CN102749784A - 补偿光学参量振荡器中非线性晶体纵向温度梯度的装置及方法 - Google Patents

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刘崇
董延涛
葛剑虹
项震
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Abstract

本发明公开了一种补偿光学参量振荡器中非线性晶体纵向温度梯度的装置。在底座上两边设有第一恒温炉、第二恒温炉，在第一恒温炉、第二恒温炉之间设有陶瓷隔离层，在第一恒温炉、第二恒温炉和陶瓷隔离层上部中间垂直设有非线性晶体，非线性晶体两侧设有晶体夹持装置，其中第一恒温炉和第二恒温炉分别对非线性晶体的两端进行温度控制，在第一恒温炉和第二恒温炉中间加入陶瓷隔离层，非线性晶体通过晶体夹持装置固定在第一恒温炉、第二恒温炉和陶瓷隔离层之上。本发明通过对非线性晶体的两端分别进行温度控制，人为引入温度梯度来补偿热效应引入的温度梯度，有效遏制了相位失配等不利因素的影响，提高了转换效率。

Description

补偿光学参量振荡器中非线性晶体纵向温度梯度的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种补偿光学参量振荡器中非线性晶体纵向温度梯度的装置及方法。
背景技术
       对于平均输出功率在瓦量级的光学参量振荡器(Optical Parametric Oscillator, OPO)，晶体的热效应问题不能被忽略。尽管参量过程中非线性晶体并不参与能量的净交换，但是由于晶体对于泵浦光和参量光都有一定的吸收，所以在较大功率运转时，晶体内还是会有较强的热效应。晶体的热效应会引起相位失配，还会引发热透镜效应，波导效应以及双稳态效应等等。其中在高重频脉冲泵浦中红外参量振荡器中，热效应的主要来源是晶体对非谐振闲频光的吸收。由于在晶体两端闲频光的功率密度并不相同，所以晶体热效应也不相同，这样就会在晶体两端产生一定的温度梯度。通常情况下，参量过程中的相位匹配都与温度有关，特定的参量过程对应着特定的晶体温度。所以这种温度梯度的存在会造成相位失配的加剧，从而降低转换效率，所以有必要对晶体纵向温度梯度进行补偿。
为了获得稳定高效的参量过程必须对晶体温度进行控制。通常的做法是将晶体至于加热炉中进行加热并维持在某个特定温度附近。但是这种结构的温控装置是对晶体整体进行加热，所以无法对热效应引起的温度梯度进行补偿。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种补偿光学参量振荡器中非线性晶体纵向温度梯度的装置及方法。
补偿光学参量振荡器中非线性晶体纵向温度梯度的装置包括非线性晶体、晶体夹持装置、第一恒温炉、第二恒温炉、陶瓷隔离层和底座；在底座上两边设有第一恒温炉、第二恒温炉，在第一恒温炉、第二恒温炉之间设有陶瓷隔离层，在第一恒温炉、第二恒温炉和陶瓷隔离层上部中间垂直设有非线性晶体，非线性晶体两侧设有晶体夹持装置，其中第一恒温炉和第二恒温炉分别对非线性晶体的两端进行温度控制，在第一恒温炉和第二恒温炉中间加入陶瓷隔离层，非线性晶体通过晶体夹持装置固定在第一恒温炉、第二恒温炉和陶瓷隔离层之上，晶体夹持装置既固定非线性晶体，又使非线性晶体与第一恒温炉、第二恒温炉和陶瓷隔离层保持良好的接触。
补偿光学参量振荡器中非线性晶体纵向温度梯度的方法是：通过引入温度梯度补偿由热效应引起的非线性晶体纵向温度梯度；即当光学参量振荡器运转后，泵浦光入射到非线性晶体中并引起晶体纵向出现温度梯度分布；通过调整第一恒温炉的温度T1和第二恒温炉的温度T2 使输出功率最大时，此时引入的温度梯度ΔT=T1-T2是最佳值，可以有效补偿热效应引入的温度梯度。
本发明克服了现有晶体温控制装置只能控制晶体整体温度的不足，通过对非线性晶体的两端分别进行温度控制，人为引入温度梯度来补偿热效应引入的温度梯度，有效遏制了相位失配等不利因素的影响，提高了转换效率。
附图说明
图1是补偿光学参量振荡器中非线性晶体纵向温度梯度的装置结构示意图；
图2是实施例1中验证温度补偿效果的参量振荡器结构示意图；
图3是实施例1中T1=50 oC时输出功率随T2的变化曲线；
图4是实施例1中T2=44 oC时输出功率随T1的变化曲线；
图5是实施例1中T1=48 oC时输出功率随T2的变化曲线。
具体实施方式
本发明的原理是：在大功率脉冲泵浦的中红外参量振荡器中，由于晶体对非谐振闲频光的吸收，会使晶体两端产生的热效应不同，产生了温度的纵向温度梯度分布。温度梯度的出现会引发相位失配的加剧，从而降低转换效率。在本发明中，我们利用两个独立的温控装置，分别对晶体两端进行温度控制，通过人为引入相反的温度差来补偿热效应引起的温度梯度，提高转换效率。
下面根据附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
如图1所示，补偿光学参量振荡器中非线性晶体纵向温度梯度的装置包括非线性晶体1、晶体夹持装置2、第一恒温炉3、第二恒温炉4、陶瓷隔离层5和底座6；在底座6上两边设有第一恒温炉3、第二恒温炉4，在第一恒温炉3、第二恒温炉4之间设有陶瓷隔离层5，在第一恒温炉3、第二恒温炉4和陶瓷隔离层5上部中间垂直设有非线性晶体1，非线性晶体1两侧设有晶体夹持装置2，其中第一恒温炉3和第二恒温炉4分别对非线性晶体1的两端进行温度控制，以补偿由热效应引起的非线性晶体纵向温度梯度；在第一恒温炉3和第二恒温炉4中间加入陶瓷隔离层5，这样可以降低两个恒温炉之间的热传导，从而保证恒温炉之间可以产生稳定的温度差；非线性晶体1通过晶体夹持装置2固定在第一恒温炉3、第二恒温炉4和陶瓷隔离层5之上，晶体夹持装置2既固定非线性晶体1，又使非线性晶体1与第一恒温炉3、第二恒温炉4和陶瓷隔离层5保持良好的接触，保证对非线性晶体1温度控制的精度。
补偿光学参量振荡器中非线性晶体纵向温度梯度的方法是：通过引入温度梯度补偿由热效应引起的非线性晶体1纵向温度梯度；即当光学参量振荡器运转后，泵浦光入射到非线性晶体1中并引起晶体纵向出现温度梯度分布；通过调整第一恒温炉3的温度T1和第二恒温炉4的温度T2 使输出功率最大时，此时引入的温度梯度ΔT=T1-T2是最佳值，可以有效补偿热效应引入的温度梯度。
补偿光学参量振荡器中非线性晶体纵向温度梯度的方法的具体步骤为：
①将第一恒温炉3的温度T1设定为不考虑热效应时参量过程所需要的温度T1 1，然后使第二恒温炉4的温度T2--在T1 1附近变化，用功率计监测OPO的输出功率，调整第二恒温炉4的温度T2使OPO的输出功率最大，记录此时第二恒温炉4的温度为T2 1。
②将第二恒温炉4的温度设置为T2 1不变，然后使第一恒温炉3的温度T1在T1 1附近变化，用功率计监测OPO的输出功率，调整第一恒温炉3的温度T1使OPO的输出功率最大，记录此时第一恒温炉3的温度为T1 2。
③将第一恒温炉3的温度设置为T1 2不变，重复步骤①②的过程，直到改变第一恒温炉3和第二恒温炉4的温度时，OPO的输出功率都不再增加为止。记录最终第一恒温炉3温度为T-1 N和第二恒温炉4的温度T-2 N，则此时人为引入的温度梯度ΔT=T-1 N-T-2 N是最佳值，为可以有效补偿热效应引入的温度梯度。
下面根据具体实施例进一步说明本发明。
实施例1：
   实验中使用的泵浦光源是双端泵浦Nd:YVO4基模1064 nm激光器。在泵浦功率为100W，调Q频率100 kHz时，最大输出功率50W，x方向和y方向的光束质量M2因子分别为1.06和1.04，脉冲宽度为30 ns。如图2所示，泵浦光经过功率衰减并经过透镜会聚后入射到参量振荡腔。参量振荡腔结构是腔镜分立式的直线型振荡腔，谐振方式是对信号光谐振的双通单谐振腔。其中输入镜为平面镜，对于泵浦光高透过率，对于信号光(1.5 μm激光)和闲频光(3.8 μm激光)高反射率。输出镜为曲率半径为400 mm的凹面镜，对泵浦光高反射率，对闲频光高透过率，对信号光反射率为60%。
所用非线性晶体为PPMgOLN晶体，尺寸为50×10.2×1 mm3，分为九个通道，每个通道宽1 mm。各通道的极化周期分别为27.5 μm至31.5 μm，相邻通道极化周期相差0.5 μm，实验中所用极化周期为29 μm。晶体双端分别镀有对泵浦光，信号光和闲频光增透膜。晶体放置在图1所示的温控装置中。其中第一恒温炉3和第二恒温炉4中的温控元件为TEC(Thermoelectric Cooler)，其温控原理是利用半导体的帕尔贴效应，即当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一段放热的现象。TEC既可以致冷也可以加热，其致冷、加热的速率，由通过它的电流方向和大小来决定，从而可以快速精确的控制晶体的温度。
设第一恒温炉3温度为T1，第二恒温炉4温度为T2。我们按照发明内容中描述的方法对晶体温度进行控制。首先我们将T1设定在50oC，然后改变T2的温度，图3所示为输出的3.8 μm激光功率随T2的变化曲线，可看出输出功率的大小与T2有明显的关系，而且当T2为44oC时输出功率最高，为5.6W。我们将T2设定在44oC，然后调节T1的大小，图4所示为输出的3.8 μm激光功率随T1的变化曲线，可见当T1为48 oC时输出功率最高，为6.3W。然后我们将T1设置为48 oC，调节T2，输出功率如图5所示，可以看出，此时仍然在T2为44oC时功率最高，说明此时的T1和T2为最佳值，人为引入的温度梯度ΔT= T1-T2=4oC，此时可以最有效的补偿热效应引起的温度梯度。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种补偿光学参量振荡器中非线性晶体纵向温度梯度的装置，其特征在于包括非线性晶体（1）、晶体夹持装置（2）、第一恒温炉（3）、第二恒温炉（4）、陶瓷隔离层（5）和底座（6）；在底座（6）上两边设有第一恒温炉（3）、第二恒温炉（4），在第一恒温炉（3）、第二恒温炉（4）之间设有陶瓷隔离层（5），在第一恒温炉（3）、第二恒温炉（4）和陶瓷隔离层（5）上部中间垂直设有非线性晶体（1），非线性晶体（1）两侧设有晶体夹持装置（2），其中第一恒温炉（3）和第二恒温炉（4）分别对非线性晶体（1）的两端进行温度控制，在第一恒温炉（3）和第二恒温炉（4）中间加入陶瓷隔离层（5），非线性晶体（1）通过晶体夹持装置（2）固定在第一恒温炉（3）、第二恒温炉（4）和陶瓷隔离层（5）之上，晶体夹持装置（2）既固定非线性晶体（1），又使非线性晶体（1）与第一恒温炉（3）、第二恒温炉（4）和陶瓷隔离层（5）保持良好的接触。
2.一种使用如权利要求1所述装置补偿光学参量振荡器中非线性晶体纵向温度梯度的方法，其特征在于通过引入温度梯度补偿由热效应引起的非线性晶体（1）纵向温度梯度；即当光学参量振荡器运转后，泵浦光入射到非线性晶体（1）中并引起晶体纵向出现温度梯度分布；通过调整第一恒温炉（3）的温度T1和第二恒温炉（4）的温度T2 使输出功率最大时，此时引入的温度梯度ΔT=T1-T2是最佳值，可以有效补偿热效应引入的温度梯度。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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