周期性极化铌酸锂晶体光参量振荡调谐与容差特性分析_薛挺

光栅周期 + ( T ) 变化关系 抽运光波长 K Lm pP 光栅周期范围 ( 27 e )P Lm 信号光P 空闲光调谐范围 P Lm 01532 618 ) 12 016 ) 416 0 1 808 20 ) 22 019 ) 5 15 11064 26 ) 31 1 1 4 ) 419
2121 利用基频光波长 K p 调谐 晶体温度 T 为 27 e 时, 在不同的极化反转光栅 周期 +( T ) 下 , 信号光波长 K s、 空闲光波长 K i、 基频 光波长 K p 调谐关系如图 3 所示. 由图 3 可以看出, 当极化反转光栅周期 + = 20L m 时, 在钛宝石激光器 输出 光波 01780 ) 01794L m 范围 内, 信 号光波长 K s 与空闲光波长 K 1 2 ) 21 3L m, 就 已经 i 变化范围为 1 覆盖 了 目 前 全 波 光 纤 的 低 损 耗 通 光 波 段 11 2 ) 117L m.
其中 + 为极化反转光栅周期, 下标 p, s, i 分别为抽 运光、 信号光与空闲光, m = 1, 3, 5, ,为极化反转光 2Pn p 2Pn s 2Pn j 栅周期阶数 , k p = , ks= , ki = 分别为 K K K p s i 抽运光、 信号 光与空闲光的波传播矢量 , n p , n s , n i 分别为抽运光、 信号光与空闲光的折射率 , K p, K s, K i 分别为抽运光、 信号光与空闲光在真空中的波长. 若调谐耦入的抽运光波长 K p , 或者改变极化反 转光栅周期 + 大小 , 或者改变 铌酸锂晶 体的温度 T , 即可对输出的信号光波 K s 和空闲光波 K i 的波长 进行调谐 . 铌酸锂为负单轴晶体, 空间群为 R 3 c ( C 3v ) , 透 光范围为 400 ) 5000nm. 本文采用 1997 年 Jundi 给出 利用 PPLN 光参量振荡实验测得的铌酸锂晶体的非 常光 n e 折射率与光波波长和温度关系 Sellnmeier 方 程为
f = ( T - T 0 ) ( T + T 0 + 2 @ 273. 16) = ( T - 24. 5 e ) ( T + 570. 82 e ) , ( 4) K为 光 波 波长 , 单 位 为 L m, T 为 晶体 温 度 , 单位 为 e . 上述关系对于波长在 014 ) 5L m, 温度在 20 ) 400 e 范围内均成立 , 方程 ( 3) 中各参量数值如表 1 所示 .
关键词: 准相位匹配, 周期性极化铌酸锂 , 光参量振荡 PACC: 4265, 4265K 体的最大二阶非线性系数 d 33 , 提高光参量振荡的增
11 引
言
益, 并降低其阈值, 因此引起人们极大的兴趣. 1995 年, Myers 等人 采用 Nd: YAG 输出的 11064L m 激光
[ 5]
薛 挺 于 建 杨天新 倪文俊 谭 莉 李世忱
天津 300072) ( 天津大学精密仪器与光电子工程学院 , 光电信息技术科学教育部重点实验室 ( 2001 年 9 月 23 日收到 ; 2002 年 3 月 25 日收到修改稿 )
研究了周期性极化铌酸锂晶体光参量振荡的工作机理 , 并 讨论了其 波长调 谐特性 与极化 反转光 栅周期、 抽运 光波长与晶体 温度的关系 . 在此基础上 , 通过 对相位 失配 因子求 微分 的方 案 , 分析了 光参 量振荡 的增 益与光 栅周 期、 抽运光波长与晶体温度的关系 , 以及光栅周期、 抽运光 波长与晶体温度容差的关系 .
2 2 2 2 1P 2
,
( 11) ( 12)
# = ki ks | E p | , 抽运光功率
2 P p = 1 n p cE 0 | Ep | . 2
( 13)
2
信号光通过晶体的单程增益为 G= | E s ( L ) | - | E s ( 0) | = 2 | E s ( 0) |
2 2
E s( L) E s ( 0)
可用拟牛顿法求解联立的非线性方程组 ( 7) 和 ( 8) , 得到信号光波长 K s 与空闲光波长 K i.
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物
理
学
报
表3 信号光波长 K s 与空闲光波长 K i 调谐范围与
51 卷
2111 利用极化反转光栅周期 +( T ) 调谐 在实际制作过程中, 可以采用扇形光栅的方案 [ 10] 来制作连续变化光栅周期 , 或者采用多个光栅周 期并列的方案. 考虑到铌酸锂晶体的热膨胀, 当基频 光波长分别为 01 532, 01808 与 11 064L m, 晶体温度 T 分别为 27 与 200 e 时 , 信号光波长 K s 与空闲光波长 K i 的调谐特性与极化反转光栅周期 + ( T ) 的关系如 图 2 所示 , 调谐范围与极化反转光栅周期 + ( T ) 变 化范 围见表 3 所示 . 由图 2( a) 可知 , 27 e 时 K p 为 01532L m 能够实现从可见到红外的波长调谐, 其最 小光栅周期为 61 8L m.
第 51 卷 第 11 期 2002 年 11 月 1000 - 3290P 2002 P51( 11)P2528 - 08
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ACTA PHYSICA SINICA
Vol. 51, No. 11, November, 2002 n 2002 Chin. Phys. Soc.
周期性极化铌酸锂晶体光参量振荡 * 调谐与容差特性分析
31 容差特性分析
3111 耦合波方程
图2 关系 信号光P 空闲光波 长 KsPK i 与极 化反转 光栅周 期 + 的 ) ) ) 为 T = 27 e ,-- - 为 T = 200 e
慢变振幅近似情况下, 忽略各光波的散射损耗,
11 期
薛
挺等 : 周期性极 化铌酸锂晶体光参量振荡调谐与容差特性分析
2531
Ei ( L ) =
E i ( 0) cosh( gL ) - i
*
$k sinh( gL ) 2g
Ji E s * + i E s ( 0) sinh( gL ) exp - i$kL , g 2 ( 10b) 其中 L 为 PPLN 晶体相互作用长度, g = [ # - ( $kP 2) ]
, 因此得到巨大发展. 传统实现光参量放大和振荡方案是在铌酸锂晶
体中利用其双折射效应进行相位匹配, 通过三波互 作用过程来实现波长的调谐 , 但是这种方案存在着 坡印延矢量走离、 有效二阶非线性系数低、 改变抽运 光入射角困难等弱点 . 随着准相位匹配技术的发展 , 人们逐渐趋向于 利用 PPLN 进行光参量振荡. 与传 统双折射相位匹配技术相比 , 使用准相位匹配技术 没有走离效应、 并且调谐范围几乎覆盖了铌酸锂晶 体的通光范围, 而且更重要的是能够利用铌酸锂晶
由能量守恒可得光参量放大的频率条件为 Xp = Xs + Xi . 2m P + = 0, ( 1)
a1 a2 a3
5. 35583 0. 100473 0. 20692 100. 0 11. 34927
由动量守恒可得光参量放大的相位匹配条件为 $k = k p - k s - k i ( 2)
a4 a5
*
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挺等 : 周期性极 化铌酸锂晶体光参量振荡调谐与容差特性分析
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对输出的信号光波 K s 和空 闲光波 K s 的波长进行
调谐 .
图1
PPLN 晶体光参量振荡器结构简图 表1 铌酸锂 Sellnmeier 方程 ( 3) 系数 a6 b1 b2 b3 b4 1. 5334 @ 10- 2 4. 629 @ 10- 7 3. 862 @ 10- 8 - 0. 89 @ 10- 8 2. 657 @ 10- 5
[ 24] 6
铌酸锂晶体的热膨胀系数为 1 9l A= , l 9T 其具体数值如表 2 所示.
表2 切向 A a A c 平行光轴 垂直光轴 铌酸锂晶体的热膨胀系数 膨胀系数 P ( 10- 6Pe ) 161 7 2 10 温度 TPe 0 ) 800 0 ) 600
考虑到铌 酸锂晶体的 热膨胀 , 若在温 度为 T 1 时光栅周期为 +( T 1 ) 能够满足 , 则在晶体温度为 T 2 时光栅周期 + ( T 2 ) 应为 +( T 2 ) = + ( T 1 ) [ 1 + A ( T 2 - T1) ] . ( 5) 考虑到铌酸锂晶体折射率随晶体温度 T 的变化 , 一 阶( m = 1) 相位匹配时 , 动量守恒条件 ( 2) 式可改写为 $k ( T ) = k p ( K p , T ) - ks ( K s , T ) - ki ( K i, T) 2P , +( T)
利用外加电场 极化法制作周 期性极化铌酸锂 ( PPLN) 晶体工艺的成熟, 极大地促进了准相位匹配 技术的发展 , 利用 PPLN 晶体可以研制波导倍频器 件 、 全光波长变换器件 、 全光开关 等, 特别是 利用 PPLN 晶体来实现光参 量放大和振荡技术, 能 够获得宽带连续可调谐的激光光源 , 其在军事对抗、 大气环境监测 、 医学、 特殊环境远距离监控以及光 谱学研究等诸多领域都有重要的应用价值. 从目前 文献数量看 , 利用 PPLN 晶体作为光参量振荡器件 [ 4) 23] 的报道最多 , 特别是这种光参量振荡器在激光 雷达、 激光制导炸弹、 飞行器激光导航等方面极具潜 在应 用 价 值 , 因 而 多 为 军 事 部 门 资 助 的 研 究 项 目
[ 4 ) 6, 22, 23] [ 4] [ 1] [ 2] [ 3]
为抽运源, 极化反转光栅周期为 2815L m, 相互作用 长度为 15mm, 用 PPLN 实现 了 114 ) 414L m 可 调波 长的 连 续 与 脉 冲 的 激光 输 出 ; 1998 年, Powers 等 人
[ 10]
图3
对应不同的极化反转光栅周期 + , 信号光P 空闲光波长 T = 27e
K Ki 与抽运光波长 Kp 的关系 sP
2131 利用晶体温度 T 调谐 抽运光波长分别为 01532 和 11 064L m 时 , 考虑 到铌酸锂晶体的热膨胀, 对应于不同的极化反转光 栅周期 +( T ) , 信号光波长 K s 和空闲光波长 K i 与晶 体温度 T 调谐特性如图 4 所示. 由上述分析可知 , 调谐极化反 转光栅周期 +、 抽运光波长 K p 或 晶体温度 T , 均可实现信号 光波 K s 与空闲光波 K i 在较大范围内的波长调谐 .
天津市自然科学基金 ( 批准号 : 99380071) 资助的课题 .
21 调谐特性分析
将 PPLN 晶体置于光学谐振腔内 , 如图 1 所示, 当参量放大的增益等于或大于腔内损耗与耦合损耗 时, 则可分别在信号光频率 Xs 和空闲光频率 Xi 处 得到持续的相干光振荡输出 , 即为光参量振荡器 . 若 调谐耦入的抽运光波长 K p , 或者改变极化反转光栅 周期 + 大小, 或者改变铌酸锂晶体的温度 T , 即可
采用扇形光栅周期 为 291 3 ) 301 1L m, 11064L m
激光为抽运源, 相互作用长度为 50mm, 用 PPLN 实 现了 1153 ) 11 62L m 的连续可调波长输出. 本文分析了 PPLN 晶体光参量振荡的调谐特性 与极化反转光栅周期、 晶体温度、 抽运光波长 等关 系, 并给出了调谐曲线. 从耦合波方程出发, 利用对 相位失配因子求偏微分的方法分析了极化反转光栅 周期、 晶体温度、 抽运光波长的容差对光参量振荡的 增益带宽即输出激光波长稳定性的影响.
a 2 + b2 f n (K , T ) = a1 + b 1f + 2 2 K - ( a 3 + b 3f )
2(Leabharlann 3) 即( 6)+ 其中
a4 + b 4f 2 2 2 - a6 K, K - a5
n( K n( K n( K p, T) s , T) i, T ) 1 = 0. K p K s K i +( T) ( 7) 又由能量守恒条件 ( 1) 式 , 可得 1 1 1 = 0. K p K s K i ( 8)