一種測量非線性晶體吸收系數(shù)的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種測量非線性晶體吸收系數(shù)的方法，包括以下步驟：讓少許待測基頻光注入光學(xué)諧振腔，選取合適透鏡組，使注入光腰斑與諧振腔基模腰斑大小相等且完全重合，并記錄此時的模式匹配效率；增加注入功率，調(diào)節(jié)非線性晶體溫度至位相匹配，鎖定諧振腔的腔長，并記錄倍頻光輸出功率，等待幾分鐘后，解鎖諧振腔，迅速記錄模式匹配效率；依據(jù)模式匹配效率測量結(jié)果，計算諧振腔基模的腰斑大?。挥裳叽笮∮嬎銦嵬哥R焦距大小，從而反推晶體對基頻光的吸收系數(shù)；改變注入光功率，重復(fù)以上步驟，測量不同注入功率下晶體的吸收系數(shù)。
【專利說明】
一種測量非線性晶體吸收系數(shù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種測量非線性晶體吸收系數(shù)的方法，具體是一種通過測量光學(xué)諧振 腔模式匹配效率推導(dǎo)非線性晶體的吸收系數(shù)的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 非線性晶體被廣泛應(yīng)用于二次諧波的產(chǎn)生和光學(xué)參量相互作用等非線性過程中。 通常，光學(xué)參量振蕩器中會插入非線性晶體作為參量相互作用的介質(zhì)。在采用參量振蕩器 實現(xiàn)高壓縮度光場輸出的實驗中，壓縮度的提高受限于參量振蕩腔的內(nèi)腔損耗一一諧振腔 的往返損耗。然而，非線性晶體在生長的過程中，會引入一些雜質(zhì)，并且化學(xué)配比并非理想 值，從而存在一些固有缺陷，表現(xiàn)為對注入光的吸收(包含線性吸收和非線性吸收，線性吸 收對應(yīng)的吸收系數(shù)恒定不變;非線性吸收對應(yīng)的吸收系數(shù)隨注入光功率的改變而變化，如 綠光導(dǎo)致紅外吸收(或藍光導(dǎo)致紅外吸收)和雙光子吸收等）。在光學(xué)參量過程中，晶體對注 入光的吸收則會引入額外的內(nèi)腔損耗，尤其是在栗浦光與種子光同時注入的情況下，綠光 導(dǎo)致紅外吸收(或藍光導(dǎo)致紅外吸收)等過程會大大增加，這種吸收損耗會伴隨著注入栗浦 功率的增加而增大，這就限制了壓縮光量子噪聲的進一步降低。因此，在實際的應(yīng)用中，我 們需要對晶體的吸收特性進行仔細分析。
[0003] 在現(xiàn)有技術(shù)中，研究人員通過將非線性晶體置于一單共振光學(xué)諧振腔中，通過測 量不同激光注入情況下諧振腔透射出的共振光功率的變化，進而測量晶體的吸收系數(shù) [OPTICS LETTERS，V01-20，P-2270(1995)];或者讓一束探針光與待測光同時共線穿過非線 性晶體，通過測量探針光的相位畸變進而推算晶體的吸收[JOURNAL OF APPLIED PHYSICS， Vol-75，P-1102(1994)];再者，讓待測激光注入一單共振腔，在特定的掃描頻率下，通過對 比腔長伸縮時透射峰寬度的變化，進而推算晶體的吸收[SENS0RS，V 0l-13，P-565(2013)]。 但是以上測量方法均存在以下缺點：測量中，為了避免相位匹配時倍頻過程對注入激光吸 收系數(shù)測量精度的影響，晶體的溫度均偏離相位匹配點，因而均無法準(zhǔn)確反映光學(xué)諧振腔 實際工作條件下晶體的吸收情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種簡單、精確、直觀、能反映光學(xué)諧振腔實際工作情況的測 量非線性晶體吸收系數(shù)的方法。
[0005] 本發(fā)明的核心思想是在非線性晶體滿足相位匹配的條件下，把非線性晶體對注入 激光吸收系數(shù)的測量轉(zhuǎn)化為對光學(xué)諧振腔模式匹配效率偏移量的測量;在非線性晶體滿足 相位匹配的條件下，隨著注入諧振腔內(nèi)基頻光功率的增加，倍頻光功率逐漸增加。此時，晶 體內(nèi)存在三種吸收過程：晶體對基頻光的線性吸收，倍頻光導(dǎo)致基頻光的非線性吸收和晶 體對倍頻光的線性吸收，吸收過程伴隨著大量熱量的產(chǎn)生，晶體內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度，并形成熱 透鏡;熱透鏡導(dǎo)致諧振腔基模腰斑尺寸將發(fā)生改變，則注入光與光學(xué)諧振腔基模之間的模 式匹配效率隨之發(fā)生變化;于是，模式匹配效率的偏移可以反過來推導(dǎo)晶體對注入光的吸 收系數(shù)。
[0006] 本發(fā)明提供了一種非線性晶體吸收系數(shù)的測量方法，包括以下步驟：
[0007] 1)、向內(nèi)置有非線性晶體的光學(xué)諧振腔內(nèi)注入待測基頻光，通過調(diào)整透鏡組參數(shù) 和腔前導(dǎo)光鏡，使得注入待測基頻光腰斑與光學(xué)諧振腔基模腰斑大小相等且完全重合，記 錄模式匹配效率。
[0008] 選取合適焦距的透鏡組插入光學(xué)諧振腔前光路中，整形注入光的腰斑尺寸，使其 腰斑大小與光學(xué)諧振腔基模模式相同；同時調(diào)節(jié)腔前導(dǎo)光鏡和光學(xué)諧振腔的位置，使注入 光由第一腔鏡進入腔內(nèi)并保證注入光腰斑與腔的基模模式完全重合。用三角波信號通過粘 貼于第一腔鏡上的壓電陶瓷掃描光學(xué)諧振腔的腔長，透射光經(jīng)過雙色鏡進入第三探測器， 其輸出的直流信號與示波器連接，用于觀察光學(xué)諧振腔一個自由光譜區(qū)內(nèi)的透射峰曲線， 并記錄主模與次模的透射峰高度，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），計算模式匹配效率，并記錄。
[0009] 2)、提高注入基頻光功率，通過開關(guān)盒子切換至腔長鎖定位置，鎖定光學(xué)諧振腔的 腔長，調(diào)節(jié)非線性晶體溫度使其滿足位相匹配，記錄倍頻光功率;等待5~10分鐘后，解鎖光 學(xué)諧振腔，切換至掃描腔長位置，并迅速記錄此時的模式匹配效率。
[0010] 鎖定光學(xué)諧振腔腔長后，腔內(nèi)基頻光和倍頻光功率密度恒定，其中，前者可由第一 探測器測量值推導(dǎo)，后者可由第二探測器測量值推導(dǎo)（如圖1所示）。注入光與非線性晶體發(fā) 生相互作用，在相位匹配的條件下產(chǎn)生倍頻光，部分激光被非線性晶體吸收產(chǎn)生熱量，形成 熱透鏡焦距，進而改變光學(xué)諧振腔基模尺寸。因非線性晶體對激光的吸收需要一定的響應(yīng) 時間，鎖定幾分鐘后，吸收恒定，非線性晶體內(nèi)形成穩(wěn)定的熱透鏡。同時，吸收積累至穩(wěn)定后 需要較長的衰減周期，解鎖瞬間，晶體內(nèi)溫度梯度會維持一段時間，迅速掃描腔長，記錄此 時的模式匹配效率，即可準(zhǔn)確測量注入光與諧振腔基模之間的實際模式匹配效率。
[0011] 在測量中，非線性晶體對注入光的吸收系數(shù)與諧振腔的模式匹配效率之間的關(guān) 系，可由以下表達式建立。
[0012] 首先，非線性晶體對基頻光和倍頻光的吸收產(chǎn)生大量的熱，在晶體內(nèi)部會形成溫 度梯度，從而產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)，熱透鏡焦距可表示為：
⑴
[0014]其中，fth為總的熱透鏡焦距，flR為晶體對基頻光吸收產(chǎn)生的熱透鏡焦距，fsHG為晶 體對倍頻光吸收產(chǎn)生的熱透鏡焦距，而晶體吸收與熱透鏡焦距之間的關(guān)系可用下式表示：
(2)
[0016]其中，K。為晶體的熱傳導(dǎo)率，aIR(SHC)為晶體對基頻光（倍頻光）的吸收系數(shù)， W〇,IR(SHG)為注入腔內(nèi)的基頻光與產(chǎn)生的倍頻光在晶體處的腰斑半徑，PlR(SHG)為晶體處注入 光和倍頻光的功率，dn/dT為晶體的熱光系數(shù)，L為晶體長度。倍頻光的熱透鏡焦距可由輸出 的倍頻光功率（由第二探測器測量)和上述常數(shù)直接推導(dǎo)計算。由公式(2)可得基頻光吸收 系數(shù)與熱透鏡焦距之間的關(guān)系為：
Ο)
[0018]而光學(xué)諧振腔基模腰斑半徑可由以下公式計算，諧振腔ABCD傳輸矩陣為：
[0020]其中，1為諧振腔腔長，fth為熱透鏡焦距大小，p為凹面鏡的曲率半徑。由傳輸矩陣 可得，光學(xué)諧振腔的基模腰斑光斑尺寸為：
(5)：
[0022]其中，λ為激光的波長。模式匹配效率為注入光腰斑與光學(xué)諧振腔基模腰斑之間的 重疊效率，即兩者的模式匹配效率，可表示為：
(6) (7)
[0025] 其中，ωα(ζ)和ωιΧζΚαιχ,γ)分別為注入基頻光(假定光斑尺寸不隨注入功率 大小而改變)和光學(xué)諧振腔基模在腔內(nèi)ζ處的光斑半徑，《。。^和^^^分別為兩者的腰斑半 徑，Ζα為腰斑位置，Ζα。= π ω α〇2/λ，Ζα。, e = π ω α〇, //λ。
[0026] 3)、依據(jù)步驟1)、2)所測量的模式匹配效率，并采用公式(6)、（7)計算步驟2)所述 注入功率下，光學(xué)諧振腔基模模式的腰斑大小，由公式(4)、（5)和腰斑大小計算熱透鏡焦距 大小。
[0027] 4)、依據(jù)步驟2)、3)得到的熱透鏡焦距和倍頻光功率的數(shù)值，采用公式（1)、（2)和 (3)計算晶體的吸收系數(shù)。
[0028] 5)改變注入基頻光的功率，重復(fù)步驟2)、3)和4)，測量不同注入功率下非線性晶體 的吸收系數(shù)。
[0029] 即，吸收系數(shù)的測量過程為:首先，在特定的注入功率下，測量模式匹配效率kqq，由 公式(6)、（7)、注入光腰斑ωα〇和kqq計算光學(xué)諧振腔基模腰斑大小^^。^然后，由公式(4)、 推導(dǎo)非線性晶體的熱透鏡焦距f th;再者，由倍頻光的相關(guān)常數(shù)、公式(2)和第二 探測器測量功率值計算倍頻光的熱透鏡焦距大小fSH C，由公式（l)、fth和fSHC計算fIR;最后， 由公式(3)計算非線性晶體對腔內(nèi)振蕩的基頻光的吸收系數(shù)a IR。
[0030]所述的測量吸收系數(shù)的方法可以是晶體相位匹配時的線性吸收，也可以是非相位 匹配時的吸收。
[0031] 所述的光學(xué)諧振腔是兩鏡腔、三鏡腔、四鏡腔或六鏡腔等。
[0032] 所述的光學(xué)諧振腔內(nèi)包含光學(xué)非線性晶體，非線性晶體用于注入光及其倍頻光與 晶體的非線性相互作用。
[0033] 所述的非線性晶體可以是10?、1^0、8180、1^他03、？?1^和？?1013等。
[0034] 所述的非線性晶體放置于光學(xué)諧振腔基模腰斑的位置。
[0035] 所述的步驟1)中諧振腔前所用的透鏡組是一個或者多個透鏡的組合。根據(jù)諧振腔 基模腰斑尺寸和注入光束腰斑尺寸選取合適的透鏡組，保證兩者腰斑位置重合且大小相 等。
[0036] 所述的基頻光必須在光學(xué)諧振腔內(nèi)形成振蕩，并激發(fā)諧振腔以基橫模運轉(zhuǎn)。
[0037] 通過該方法的實施，可以把吸收系數(shù)的測量轉(zhuǎn)化為對光學(xué)諧振腔模式匹配效率的 測量。該方法具有靈敏、簡便和精確等優(yōu)點，對分析晶體的吸收特性具有重要意義。
[0038] 本發(fā)明所述的利用光學(xué)諧振腔測量非線性晶體吸收系數(shù)的方法與傳統(tǒng)的方法相 比具有以下優(yōu)點：
[0039] (1)能夠測量相位匹配情況下晶體的吸收系數(shù)，反應(yīng)諧振腔的實際工作情況。
[0040] (2)測量簡單直觀，僅僅通過模式匹配效率改變量的測量即可推導(dǎo)系數(shù)系數(shù)的大 小。
[0041] (3)吸收系數(shù)的測量不受諧振腔初始模式匹配效率的影響，只是匹配效率偏移后 的結(jié)果。
【附圖說明】
[0042] 圖1是晶體處于相位匹配情況下，晶體對振蕩光吸收系數(shù)的測量裝置；
[0043]圖中：1-基頻光，2-倍頻光，3-第一導(dǎo)光鏡，4-第二導(dǎo)光鏡，5-50/50分束鏡，6-第一 探測器，7-垃圾堆，8-透鏡組，9-光學(xué)諧振腔，10-第二探測器，11-第三探測器，12-雙色分束 鏡，13-電光相位調(diào)制器，14-低頻信號源，15-高壓放大器，16-開關(guān)盒子，17-高頻信號源， 18-位相延遲器，19混頻器，20-低通濾波器，21-PID控制器，91-第一腔鏡，92-第二腔鏡，93-非線性晶體，94-壓電陶瓷；
[0044] 圖2a是低功率注入條件下，光學(xué)諧振腔透射峰曲線；
[0045] 圖2b是高功率注入條件下，光學(xué)諧振腔透射峰曲線；
[0046] 圖3a是注入功率、吸收系數(shù)與模式匹配效率偏移量之間的對應(yīng)關(guān)系圖；
[0047] 圖3b是吸收系數(shù)隨倍頻光功率變化實驗測量結(jié)果；
[0048]圖中點表示實驗測量結(jié)果，實線表示理論擬合結(jié)果。
【具體實施方式】
[0049]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明【具體實施方式】做進一步詳細說明。以下實施例 用于說明本發(fā)明，但不限制本發(fā)明的適用范圍。
[0050]實施例1.利用非線性晶體在相位匹配條件下產(chǎn)生的倍頻光，測量有倍頻光存在時 基頻光的吸收系數(shù)，如圖1所示。
[0051 ] 一束波長為795nm的基頻光1由50/50分束鏡5-分為二，其中，反射光注入光學(xué)諧 振腔9,通過調(diào)整透鏡組8使得注入光與諧振腔9的基模腰斑大小相等，并調(diào)節(jié)第一導(dǎo)光鏡3 和第二導(dǎo)光鏡4使得兩者腰斑完全重合。其中，光學(xué)諧振腔9由第一腔鏡91、第二腔鏡92、 PPKTP晶體93和壓電陶瓷94組成。其中，第一腔鏡91和第二腔鏡92曲率半徑均為30mm，第一 腔鏡91曲面對795nm基頻光1的透射率為5 %、397.5nm倍頻光2高反，平面對兩個波長激光雙 減反;第二腔鏡92對基頻光1高反、倍頻光2高透。第二腔鏡92的反射光通過50/50分束器反 射，反射光有一半進入第一探測器6,用來推導(dǎo)腔內(nèi)基頻光的循環(huán)功率。腔內(nèi)插入尺寸為1* 2*10mm 3的PPKTP晶體93,其兩個端面鍍膜均為795nm和397.5nm雙減反。首先，將PPKTP晶體 的溫度偏離其位相匹配的溫度點（55°C左右），設(shè)置為50°C。當(dāng)注入光功率為5mW、開關(guān)盒子 16置于掃描檔位時，通過壓電陶瓷94掃描光學(xué)諧振腔9 一個自由光譜區(qū)內(nèi)的腔長，由第三探 測器11觀察如圖2a所示透射峰曲線，記錄模式匹配效率為99.2%。然后，將注入光1的功率 提高至60mW，并將PPKTP晶體的溫度控制在55°C，由光學(xué)諧振腔9輸出的基頻光1經(jīng)過雙色鏡 7進入第三探測器11，第三探測器11輸出的交流信號與本地振蕩的高頻信號17經(jīng)過位相延 遲器18后，在混頻器19中混頻，輸出信號經(jīng)過低通濾波器20產(chǎn)生鎖定腔長需要的誤差信號， 并輸入PID控制器21中。當(dāng)開關(guān)盒子16置于鎖定檔位時，鎖定諧振腔9,此時由第二探測器10 探測到的倍頻光2的功率為3.2mW。維持鎖定狀態(tài)10分鐘后，解鎖光學(xué)諧振腔9，掃描其腔長， 并迅速記錄此時的模式匹配效率為98.91 % (如圖2b所示，為注入功率為165mW時模式匹配 效率并計算對應(yīng)的熱透鏡焦距大小;如圖3a所示，為不同注入功率下，模式匹配效率與吸收 系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。），利用公式（1)-(7)計算該功率下的吸收系數(shù)為0.11%/cm。改變注入光 功率，當(dāng)注入光功率分別為85mW、105mW、125mW、145mW和165mW時，重復(fù)鎖定-解鎖-掃描的步 驟，測量不同注入功率下晶體的吸收系數(shù)，結(jié)果如表1和圖3b所示。
[0052] 表1不同注入功率下，熱透鏡焦距的測量結(jié)果
[0054]上述實施例只是給出了最簡單的利用兩鏡光學(xué)諧振腔模式匹配效率的偏移量測 量晶體吸收系數(shù)的方法，并沒有描述所有的可能實施方法。實際上，還可以用其它腔形對吸 收系數(shù)進行測量。
[0055] 上述實施例中基頻光與倍頻光對應(yīng)波長可以是其它波段的激光，并不僅僅限制于 795nm 和 397.5nm 激光。
[0056] 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來 說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種測量非線性晶體吸收系數(shù)的方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 、向內(nèi)插入非線性晶體(93)的光學(xué)諧振腔(9)內(nèi)注入待測的基頻光（1)，通過調(diào)整透 鏡組(8)參數(shù)和腔前導(dǎo)光鏡，使得注入基頻光（1)腰斑與光學(xué)諧振腔(9)基模腰斑大小相等 且完全重合，記錄模式匹配效率； 2) 、提高注入待測基頻光（1)功率，鎖定光學(xué)諧振腔(9)，調(diào)節(jié)非線性晶體(93)溫度至相 位匹配，并記錄倍頻光(2)輸出功率，等待5~10分鐘后，解鎖光學(xué)諧振腔(9)，迅速記錄模式 匹配效率； 3) 、依據(jù)步驟1)、2)測量的模式匹配效率，計算步驟2)所述注入基頻光（1)功率下，光學(xué) 諧振腔(9)基模的腰斑大小，計算熱透鏡焦距大??； 4) 、依據(jù)步驟3)得到的熱透鏡焦距大小，計算晶體的吸收系數(shù)； 5) 、改變注入待測基頻光（1)的功率，重復(fù)步驟2)、3)和4)，測量不同注入基頻光（1)功 率下非線性晶體(93)的吸收系數(shù)。2. 如權(quán)利要求1所述的一種測量非線性晶體吸收系數(shù)的方法，其特征在于，所述的光學(xué) 諧振腔(9)是兩鏡腔、三鏡腔、四鏡腔或者其它多鏡腔。3. 如權(quán)利要求1或2所述的一種測量非線性晶體吸收系數(shù)的方法，其特征在于，所述吸 收系數(shù)的測量可以是非線性晶體(93)工作于相位匹配溫度點的吸收系數(shù)也可以是非相位 匹配溫度點的吸收系數(shù)。4. 如權(quán)利要求1或2所述的一種測量非線性晶體吸收系數(shù)的方法，其特征在于，步驟1) 實現(xiàn)模式匹配所采用的透鏡組(8)是一個或者多個透鏡的組合。5. 如權(quán)利要求1或2所述的一種測量非線性晶體吸收系數(shù)的方法，其特征在于，所述的 基頻光(1)必須在光學(xué)諧振腔(9)內(nèi)形成振蕩，并激發(fā)光學(xué)諧振腔(9)以基橫模運轉(zhuǎn)。
【文檔編號】G01N21/17GK106018285SQ201610328935
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月17日
【發(fā)明人】王雅君, 鄭耀輝, 彭堃墀
【申請人】山西大學(xué)