CN106018285B - 一种测量非线性晶体吸收系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量非线性晶体吸收系数的方法，包括以下步骤：让少许待测基频光注入光学谐振腔，选取合适透镜组，使注入光腰斑与谐振腔基模腰斑大小相等且完全重合，并记录此时的模式匹配效率；增加注入功率，调节非线性晶体温度至位相匹配，锁定谐振腔的腔长，并记录倍频光输出功率，等待几分钟后，解锁谐振腔，迅速记录模式匹配效率；依据模式匹配效率测量结果，计算谐振腔基模的腰斑大小；由腰斑大小计算热透镜焦距大小，从而反推晶体对基频光的吸收系数；改变注入光功率，重复以上步骤，测量不同注入功率下晶体的吸收系数。

Description

一种测量非线性晶体吸收系数的方法

技术领域

本发明涉及一种测量非线性晶体吸收系数的方法，具体是一种通过测量光学谐振腔模式匹配效率推导非线性晶体的吸收系数的技术。

背景技术

非线性晶体被广泛应用于二次谐波的产生和光学参量相互作用等非线性过程中。通常，光学参量振荡器中会插入非线性晶体作为参量相互作用的介质。在采用参量振荡器实现高压缩度光场输出的实验中，压缩度的提高受限于参量振荡腔的内腔损耗——谐振腔的往返损耗。然而，非线性晶体在生长的过程中，会引入一些杂质，并且化学配比并非理想值，从而存在一些固有缺陷，表现为对注入光的吸收(包含线性吸收和非线性吸收，线性吸收对应的吸收系数恒定不变；非线性吸收对应的吸收系数随注入光功率的改变而变化，如绿光导致红外吸收(或蓝光导致红外吸收)和双光子吸收等)。在光学参量过程中，晶体对注入光的吸收则会引入额外的内腔损耗，尤其是在泵浦光与种子光同时注入的情况下，绿光导致红外吸收(或蓝光导致红外吸收)等过程会大大增加，这种吸收损耗会伴随着注入泵浦功率的增加而增大，这就限制了压缩光量子噪声的进一步降低。因此，在实际的应用中，我们需要对晶体的吸收特性进行仔细分析。

在现有技术中，研究人员通过将非线性晶体置于一单共振光学谐振腔中，通过测量不同激光注入情况下谐振腔透射出的共振光功率的变化，进而测量晶体的吸收系数[OPTICS LETTERS,Vol-20,P-2270(1995)]；或者让一束探针光与待测光同时共线穿过非线性晶体，通过测量探针光的相位畸变进而推算晶体的吸收[JOURNAL OF APPLIED PHYSICS,Vol-75,P-1102(1994)]；再者，让待测激光注入一单共振腔，在特定的扫描频率下，通过对比腔长伸缩时透射峰宽度的变化，进而推算晶体的吸收[SENSORS,Vol-13,P-565(2013)]。但是以上测量方法均存在以下缺点：测量中，为了避免相位匹配时倍频过程对注入激光吸收系数测量精度的影响，晶体的温度均偏离相位匹配点，因而均无法准确反映光学谐振腔实际工作条件下晶体的吸收情况。

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测量非线性晶体吸收系数的方法。

本发明的核心思想是在非线性晶体满足相位匹配的条件下，把非线性晶体对注入激光吸收系数的测量转化为对光学谐振腔模式匹配效率偏移量的测量；在非线性晶体满足相位匹配的条件下，随着注入谐振腔内基频光功率的增加，倍频光功率逐渐增加。此时，晶体内存在三种吸收过程：晶体对基频光的线性吸收，倍频光导致基频光的非线性吸收和晶体对倍频光的线性吸收，吸收过程伴随着大量热量的产生，晶体内产生温度梯度，并形成热透镜；热透镜导致谐振腔基模腰斑尺寸将发生改变，则注入光与光学谐振腔基模之间的模式匹配效率随之发生变化；于是，模式匹配效率的偏移可以反过来推导晶体对注入光的吸收系数。

本发明提供了一种非线性晶体吸收系数的测量方法，包括以下步骤：

1)、向内置有非线性晶体的光学谐振腔内注入待测基频光，通过调整透镜组参数和腔前导光镜，使得注入待测基频光腰斑与光学谐振腔基模腰斑大小相等且完全重合，记录模式匹配效率。

选取合适焦距的透镜组插入光学谐振腔前光路中，整形注入光的腰斑尺寸，使其腰斑大小与光学谐振腔基模模式相同；同时调节腔前导光镜和光学谐振腔的位置，使注入光由第一腔镜进入腔内并保证注入光腰斑与腔的基模模式完全重合。用三角波信号通过粘贴于第一腔镜上的压电陶瓷扫描光学谐振腔的腔长，透射光经过双色分束镜进入第三探测器，其输出的直流信号与示波器连接，用于观察光学谐振腔一个自由光谱区内的透射峰曲线，并记录主模与次模的透射峰高度，由公式：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)，计算模式匹配效率，并记录。

2)、提高注入基频光功率，通过开关盒子切换至腔长锁定位置，锁定光学谐振腔的腔长，调节非线性晶体温度使其满足位相匹配，记录倍频光功率；等待5～10分钟后，解锁光学谐振腔，切换至扫描腔长位置，并迅速记录此时的模式匹配效率。

锁定光学谐振腔腔长后，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(如图1所示)。注入光与非线性晶体发生相互作用，在相位匹配的条件下产生倍频光，部分激光被非线性晶体吸收产生热量，形成热透镜焦距，进而改变光学谐振腔基模尺寸。因非线性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，非线性晶体内形成稳定的热透镜。同时，吸收积累至稳定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，迅速扫描腔长，记录此时的模式匹配效率，即可准确测量注入光与谐振腔基模之间的实际模式匹配效率。

在测量中，非线性晶体对注入光的吸收系数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，非线性晶体对基频光和倍频光的吸收产生大量的热，在晶体内部会形成温度梯度，从而产生热透镜效应，热透镜焦距可表示为：

其中，f_th为总的热透镜焦距，f_IR为晶体对基频光吸收产生的热透镜焦距，f_SHG为晶体对倍频光吸收产生的热透镜焦距，而晶体吸收与热透镜焦距之间的关系可用下式表示：

其中，K_c为晶体的热传导率，α_IR(SHG)为晶体对基频光(倍频光)的吸收系数，ω_0,IR(SHG)为注入腔内的基频光与产生的倍频光在晶体处的腰斑半径，P_IR(SHG)为晶体处注入光和倍频光的功率，dn/dT为晶体的热光系数，L为晶体长度。倍频光的热透镜焦距可由输出的倍频光功率(由第二探测器测量)和上述常数直接推导计算。由公式(2)可得基频光吸收系数与热透镜焦距之间的关系为：

而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：

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：

其中，λ为激光的波长。模式匹配效率为注入光腰斑与光学谐振腔基模腰斑之间的重叠效率，即两者的模式匹配效率，可表示为：

其中，ω_α(z)和ω_α，e(z)(α＝x,y)分别为注入基频光(假定光斑尺寸不随注入功率大小而改变)和光学谐振腔基模在腔内z处的光斑半径，ω_α0,IR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。

3)、依据步骤1)、2)所测量的模式匹配效率，并采用公式(6)、(7)计算步骤2)所述注入功率下，光学谐振腔基模模式的腰斑大小，由公式(4)、(5)和腰斑大小计算热透镜焦距大小。

4)、依据步骤2)、3)得到的热透镜焦距和倍频光功率的数值，采用公式(1)、(2)和(3)计算晶体的吸收系数。

5)改变注入基频光的功率，重复步骤2)、3)和4)，测量不同注入功率下非线性晶体的吸收系数。

即，吸收系数的测量过程为：首先，在特定的注入功率下，测量模式匹配效率κ₀₀，由公式(6)、(7)、注入光腰斑半径ω_α0,IR和κ₀₀计算光学谐振腔基模腰斑大小ω_α0,e；然后，由公式(4)、(5)和ω_α0,e推导非线性晶体的热透镜焦距f_th；再者，由倍频光的相关常数、公式(2)和第二探测器测量功率值计算倍频光的热透镜焦距大小f_SHG，由公式(1)、f_th和f_SHG计算f_IR；最后，由公式(3)计算非线性晶体对腔内振荡的基频光的吸收系数α_IR。

所述的测量吸收系数的方法可以是晶体相位匹配时的线性吸收，也可以是非相位匹配时的吸收。

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。

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。

所述的基频光必须在光学谐振腔内形成振荡，并激发谐振腔以基横模运转。

通过该方法的实施，可以把吸收系数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，对分析晶体的吸收特性具有重要意义。

本发明所述的利用光学谐振腔测量非线性晶体吸收系数的方法与传统的方法相比具有以下优点：

(1)能够测量相位匹配情况下晶体的吸收系数，反应谐振腔的实际工作情况。

(2)测量简单直观，仅仅通过模式匹配效率改变量的测量即可推导系数系数的大小。

(3)吸收系数的测量不受谐振腔初始模式匹配效率的影响，只是匹配效率偏移后的结果。

附图说明

图1是晶体处于相位匹配情况下，晶体对振荡光吸收系数的测量装置；

图中：1-基频光，2-倍频光，3-第一导光镜，4-第二导光镜，5-50/50分束镜，6-第一探测器，7-垃圾堆，8-透镜组，9-光学谐振腔，10-第二探测器，11-第三探测器，12-双色分束镜，13-电光相位调制器，14-低频信号源，15-高压放大器，16-开关盒子，17-高频信号源，18-位相延迟器，19混频器，20-低通滤波器，21-PID控制器，91-第一腔镜，92-第二腔镜，93-非线性晶体，94-压电陶瓷；

图2a是低功率注入条件下，光学谐振腔透射峰曲线；

图2b是高功率注入条件下，光学谐振腔透射峰曲线；

图3a是注入功率、吸收系数与模式匹配效率偏移量之间的对应关系图；

图3b是吸收系数随倍频光功率变化实验测量结果；

图中点表示实验测量结果，实线表示理论拟合结果。

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.利用非线性晶体在相位匹配条件下产生的倍频光，测量有倍频光存在时基频光的吸收系数，如图1所示。

一束波长为795nm的基频光1由50/50分束镜5一分为二，其中，反射光注入光学谐振腔9，通过调整透镜组8使得注入光与谐振腔9的基模腰斑大小相等，并调节第一导光镜3和第二导光镜4使得两者腰斑完全重合。其中，光学谐振腔9由第一腔镜91、第二腔镜92、PPKTP晶体93和压电陶瓷94组成。其中，第一腔镜91和第二腔镜92曲率半径均为30mm，第一腔镜91曲面对795nm基频光1的透射率为5％、397.5nm倍频光2高反，平面对两个波长激光双减反；第二腔镜92对基频光1高反、倍频光2高透。第二腔镜92的反射光通过50/50分束器反射，反射光有一半进入第一探测器6，用来推导腔内基频光的循环功率。腔内插入尺寸为1*2*10mm³的PPKTP晶体93，其两个端面镀膜均为795nm和397.5nm双减反。首先，将PPKTP晶体的温度偏离其位相匹配的温度点(55℃左右)，设置为50℃。当注入光功率为5mW、开关盒子16置于扫描档位时，通过压电陶瓷94扫描光学谐振腔9一个自由光谱区内的腔长，由第三探测器11观察如图2a所示透射峰曲线，记录模式匹配效率为99.2％。然后，将注入光1的功率提高至60mW，并将PPKTP晶体的温度控制在55℃，由光学谐振腔9输出的基频光1经过双色分束镜12进入第三探测器11，第三探测器11输出的交流信号与本地振荡的高频信号17经过位相延迟器18后，在混频器19中混频，输出信号经过低通滤波器20产生锁定腔长需要的误差信号，并输入PID控制器21中。当开关盒子16置于锁定档位时，锁定谐振腔9，此时由第二探测器10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9，扫描其腔长，并迅速记录此时的模式匹配效率为98.91％(如图2b所示，为注入功率为165mW时模式匹配效率并计算对应的热透镜焦距大小；如图3a所示，为不同注入功率下，模式匹配效率与吸收系数的对应关系。)，利用公式(1)-(7)计算该功率下的吸收系数为0.11％/cm。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，测量不同注入功率下晶体的吸收系数，结果如表1和图3b所示。

表1不同注入功率下，热透镜焦距的测量结果

上述实施例只是给出了最简单的利用两镜光学谐振腔模式匹配效率的偏移量测量晶体吸收系数的方法，并没有描述所有的可能实施方法。实际上，还可以用其它腔形对吸收系数进行测量。

上述实施例中基频光与倍频光对应波长可以是其它波段的激光，并不仅仅限制于795nm和397.5nm激光。

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 (5)

1.一种测量非线性晶体吸收系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）、向插入非线性晶体（93）的光学谐振腔（9）内注入基频光（1），通过调整透镜组（8）参数和腔前导光镜，使得注入基频光（1）腰斑与光学谐振腔（9）基模腰斑大小相等且完全重合，记录模式匹配效率；

2）、提高注入基频光（1）功率，锁定光学谐振腔（9），调节非线性晶体（93）温度至相位匹配，并记录倍频光（2）输出功率，等待5~10分钟后，解锁光学谐振腔（9），迅速记录模式匹配效率；

3）、依据步骤1）、2）测量的模式匹配效率，计算步骤2）所述注入基频光（1）功率下，光学谐振腔（9）基模的腰斑大小，计算热透镜焦距大小；

4）、依据步骤3）得到的热透镜焦距大小，计算晶体的吸收系数；

5）、改变注入基频光（1）的功率，重复步骤2）、3）和4），测量不同注入基频光(1)功率下非线性晶体（93）的吸收系数。

2.如权利要求1所述的一种测量非线性晶体吸收系数的方法，其特征在于，所述的光学谐振腔（9）是两镜腔、三镜腔、四镜腔。

3.如权利要求1或2所述的一种测量非线性晶体吸收系数的方法，其特征在于，所述吸收系数的测量可以是非线性晶体（93）工作于相位匹配温度点的吸收系数也可以是非相位匹配温度点的吸收系数。

4.如权利要求1或2所述的一种测量非线性晶体吸收系数的方法，其特征在于，步骤1）实现模式匹配所采用的透镜组（8）是一个或者多个透镜的组合。

5.如权利要求1或2所述的一种测量非线性晶体吸收系数的方法，其特征在于，所述的基频光（1）必须在光学谐振腔（9）内形成振荡，并激发光学谐振腔（9）以基横模运转。