高峰值功率皮秒激光系统KTP和BBO倍频技术研究
激 光 与 红 外 Vo .l 37, No. 5 第 37卷 第 5期
年 5月 2007M ay, 2007 LA SER & IN FRAR ED
( ) 文章编号 : 100125078 2007 05 20421203
高峰值功率皮秒激光系统 KTP和 BBO 倍频技术研究
1 2 2 2 2 2 夏 锐 ,毛小洁 ,王伟力 ,秘国江 , 杨文是 ,孙维娜
( )1. 东北电子技术研究所 ,辽宁 锦州 121000; 2. 华北光电技术研究所 ,北京 100015
( )()β摘 要 :文中对非线性光学晶体 KTiO POKTP和 2B aBOBBO 在窄脉宽 300p s,峰值功率 4 2 4 9 ( )2 ×10W 激光系统中倍频技术进行了实验研究和理论分析 ,在基频光 1064 nm 能量为 550mJ
β时 , KTiO PO的二倍频效率达到 60 % ;2B aBO二倍频效率达到 40 % 。并对 KTiO PO进行了 4 2 4 4 2 损伤阈值实验 ,得出其损伤阈值为 1. 13 GW / cm,这对使用 KTP晶体在皮秒级脉宽时获得最佳
非线性转换而可能实现的功率密度提供了参考依据 。
关键词 :倍频技术 ; KTP晶体 ; BBO 晶体 ;损伤阈值
中图分类号 : O 734文献标识码 : A
The KTP and BBO Frequency D oubling Technology
Research w ith H igh Peak Power ps2grade La ser System
1 2 2 2 2 2X IA 2R u i, MAO X iao2jie, WAN G W e i2li, B I Guo2jiang, YAN G W en2sh i, SUN W e i2na
( 1. The No rthea st R e sea rch In stiu te of E lec tron ic techno logy, J inzhou 121000 , Ch ina; )2. No rth Ch ina R e sea rch In stitu te of E lec tro2op tic s, B e ijing 100015, Ch ina
A b stra c t: The exp e rim en t and the theo ry ana lyse s abou t frequency doub ling techno logy of non linea r c rysta l KTiO PO 4
9 ( ) β() KTPand2B aBOBBO w ith p u lse w id th of 300p s, h igh p eak powe r of 2 ×10 W a re ca rried. W hen the inp u t 2 4 βligh t ene rgy is 550mJ , the KTiO POfrequency doub ling effic iency a tta in s 60% ; the2B aBOfrequency doub ling effi2 4 2 4
2 c iency is to 40 %. A nd the KTiO POdam age th re sho ld is 1. 13 GW / cm . It ha s impo rtan t refe rence va lue to ca rry on 4
( ) the be st frequency doub ling exp e rim en t abou t the non linea r c rysta l KTiO PO1064 nm . 4 Key word s: frequency doub ling techno logy; KTP c rysta l; BBO c rysta l; dam age th re sho ld
[ 2 ] β() 1 引 言应用 ,但损伤阈值不太高 。2B aB O BBO 晶体 2 4
频率转换是一种扩大高功率激光器的应用范围 是 20世纪 80年代中期我国首先研制成功的非线性 [ 4 ] 的有效技术 ,它利用光学介质在强辐射场下的非线 晶体 ,它从紫外到中红外范围内的非线性频率转 性光学效应产生新的频率 。1961年 , F ranken和他的 换的特性非常好 ,有较大的非线性系数 ,大的温度容 同事们发现 ,当红宝石激光束通过石英晶体时 ,能够 限 ,小的吸收系数及很高的损伤阈值 ,其主要不足是 [ 1 ] 产生两倍频该光束的紫外光 ,人们就对各种非线 角度容限小 。因此 ,对有效的倍频 ,要求有好的光束 性光学晶体的倍频特性进行了深入的研究 。 质量 。
现有 的用 于 非线 性频 率 变换 的晶 体 KTiO PO 4 ( )KTP以其非线性系数大 、吸收系数低 、不易潮解 、
化学稳定性好和倍频转换效率高等特点得到了广泛 ( ) 作者简介 :夏锐 1971 - , 男 , 高级工程师 , 主要从事光电技术
应用研究 。 E2m a il: m aoxiao jie991220 @163. com
收稿日期 : 2006 211 222;修订日期 : 2006 211 224
9 本文利用窄脉宽 300p s,峰值功率 2 ×10W 锁2. 2 KTP的数值计算 [ 7 ]模激光系统对非线性光学晶体 KTP 和 BBO 的倍频 KTP晶体波长与折射率经验公式为 技术进行研究 , 得到了 532 nm 的大能量绿光输出 , 2 2B λ ( )n= A + - D2 并对 KTP和 BBO 的二倍频 转换 效率 、影 响 频率 转 2 λ - C 换效率因素进行了详细的研究 ,以及对 KTP进行了 2 式中 ,常数 A = 3. 0065, B = 0. 03901, C = 0. 04251, 损伤阈值实 验 , 得出 其损 伤 阈值 为 1. 13 GW / cm, λ D = 0. 01327。当 = 1064 nm 时 , n= 1. 740。KTP晶 x 这对在皮秒级脉宽时使用 KTP 晶体获得最佳非线 体的有效非线性系数与入射角的经验公式为 : 性转换而可能实现的功率密度提供了参考依据 。
2 2 ( ) θ( ) θd=d- dsin 2< sin 2- dsin < + dcos
表
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示为 k = n n 。其中 , 为极化波的波1 2 1 λ 12 ( ) θd= dsin 3 < + dco s 3 < co s eff 11 22 ; n和 n分别为基频光与倍频光的折射率 。倍频长 1 2 ( ) 其中 , d= 5. 8 ×dKD P; d< 0. 05 ×d;晶体尺 寸11 36 22 11 [ 5 ] 光与入射基频光的功率之比为 : θ 为 15mm ×15mm ×7mm , 相位匹配角 = 22. 9 , ?离散
角 < = 0 ,? 则 d= 2. 0pm /V。 eff PP ωΔ2ω 2 1 / 2 1 / 2 sink l /2 )( = tanh [ lK ( ) 1 ] 3 实验结果及分析Δk l / 2 A P ω
32 2 3. 1 KTP晶体倍频实验 实验所用基频光为锁模固ηω 式中 , K = 2d ; l为倍频晶体的长度 ; A 为基频eff
体激光器输出的脉宽 ηω 光束的面积 ;为平面波阻抗 ; 为基频光的频率 ;9 ( )3 300p s,并 经过 放大 系 统后 的高 峰值 功 率 2 ×10Wχ d为倍频晶体的非线性极化率张量 的有效非 eff激光 。 KTP倍频后能量和基频光能量的关系如图 2 线性系数 。
所示 。 θ当光波传播方向与光轴成 角时 , 则由下式给 [ 6 ] 出非常光的折射率 :
o e n n eθ n=o 2 2 e 2 21 / 2( ) θ( ) θ [ nsin+ nco s]
式中 ,“o”和“e”分别为寻常光与非常光。 根据入射
光束偏振矢量的两种可能方向 ,谐波的产生过程分
为两类 : ?类过程中两偏振矢量相互平行 ; ?类过程
中两偏振矢量相互垂直 。负单轴晶体有两条折射率
Δ面相交线 ,且 k = 0, 则 :
e o (θ)?类 = nn 12
泵浦能量 /mJ 1 e e o (θ)(θ) ?类 = [ n+ n]n 1 1 2 图 2 1064 nm 基波泵浦能量和倍频后能量的关系图 2
夏 锐 毛小洁等 激 光 与 红 外 No. 5 2007 高峰值功率皮秒激光系统 KTP和 BBO 倍频技术研究 423
随着泵浦能量增加 ,倍频能量也相应增大 。当
泵浦能量 为 550mJ 时 , 经 过 KTP 倍 频 后 输 出 能 量
330mJ ,倍频效率达到 60% ,如图 2中箭头 1所示 。此 ω时 ,基波光束是高斯光束 ,其光斑半径为 = 7. 5cm。 0
2 2 πω 因此 ,光斑面积为 A == 176. 625 cm。基波功率0
密度由公式 :
E( )3 I = τ A
τ 其中 , E 为基波能量 ; A 为光斑面积 ;为脉冲宽度 ,基波能量 /mJ 2 得出此时功率密度为 1. 04 GW / cm。为得到 KTP的 图 4 BBO 倍频效率稳定在 40 %左右 损伤阈值 ,继续增加基波能量 ,当基波能量为 600mJ 当基频光从 557 ,623mJ 时 , 倍频效率最大 为 2 τ 时 , 此时 , E = 600mJ , A = 176. 625 cm,= 300p s,由 42. 3 % ,最小为 37. 8 % ,倍频效率抖动不超过 3 % , 2 ( )式 3 得功率密度为 1. 13 GW / cm。倍频晶体上已 很稳定 ,说明功率密度已达到饱和 ,随着泵浦能量的 有 小 点 , 晶 体 已 经 达 到 损 伤 阈 值 , 即 为 增加 , 倍 频 效 率 并 没 有 升 高 。因 此 , 功 率 密 度 为 2 [ 8 ] 1. 13 GW / cm。说明所用 KTP 晶体比一般 小尺寸 2 ( ) 1. 05,1. 18 GW / cm 是较佳的工作段 。 晶体的损伤阈值高 ,这对使用 KTP 晶体在皮秒级脉
4 结 论宽时获得最佳非线性转换而可能实现的功率密度提
供了参考依据 。 对 非 线 性 光 学 晶 体 KTP 和 BBO 在 窄 脉 宽
9 3. 2 BBO 晶体倍频实验 300p s,峰值功率 2 ×10W 激光 系统 中 倍频 技术 进
实验所 用基 频光 为 1064 nm , 脉宽 为 300p s, 锁 ( )行了实验研究和理论分析 ,得出在基频光 1064 nm 模固体激光器经放大输出的单脉冲 ,高峰值功率激 500mJ 时 , KTP 的二倍频效率达到 60 % ; BBO 二 倍 光 。光束质量良好 ,并且非常稳定 。BBO 倍频时基 频效率达到 40 % 。并对 KTP进行了损伤阈值实验 , 波能量和输出能量的关系曲线如图 3所示 。 2 得出其损伤阈值为 1. 13 GW / cm,这对使用 KTP 晶
体在皮秒级脉宽时获得最佳非线性转换而可能实现
的功率密度提供了参考依据 。
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浙公网安备 33021202002483