激光倍频晶体的研究现状分析

I摘要:倍频晶体是近几年激光领域人们关注的热点之一，倍频晶体也随之发展起来。本文通过分析国内外各科研机构关于光纤激光器的倍频实验，指出各种常用倍频晶体的优点和缺陷，对未来使用倍频晶体的实验具有指导和参考价值。关键词：倍频晶体；激光器；相位匹配IIAbstract:Fiberlaseristhefocusofattentionofthepeopleinrecentyears.SHGalsowillbedeveloped.Basedontheanalysisofthescientificresearchinstitutionsathomeandabroadonthefrequencyfiberlaserexperiment,thepaperpointedoutthatvariouscommonlyusedSHGadvantagesandshortcomings,givenguidanceandreferenceforthefutureuseofSHGexperiment.Keywords:Frequency(SHG);Fiberlaser;Phase-matchingIII目录摘要··················································································ⅠABSTRACT········································································Ⅱ引言.................................................................................................................11实验研究仪器·····································································11.1光纤激光器及其结构··························································11.2光纤激光器的倍频···························································22倍频晶体的现状分析····························································22.1倍频晶体·········································································22.2PPLN晶体倍频输出绿光·····················································32.3PPLN晶体倍频输出可见光··················································42.4PPKTP晶体倍频应用··························································52.5PPLT晶体的倍频应用························································63结果与讨论········································································74前景与展望········································································94.1实验成果的应用································································94.2理论研究的应用······························································10参考文献············································································121引言近年来，关于自倍频晶休的研究工作取得了重大进展。自倍频晶体是将激光晶体和倍频晶体合二为一的一类晶体。迄今最主要的自倍频晶体有两种：掺钦和氧化锰的视酸铿和硼酸钦忆铝。自倍频晶体可用于直接产生蓝绿激光，其作用原理如下：用波长为650nm左右的红激光泵浦自倍频晶体，发生激光作用产生波长略大的近红外激光，同时红外激光在晶体中倍频而产生绿激光。目前，可以得到的NMLN晶体的尺寸(10x10x20mm)比NYAB晶体的尺寸(4x4x10mm)大，但是NMLN用于产生绿激光时有两个缺点：(1)NMLN的非临界相位匹配温度高，会引起热感应加宽和激光下能级的吸收，使阂值升高；(2)增加MgO的掺杂量能降低相位匹配温度，但吸收损耗也同时增加了。所以，在高温下工作的NMLN至今只用于染料激光泵浦的系统中，输出lmW量级的绿光功率，二极管激光泵浦的NMLN还未见报道。二极管泵浦NYAB产生绿激光的系统已经研制成功，它与二极管泵浦激光器并通过KTP晶体倍频的系统相比有下列优点：(1)NYAB的吸收带宽比Nd:YAG的吸收带宽(在808.5nm处0.5nm)宽得多；(2)NYAB的受激发射截面比Nd:YAG的大或者差不多，但没有Nd:YAG所显示的浓度羚灭效应；(3)用KTP倍频时需要一块四分之一波片来改变激光的偏振态，而在NYAB系统中不需要这种波片；(D)只用一块NYAB晶体就能产生绿激光，有利于制成输出大功率绿光的微型激光器。1实验研究仪器1.1光纤激光器及其结构光纤激光器是用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，是在光纤放大器的基础上开发出来的。在泵浦光的作用下光纤内极易形成高功率密度，造成激光工作物质的激光能级“粒子数反转”，适当加入正反馈回路（构成谐振腔）形成激光振荡输出。发射激光的波长取决于纤芯掺杂不同的离子和反射面种类（典型的例子是布拉格光栅）。光纤激光器包括一盘双包层掺杂光纤，两个反射镜和一个泵浦源。泵浦源为单芯二极管激光器或二极管激光器阵列，或是一个小功率的泵浦光纤激光器。图1是单膜光纤激光器的结构示意图[1]。2图1-1单膜光纤激光器的结构示意图1.2光纤激光器的倍频频率转换是一种扩大高功率激光器应用范围的有效技术，它利用光学介质在强辐射场下的非线性光学效应产生新的频率。利用非线性光学晶体实现光的频率转换以拓宽激光波长范围，可以使激光获得更广泛的应用。随着激光技术的发展，包层光纤激光器能在很宽的频谱范围内提供高功率，大有取代半导体激光抽运固体激光器(DPSSL)的趋势。固体激光器技术已经相对成熟，但是在小型化、柔性化方面光纤激光器有着固体激光器所不能比拟的优势，更重要的是光纤激光器更容易获得高光束质量的激光输出。近年来，倍频晶体制作工艺的完善，使得光纤激光器在非线性频率转换中的地位越来越重要。光纤激光器的准相位匹配技术通过改变周期性极化晶体的光栅周期来对角度匹配无法实现倍频的波段进行倍频，在科学技术和激光应用方面有着广阔的前景。例如，利用周期性极化的倍频晶体对光纤激光进行倍频，已经实现了高转换效率的绿光输出[3]。2倍频晶体的现状分析2.1倍频晶体1961年，Franken和他的同事们发现，当红宝石激光束通过石英晶体时，能够产生两倍频该光束的紫外光。该发现给激光学界的研究人员带来了福音。因此，人们开始对各种光学晶体的倍频特性进行深入研究。20世纪80年代以前，常用的倍频晶体主要有KD*P、LiIO3、LiNbO3、CD*A等。目前主要用KTP、BBO、LBO、PPKTP和PPLN等晶体。国内外用于准相位匹配器件制备的材料有很多[4]，如铌酸锂晶体3(LiNbO3)、钽酸锂晶体(LiTaO3)、铌酸钾晶体(KNbO3)、磷酸氧钛钾(KTiOPO3)，即(KTP)以及它的同族晶体，也有使用聚合物、光纤等制备准相位匹配器件。每一种材料都有各自的优缺点，相对而言，KTP晶体以其较低的矫顽场电压和光折变效应，较高的光破坏阈值和非线性系数以及良好的温度稳定性受到广泛关注，成为新一代准相位匹配器件的研究热点。目前，瑞典、以色列等国家已经掌握了比较成熟的周期极化KTP，即PPKTP的高压电场极化反转工艺，并为国际上大多数的准相位匹配技术研究机构提供产品。他们制备的PPKTP器件主要用于激光倍频、光参量振荡等非线性场合。当用长度7mm～8mm的KTP晶体，对于多模兆瓦级YAG激光器，其倍频效率可达30%，对TEMOO单横模激光器，倍频效率可高达60%。实验证明KTP晶体的抗光伤强度可高达400mW/cm2，而BBO晶体可高达1000mW/cm2以上。据报道，瑞典皇家工学院制备的PPKTP最高倍频效率已经达到66%。PPKTP器件的制备具有很高的技术含量，因此价格十分昂贵。我国拥有KTP晶体生产的优势，自主研制和生产PPKTP器件在知识产权和经济效益方面都有很高的社会价值。通过改进了高压极化电场的有参数，在一定程度上可以提高PPKTP晶体的质量。例如，用光纤激光器输出的1064nm基频光泵浦PPKTP倍频晶体，改进了光学系统可以使PPKTP倍频效率提高一个数量级。在光纤激光器的实验研究中，利用倍频晶体实现光波长变换输出的较多。近些年国内关于光纤激光器倍频技术的研究如火如荼，山西大学、中国科学院上海光机所、天津大学等一些科研院相继都做了一些关于各种倍频晶体的实验研究，其中包括PPLN、PPKTP、PPLT等晶体，并获得了一些宝贵的实践经验。PPLN晶体（周期性极化铌酸锂晶体），通光范围为0.4μm～5μm，在可见和红外波段具有较低的散射和吸收，结构破坏阈值为10J/cm2(波长为1064nm，脉宽10ns)。其应用较为广泛，通过倍频可以输出绿光及其可见光等不同波长的光。2.2PPLN晶体倍频输出绿光利用周期性极化晶体PPLN和双包层光纤激光相结合可以获得绿光激光输出。双包层光纤激光器输出中心波长为1064nm，重复频率为20kHz～100kHz连续可调，谱线宽度约为6nm，输出功率为0W～10W可调，光束直径约为10mm。周期性极化铌酸锂晶体(PPLN)光栅周期6.5μm，尺寸为20mm×5mm×0.5mm。4采用PPLN对掺Yb双包层光纤激光器的准连续输出进行倍频。在保持PPLN的控制温度为193.1℃时，抽运功率为650mW时，得到6.7%的最高谐波转换效率；在抽运功率为970mW时，可以得到59mW的最高绿光功率输出。实验流程如图2所示。在图2-1中，PBS为偏振棱镜；PPLN为倍频晶体；Pris为分光棱镜；f1、f2、f3和f4为透镜。如果将抽运源选为宽带多纵模输出的种子注入掺Yb双包层光纤脉冲放大器，继续利用PPLN倍频晶体进行倍频实验，实验流程图如图2-1所示。实验发现宽带多纵模的光纤激光将会影响谐波的转换效率，要获得高的转换效率需要单模窄带宽频率稳定性好的光纤激光。此外，没有镀膜的晶体端面不仅影响谐波能量的透过率，而且会形成参数振荡，导致谐波频率下转换，影响谐波的输出功率，所以在实验中采用了镀有增透膜的周期性极化晶体，避免了这种现象的出现。图2-1PPLN晶体实验流程图2.3PPLN晶体倍频输出可见光[2]利用激光谐振腔产生的1.7mW中心波长为1614nm的激光，通过977nm的泵浦光输运，送至前置放大器，并经过功率放大，缩束后由PPLN倍频，可以输出功率60mW、波长为807nm的激光。在该实验中，PPLN晶体极化周期为20.2μm，厚度0.46mm，晶体温度控制在70℃。其转换效率为44%。实验流程图如图2-1所示。在图2-1中，①为主振荡器；②为前置放大器；③为功率放大器；④为倍频器；WDM为波分复用器；EDF为掺Er光纤；SESAM为半导体饱和