基于PPKTP晶体的飞秒激光倍频实验研究

刘延等

摘 要 利用PPKTP晶体进行了中心波长为780 nm、重复频率为250 MHz、脉宽为100 fs、谱宽为15 nm的飞秒激光倍频实验研究.在最佳匹配温度条件下，得到了功率约为23 mW、中心波长为390 nm、谱宽为0.6 nm的紫外倍频光，倍频转换效率为13.9%.该脉冲激光具有模式极优、线宽很窄等特点，是一种很有价值的紫外激光光源.

关键词 PPKTP晶体；飞秒激光；倍频

中图分类号 O437文献标识码 A文章编号 10002537（2014）03005805

“量子纠缠”被称为“量子力学的精髓”[1]，它“反映了量子力学的本质——相干性、或然性和空间非定域性”[2]，这些性质深刻影响着人们对物理世界的认知和理解，同时也为人们探索物理世界提供了全新的方法、手段和资源.在量子计算和量子通信等领域，量子纠缠已经得到了广泛应用[34]，而这些应用得益于人们不断制备出新型高效率的量子纠缠源.在多光子纠缠研究领域，研究者常利用780 nm的飞秒激光脉冲经过LBO等非线性晶体，倍频产生390 nm激光脉冲，再利用参量下转换过程产生纠缠光子对[5]和多光子纠缠态[6].但是，LBO晶体二阶非线性系数较低，需要较高的基频激光能量，而且制备的390 nm激光模式较差.作者在本研究中，利用单脉冲能量仅为0.66 nJ、功率165 mW的 780 nm飞秒激光，倍频得到单脉冲能量0.09 nJ、功率23 mW的390 nm的紫外脉冲激光，转换效率为 13.9%，且激光模式极优、线宽很窄.这为利用PPKTP等新型高效率的非线性晶体，研制低功耗、小体积、高效率的新型多光子纠缠源，提供了一种有价值的紫外激光光源.

1 周期极化晶体倍频的理论

2 倍频实验装置

采用准相位匹配技术实现飞秒激光脉冲PPKTP晶体倍频实验.实验中，使用Menlosystem公司MFiber A 780的飞秒激光作为基频光，输出激光的中心波长为780 nm、脉宽为100 fs、重复频率为250 MHz、功率为165 mW、脉冲的峰值能量为0.66 nJ.该激光光束为高斯型光束，M2因子为1.02.用光束分析仪测量得到的光束亮斑（如图1所示），光束直径约为1 mm.用高分辨率光谱仪测量得到了激光脉冲的光谱图（如图2所示），频谱宽约为15 nm.

图1 基频光光斑

Fig.1 The light spot of fundamental frequency light

图2 基频光光谱

Fig.2 The spectrum of fundamental frequency light

利用PPKTP晶体进行飞秒激光脉冲倍频实验的装置如图3所示.基频光从激光器出射，经两个反射镜M（780 nm反射镜）准直，通过聚焦透镜L耦合到I型PPKTP晶体中.基频光的偏振方向为竖直方向（Vertical），与PPKTP晶体的本征偏振方向（Vertical）相同，保证了倍频实验的最优实现.PPKTP晶体的尺寸为10 mm×2 mm×1 mm（长×宽×高），极化周期为2.95 μm，两端面均镀有780 nm和390 nm激光增透膜.将PPKTP晶体置于晶体温控炉中，温控炉被固定在三维平移台上.温控炉的温度调节范围为25 ℃到200 ℃，精度为0.1 ℃.选择合适的聚焦透镜L，并精确调节PPKTP晶体的位置，使光束束腰位于晶体中心.

图3 实验装置图

Fig.3 Experimantal setup

光束经PPKTP晶体，获得390 nm倍频紫外光（但其中混杂780 nm基频光及其他杂散光）.随后，光束经过6个光学器件，包括4个45°双色分光镜（M1、M2、M5、M6）和2个滤波片（M3、M4），其中M1、M2、M5、M6为高反390 nm（反射率99.9%）高透780 nm（透过率98%）的双色分光镜，M3为785 nm帯阻滤波片（Tavg>80% 350～400 nm；Tavg > 93% 400～742.1 nm；Tavg>93% 827.9～1 600 nm；ODabs>6 785 nm），M4为390 nm带通滤波片（Tavg>90% 381～399 nm；ODavg>5 200～340 nm；ODavg>3.3 340～345 nm；ODavg > 3.3 423～428 nm；ODavg > 5 428～1 000 nm）.按照图3摆放PPKTP晶体后的光学器件，其一是为了较好地滤掉780 nm泵浦光及其他杂散光，得到纯净单一的390 nm倍频光；其二是为了给接下来利用Ⅱ型参量下转换过程制备量子纠缠源的实验提供方便.最后，对倍频光进行功率测量和光谱分析.

3 倍频实验过程与结果

实验中将中心波长为780 nm、频谱宽为15 nm、脉宽为100 fs、重复频率为250 MHz、输出功率为165 mW的飞秒激光脉冲作为基频光.

参考Boyd和Kleinman对倍频实验中高斯光束聚焦问题的研究[10]，根据高斯光束传播规律[11]，可计算得到倍频实验中聚焦在PPKTP晶体中心的光束的最佳束腰半径为22 μm. 实验中选择不同焦距的聚焦透镜，使光束束腰位于PPKTP晶体的中心位置，经PPKTP晶体倍频后，分别测量倍频光的光功率，并计算倍频效率（倍频效率=倍频光功率/泵浦光功率×100%），具体结果见表1.

由表1可知，用F=50 mm的聚焦透镜比用F=100 mm的聚焦透镜进行倍频实验得到的倍频效率要高，但用F=50 mm的聚焦透镜进行实验时，观察到390 nm倍频光模式不断变化，且功率不断下降，倍频光如图4所示.这是光致折射效应（激光脉冲与介质相互作用时会引起介质折射率的改变）所导致的光束发散或畸变的现象.若入射激光的强度超过晶体介质的强度损伤阈值，还会引起晶体介质的结构和性质的改变，使晶体受到损害.

经过综合考虑，作者最后选择了焦距F=100 mm的聚焦透镜，PPKTP晶体中心光束的腰斑半径约为42 μm.

在选择聚焦透镜焦距F=100 mm的情况下，缓慢改变晶体温度（间隔0.1 ℃）测量得到倍频光功率随晶体温度变化的关系曲线（如图5所示）.从图中可以确定晶体的最佳倍频温度为55 ℃左右，但是，不同于连续激光倍频实验[1213]，利用飞秒激光脉冲进行PPKTP晶体倍频实验时，倍频光功率对晶体温度并不敏感，倍频效率的变化很小.这是由于飞秒激光的光谱较宽，实验中不仅有二倍频效应还有和频效应，因此在较宽的温度范围内，不同波长的和频效应依次发生，而输出功率基本保持恒定.

倍频实验中获得的390 nm紫外倍频光满足利用Ⅱ型参量下转换过程制备纠缠光子实验对于泵浦光的要求.

4 结束语

对脉宽为100 fs超短激光脉冲在PPKTP晶体中的倍频进行了实验研究，并分析了倍频实验结果，发现倍频转换效率对温度匹配并不敏感，倍频光谱宽大幅变窄.在单次通过PPKTP晶体的情况下，获得了光功率约为23 mW、中心波长为390 nm、谱宽为0.6 nm的倍频光.实验装置简单，便于调节，为利用PPKTP等新型高效率的非线性晶体，研制低功耗、小体积、高效率的新型多光子纠缠源，提供了一种有价值的紫外激光光源.

参考文献：

[1] MANDEL L， WOLF E. Optical cohevence and quantum optics[M]. New York： Cambridge University Press， 1995.

[2] 张永德.信息科学物理原理[M].北京：科学出版社， 2005.

[3] BODIYA T P， DUAN L M. Scalable generation of graphstate entanglement through realistic linear optics[J].Phys Rev Lett， 2006，97（14）：143601.

[4] PENG C Z， YANG T， BAO X H， et al. Experimental freespace distribution of entangled photon pairs over 13km：towards satellitebased global quantum communication[J].Phys Rev Lett， 2005，94（15）：150501.

[5] KIM T， FIORENTION M ， WONG F N. Phasestable source of polarizationentangled photons using a polarization Sagnac interferometer[J].Phys Rev A， 2006，73（1）：012316.

[6] YAO X C， WANG T X， XU P， et al. Observation of eightphoton entanglement[J]. Nature Photonics， 2012，6（4）：225228.

[7] 李淳飞.非线性光学[M].北京：电子工业出版社， 2009.

[8] FRANKEN P， HILL A E， PERERS W， et al. Generation of optical harmonics [J].Phys Rev Lett， 1961，7（4）：118119.

[9] ARMSTHONG J A， BLOEMBERGEN N， DCUING J， et al. Interactions between light waves in a nonlinear dielectric[J].Phys Rev， 1962，127（6）：19181939.

[10] BOYD G D， KLEINMAN D A. Parametric interaction of focused gaussian light beams[J]. J Appl Phys， 1968，39（8）：35973639.

[11] 周炳琨.激光原理[M].北京：国防工业出版社，2009.

[12] 赵 阳，李 烨，彭 瑜，等.用周期极化 KTP 晶体高效倍频获得稳定461nm激光[J].光学学报， 2009，29（9）：24732478.

[13] 李嘉华，郑海燕，张 玲，等.利用PPKT P 晶体倍频产生397. 5 nm 激光的实验研究[J].量子光学学报，2011，17（1）：3033.

（编辑 陈笑梅）

经过综合考虑，作者最后选择了焦距F=100 mm的聚焦透镜，PPKTP晶体中心光束的腰斑半径约为42 μm.

在选择聚焦透镜焦距F=100 mm的情况下，缓慢改变晶体温度（间隔0.1 ℃）测量得到倍频光功率随晶体温度变化的关系曲线（如图5所示）.从图中可以确定晶体的最佳倍频温度为55 ℃左右，但是，不同于连续激光倍频实验[1213]，利用飞秒激光脉冲进行PPKTP晶体倍频实验时，倍频光功率对晶体温度并不敏感，倍频效率的变化很小.这是由于飞秒激光的光谱较宽，实验中不仅有二倍频效应还有和频效应，因此在较宽的温度范围内，不同波长的和频效应依次发生，而输出功率基本保持恒定.

倍频实验中获得的390 nm紫外倍频光满足利用Ⅱ型参量下转换过程制备纠缠光子实验对于泵浦光的要求.

4 结束语

对脉宽为100 fs超短激光脉冲在PPKTP晶体中的倍频进行了实验研究，并分析了倍频实验结果，发现倍频转换效率对温度匹配并不敏感，倍频光谱宽大幅变窄.在单次通过PPKTP晶体的情况下，获得了光功率约为23 mW、中心波长为390 nm、谱宽为0.6 nm的倍频光.实验装置简单，便于调节，为利用PPKTP等新型高效率的非线性晶体，研制低功耗、小体积、高效率的新型多光子纠缠源，提供了一种有价值的紫外激光光源.

参考文献：

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[12] 赵 阳，李 烨，彭 瑜，等.用周期极化 KTP 晶体高效倍频获得稳定461nm激光[J].光学学报， 2009，29（9）：24732478.

[13] 李嘉华，郑海燕，张 玲，等.利用PPKT P 晶体倍频产生397. 5 nm 激光的实验研究[J].量子光学学报，2011，17（1）：3033.

（编辑 陈笑梅）

经过综合考虑，作者最后选择了焦距F=100 mm的聚焦透镜，PPKTP晶体中心光束的腰斑半径约为42 μm.

在选择聚焦透镜焦距F=100 mm的情况下，缓慢改变晶体温度（间隔0.1 ℃）测量得到倍频光功率随晶体温度变化的关系曲线（如图5所示）.从图中可以确定晶体的最佳倍频温度为55 ℃左右，但是，不同于连续激光倍频实验[1213]，利用飞秒激光脉冲进行PPKTP晶体倍频实验时，倍频光功率对晶体温度并不敏感，倍频效率的变化很小.这是由于飞秒激光的光谱较宽，实验中不仅有二倍频效应还有和频效应，因此在较宽的温度范围内，不同波长的和频效应依次发生，而输出功率基本保持恒定.

倍频实验中获得的390 nm紫外倍频光满足利用Ⅱ型参量下转换过程制备纠缠光子实验对于泵浦光的要求.

4 结束语

对脉宽为100 fs超短激光脉冲在PPKTP晶体中的倍频进行了实验研究，并分析了倍频实验结果，发现倍频转换效率对温度匹配并不敏感，倍频光谱宽大幅变窄.在单次通过PPKTP晶体的情况下，获得了光功率约为23 mW、中心波长为390 nm、谱宽为0.6 nm的倍频光.实验装置简单，便于调节，为利用PPKTP等新型高效率的非线性晶体，研制低功耗、小体积、高效率的新型多光子纠缠源，提供了一种有价值的紫外激光光源.

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[8] FRANKEN P， HILL A E， PERERS W， et al. Generation of optical harmonics [J].Phys Rev Lett， 1961，7（4）：118119.

[9] ARMSTHONG J A， BLOEMBERGEN N， DCUING J， et al. Interactions between light waves in a nonlinear dielectric[J].Phys Rev， 1962，127（6）：19181939.

[10] BOYD G D， KLEINMAN D A. Parametric interaction of focused gaussian light beams[J]. J Appl Phys， 1968，39（8）：35973639.

[11] 周炳琨.激光原理[M].北京：国防工业出版社，2009.

[12] 赵 阳，李 烨，彭 瑜，等.用周期极化 KTP 晶体高效倍频获得稳定461nm激光[J].光学学报， 2009，29（9）：24732478.

[13] 李嘉华，郑海燕，张 玲，等.利用PPKT P 晶体倍频产生397. 5 nm 激光的实验研究[J].量子光学学报，2011，17（1）：3033.

（编辑 陈笑梅）