利用双光学参量振荡器结构输出4_3_m激光方案

利用双光学参量振荡器结构输出4_3_m激光 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 利用 双 光 学 参 量 振 荡器 结 构 输 出 4.3 μm 激 光 方 案 姜 海 林 ，卞 进 田 ，聂 劲 松 ，孙 晓 泉 ,脉 冲 功 率 激 光 技 术 国 家 重 点 实 验 室 ，安 徽 合 肥 ,230037 摘要 ,鉴 于 中 红 外 激 光 的 重 要 应 用 价 值 ， 提 出 了 分 别 用 2.1μ m 和 2.7μ m 激 光 泵 浦 ZnGeP(ZGP) 2光 学 参 数 振 荡 器 ，采 用 不 同 相 位 匹 配 方 式 输 出 的 激 光 方 案 ，计 算 并 比 较 了 匹 配 角 、 走 离 (OPO) 4.3μ m 角 、 有 效 非 线 性 系 数 、 泵 浦 光 的 允 许 线 宽 、 允 许 发 散 角 、 参 量 输 出 光 的 线 宽 以 及 ZGP 对 泵 浦 光 的 吸 收 系 数 等 ， 确 定 最 佳 方 案 为 利 用 1.06μ m 激 光 泵 浦 内 腔 式 KTP OPO 输 出 的 2.7μ m 激 光 作 为 泵 浦 源 ， 采 用 第 ?类 匹 配 方 式 泵 浦 ZGP OPO 输 出 4.3μ m 激 光 ， 该 方 案 克 服 了 传 统 方 案 的 不 足 ，并 给 出 了 实 验 装 置 图 ，选 择 了 合 适 的 实 验 参 数 ，计 算 了 相 应 参 数 对 ZGP OPO阈 值 的 影 响 。2 .7μ m 初 步 实 验 结 果 表 明 ,此 方 案 切 实 可 行 ，为 下 一 步 4.3μ m 激 光 输 出 实 验 奠 定 了 基 础 。 关 键 词 ,非 线 性 光 学 , 4.3 μm 激 光 , 光 学 参 量 振 荡 器 , ZGP 中 图 分 类 号 ,TN 248 文 献 标 志 码 ,A 文 章 编 号 ,100 72276 ,2011 ,02021004 --- Theoretical investigation on a method generating 4.3μ m laser basedon the tandem optical parametric oscillator Jiang Hailin, Bian Jnitian, Nie JinsongS, un Xiaoquan (StateK ey Laboratoryof Pulsed Power Laser TechnologHye, fe i 230037,Chin a) Abstract: The schemeof ZnGeP(ZGP) optical parametric oscillator (OPO) generating 4.3 μm laser with 2 different phase m atching types pumped by 2.1 μm and 2.7μ m laser respetcively were presentedin view of the important application value of mid -infrared laser. The phase m atching angle, walkoff angle, effective nonlinear coefficient, allowable linewidth and divergence angle of pump laser, linewidth of output laser and a bsorption coefficient of ZGP to pump laser were aclculated and compared. Threse ults show that the p toimal scheme to generate 4. 3 μm laser based o n ZGP OPO is to use 2 .7 μm laser as pump source, w hich was generated by 1.06 μm laser pumped KTP intracavity OPO with type ? phase matching. The experimental scheme anprd o per parameters were presented. efThfee ct s of parameters o n the t hreshold of ZGP OPO were a nalyzed . The results of theoretical calculation and pr eliminary experiment of 2.7 μm laser show thatit is feasible to generate 4.μ3m laser by this method,w hich lays a foundation for the further experiments. Key wods: nonlinear optics; 4.3μ m laser; optical parametric oscillator; ZGP r 收 稿 日 期 ,2010-05-10 , 修 订 日 期 ,2010-07-05 基 金 项 目 , 脉 冲 功 率 激 光 技 术 国 家 重 点 实 验 室 资 助 项 目 作 者 简 介 , 姜 海 林 (1981-) ， 男 ， 博 士 生 ， 主 要 从 事 固 体 激 光 技 术 及 非 线 性 光 学 频 率 变 换 技 术 的 研 究 。 Email:jianghailin228@12.com6 导 师 简 介 , 孙 晓 泉 (1962-) ， 男 ， 教 授 ， 博 士 生 导 师 ， 主 要 从 事 光 电 技 术 研 究 。 Emai l:sunxq@tom.com.cn 激 光 相 比 ，激 光 不 但 可 以 作 为 泵 浦 2.1μm 2.7μm 光 ， 0 引 言 同 时 也 是 实 际 应 用 中 的 重 要 激 光 波 长 。 中 红 外 波 段 激 光 在 光 谱 学 、 医 疗 、 遥 感 、 环 保 及 军 事 等 领 域 具 有 重 要 的 应 用 价 值 ， 使 得 该 波 段 激 光 成 为 各 国 研 究 的 热 点 。 目 前 ， 普 遍 采 用 1.06μ m 激 光 泵 浦 KTP OPO输 出 的 2.1μ m 激 光 作 为 泵 浦 源 ，采 用 ? 类 匹 配 方 式 来 泵 浦 ZGP OPO 进 而 得 到 中 红 外 激 光 输 12 [-]但 这 种 方 法 的 主 要 缺 点 是 ,输 出 的 参 量 光 位 出 。 于 [3]-1 简 并 点 附 近 ，线 宽 较 宽，达 到 ，不 够 实 用 ,80~200c m 若 加 入 线 宽 控 制 元 件 ,如 标 准 具 或 光 栅 ,又， 增 加 损 耗 ， 阈 值 会 增 加 ,且 2.1 μm 激 光 只 能 作 为 泵 浦 光 ，目 前 ， 尚 无 其 他 用 途 。 另 外 ，2.7 μm 激 光 处 于 HO 吸 收 峰 上 ， 和 4.3 2 μm 激 光 在 军 事 上 均 有 重 要 应 用 。 鉴 于 此 ， 文 中 提 出 了 一 种 利 用 内 腔 式 KTP OPO 输 出 的 2.7 μm 激 光 作 为 泵 浦 光 来 泵 浦 ZGP OPO ， 实 现 4.3 μm 激 光 输 出 的 新 方 案 ，与 其 他 几 种 方 案 相 比 ， 克 服 了 传 统 方 图 1 2.7 μm 激 光 泵 浦 ZGP OPO输 出 中 红 外 激 光 调 谐 曲 结 合 理 论 计 算 及 激 光 输 出 初 示 了 其 优 越 性 。2.7μ m 线 法 的 不 足 ， 显 步 Fig.1 Tuning curvesfor the ZGP OPO generatingi dm -infrared 实 验 结 果 ，论 证 了 此 方 案 的 可 行 性 ，为 下 一 步 4.3 μ m laser pumped by 2.7 μm laser 激 光 输 出 实 验 研 究 奠 定 了 基 础 。表 两 种 匹 配 方 式 得 到 激 光 输 出 的 相 应 参 数1 4.3μ m 1 方 案 设 计 Tab.1 Parameters of ZGP OPO generating 4.3μ m laser with two phase matching types 晶 体 由 于 其 优 良 的 特 性 而 成 为 利 用 ZGP OPO 输 Pumpedby 2.7μ m laser Pumpedby 2.1 μm laser Parameters 出 中 红 外 激 光 的 首 选 晶 体 ，不 同 文 献 对 其 Sellmeier Type ? Type ? Type ? 方 程 系 数 报 道 稍 有 差 异 ， 依 据 参 考 文 献 [4] 计 算 2.7 68.3 47.4 54.5 θ/ (?) μm 激 光 泵 浦 ZGP OPO ， 分 别 采 用 ? 类 及 ? 类 匹 配 1d/ pm?Vˉ 方 式 输 出 中 红 外 激 光 的 调 谐 曲 线 如 图 1 所 示 。 eff 70.1 75.1 71.3 计 算 ZGP OPO 分 别 采 用 几 种 匹 配 方 式 得 到 ρ/ mrad 7.7 11 10.5 4 . 3 μm 激 光 输 出 的 相 应 参 数 如 表 1 所 示 ，其 中 θ α/ 0.01 0.01 0.08 为 相 位 匹 配 角 ，d为 有 效 非 线 性 系 数 ，ρ 为 走 离 角 ，eff cm [5]1.61 1.65 0.56 α 为 ZGP 晶体对 泵浦光吸收系数， ?λ和 ?β 分别为?λ/ nm [6]泵浦光 允许线宽和允许发散角， ?ν 为输出参量光线?β/ 18.0 7.5 5.8 [3]宽，计 算 中 ZGP 晶 体 d取 75.4p m/V ， 最 大 允 许 失 mrad 36 about 10 about 100 about 80- 200 1-配 量 ?k = ?ν/ cm 采 用 第 类 匹 配对 于 激 光 泵 浦 的 情 ? 2.7μ m ，其 中 晶 体 长 度 取 ?π/l l 10 况 ， 方 式 比 用 第 类 匹 配 方 式 更 有 利 ， 主 要 是 因 为 后 者 ? 。mm 在 由 此 可 见 ， 采 用 2.7 μm 激 光 泵 浦 比 用 2.1 μm 4.3μ m 处 输 出 线 宽 过 宽 ， 且 其 走 离 角 更 大 ， 对 泵 浦 激 光 泵 浦 更 有 利 ，因 为 在 有 效 非 线 性 系 数 相 差 不 大 光 的 情 况 下 ，前 者 对 泵 浦 光 的 允 许 线 宽 及 允 许 发 散 角 更 允 许 发 散 角 更 小 。 大 ，走 离 角 更 小 ，ZGP 晶 体 对 2.7μ m 吸 收 系 数 比 对 此 外 ，相 比 采 用 2.79μ m Cr、 Er:YSGG或 2.94 μ2.1μ m 更 小 。 此 外 ，前 者 泵 浦 光 和 输 出 光 波 长 更 接 m Er:YAG 激 光 泵 浦 的 情 况 ，用 OPO技 术 产 生 2.7μ 近 ，光 子 能 量 差 异 更 小 ，对 于 一 定 的 量 子 效 率 ，其 转 m 波 段激光具有装置小巧、成本低、波长连续可 调谐等换 效 率 更 高 。与 优点 。经 过 比 较 ，ZGP OPO最 终 选 择?类 匹 配 2.7 μ m(o) 方 式 输 出 激 光 ， 据 此 ，?4.3 μm(e)+7.26μ m(o) 4.3 μm 设 计 出 实 验 原 理 图 ，如 图 2 所 示 。泵 浦 源 为 脉 冲 氙 灯 泵 浦 电 光 调 Q 的 1.06 μm Nd:YAG 激 光 器 ，脉 宽 约 16 *ns ，储 能 电 容 100 F ，KD P 为 电 光 调 Q 晶 体 ，M为 1 Nd: YAG 激 光 器 后 腔 镜 ，对 1.06m 全 反 ，M为 1.06 2 μm 偏 振 片 ，M为 KTP OPO 输 入 镜 ， 基 质 为 K9 玻 3 璃 ， 膜 层 T =83% @1.06μ m ， 对 信 号 光 1.7 ~1.8 μm 全 反 (R > 99% ) ，为 Nd:YAG 激 光 输 出 镜 ， 同 时 ， 也 作 为 M4 KTP OPO 输 出 镜 ， 基 质 为 白 宝 石 ，R >90% @1.06μ m ， R > 99 . 8 % @1 . 7 ~ 1 . 8 μm ，T = 65 % @2 . 7 μm ,OPO 腔 长 26 mm，KTP 晶 体 尺 寸 为 6 mm×6 mm×15 mm， 两 端 镀 有 对泵浦光和信 号光 增透的双波长增透膜。 晶体置于精确 调角转台上，通过水平调节晶体承载转盘调节 匹配角。 图 2 双 OPO 结 构 实 验 装 置 原 理 图 Fig.2 Experiment schematic diagramof ta ndemO PO M为 滤 光 片 ， 对 2.7 μm 激 光 高 透 ， 其 他 波 长 激 5 光 全 反 ， 经 过 CaF透 镜 L及 L组 成 的 聚 焦 系 统 将2 1 2 2.7 μm 激 光 聚 焦 ，M及 M分 别 为 ZGP OPO 输 入 镜 6 7 及 输 出 镜 ， 使 信 号 光 4.3μ m 谐 振 ， 泵 浦 光 双 程 通 MT >95% @2.7μ m ，R >99@4.3μ m ，输 入 镜 输 出 镜过 ， 6 MR=95%@2.mm7 ，R=70%@4.3 μm 。ZGP 晶 体 尺 寸 7 为 6 mm×6 mm×10 mm ，腔 长 为 15 mm 。 定 义 信 号 光 能 量 为 100μ J 时 ，泵 浦 光 的 输 入 能 量 密 度 为 OPO的 振 荡 阈 值 ( 阈 值 时 信 号 光 功 率 为 33 初 始 噪 声 功 率 的 e倍 ) ，其 阈 值 能 量 密 度 可 表 示 为 [7] , 2 33L 1 1.125τ +2αl+ln +ln4 J= (1) 姨 th 姨 22 cτ图 3 ZGP OPO阈 值 与 各 参 数 关 系 曲 线 R ??姨kgL1+γ s eff Fig.3 Curves of parametersvs thresholdso f ZGP OPO 式 中 ,τ 为 泵 浦 光 脉 冲 半 高 宽 ,k 为 增 益 系 数 ,g为 模 s 式 由 图 可 见 ，振 荡 阈 值 在 各 参 数 取 上 述 值 时 ，OPO 约 偶 合 系 数 ,L为 参 量 有 效 增 益 长 度 ,γ 为 泵 浦 光 场 后 eff 2为 0.17J /cm，而 ZGP 晶 体 损 伤 阈 值 在 文 中 泵 浦 光 情 向 与 前 向 振 幅 之 比 ,L 为 OPO腔 光 学 长 度 ,c 为 光 速 ,2况 下 为 1 J/cm， 则 可 满 足 泵 浦 光 能 量 密 度 为 4~6 倍 α 为 晶 体 对 参 量 光 吸 收 系 数 ,l 为 晶 体 长 度 ,R 为 OPO 振 荡 阈 值 时 ，既 可 实 现 有 效 转 换 ，又 不 至 于 损 伤 晶 体 。 通 过 腔 镜 计 算 可 知 ，泵 浦 激 光 能 量 为 时 ，2.7 μm 5~10 mJ 利 用 对 信 号 光 一 次 往 返 反 射 率 。计 算 时 取 值 为 ,泵 浦 光 脉 CaF透 镜 聚 焦 其 光 斑 至 特 定 大 小 ，即 可 满 足 泵 浦 能 2 宽量 密 度 要 求 ，有 效 实 现 激 光 输 出 ，4.3μ m 在 更 高 泵 浦 能 212 ns(FWHM)，聚 焦 半 径 0.6m m(1/e)，对 参 量 光 吸 收 系 -1数 0.01 cm， 通 过 保 持 其 他 变 量 不 变 ， 改 变 某 一 变 量 ，分 析 其 对 阈 值 的 影 响 ，结 果 如 图 3 所 示 。 量 下 需 要 更 大 的 光 斑 半 径 以 避 免 对 晶 体 的 损 伤 。 [8] ZGP OPO从 2 μm 至 3~5 μm 转 换 效 率 已 大 于 50%。 2 2.7 μm 激 光 输 出 实 验 结 果 为 准 确 测 量 闲 频 光 激 光 能 量 ，滤 除 泵 浦 2.7μ m 光 及 信 号 光 等 干 扰 ，将 OPO输 出 激 光 先 后 经 过 M及 5 抛 光 锗 片 (T=45%@ 2.6~2.μ8m ，对 短 于 1.7μ m 的 光 波 基 本 不 透 ) 滤 光 后 ，进 入 探 测 器 的 只 有 2.7μ m 的 激 图 5 2.7 μm 闲 频 光 能 量 输 出 稳 定 度 光 ，用 LE -3 型 探 测 器 和 COHERENT EPM2000激 光 Fig.5 Stability of idler output energy of 2.7 μm laser 能 量 计 测 量 输 出 能 量 随 泵 浦 电 压 的 变 化 曲 线 , 如 图 4 所 示 。 由 于 腔 内 泵 浦 光 和 信 号 光 ,,(1.064 m) 1.756 m μμ 能 量 密 度 都 较 高 ， 各 自 的 倍 频 及 二 者 之 间 的 和 频 效 应 都 会 发 生 ， 实 验 中 观 察 到 和 频 红 光 ,0.663 μm , 及 倍 频 绿 光 ,0.532 μm ,输 出 。 在 输 出 光 路 上 放 置 一 块 色 散 棱 镜 ， 将 不 同 波 长 的 光 分 开 ， 通 过 狭 缝 选 择 红 光 进 入 探 测 器 。 使 用 由 He - Ne 激 光 器 校 准 的 WGD-300B型 电 动 单 色 仪 测 得 和 图 4 闲 频 光 2.7 μm 输 出 能 量 随 泵 浦 电 压 的 变 化 曲 线 频Fig.4 Output energy of 2.7 μm laser vs pump voltage 红 光 波 长 在 663n m 附 近 。由 于 泵 浦 光 波 长 确 定 ，所 以 由 和 频 红 光 波 长 可 唯 一 确 定 信 号 光 波 长 ， 进 而 验 测 得 闲 频 光 最 大 输 出 能 量 约 ，总 的2.7μ m 2 mJ 示 波 器 探 测 红 光 脉 冲 波 形 ，测 得 其 波520D 500MHz 证 了 闲 频 光 2.7μ m 输 出 。 电 光 转 换 效 率 约 为 ， 斜 效 率 约 。 转 换 0.01% 0.03% 形 如 图 所 示 ， 脉 宽 约 为 ， 小 于 泵 浦 光 脉 宽 。 6 12 ns 用 快 速 响 应 Si PIN 光 敏 二 极 管 及 Tektronix 效 这 一 方 面 是 由 于 腔 镜 镀 膜 质 量TDS 率 较 低 的 原 因 为 ,OPO 是 由 于 晶 体 切 割 角 度 对 应 的 和 频 效 应 有 效 非 线 性 不 高 ， 输 入 镜 对 泵 浦 光 透 过 率 只 有 ， 输 出 镜 对 83% 泵 系浦 光 反 射 率 只 有 ，未 能 充 分 利 用 泵 浦 光 能 量 ， 并90% 数 很 小 ， 只 有 当 信 号 光 与 泵 浦 光 都 较 强 时 ， 才 能 产 且 在 之 前 的 实 验 中 ，晶 体 及 镜 片 膜 层 出 现 损 伤 ， 致 生 明 显 的 和 频 输 出 ， 而 二 者 光 强 的 最 大 值 并 不 同 使 步 ， 致 使 和 频 光 脉 宽 窄 于 泵 浦 光 脉 宽 。 OPO振 荡 阈 值 增 加 ，输 出 闲 频 光 能 量 较 小 ,另 一 方 面 是 由 于 在 基 模 高 斯 光 束 泵 浦 下 ，耦 合 信 号 光 和 闲 频 光 基 模 尺 寸 小 于 泵 浦 光 尺 寸 ，泵 浦 光 只 有 光 斑 中 间 一 部 分 能 量 转 换 到 信 号 光 和 闲 频 光 中 去 ，导 致 转 换 效 率 不 高 ,此 外 ，输 出 闲 频 光 2.7μ m 与 泵 浦 光 1.064μ m 波 长 差 异 大 ，在 相 同 的 量 子 效 率 下 ，其 转 换 效 率 要 比 通 常 输 出 1.57 μm 或 2.1 μm 激光时低。 可以看出,阈值泵浦电压约 510 V，在 泵 浦 电 压 超 过 670 V 后 输 出 能 量 趋 于 饱 和 。其 原 因 在 于 ,OPO 输 入 图 6 663 nm 和 频 红 光 输 出 脉 冲 波 形 镜 M对 1.064μ m 反 射 率 尚 有 17%，在 高 泵 浦 能 量 下 3 Fig.6 Output pulse profile of 663 nm red laser generated 与 激 光 器 后 腔 镜 M之 间 形 成 1.064 μm 激 光 振 荡 ，此 1 by sum frequency 时 已 构 成外腔式 OPO泵 浦 ，导致转换效率下 降。 并测 量了在泵 浦 电 压 630 V、重 频 1 Hz 下 ，输 出 的 2.7 μm 闲 下 一 步 将 优 化 腔 镜 镀 膜 参 数 及 腔 型 结 构 ，OPO 频 光 能 量 稳定度约为?7%，如图 5 所示。 提 高 泵 浦 能 量 密 度 ， 利 用 两 块 各 15 mm 长 d 的 KTP 晶 体 成 走 离 补 偿 放 置 ， 可 进 一 步 提 高 2.7 μm 激 光 输 ( 下 转 第 219 页 ) 龚 德 铸 , 王 立 , 卢 欣 . 微 光 探 测 EMCCD 在 高 灵 敏 度 星 敏 感 resistance of MOS transistors [C ]//Proceedings of the 1998 器 SecondIEEE International Caracas Conference, 1995185: 4 . -中 的 应 用 初 探 [J]. 红 外 与 激 光 工 程 , 2007, 36( 增 刊 ): 534-539. 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