温度调谐准相位匹配光学参量振荡器

温度调谐准相位匹配光学参量振荡器*
臧贵艳,姚建铨,张百钢,徐德刚,王涛,张浩,王鹏
(天津大学精密仪器与光电子工程学院,激光与光电子研究所,教育部光电信息技术科学重点实验室,天津300072)
摘要:对准连续泵浦的准相位匹配(QPM)光参量振荡器(OPO)进行了实验研究。

利用二极管(LD)泵浦的Nd:YAG激光器,泵浦周期为29L m的周期极化LiNbO3(PPLN)晶体,得到信号光(1500nm)的高输出功率(平均功率>100mW),并且通过调谐晶体温度(80~250e),获得了信号光输出波长的调谐范围为1.48 ~1.54L m。

关键词:光参量振荡器(OPO);准相位匹配(QPM);周期极化LiNbO3(PPLN)
中图分类号:O437.4文献标识码:A文章编号:1005-0086(2003)05-0469-04
Temperature Tuning Quas-i phase Matched Optical Parametric Oscillators
Z ANG Gu-i yan,YAO Jian-quan,ZHANG Ba-i gang,XU De-gang,WANG Tao,
Z HANG Hao,W ANG Peng
(Key Laboratory of Optoelectronics Information Science and Technology,E MC,Institu te of Lasers and Optoelectronics, College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering,T ianjin University,T ianjin300072,China)
Abstract:A quas-i phas e matched(QPM)optical param etric oscillator(OPO)pum ped by Q-s witched Nd: YVO4laser was prenseted.U sing a single period(29L m)peri odically poled Li N bO3(PPLN),the high output power>100mW(at1500nm)was obtained.Furthermore a tunable infrared(IR)output from1.48~1.54 L m was obtained by tuning the temperature of PPLN(80-250e).
Key w ords:optical parametric oscillator(OPO);quas i phase matched(QPM);periodically poled LiNbO3 (PPLN)
1引言
可调谐红外相干光源有着广泛的用途[1]。

光学参量振荡器[2](OPO)是可调谐激光产生的重要手段之一,能够将一个频率的激光转换为信号和闲置频率的相干输出,其特点是结构简单、调谐范围宽。

除了双折射相位匹配(BPM)技术以外,目前随着周期极化晶体制作工艺的成熟,使得准相位匹配(QPM)不再仅是/头脑的产物0,而是凭借其特有的优点,迅速走上了光学平台,进入了各种应用领域。

早在1962年,诺贝尔物理奖得主N.Blembergen[3]提出,利用非线性极化率的周期跃变可以实现非线性光学频率变换效率的增强,即QP M。

在此后的30年里,人们利用各种方法尝试实现QPM,但由于当时加工工艺落后,无法制造出其所需要的晶体。

因此,在相当长的一段时间里,QPM仅仅停留在理论阶段,没有实际应用。

直到20世纪90年代,随着周期极化晶体制做工艺的成熟,使得QPM得以实现,如雨后春笋般蓬勃发展起来,结合各种非线性变换过程应用于各种领域。

本文对准连续泵浦的QPM OPO进行了理论和实验研究。

利用二极管(LD)泵浦的声光调Q激光器(Nd:YVO4)1064nm输出,泵浦OPO,周期极化LiNbO3(PPLN)晶体周期为29L m,得到信号光1500nm 的高输出功率(平均功率>100mW),并且通过调谐晶体温度(80~250e),获得了信号光输出波长的调谐范围为1.48~ 1.54L m,经
光电子#激光
第14卷第5期2003年5月Journal o f O ptoelectronics#Laser Vol.14No.5May2003
X收稿日期:2002-12-18修订日期:2003-01-15
*基金项目:激光技术国家重点实验室基金资助项目([2001]0104)
鉴定达到国内最高水平。

2 基本原理
利用周期极化晶体实现QP M [4],由于对晶体的自发极化方向进行了周期性调制(见图1),使得在有效非线性系数中引入了空间调制函数。

我们把新的
有效非线性系数用傅立叶级数表示为
d eff (z )=d eff
6
+]
m=-]
G m e -
i K m z
(1)
其中m(=1,3,5,,)为QP M 阶数;k m 是极化周期引入的参数,称之为/周期波矢0,满足
k m =2P m
+
(2)式中+为极化周期。

如果只考虑某一阶QPM,则(1)式可简化为
d eff (z )=d eff G m
e -i K m z
(3)
由周期方波信号的傅立叶变换可知
G m =2
m P
sin (m P D )(4)
式中D 为反转畴的占空比系数。

一般情况下,D =0.5。

所以有
d eff (z )=d eff 2m P
e -i K m z
(5
)
图1 周期极化晶体结构示意图
Fig.1 The configuration of periodica lly poled materials
可得3波互作用方程为
5E 15z =i X 1d Q 2cn 1E *
2E 3exp[i (k 3-k 1-k 2-k m )z ]5E 25z =i X 2d Q 2cn 2E *1E 3exp[i (k 3-k 1-k 2-k m )z ]5E 35z =i X 3d Q
2cn 3E 1E 2exp[-i (k 3-k 1-k 2-k m )z ](6)
其中
d Q =2m P d eff (7)为QP M 有效非线性系数,它与BP M 中的d eff 所起的作用相同。

还可以看出,对QP M 来说,相位失配量为
$k =k 3-k 2-k 1-k m (8)
其波长表达式为
$k =2P (
n 3K 3
-n 2K 2-n 1K 1-m
+)
(9)
其频率表达式为
$k =1
c
(n 3X 3-n 2X 2-n 1X 1-m X +)(10)
其中
X +=2P c
+
(11)因此,对QPM 来说,欲使$k =0,只需使得极化周期满足
+=
2P m k 3-k 2-k 1
(m 为奇数)(12) 通过以上分析可以看出,PPLN -OPO 输出光的宽波段调谐可以通过周期调谐实现。

图2是1064nm 的激光器去泵浦PPOLN -OPO,实现一阶共线QPM 光学参量振荡时,所产生的信号光和空闲光与极化周期的关系曲线(即OPO 的波长-周期调谐曲线)的示意图。

图2 1064nm Nd:YAG 泵浦的PPLN -OPO 理论调谐曲线
Fig.2 The theoretical tuning behav ior of the 1064nm Nd:YAG pumped PPLN -OPO
另一方面,由于晶体的折射率等参数在温度变化时也会随之改变,因此可以利用温度调谐特性,通过控制温度来实现大范围的波长调谐。

图3是1064
图3 1064nm 泵浦下不同周期PPLN 温度调谐的理论曲线
F ig.3 The theoretical temperature tuning curves of PPLN with different periods pumped by 1064nm
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光电子#激光 2003年 第14卷
nm 泵浦下的不同周期的PPLN 温度调谐曲线。

根据本实验的特点,我们采用了周期为29.0L m 的单周期PPLN 晶体,精确控制晶体温度,通过改变晶体温度实现宽波段输出。

3 实验装置及结果
实验装置如图4。

所选用的PPLN -OPO 的泵浦源为LD 泵浦的Nd:YVO 4固体激光器,声光调Q 1064nm 脉冲输出。

LD 采用的是单光纤SMA 905标准接口输出的LYFC -1型半导体激光器。

图5是我们测量的LD 的输出特性曲线,其最大输出功率为17.5W,中心波长808nm,谱线宽度为2.5nm,光纤芯径为400L m,数值孔径为0.22。

1.The LD pumping source,
2.The coupling system,
3.Nd:YVO 4and the Q -s w i tch,
4.The output coupler (T =10%),
5.Another coupling s ys te m,
6.The PPLN -O PO input coupler,
7.PP LN and heating and controlli ng s ys te m,
8.The PPLN -OPO output coupler
图4 实验装置简图Fig.4 The experim ental setup
图5 LD 的输出特性曲线
Fig.5 The output behavior of LD (K =808mm)
光纤输出光经过耦合系统耦合入Nd:YVO 4晶体端面,晶体尺寸为3mm @3mm @5mm,掺杂浓度为0.5at%。

LD 自带有温度控制和冷却系统,Nd:YVO 4采用恒温水循环器进行水冷,实验效果良好,温度可以稳定在26.5e ,无漂移。

考虑输出光束质量及保证耦合进OPO 光束质量的条件下,采用凹-平腔结构,输入端镀808nm 高透、1064nm 高反膜,输出耦合透过率为10%。

声光Q 开关重复频率为19
kHz,最大输出平均功率>1W,如图6为注入OPO
的1064nm 的功率。

我们还利用CCD 测量了光束截面的功率分布,其光束质量良好。

图6 注入到OPO 的1064nm 功率特性Fig.6 The input power of 1064nm of OPO
所选用的晶体长50mm(沿x 轴)、宽5mm(沿y
轴)和厚1mm (沿z 轴),周期为29.0L m 的单周期
PPLN,在z 轴方向极化。

晶体两端镀有对1064nm 和1480~1550nm 的增透膜。

考虑到晶体很薄,在1064nm 输出后利用了耦合系统,将输出光束整形、聚焦到PPLN 晶体中。

OPO 由平面输入耦合镜和曲率半径为70mm 的平-凹输出耦合镜组成半共焦腔。

输入耦合镜对泵浦光95%高透,对信号光>99%高反;输出耦合镜对信号光7%透过,它们对闲频光(3~4L m)都是高吸收,这样使得OPO 对信号光单共振。

由于采用温度调谐,且PPLN 对工作温度的要求比较苛刻,所以温度的控制是系统中最为关键的部分。

如果温度控制不精确,不仅影响使用的方便,还会对光束质量产生很大的破坏。

我们把PPLN 晶体置于一随晶体购买的特制的加热装置中,工作范围为80~250e ,加热到180e 平均需要12min 。

温度控制器工作电压为85~235Va.c.,正常工作的环境温度可以从-10~+55e 。

采用pt 100作为温度传感器,温度控制精度高于?0.1e 。

将晶体温度从80e 变化到250e ,测出的信号光输出波长如图7所示。

可以看出,与图3虚线的理论值吻合得很好。

然后将Q 开关的重复频率固定到19kHz,晶体温度固定到140e ,测得输出信号光波长为1500nm,并且改变泵浦电流,得到PPLN -OPO 输出功率随808nm 泵浦电流的变化曲线,如图8所示。

可以看出,输出信号光最大输出平均功率>100mW 。

并且用Aglient 公司的光纤光谱仪,测得在晶体温度为140e 时,信号光的光谱图如图9所示。

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471#第5期 周晨波等:等离子喷涂ZrO 28Y 2O 3涂层厚度测量方法研究
图7 PPLN -OPO 输出信号光的温度调谐特性曲线
Fig.7 The experimental curve of the output
signal of the temperature tuning
OPO
图8 信号光输出功率随泵浦电流的变化曲线Fig.8 The signal output versus the pumping
current
图9 140e 时所测的信号光光谱图Fig.9 The signal behavior of 140e
4 结 论
将周期极化晶体的周期波矢引入光学参量振荡过程,利用二极管泵浦的Nd:YVO 4激光器,泵浦周期为29L m 的PPLN 晶体,得到1.48~ 1.54L m 高输出功率(平均功率>100m W)、高效率、结构紧凑而体积
小的全固态QPM -OPO 。

可以应用于光通讯、红外对抗、环境监测及光谱学研究等诸多领域。

参 考 文 献:
[1] 姚建铨.非线性光学频率变换及激光调谐技术[M].北
京:科学出版社,1995.
[2] W R Bosneberg,A Drobshoff,J I Alexander.Continuous -wave single resonant optical parametric oscillator based on periodically poled LiNbO 3[J].O pt.Le tt.,1996,21(10):713-715.
[3] L E Myers,G D Miller,R C Eckardart.Quas -i phase -m atched 1064L m pum ped optical param etric oscillator in bulk periodically poled Li N bO 3[J].Opt.Lett.,1995,20(1):52-55.
[4] ZHANG Ba -i gang,YAO Jian -guan,W ANG Peng,et al.
Studies on grating period acceptance of periodically poled crystal for SHG[J].J .o f Opto electro nics #La ser (光电子#激光),2002,13(4):405-408.
作者简介:
臧贵艳 (1977-),女,硕士生,从事半导体激光器泵浦的固体激光器及非线性光学频率变换的研究1
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