效率的另一种方法是使用更长的I型相位匹配和频晶体。图4示出了在具有两个未涂覆侧面的27mm长的LBO晶体中获得的355nm输出功率和和频转换效率的红外光功率依赖性。 实现了8W的紫外光的转换效率为40％，没有达到饱和。请注意，我们再次使用1.05的校正因子来考虑输出表面反射损耗。 输入面损失没有被考虑在内。测量在50℃的晶体温度下进行。 如上所述，在较高温度下，可获得更高的紫外光功率和更高的转换效率。
然而，由于27mm晶体使用的烤箱的操作温度受限，我们无法进行进一步的验证。
图3 在155℃（三角形），55℃（圆圈）和II型LBO晶体的温度下，III型LBO晶体的三次谐波辐射功率（a）和THG转换效率（b） 在60°C温度（正方形）。 两种晶体长15毫米。
图4 在50°C温度下，I型27 mm长LBO晶体的三次谐波辐射功率（a）和THG转换效率（b）对基波泵浦功率的影响。
- 结论
我们已经演示了基于使用I型相位匹配LBO晶体和光学活性石英晶体的三次谐波的生成方法。该方法比常规II型相位匹配方案显着更有效。将全光纤纳秒级Yb掺杂的MOPA激光器的输出转换为8W的355
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[138536]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
