KNbO3晶体外腔谐振倍频的理论与实验研究

作     者：雷宏香 

作者单位：山西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张天才;王军民

授予年度：2003年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：相位匹配 BBO KNbO3 倍频腔 激光器 倍频光 外腔谐振倍频 二次谐波产生 泵浦源 泵浦功率 非经典光场 倍频转换效率 理论与实验研究 

摘      要：KNbO3晶体具有较大的非线性光学系数(d31=17.9pm/V，d32=20.9pm/V@858nm；d31=15.8pm/V,d32=18.3pm/V@1064nm)，抗光损伤阈值大于350MW/cm2，被广泛用于中低功率激光器近红外光（840nm-1100nm）的二次谐波产生，如二极管激光器、LD泵浦的固体激光器、Ti：Sapphire激光器及连续的Nd：YAG激光器。该晶体采用非临界相位匹配方式，用d32系数倍频波长约为860nm的激光，在室温下即可实现相位匹配条件，因此被广泛用于蓝光激光源的产生。而此蓝光激光源在激光制冷、高密度光储存、数字视频技术、彩色激光显示及激光印刷术、激光医学、材料科学等许多领域都有着重要应用和潜在市场，所以对蓝光激光源的研究也越来越广泛和深入。 在量子光学中，该蓝光作为下转换的泵浦源，可以产生860nm非经典光场，其探测效率可达99.9％，高于目前产生的其他任何波段的非经典光场。同时通过温度调谐，可望产生与铯原子D2线作用的852nm波段的压缩真空态，从而开展非经典光场与冷原子的相互作用等方面的实验研究。 本文主要通过KNbO3晶体外腔谐振倍频技术来产生蓝色激光光源。其主要内容如下： （1）从理论上分析了KNbO3晶体外腔谐振倍频的产生原理。根据对其倍频原理及性能的分析讨论，在用该晶体完成波长从858nm到429nm的二阶非线性转换时，采用非临界相位匹配条件（此时无离散效应，对应的双折射参数B=0，共焦长度为ζ=2.84，最佳相位失配因子为σ=0.574），在相位匹配温度约为23.5℃时，理论上通过计算得到理想情况下非线性转换系数约为1.45％/W（长度为7mm），2.07％/W（长度为10mm）。 （2）根据最佳聚焦条件和腔的稳定性条件（|A+D|2）对四镜环型倍频腔进行了设计，并分别从“模式匹配和“最佳输入耦合镜透射率的选择两方面着手对腔进行优化，在我们的实验中采用10％的输入耦合镜，获得阻抗匹配效率为99.96％，空间模式匹配效率高于95％以上的模式。 （3）采用钛宝石激光器作泵浦源，泵浦单共振的KNbO3晶体外部环型倍频腔，在室温附近产生了稳定的429nm蓝光激光源。泵浦功率为600mW时，由于两种效应“蓝光导致红外吸收（BLIIRA）和“热效应（Thermal Effects）的严重影响，室温下（约21.5℃）获得了39％的倍频转换效率；采用边带锁频技术，565mW的泵浦光获得137mW的蓝光输出，在没有外界强烈的干扰下可以锁定1小时以上而不失锁。 （4）简单介绍了BBO晶体852nm倍频的实验原理。从分析其性能出发通过计算指出，使用BBO晶体获得倍频426nm蓝光（切割角度为27.430，长度为10mm），虽其非线性转换系数小，但由于该晶体的损耗小，在泵浦功率约为600mW时。理论上同样可以得到50％的倍频转换效率。但基于离散角大（约为3.711°）、接受角度又小（约0.35mrad），所以会给倍频过程调节带来了一定的难度。