CN105954010A - 一种非线性晶体热透镜焦距的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量非线性晶体热透镜焦距的方法，此方法包括以下步骤：光学谐振腔内注入少许待测激光，扫描光学谐振腔腔长，通过透镜组整形注入光光斑，使其与谐振腔基模模式匹配，并记录匹配效率；增加注入光功率，锁定光学谐振腔，并持续几分钟；解锁光学谐振腔，扫描腔长，并记录注入光与基模的模式匹配效率；对比两次模式匹配效率，计算非线性晶体的热透镜焦距。该方法操作方便、测量精度高，具有很好的实用价值。

Description

一种非线性晶体热透镜焦距的测量方法

技术领域

本发明涉及一种非线性晶体热透镜焦距的测量方法，具体是一种通过测量光学谐振腔模式匹配效率的变化，推导非线性晶体热透镜焦距大小的方法。

背景技术

非线性晶体(如LBO、KTP、BIBO和PPKTP等)是激光技术领域普遍使用的一种光学材料，由于其优越的光学特性被广泛应用于光与物质相互作用的研究工作中，例如连续变量压缩态光场和二次谐波的产生过程等，并且通过压缩态光场可进一步制备多组份纠缠态光场，进而应用于构建量子信息网络、完成量子密钥分发等研究工作。通常，非线性晶体是多种化合物以一定的配比在高温环境下经过一定的周期生长而成。然而，在晶体生长的过程中，各种化合物很难达到理想的化学配比，并且不可避免地会引入一些杂质材料，形成固有缺陷。这种缺陷对外表现为晶体对注入光的吸收，吸收过程则会导致剧烈的热效应。通常，晶体表面会采取控温措施，以散失内部吸收产生的大量热量，这就导致了晶体中由内而外形成一定的温度梯度，产生热透镜效应。而晶体的化学配比偏离理想值越远，杂质越多，则晶体的热透镜效应越严重。热透镜效应的存在，不仅会改变光学谐振腔的基模腰斑尺寸、降低模式匹配效率、缩小谐振腔工作稳区，严重时还会导致基模模式发生畸变，甚至晶体断裂。此外，还会降低压缩光的压缩度和倍频过程的转换效率，限制高质量非经典光场和高效倍频光的产生。因此，在实际的应用中，我们有必要对晶体的热透镜效应进行分析。

在晶体热透镜焦距的测量方面，研究工作者已经开展了大量的研究工作，尤其在激光晶体热焦距的测量方面，提出多种测量晶体热焦距的方法。如：利用探针光束直接测量的法[APPLIED OPTICS,Vol-9,P-2548(1970)]，将一束探针光准直注入激光晶体，当有泵浦光注入时，晶体即等效为一个薄透镜，探针光经过透镜被聚焦，直接测量其焦点位置即可获得热透镜焦距的大小。其中，焦点位置可以采用直接观察法或光电探测器、光束质量分析仪辅助观察的办法进行测量。虽然该方法简单易行，对所用的非线性晶体热焦距的测量仍然适用，但存在以下缺点：(1)光路准直的好坏对测量影响较大，对于二极管泵浦的固体激光器来说，泵浦区域与非泵浦区域温度分布差异较大，若准直不佳会导致测量误差加大；(2)一般探针光与激光腔内振荡光的波长存在一定的偏差，由晶体后端面出射后的光束相位延迟有差异，从而引入一定的误差；(3)通过上述观察办法，探针光焦点位置的测量存在较大误差，从而严重影响测量精度；(4)测量并非是在腔内谐振条件下完成，无法表征实际情况下热焦距的大小。

另外一种典型的方法是刀口法测量法[光子学报,Vol-34,P-1769(2005)]：在光学谐振腔输出激光光路中放置一片薄的刀片，在至少三个不同的位置，利用刀片测量光束腰斑半径，从而计算出输出激光束的发散角，由发散角即可推导出晶体热透镜焦距大小。该方法虽然可以测量激光实际工作条件下，晶体的热透镜焦距，但仍然存在以下缺点：(1)利用刀片遮挡光斑的方法测量光束横截面尺寸精度较差，从而对热透镜焦距的测量引入较大的系统误差；(2)利用功率计或探测器测量未被刀片遮挡部分光束的功率，功率计测量精度直接影响测量结果。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单、精确、直观、能反映光学谐振腔实际工作情况的非线性晶体热透镜焦距的测量方法。

本发明的核心思想是把对非线性晶体热透镜焦距的测量转化为对光学谐振腔的模式匹配效率变化的测量。随着注入功率的变化，热透镜焦距随之发生变化，进而改变谐振腔基模腰斑尺寸，当注入光腰斑半径恒定时，即表现为光学谐振腔模式匹配效率发生改变。首先，让少许激光注入光学谐振腔，并采用放置于光路中的一组透镜整形注入光的腰斑尺寸，使其与光学谐振腔基模实现模式匹配，并记录匹配效率；然后，增加注入光光功率，并锁定光学谐振腔腔长；等待数分钟后，解锁谐振腔，并迅速记录此时振荡光的模式匹配效率；对比两次模式匹配效率，计算热透镜焦距的大小。

本发明提供了一种测量非线性晶体热透镜焦距的方法，包括以下步骤：

1)、通过内插入非线性晶体的光学谐振腔之前的透镜组整形注入光学谐振腔中的光，使注入光腰斑恰好落在光学谐振腔基模腰斑处，并且与基模大小相等，位置重合；用三角波信号通过安装于光学谐振腔的输入镜上的压电陶瓷扫描腔长，使注入光与光学谐振腔基模实现模式匹配，并记录模式匹配效率。

在光学谐振腔前插入合适焦距的透镜组，整形注入光的腰斑尺寸，使其腰斑大小与光学谐振腔基模腰斑大小相等，且两者腰斑完全重合。通过粘贴于输入镜上的压电陶瓷扫描光学谐振腔的腔长，由第三探测器观察光学谐振腔输出激光的透射峰曲线。第三探测器输出的直流信号与示波器连接，可直接观察一个自由光谱区内的主模与次模模式透射峰的比例(模式匹配效率＝主模透射峰高度/(主模透射峰高度+次模透射峰高度))，从而得到光学谐振腔的模式匹配效率，并记录。

在测量中，热透镜焦距与谐振腔的模式匹配效率之间的关系，可由以下表达式建立。

首先，光学谐振腔基模腰斑半径可由以下公式计算：

谐振腔ABCD传输矩阵为：

$\begin{array}{c}M=\left(\begin{array}{cc}A& B\\ C& D\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& l/2\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{f_{th}}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& l/2\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{2}{\mathrm{\ρ}}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& l/2\\ 0& 1\end{array}\right)\\ \left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{f_{th}}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& l/2\\ 0& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{2}{\mathrm{\ρ}}& 1\end{array}\right)\end{array},---\left(1\right)$

其中，l为谐振腔腔长，f_th为热透镜焦距大小，ρ为凹面镜的曲率半径。由传输矩阵可得，光学谐振腔的基模腰斑光斑尺寸为：

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\α}0,e}=\sqrt{\frac{\mathrm{\λ}\sqrt{4-{(A+D)}^2}}{2\mathrm{\π}C}},---\left(2\right)$

其中，λ为注入激光波长。注入光与谐振腔基模的模式匹配效率可定义为：

${\mathrm{\κ}}_{00}=\frac{16{\mathrm{\Π}}_{\mathrm{\α}=x,y}{\left\{{\∫}_0^l\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\α}}^2\left(z\right)+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\α},e}^2\left(z\right)}dz\right\}}^2}{{\mathrm{\Π}}_{\mathrm{\α}}\left\{{\∫}_0^l\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\α}}^2\left(z\right)}dz\right\}\left\{{\∫}_0^l\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\α},e}^2\left(z\right)}dz\right\}},---\left(3\right)$

${\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\α}(\mathrm{\α},e)}^2={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\α}0(\mathrm{\α}0,e)}^2\{1+{\left(\frac{z-z_{\mathrm{\α}}}{z_{\mathrm{\α}0}}\right)}^2\},---\left(4\right)$

其中，ω_α(z)和ω_α，e(z)分别为注入光和光学谐振腔基模在腔内z处的光斑半径，ω_α0和ω_α0，e分别为两者的腰斑半径，z_α为腰斑位置，z_αo＝πω_α0 ²/λ，z_αo,e＝πω_α0，e ²/λ。

2)、提高注入光功率，锁定光学谐振腔，等待几分钟后，解锁光学谐振腔，用三角波信号扫描腔长，并迅速记录模式匹配效率。

锁定光学谐振腔后，腔内基频光和倍频光功率密度恒定，其中，前者可由第一探测器测量值推导，后者可由第二探测器测量值推导。在相位匹配的条件下，注入光与非线性晶体发生相互作用并产生倍频光，部分注入光及其倍频光会被晶体吸收产生热量，形成热透镜，进而改变谐振腔基模尺寸。因晶体对激光的吸收需要一定的响应时间，锁定几分钟后，吸收恒定，晶体内形成稳定的热透镜。一般吸收积累后需要较长的衰减周期，解锁瞬间，晶体内温度梯度会维持一段时间，迅速通过压电陶瓷扫描腔长，记录此时的模式匹配效率，即可代表该注入功率下实际的模式匹配效率。

3)、依据步骤1)、2)所测量的模式匹配效率，计算光学谐振腔基模的腰斑大小。

由公式(3)可知模式匹配效率与注入光和基模模式尺寸有关，在测量中，注入光腰斑大小恒定不变，于是由公式(3)、(4)和测量到的模式匹配效率方可计算谐振腔基模腰斑大小。

4)、依据步骤3)得到的基模腰斑值，计算非线性晶体的热透镜焦距大小。

由公式(1)和(2)可知，热透镜焦距与光学谐振腔基模腰斑半径相关，并一一对应，根据步骤3)计算的基模腰斑半径，由公式(2)即可反推出与基模腰斑相对应的热透镜焦距值。

即，热透镜焦距的测量过程为：首先，在特定的注入功率下，测量模式匹配效率κ₀₀，由公式(3)、(4)、注入光腰斑ω_α0和κ₀₀计算谐振腔基模腰斑大小ω_α0,e；然后，由公式(1)、(2)和ω_α0,e推导晶体的热透镜焦距f_th。

所述的光学谐振腔是两镜腔、三镜腔、四镜腔或六镜腔等。

所述的光学谐振腔内包含光学非线性晶体。非线性晶体用于注入光及其倍频光与晶体的非线性相互作用，形成热透镜。

所述的非线性晶体可以是KTP、LBO、BIBO、LiNbO₃、PPLN和PPKTP等。

所述的非线性晶体放置于光学谐振腔基模腰斑的位置。

所述的注入光是一束激光或多束激光，激光波长间可以满足倍频关系，也可以是任意关系。

所述的注入光至少有一束在光学谐振腔内振荡。

所述的步骤1)中谐振腔前所用的透镜组是一个或者多个透镜的组合。根据谐振腔基模腰斑尺寸和注入光束腰斑尺寸选取合适的透镜组，保证两者腰斑位置重合且大小相等。

通过该方法的实施，可以把热透镜焦距的测量转化为对光学谐振腔模式匹配效率的测量。该方法具有灵敏、简便和精确等优点，对分析晶体的热效应具有重要意义。

本发明所述的利用光学谐振腔测量非线性晶体热透镜焦距的方法与传统的方法相比具有以下优点：

(1)能够测量晶体在实际工作状态下的热透镜焦距大小，与其它方法相比，测量时，晶体可以控温于相位匹配的温度点。

(2)可测单一波长注入时的热透镜焦距大小，也可测有倍频光存在时的情况。

(3)与其它方法相比，测量时，无需移动镜片测量距离，仅仅观察模式匹配

效率即可，从而提高了测量精度，降低了测量误差。

(4)热透镜测量时，模式匹配效率的测量不受初始模式匹配效率的影响，更便于实施。

本发明提出一种非线性晶体热透镜焦距的测量方法，可以在光学谐振腔实际工作的条件下，通过对注入光与谐振腔的基模模式匹配效率变化的测量，计算非线性晶体热透镜焦距的大小。具有简单、精确、直观、能反映光学谐振腔实际工作状况等优点，并有着重要的应用价值。

附图说明

图1是晶体处于相位匹配情况下，热透镜焦距测量装置；

图中：1-基频光，2-倍频光，3-50/50分束镜，4-透镜组，5-第一探测器，6-光学谐振腔，7-双色分束镜，8-第二探测器，9-第三探测器，63-第三腔镜，64-第四腔镜，65-非线性晶体，66-压电陶瓷；

图2是晶体在非相位匹配情况下，两束光同时注入时，热透镜焦距测量装置；

图中：1-基频光，2-倍频光，3-50/50分束镜，4-透镜组，5-第一探测器，6-光学谐振腔，7-双色分束镜，8-第二探测器，9-第三探测器，63-第三腔镜，65-非线性晶体，66-压电陶瓷；

图3是晶体在非相位匹配情况下，一束光注入时，热透镜焦距测量装置；

图中：1-基频光，3-50/50分束镜，4-透镜组，5-第一探测器，6-光学谐振腔，9-第三探测器，61-第一腔镜，62-第二腔镜，63-第三腔镜，64-第四腔镜，65-非线性晶体，66-压电陶瓷；

图4a是低功率注入条件下，光学谐振腔透射峰曲线；

图4b是高功率注入条件下，光学谐振腔透射峰曲线；

图5a是热透镜焦距与模式匹配效率理论计算对应关系图；

图5b是热透镜焦距的实验测量结果；

图中：点是实验测量结果，实线是理论拟合结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明具体实施方式做进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不限制本发明的适用范围。

实施例1.在非线性晶体工作于相位匹配情况下，利用两个凹面镜构成的光学谐振腔测量热透镜焦距的实验装置，如图1所示。

波长为795nm的基频光1通过50/50分束镜3后，反射光经过透镜组4整形后，注入光学谐振腔6中。光学谐振腔6由第三腔镜63、第四腔镜64、PPKTP晶体65和压电陶瓷66组成。其中，第三腔镜63和第四腔镜64曲率半径均为30mm，前者曲面对795nm基频光1的透射率为5％，对397.5nm倍频光2高反，平面对两个波长激光双减反；后者曲面对基频光1高反，对倍频光2高透，平面对两束光双减反。经第三腔镜63反射的基频光1通过50/50分束器后，有一半进入第一探测器5，用来推导腔内基频光1的循环功率；谐振腔腰斑处插入尺寸为1*2*10mm³的PPKTP晶体65，其两个端面镀膜均为795nm和397.5nm双减反。测量时，首先，通过控温仪将PPKTP晶体65温度偏离其位相匹配的温度点(55℃左右)，当注入光功率为5mW时，通过压电陶瓷66扫描腔长得到一个自由光谱区内的透射峰曲线如图4a所示，由第三探测器9测得基频光1与谐振腔6基模的模式匹配效率为99.2％。然后，将注入光的功率提高至60mW，并将晶体65的温度控制在55℃，由光学谐振腔6输出的基频光经过双色镜7进入第三探测器9，利用该探测器输出的交流信号采用PDH稳频的方法锁定光学谐振腔6，此时由第二探测器8探测到的倍频光2的功率为3.2mW。维持锁定状态10分钟后，解锁光学谐振腔6，扫描其腔长，并迅速记录此时的模式匹配效率为98.9％，利用公式2)、3)和4)计算该功率下的热透镜焦距大小为1226mm，模式匹配与热透镜焦距对应关系理论计算结果如图5a所示。改变注入光功率，当注入光功率分别为85mW、105mW、125mW、145mW和165mW时，重复锁定-解锁-扫描的步骤，则模式匹配效率逐渐变差。如图4b所示，注入光功率为165mW时，模式匹配效率的测试结果。计算这些功率点对应的热透镜焦距大小，结果如表1和图5b所示。

表1 不同注入功率下，热透镜焦距的测量结果

输入功率(mW)	倍频光功率(mW)	模式匹配效率(％)	热透镜焦距(mm)
				60	3.2	98.9	1226
85	4.8	97.3	343
				105	6.0	95.6	128.1
125	7.2	92.5	65.4
				145	8.4	88.3	40.8
165	9.6	81.5	27.1

实施例2.在非线性晶体工作于非相位匹配情况下，利用半整块光学谐振腔，测量热透镜焦距大小的实验装置，如图2所示。

波长为1064nm的基频光1和532nm的倍频光2，通过50/50分束镜3反射并由透镜组4整形后，注入光学谐振腔6中。光学谐振腔6由第三腔镜63、PPKTP晶体65和压电陶瓷66组成。其中，第三腔镜63曲率半径为50mm，曲面对基频光1的透射率为8％，对532nmnm倍频光2高透，平面对1064nm和532nm双减反。经第三腔镜63反射的基频光通过50/50分束器后，有一半进入第一探测器5，用来推导腔内基频光的循环功率；腔内腰斑处插入尺寸为1*2*10mm³的PPKTP晶体65，其中一个端面镀膜为1064nm和532nm双减反，另一端面镀膜为1064nm高反，532nm高透，作为谐振腔6的一个腔镜使用。测量时，通过控温仪将PPKTP晶体温度偏离其位相匹配的温度点(35℃左右)。首先，当注入光功率为5mW时，通过压电陶瓷66扫描光学谐振腔6的腔长，由第三探测器9测量基频光1与谐振腔6基模的模式匹配效率，并记录此时的模式匹配效率。然后，提高注入基频光1的功率，同时注入倍频光2，并调节两束光完全重合。由光学谐振腔6输出的基频光经过双色镜7进入第三探测器9，利用该探测器输出的交流信号采用PDH稳频的方法锁定光学谐振腔6，并记录由第二探测器8探测到的倍频光2经过双色镜7反射的功率。维持锁定状态10分钟后，解锁光学谐振腔6，扫描其腔长，并迅速记录此时的模式匹配效率，利用公式2)、3)和4)计算该功率下的热透镜焦距大小。改变注入光功率，重复锁定-解锁-扫描的步骤，计算不同注入功率下热透镜焦距的大小。

实施例3.非线性晶体在非相位匹配的情况下，利用四镜环形谐振腔观察其模式匹配效率并推算热透镜焦距大小的实验装置，如图3所示。

注入光是波长为1342nm的基频光1，该光束通过50/50分束镜3的反射光经过透镜组4整形后，注入光学谐振腔6中。光学谐振腔6由第一腔镜61、第二腔镜62、第三腔镜63、第四腔镜64、PPKTP晶体65和压电陶瓷66组成。其中，第一腔镜61和第二腔镜62为平面镜，前者对基频光1透射率为10％，后者对基频光1高反，第三腔镜63和第四腔镜64曲率半径为50mm，其曲面均对基频光1高反。第一腔镜63反射的基频光1直接进入第一探测器5，用来推导腔内基频光的循环功率；腔内插入尺寸为3*3*18mm³的LBO晶体65，其中两个端面镀膜均为1342nm和671nm双减反。测量时，通过控温仪将LBO晶体的温度偏离其位相匹配的温度点。首先，当注入光功率为5mW时，通过压电陶瓷66扫描光学谐振腔6的腔长，由第三探测器9测量基频光1与谐振腔6基模的模式匹配效率并记录。然后，提高注入基频光1的功率，并调节其腰斑与谐振腔基模完全重合。由光学谐振腔6输出的基频光直接注入第三探测器9，利用该探测器输出的交流信号采用PDH稳频的方法锁定光学谐振腔6。维持锁定状态10分钟后，解锁光学谐振腔6，扫描其腔长，并迅速记录此时的模式匹配效率，利用公式2)、3)和4)计算该功率下的热透镜焦距大小。改变注入光功率，重复锁定-解锁-扫描的步骤，计算不同注入功率下热透镜焦距的大小。

上述实施例只是给出了最简单的利用两镜和四镜光学谐振腔模式匹配效率测量热透镜焦距的方法，并没有描述所有的可能实施方法。实际上，还可以用其它腔形或者有多束光注入情况下热透镜焦距的测量。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种测量非线性晶体热透镜焦距的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）、通过内插入非线性晶体（65）的光学谐振腔（6）之前的透镜组（4）整形注入光学谐振腔（6）中的光，使注入光腰斑恰好落在光学谐振腔（6）基模腰斑处，并且与基模大小相等，位置重合；用三角波信号通过安装于光学谐振腔（6）的输入镜上的压电陶瓷（66）扫描腔长，使注入光与光学谐振腔（6）基模实现模式匹配，并记录模式匹配效率；

2）、提高注入光功率，锁定光学谐振腔（6），等待5~10分钟后，解锁光学谐振腔（6），用三角波信号再次扫描腔长，并迅速记录模式匹配效率；

3）、依据步骤1）、2）所测量的模式匹配效率，计算光学谐振腔（6）基模的腰斑大小；

4）、依据步骤3）得到的基模腰斑大小，计算非线性晶体（65）的热透镜焦距大小。

2.如权利要求1所述的一种测量非线性晶体热透镜焦距的方法，其特征在于，所述的光学谐振腔（6）是两镜腔、三镜腔、四镜腔或者其它多镜腔。

3.如权利要求1或2所述的一种测量非线性晶体热透镜焦距的方法，其特征在于，在步骤1）模式匹配所采用的透镜组（4）是一个或者多个透镜的组合。

4.如权利要求1或2所述的一种测量非线性晶体热透镜焦距的方法，其特征在于，所述的注入光可以是一束激光，也可以是多束激光。

5.如权利要求4所述的一种测量非线性晶体热透镜焦距的方法，其特征在于所述的注入光至少有一束在光学谐振腔（6）内振荡。

6.如权利要求1或2所述的一种测量非线性晶体热透镜焦距的方法，其特征在于，所述的非线性晶体（65）可以工作于位相匹配条件下，也可以工作于非位相匹配条件下。