Ⅱ类非临界相位匹配下近红外波段的差频产生器

Ⅱ类非临界相位匹配下近红外波段的差频产生器
卢一鑫;杨森林;赵小霞;张变莲
【摘要】报道了一个利用差频技术(DFG)产生近红外的装置.在此系统中1.064 μm 半导体激光器作为信号光和0.56～0.71 μm染料激光器作为泵浦光,通过三硼酸锂晶体(LBO)在非线性相互作用下产生较高功率的可调谐近红外激光,其波长范围为1.4～2.2 μm.通过温度调谐非临界相位匹配(NCPM)技术,在Ⅱ类相位匹配方式下实现差频发生器.其平均输出功率为35 mW以上.在1.6 μm近红外波段激光的转化效率可达到12.2％,具有宽调谐、窄线宽的特点,具有较为广泛的应用范围.
【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】2016(046)001
【总页数】6页(P52-57)
【关键词】非线性光学;近红外;差频发生器;非临界相位匹配;LBO晶体
【作者】卢一鑫;杨森林;赵小霞;张变莲
【作者单位】西安文理学院应用物理研究所,陕西西安710065;西安文理学院应用物理研究所,陕西西安710065;西安文理学院应用物理研究所,陕西西安710065;西安文理学院应用物理研究所,陕西西安710065
【正文语种】中文
【中图分类】O434.3
现有激光器的输出波长在某些特定波段其输出功率较低或是很难产生,限制了其应用。

而光学参量振荡器(OPO)或者差频发生器(DFG)可以弥补激光器在这方面的不
足。

DFG的工作原理为较大能量、频率为ωp泵浦光和能量较小的、频率为ωs
信号光在参量转换过程中的产生空闲光、频率为ωi(为红外波段),对于差频参量转
化过程来说,一个信号光子ωs激发一个泵浦光子ωp产生一个信号光子ωs 和空闲光子ωi,其三波混合过程(Different-frequency mixing)为ωi=ωp-ωs(如图1 所示)。

对于近、中红外波段的辐射光,大部分的分子结构基于这个波段都有其基本的吸收
特性。

近红外激光波长0.75～3 μm,中红外激光波长3～5 μm,这些波段由于在大
气污染监测、泄漏检测、医疗诊断、军事等具有广泛的应用[1-2],引起了越来越浓
的兴趣。

红外波段在热成像方面有了很大的进展,而通过傅里叶变换得到参照物的
压缩图像进行编码处理,可以进行自动识别和监测等,这是我们课题组研究的方向,所以得到较高功率的近红外波段也是以后工作的基础。

产生红外波段主要通过非线性晶体来实现的,我们目前详细调查了基于OPO和DFG技术,产生中红外已经比较成熟,而近红外相对较少。

对于中红外波段,周期性
极化晶体掺镁铌酸锂(MgO:PPLN)基于准相位匹配(简称QPM)构成OPO使得中红外波段的辐射光转化效率提高52.8%[3-4],利用磷锗锌(ZGP) 晶体[5]构成OPO都有相关报道;利用DFG技术基于硫银镓(AGSe)[6],ZGP[7]晶体可以产生中红外激光,以及光纤激光器利用DFG产生中红外输出光功率和线宽都达到了较高的水平[8-9]。

而近红外波段,几种绿光泵浦皮秒和飞秒量级的LBO-OPOs产生近红外波段的操作都已报告[10-13],这些工作波段都无法满足我们的要求,光路也较为复杂;基于
KTP[14]、BBO[15]、LilO3[16]非线性晶体利用DFG技术产出近红外激光早有报道,效率较高,但由于这些晶体的损伤阀值较低而输出功率较小。

而LBO晶体在近红外波段良好的透过性,基于NCPM技术,使它的相干长度增加,本身具有较高的损伤
阀值,可以得到较高的输出功率。

近年来由于激光器的线宽和功率不断提高,作为光
源差频产生的近红外光可以具有良好的光束质量。

本文描述了基于LBO晶体的差
频输出波长具有宽调谐、窄线宽特点,应用范围较为广泛。

在三波共线相互作用下(波矢为标量k),满足相位匹配条件(Δk=0)能量转化过程中满足能量和动量守恒的差频混合波(DFM)的波长是由以下方程(1)决定的:
LBO属于负双轴晶体,沿波矢有两个偏振态垂直的简正模,均为非寻常光。

通常根据它们在晶体中光速快慢分为快光和慢光:折射率大的光速慢,称为慢光；折射率小的光速快,称为快光。

分别用e1,e2表示慢光和快光的偏振态。

对于双轴晶体II类差频相位匹配条件为:e2+e1=e2。

则式(1)变化为：
双轴晶体折射率取光学主轴坐标系,nx,ny,nz分别为光波波矢沿x,y,z方向的三个主折射率,由于共线为标量k,习惯约定三个主折射率满足nx<ny<nz,则其双壳层折射率曲面方程为:
设k与z轴的夹角为θ,k在xoy平面上的投影与x轴的夹角为φ,则有
kx=sinθcosφ,ky=sinθsinφ,kz=cosθ
为方程简化可以令:
B=-(b+c)sin2θcos2φ-(a+c)sin2θsin2φ-(a+b)cos2θ
C=bcsin2θcos2φ+acsin2θsin2φ-abcos2θ
x=n-2
把式(5)代入式(4)简化可得:
x2+Bx+C=0
解得：
对于II类非临界相位匹配,则有θ=0°,φ=0°。

则可以得到:
把式(8)代入式(2)可以得到:
而LBO晶体的折射率是波长和温度的函数,即n→n(λ,t),则式(9)变为:
基于温度调谐非临界相位匹配(NCPM)技术,LBO晶体的折射率是由Kato修改后的
Sellemier方程[17]给出:
nx(t)=nx(t0)+(-3.76λ+2.30)×10-6×(Δt+29.13×10-3Δt2)
ny(t)=ny(t0)+(6.01λ-19.40)×10-6×(Δt-32.89×10-4Δt2)
nz(t)=nz(t0)+(1.50λ-9.70)×10-6×(Δt-74.49×10-4Δt2)
Δt=t-t0,t0=20 ℃(室温)
联立式(10)～(12),可计算出NCPM的温度t随着泵浦光波变化的模拟曲线,如图2(虚线部分)所示，其近红外波段可以满足工作需要。

由图2可以看出共线条件下的NCPM的温度t比较高,不易控制,通过引入两束光进入晶体时存在微小的夹角参量α,则式(12)变为:
取α=2.62°通过理论计算如图2(实线部分)所示,可以使得NCPM的温度t降低,易于实现。

三波耦合方程组和DFG过程(ω3=ω1-ω2)相结合,设定两台激光器输出光强均为10～100 MW/cm2 之间变化,则差频光光子通量N(ω3,l)大信号一般解[18]如下所示:
lM则表征混频过程速率的一个特征长度:
设置=4∶1,作一系列近似后,计算可得:
由于代入式(18),再结合失配因子2就可以得到差频输出I(ω3,l)相对于I(ω2,0)的转换效率表达式：
对于式(19)进行模拟计算,在Δk=0,II类相位匹配deff为3.82× 10-9 esu,在不同晶体长度,可以得到转换效率η随着信号光I2光功率密度的变化趋势如图3所示。

由图3可以看出转换效率均随信号光强递增,随着晶体长度增加,转化效率趋向于饱和,最大趋近于14.5%。

一是由于LBO晶体对于三个波长具有一定的吸收损耗,二是一定长度的晶体它随着光强的增加的DFG效应比较彻底。

本实验采用的是基于LBO晶体的I类温度调谐NCPM技术,差频输出近红外波段,
具有宽调谐、窄线宽特点,实验系统光路图如图4 所示。

该系统采用两台激光器作
为光源,DFG泵浦光采用可见光范围内可调谐的染料(Dye laser)激光器输出波长为0.550～0.710 μm,无跳模波长调谐范围大于30 GHz,波长平均输出功率为2.1 W,
线宽小于2 MHz；信号光采用中心波长1.064 μm的TO3封装的DFB半导体激
光器,输出功率在500 mW,线宽小于3 MHz,波长调谐范围1.062～1.066 μm。

LBO晶体购自福建福晶公司,尺寸3mm×3mm×10mm,沿xyz方向切割,在此实验中泵浦光和信号光均沿着晶体z轴传播,在y-z平面实现II类匹配方式,即
(θ=0°,φ=0°)。

Dye laser和DFB Laser的偏振方向分别垂直和平行于yoz,即按照II类匹配方式分别沿着x轴和y轴,晶体固定在有温控装置的盒子中,用FP21温控
仪(TC)进行严格控制,控温精度优于±0.1 ℃,设置适当的工作温度满足NCPM条件。

焦距f=10 mm的透镜把光束聚焦后入射到LBO晶体中,由于LBO晶体的阀值很高,可以通过此法增加入射光能量。

M1为半透半反镜和M2为全反射镜,B为可调
节偏振片,G为Glan-Tomason偏振片使得入射光沿着正确的偏振方向入射到晶体中,输出的近红外光的偏振的方向与DFB laser的方向相互垂直。

非线性转换剩余
的泵浦光和信号光用近红外增透的滤波片组滤掉,其由截止波长为0.8 μm 和吸收1.064 μm特殊滤波片构成,差频产生的近红外光束送入探测器以及功率计的测量其波长和频率。

在晶体长度为10 mm的条件下,通过调节温度满足NCPM,实验观察到的差频波长分布与理论曲线的符合度较高,如图2所示,黑点为实验数据。

波长调节范围为
1.4～
2.2 μm之间变化。

在t=7
3.7 ℃,泵浦光波长0.67 μm,我们通过增加信号激
光器1.064 μm光强输入,差频产生的1.6 μm近红外光转化效率也随之增大,如图
5所示。

在泵浦光功率1.4 W,信号光功率0.35 W时,转换效率达到最大12.2%,相
对应的近红外光波功率为42.7 mW。

与理论曲线有一些差距,可能的原因有以下方面:①两束光的偏振态调节的不够充分,没有完全满足相位匹配条件；②光波入射端
面和出射端面的损耗没有考虑进去；③光波在晶体内传播的吸收系数没有考虑。

在1.4～2.2 μm测得的平均输出功率均在35 mW以上,可以满足我们后续的实验要求。

以上可见,DFG的转换效率明显低于OPO,但是基于LBO晶体由于其损伤阀值较高,可以通过增加输入光强度的方法提高输出近红外波段的光功率。

而且DFG结构比较简单,不需要OPO的谐振腔,在NCPM条件下,由于晶体的走离角近似接近于0,也可以利用最大的晶体长度提高转换效率；在II类匹配方式,晶体切割方法也比较简单,入射和出射端面也无需镀相应的光学增透和增反膜,代价较少。

同时,由于DFG输出波长具有典型的单模输出特征,由于光谱分辨率远大于实际的激光光谱线宽,无法提供精确的输出光线宽参数,理论证明DFG输出波长取决于泵浦光和信号光线宽的卷积,由于本系统采用的具有极高单色性的Dye laser和DFB laser,所以输出的线宽很窄,还可以应用到高分辨率光谱的测量中。

在NCPM技术II类相位匹配方式下,通过调整两束入射光微小夹角可以降低匹配温度,使得实验易于进行。

基于LBO晶体在近红外波段的良好的透过性能,利用可见光波段的泵浦激光器与1.064 μm 的信号激光器差频得到 1.4～2.2 μm 近红外光波段,平均输出功率在35 mW以上,最大的转换效率达到12.2%。

与OPO相比效率较低,但DFG结构比较简单,不需要谐振腔,并且通过增加晶体相干长度和提高输入光功率,可以得到较大功率的近红外光输出,具有较大实用价值。

另外DFG输出波长具有典型的单模输出特征,可以在近红外波段进行高分辨率光谱测量,应用范围较为广泛。

感谢国家自然基金给予本项目的大力支持,以及陕西表面处理与再制造省重点实验室以及原子与分子省重点学科同事给予的帮助。