盧一鑫, 呂印莊, 楊露娜
(1.西安文理學(xué)院應(yīng)用物理研究所, 西安 710065; 2.西北大學(xué)光子學(xué)與光子技術(shù)所, 西安 710069)
基于LBO晶體的高效千赫茲皮秒量級光學(xué)參量產(chǎn)生器
盧一鑫1, 呂印莊1, 楊露娜2
(1.西安文理學(xué)院應(yīng)用物理研究所, 西安 710065; 2.西北大學(xué)光子學(xué)與光子技術(shù)所, 西安 710069)
本文所述的光學(xué)參量產(chǎn)生器(OPG)是基于高效的三硼酸鋰(LBO)晶體, 由倍頻半導(dǎo)體激光Nd:YVO4振蕩放大(MOPA)系統(tǒng)作為泵浦輻射源.根據(jù)Boydand Kleinman理論:聚焦效應(yīng)可以使泵功率密度為50 GW/cm2, 這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LBO晶體的損傷閾值80 GW/cm2, 發(fā)生簡并時(shí)其總的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到72%.當(dāng)整體轉(zhuǎn)換效率達(dá)到50%時(shí), OPG可調(diào)諧范圍的范圍可以從760 nm到1770 nm.當(dāng)轉(zhuǎn)換效率低于40%(M2<1.3)時(shí), 光束質(zhì)量是非常優(yōu)良的.通過種子光注入OPG, 10 nm(RMS)譜線帶寬可以被縮窄.種子激光注入可以表示為波長922.54 nm的信號.30 nW種子CW具有足夠的功率可以將光譜寬度減少為0.1 nm(RMS).測量種子光注入OPG脈沖持續(xù)時(shí)間為9 ps(FWHM).這會(huì)導(dǎo)致時(shí)間帶寬積為1.30, 這是sech2型脈沖理論極限為0.315的4.1倍.
LBO晶體; 光學(xué)參量產(chǎn)生器; 時(shí)間帶寬積; 種子光注入
基于光學(xué)參量過程的脈沖光源可用于各種各樣的應(yīng)用, 如時(shí)間光譜, 計(jì)量, 環(huán)境研究或激光醫(yī)學(xué).在過去, 只是研究了一些利用kHz重復(fù)率[1-4]和準(zhǔn)連續(xù)波輻射的MHz重復(fù)率[5-7]可調(diào)諧皮秒(ps)脈沖激發(fā)產(chǎn)生這種光源.高重復(fù)率脈沖光學(xué)參量產(chǎn)生器(OPGs)[5-7]以及同步泵浦光學(xué)參量振蕩器(OPO)[8-11]已有文獻(xiàn)報(bào)道, 而低重復(fù)率只有OPGs有報(bào)道.如ps級kHz高重復(fù)率的 OPG bywalker等人在1995[1]已經(jīng)實(shí)現(xiàn).在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中, 20 ps的長脈沖在脈沖能量為0.3 mJ和重復(fù)率3kHz的532 nm波段已經(jīng)可以應(yīng)用.盡管有較高脈沖能量, 但這個(gè)實(shí)驗(yàn)只有20%總的轉(zhuǎn)換效率.主要的問題是三硼酸鋰(LBO)的損傷閾值的限制, 這個(gè)是由Boydand Kleinman理論預(yù)測的[12], 這個(gè)理論表明其最小光束直徑限制在120μm,而不能選擇21μm的最佳焦束直徑.而基于摻鎂鈮酸鋰晶體(PPMgLN)產(chǎn)生的高效光學(xué)參量產(chǎn)生器[13]已有報(bào)道, 如利用聲光調(diào)Q的Nd:YVO4激光器作為泵浦源, 在室溫下, 實(shí)現(xiàn)了PPMgLN晶體準(zhǔn)相位匹配光參量輸出,總光光轉(zhuǎn)化效率達(dá)到47.6%, 以及基于磷硅鎘晶體(CdSiP2)產(chǎn)生的高能的光學(xué)參量產(chǎn)生器[14]都很好的實(shí)現(xiàn)了ps級的可調(diào)諧波長的連續(xù)輸出.
今天, 平均功率比較高的激光二極管泵浦鎖模激光器可以提供在一個(gè)重復(fù)率從5kHz到500kHz和脈沖能量10多個(gè)μJ的ps脈沖.由于高質(zhì)量的光束, 這種輻射可以使光斑集中到約20μm量級尺寸的非線性材料上, 而功率密度仍然低于其損傷閾值.因此, 最佳聚焦由Boydand Kleinman和其他的預(yù)測是可能的[12].而其預(yù)期的高轉(zhuǎn)換效率, 相比目前報(bào)道的結(jié)果是具有相當(dāng)優(yōu)勢的.
在本文中我們報(bào)告這種高效OPG在近紅外(NIR)波段, 調(diào)諧范圍從760nm到1770nm其總的轉(zhuǎn)換效率約為50%.而我們在簡并點(diǎn)處測量的最大轉(zhuǎn)換效率為72%.
圖1顯示實(shí)驗(yàn)裝置, 它由倍頻Nd:YVO4晶體振蕩器放大器系統(tǒng)和OPG晶體組成的.激光系統(tǒng)可以提供532 nm ps量級, 其可調(diào)重復(fù)率在5 kHz至500 kHz以及M2<1.2的衍射極限的脈沖光束.根據(jù)重復(fù)頻率, 脈沖持續(xù)時(shí)間在8 ps和10 ps之間變化,其對應(yīng)的脈沖能量為2μJ到10μJ之間.
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置光路圖Fig.1 Experimental setup
在實(shí)驗(yàn)中, 使用的是一個(gè)20 mm長的非臨界相位匹配LBO晶體的設(shè)計(jì).而小的非線性系數(shù)是由一個(gè)長75 mm的透鏡相互作用長度補(bǔ)償.
高轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)關(guān)鍵因素是匹配晶體長度和瑞利長度[12].為了實(shí)現(xiàn)理想的聚焦條件為長20 mm晶體, 在輻射波長為532 nm的調(diào)節(jié)光束直徑為24μm.這導(dǎo)致在一個(gè)最大的能量密50 GW/cm2時(shí), 這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于損傷閾值80 GW/cm2(報(bào)道的532 nm脈沖以20 ps的脈沖持續(xù)時(shí)間)[15].
泵浦光是通過兩個(gè)分色鏡(高反射在532 nm, T≈0.9在700 nm-1700 nm)從待檢測信號中分離出來.而在這些鏡子后面就可以檢測到信號和脈沖總功率.
在種子光注入試驗(yàn)中, 一個(gè)連續(xù)分布反饋(DFB)激光二極管輻射922.54 nm波長的光波通過分色鏡注入非線性晶體.OPG的光譜測量取決于LBO晶體的溫度特性:在142°C檢測出來的信號波長等于種子波長.其能量輻射通常大約為幾個(gè)nw.
圖2顯示的是非種子注入的OPG輸出的平均功率與泵浦源不同重復(fù)率條件下的依賴關(guān)系.800nm信號光在重復(fù)率為100 kHz出現(xiàn)最高的平均輸出功率, 其由泵浦光的最高平均功率決定的.
圖2 非種子注入式的OPG平均功率與泵浦功率的依賴關(guān)系Fig.2 Average output power of the unseeded OPG for different Repetition rates at a signal wavelength of 800nm
OPG在簡并時(shí)的總轉(zhuǎn)換效率與泵浦功率密度的依賴關(guān)系如圖3所示:在脈沖重復(fù)率為50 KHz時(shí)得到了最高的轉(zhuǎn)換效率.由于泵浦脈沖能量增大, 此脈沖重復(fù)率達(dá)到最大, 總轉(zhuǎn)換效率提高, 增加泵功率為50 GW/cm2, 轉(zhuǎn)換效率η達(dá)到72%.此時(shí), 泵浦功率密度仍遠(yuǎn)低于損傷閾值(80 GW/cm2), 我們甚至可以預(yù)計(jì)更高的泵浦功率密度可以得到更高的轉(zhuǎn)換效率.
圖3 非種子注入OPG在簡并時(shí)的總轉(zhuǎn)換效率η與泵浦功率的依賴關(guān)系Fig.3 Total conversion efficience η in dependence on the pump power density of unseeded OPG at degeneracy
圖4 非種子注入OPG在簡并時(shí)不同轉(zhuǎn)換效率與光束質(zhì)量M2 的關(guān)系Fig.4 M2 value of signal radiation for different convertion efficiencies of unseeded OPG at degeneracy
總的轉(zhuǎn)換效率與晶體溫度變化關(guān)系曲線如圖5所示.轉(zhuǎn)化效率從100°C開始上升, 在111°C時(shí)總轉(zhuǎn)換效率超過50%.然后, 總轉(zhuǎn)換效率與結(jié)晶溫度呈線性增加, 可是由于參量增益, 產(chǎn)生的頻率簡并.在147.5℃的溫度, 總轉(zhuǎn)換效率在簡并點(diǎn)達(dá)到最大值72%.超過這個(gè)溫度, 轉(zhuǎn)換效率仍然高(≈40-50%).在這些溫度下, 透明度晶體在此范圍內(nèi)共線相位匹配是不可能, 147.5°C以上轉(zhuǎn)換可以歸因于非共線相位匹配.
圖5 總轉(zhuǎn)換效率η與晶體溫度變化和信號波長關(guān)系曲線Fig.5 Convertion efficiency η in dependence on the crystal temperature and the corresponding singal wavelength
一個(gè)自由運(yùn)行OPG的頻譜寬度普遍是較寬, 廣泛用于許多應(yīng)用中.為了減少頻譜寬度, 種子注入技術(shù)[16, 17, 18]已被使用.0.02 nm(FWHM)的DFB二極管具有廣泛連續(xù)頻譜的OPG, 當(dāng)調(diào)到142°溫度時(shí)頻譜集中在922.54 nm.種子激光的功率為30Mw.但產(chǎn)生一致連續(xù)脈沖泵浦光只占其中一部分功率.泵的脈沖持續(xù)時(shí)間的產(chǎn)品與泵的脈沖重復(fù)率等于10-6, 從而有效的種子光注入功率降低為30 nw.
圖6顯示了帶寬的種子光注入和非種子光注入OPG與泵浦功率密度的關(guān)系.注入種子OPG的光譜由尖銳的峰波長組合, 是由于自相位調(diào)制的泵浦激光連續(xù)的信號種子和轉(zhuǎn)移到惰波長的種子注入到OPG.考慮到光譜復(fù)雜的形式和標(biāo)準(zhǔn)偏差, 我們評估的光譜采用的均方根寬度而不是FWHM寬度.種子注入式的OPG的帶寬(≈0.1 nm RMS)是相比非種子注入OPG(≈10 nm RMS)小約100倍.非種子注入OPG的帶寬積隨泵浦功率密度的增加, 使得波長放大, 從而得到一個(gè)更大的光譜相位失配, 導(dǎo)致光譜擴(kuò)大.
圖7顯示了種子光注入OPG脈沖持續(xù)時(shí)間以及泵浦脈沖持續(xù)時(shí)間在泵浦功率密度的依賴關(guān)系.當(dāng)泵浦的輻射脈沖持續(xù)時(shí)間在9 ps和10.5 ps的之間時(shí), OPG 的弛豫時(shí)間從 3.5 ps, 15 GW/cm2增加到9 ps, 40 GW/cm2.此行為歸因于時(shí)間脈沖的中心有更高的功率, 這會(huì)導(dǎo)致在脈沖中心產(chǎn)生更高的轉(zhuǎn)換效率.這樣的結(jié)果使得單個(gè)的脈沖前導(dǎo)和尾隨縮短從而會(huì)有效抑制脈沖邊沿.而在高功率泵浦的情況下可以由足夠的能量轉(zhuǎn)換, 使得脈沖中心功率密度均勻, 因此, 脈沖縮短不是很明顯.
圖6 種子光注入(紅色)和非種子光注入(藍(lán)色)OPG帶寬與泵浦功率密度的關(guān)系Fig.6 Bandwidth of signal radiation of unseeded OPG(blue circle) and theinjection-seeded OPGs(red squares) in dependence on the pump power density
圖7 532nm處的泵浦脈沖(綠色)與種子光注入式單脈沖的持續(xù)時(shí)間與泵浦功率密度的關(guān)系Fig.7 Pulse duration of pump pulses at 532nm(green circle)and signal pulses of the injection-seeded OPGs(red squares) in dependence on the pump power density
時(shí)間帶寬積為0.37種子光注入, 其脈沖其功率密度為15 GW/cm2和時(shí)間帶寬積為1.30種子光注入, 其脈沖功率密度為40 GW/cm2.這些值分別為理論值為0.315的雙曲正割型—脈沖的1.2倍和4.1倍.
總之, 我們研究了一種在近紅外波段具有高效的532nm泵浦kHz重復(fù)率的ps級OPG.其總的轉(zhuǎn)換效率超過50%, 輻射可調(diào)諧從760nm至1770nm(信號).最大的總轉(zhuǎn)換效率在簡并點(diǎn)到達(dá)72%.種子光注入的光譜寬度減少了兩個(gè)數(shù)量級, 得到帶寬積為0.37(15 GW/cm2)和1.30(40 GW/cm2).
[1] Walker D R, Flood C J, Van Driel H M. Kilohertz allsolid-state picosecond lithium triborate optical parametric generator [J].Opt.Lett., 1995, 20: 145.
[2] Carrion L, Girardeau-Montaut J. Performance of a new picosecond KTP optical parametric generator and amplifier [J].Opt.Commun., 1998, 152: 347.
[3] Sun Z, Ghotbi M, Ebrahimzadeh M. Widely tunable picosecond optical parametric generation and amplification in BiB3O6[J].Opt.Express, 2007, 15: 4139.
[4] Vodopyanov K, Chazap V.Extra-wide tuning range optical parametric generator [J].Opt.Commun., 1996, 135: 98.
[5] Koehler B, Baeder U, Nebel A,etal. Wallenstein. A 9.5-W 82-MHz-repetition-rate picosecond optical parametric generator with cw diode laser injection seeding [J].Appl.Phys. B, 2002, 75: 31.
[6] Forget S, Balembois F, Lucas-Leclin G,etal. Picosecond laser source at 1 MHz with continuous tunability in the visible red band [J].Opt.Commun., 2003, 220: 187.
[7] Zhang J, Huang J, Shen Y,etal. Optical parametric generation and amplification in barium borate and lithium triborate crystals [J].J.Opt.Soc.Am. B, 1993, 10: 1758.
[8] Agnesi A, Lucca A, Reali R,etal. All-solid-state high-repetition-rate optical source tunable in wavelength and in pulse duration [J].J.Opt.Soc.Am. B, 2001, 18: 286.
[9] Ebrahimzadeh M, French S, Miller A. Design and performance of a singly resonant picosecond LiB3O5optical parametric oscillator synchronously pumped by a self-mode-locked Ti: sapphire laser [J].J.Opt.Soc.Am. B, 1995, 12: 2180.
[10] Nebel A, Fallnich C, Beigang R,etal. Noncritically phase-matched continuous-wave mode-locked singly resonant optical parametric oscillator synchronously pumped by a Ti: sapphire laser [J].J.Opt.Soc.Am. B, 1993, 10: 2195.
[11] Zhou H, Zhang J, Chen T,etal. Picosecond, narrow‐band, widely tunable optical parametric oscillator using a temperature‐tuned lithium borate crystal [J].Appl.Phys.Lett., 1993, 62: 1457.
[12] Boyd G, Kleinman D. Parametric interaction of focused Gaussian light beams [J].Appl.Phys., 1968, 39: 3597.
[13] Lin H, Tan H, Cui T,etal. Widely tunable, high conversion efficiency, acousto-optic Q-switched Nd:YVO4/PPMgLN optical parametric generator [J].Laser&Infrared, 2010, 40(2): 155( in Chinese)[林洪沂, 檀慧明, 崔鐵成, 等. 寬調(diào)諧高效率聲光調(diào)Q Nd: YVO4/PPMgLN光學(xué)參量產(chǎn)生器 [J]. 激光與紅外, 2010, 40(2): 155]
[14] Chaitanya Kumar S, Jelínek M, Baudisch M,etal. Tunable, high-energy, mid-infrared, picosecond optical parametric generator based on CdSiP2[J].Opt.Express, 2012, 20: 15703.
[15] Nikogosyan D N.Nonlinearopticalcrystals:Acompletesurvey[M]. Berlin: Springer, 2005.
[16] Lin S, Wu B, Xie F,etal. Phase matching retracing behavior for second harmonic generation in LiB3O5crystal [J].J.Appl.Phys., 1997, 73: 1029.
[17] Rahm M, Baeder U, Anstett G,etal.Pulse-to-pulse wavelength tuning of an injection seeded nanosecond optical parametric generator with 10 kHz repetition rate [J].J.Appl.Phys. B, 2002, 75: 47.
[18] Baeder U, Mattern T, Bauer T,etal. Pulsed nanosecond optical parametric generator based on periodically poled lithium niobate [J].Opt.Commun., 2001, 217: 375.
Efficient kHz picosecond LBO optical parametric generator
LU Yi-Xin1, LV Yin-Zhuang1, YANG Lu-Na2
(1.Institute of Applied Physics Xi'an University Arts and Science, Xi'an 710065, China;2.Institute of Photonics and Photon Technology Northwest University, Xi'an 710069, China)
We report a highly efficient optical parametric generator (OPG) based on lithium triborate (LBO). A frequency doubled passively mode-locked diode-pumped Nd:YVO4 oscillator amplifier (MOPA) system is used as the pump radiation source. Focusing according to the theory of Boyd and Kleinman leads to a pump power density of 50 GW/cm2, which is well below the damage threshold of LBO of 80 GW/cm2. The overall conversion efficiency reaches a value of 72% measured at degeneracy. The tuning range of the OPG ranges from 760 nm (signal) to 1770 nm (idler) when referring to an overall conversion efficiency of 50%. The beam quality is excellent for conversion efficiencies below 40% (M2< 1.3). The typically 10 nm (RMS) broad spectrum can be narrowed by injection seeding the OPG. Injection seeding is demonstrated for a signal wavelength of 922.54 nm. A seed cw power of 30 nW is sufficient to reduce the spectral width to 0.1 nm (RMS). The measured injection-seeded OPG pulse duration is 9 ps (FWHM). This results in a time-bandwidth product of 1.30, which is 4.1 times the theoretical limit of 0.315 for sech2-shaped pulses.
LBO crystal; Optical parametric generator (OPG); Time-bandwidth; Injection seeding
2013-10-12
陜西省教育廳課題(2013JK0620);西安市科技局課題(CX12189WL10)
盧一鑫(1982—), 男, 漢族, 西北大學(xué)物理系畢業(yè), 主要從事非線性光學(xué), 光電子器件研究. E-mail: tongy1982@163.com
103969/j.issn.1000-0364.2015.02.019
O432
A
1000-0364(2015)02-0286-05