基于LBO晶体的高效千赫兹皮秒量级光学参量产生器

卢一鑫, 吕印庄, 杨露娜

(1.西安文理学院应用物理研究所, 西安 710065； 2.西北大学光子学与光子技术所, 西安 710069)

基于LBO晶体的高效千赫兹皮秒量级光学参量产生器

卢一鑫1, 吕印庄1, 杨露娜2

(1.西安文理学院应用物理研究所, 西安 710065； 2.西北大学光子学与光子技术所, 西安 710069)

本文所述的光学参量产生器(OPG)是基于高效的三硼酸锂(LBO)晶体, 由倍频半导体激光Nd:YVO4振荡放大(MOPA)系统作为泵浦辐射源.根据Boydand Kleinman理论:聚焦效应可以使泵功率密度为50 GW/cm2, 这远远低于LBO晶体的损伤阈值80 GW/cm2, 发生简并时其总的转换效率可达到72%.当整体转换效率达到50%时, OPG可调谐范围的范围可以从760 nm到1770 nm.当转换效率低于40%(M2<1.3)时, 光束质量是非常优良的.通过种子光注入OPG, 10 nm(RMS)谱线带宽可以被缩窄.种子激光注入可以表示为波长922.54 nm的信号.30 nW种子CW具有足够的功率可以将光谱宽度减少为0.1 nm(RMS).测量种子光注入OPG脉冲持续时间为9 ps(FWHM).这会导致时间带宽积为1.30, 这是sech2型脉冲理论极限为0.315的4.1倍.

LBO晶体; 光学参量产生器; 时间带宽积; 种子光注入

1 引 言

基于光学参量过程的脉冲光源可用于各种各样的应用, 如时间光谱, 计量, 环境研究或激光医学.在过去, 只是研究了一些利用kHz重复率[1-4]和准连续波辐射的MHz重复率[5-7]可调谐皮秒(ps)脉冲激发产生这种光源.高重复率脉冲光学参量产生器(OPGs)[5-7]以及同步泵浦光学参量振荡器(OPO)[8-11]已有文献报道, 而低重复率只有OPGs有报道.如ps级kHz高重复率的 OPG bywalker等人在1995[1]已经实现.在这个实验中, 20 ps的长脉冲在脉冲能量为0.3 mJ和重复率3kHz的532 nm波段已经可以应用.尽管有较高脉冲能量, 但这个实验只有20%总的转换效率.主要的问题是三硼酸锂(LBO)的损伤阈值的限制, 这个是由Boydand Kleinman理论预测的[12], 这个理论表明其最小光束直径限制在120μm,而不能选择21μm的最佳焦束直径.而基于掺镁铌酸锂晶体(PPMgLN)产生的高效光学参量产生器[13]已有报道, 如利用声光调Q的Nd:YVO4激光器作为泵浦源, 在室温下, 实现了PPMgLN晶体准相位匹配光参量输出,总光光转化效率达到47.6%, 以及基于磷硅镉晶体(CdSiP2)产生的高能的光学参量产生器[14]都很好的实现了ps级的可调谐波长的连续输出.

今天, 平均功率比较高的激光二极管泵浦锁模激光器可以提供在一个重复率从5kHz到500kHz和脉冲能量10多个μJ的ps脉冲.由于高质量的光束, 这种辐射可以使光斑集中到约20μm量级尺寸的非线性材料上, 而功率密度仍然低于其损伤阈值.因此, 最佳聚焦由Boydand Kleinman和其他的预测是可能的[12].而其预期的高转换效率, 相比目前报道的结果是具有相当优势的.

在本文中我们报告这种高效OPG在近红外(NIR)波段, 调谐范围从760nm到1770nm其总的转换效率约为50%.而我们在简并点处测量的最大转换效率为72%.

2 实验准备

图1显示实验装置, 它由倍频Nd:YVO4晶体振荡器放大器系统和OPG晶体组成的.激光系统可以提供532 nm ps量级, 其可调重复率在5 kHz至500 kHz以及M2<1.2的衍射极限的脉冲光束.根据重复频率, 脉冲持续时间在8 ps和10 ps之间变化,其对应的脉冲能量为2μJ到10μJ之间.

图1 实验装置光路图Fig.1 Experimental setup

在实验中, 使用的是一个20 mm长的非临界相位匹配LBO晶体的设计.而小的非线性系数是由一个长75 mm的透镜相互作用长度补偿.

高转换效率的一个关键因素是匹配晶体长度和瑞利长度[12].为了实现理想的聚焦条件为长20 mm晶体, 在辐射波长为532 nm的调节光束直径为24μm.这导致在一个最大的能量密50 GW/cm2时, 这是远远低于损伤阈值80 GW/cm2(报道的532 nm脉冲以20 ps的脉冲持续时间)[15].

泵浦光是通过两个分色镜(高反射在532 nm, T≈0.9在700 nm-1700 nm)从待检测信号中分离出来.而在这些镜子后面就可以检测到信号和脉冲总功率.

在种子光注入试验中, 一个连续分布反馈(DFB)激光二极管辐射922.54 nm波长的光波通过分色镜注入非线性晶体.OPG的光谱测量取决于LBO晶体的温度特性:在142°C检测出来的信号波长等于种子波长.其能量辐射通常大约为几个nw.

3 实验结果

图2显示的是非种子注入的OPG输出的平均功率与泵浦源不同重复率条件下的依赖关系.800nm信号光在重复率为100 kHz出现最高的平均输出功率, 其由泵浦光的最高平均功率决定的.

图2 非种子注入式的OPG平均功率与泵浦功率的依赖关系Fig.2 Average output power of the unseeded OPG for different Repetition rates at a signal wavelength of 800nm

OPG在简并时的总转换效率与泵浦功率密度的依赖关系如图3所示:在脉冲重复率为50 KHz时得到了最高的转换效率.由于泵浦脉冲能量增大, 此脉冲重复率达到最大, 总转换效率提高, 增加泵功率为50 GW/cm2, 转换效率η达到72%.此时, 泵浦功率密度仍远低于损伤阈值(80 GW/cm2), 我们甚至可以预计更高的泵浦功率密度可以得到更高的转换效率.

图3 非种子注入OPG在简并时的总转换效率η与泵浦功率的依赖关系Fig.3 Total conversion efficience η in dependence on the pump power density of unseeded OPG at degeneracy

图4 非种子注入OPG在简并时不同转换效率与光束质量M2 的关系Fig.4 M2 value of signal radiation for different convertion efficiencies of unseeded OPG at degeneracy

总的转换效率与晶体温度变化关系曲线如图5所示.转化效率从100°C开始上升, 在111°C时总转换效率超过50%.然后, 总转换效率与结晶温度呈线性增加, 可是由于参量增益, 产生的频率简并.在147.5℃的温度, 总转换效率在简并点达到最大值72%.超过这个温度, 转换效率仍然高(≈40-50%).在这些温度下, 透明度晶体在此范围内共线相位匹配是不可能, 147.5°C以上转换可以归因于非共线相位匹配.

图5 总转换效率η与晶体温度变化和信号波长关系曲线Fig.5 Convertion efficiency η in dependence on the crystal temperature and the corresponding singal wavelength

一个自由运行OPG的频谱宽度普遍是较宽, 广泛用于许多应用中.为了减少频谱宽度, 种子注入技术[16, 17, 18]已被使用.0.02 nm(FWHM)的DFB二极管具有广泛连续频谱的OPG, 当调到142°温度时频谱集中在922.54 nm.种子激光的功率为30Mw.但产生一致连续脉冲泵浦光只占其中一部分功率.泵的脉冲持续时间的产品与泵的脉冲重复率等于10-6, 从而有效的种子光注入功率降低为30 nw.

图6显示了带宽的种子光注入和非种子光注入OPG与泵浦功率密度的关系.注入种子OPG的光谱由尖锐的峰波长组合, 是由于自相位调制的泵浦激光连续的信号种子和转移到惰波长的种子注入到OPG.考虑到光谱复杂的形式和标准偏差, 我们评估的光谱采用的均方根宽度而不是FWHM宽度.种子注入式的OPG的带宽(≈0.1 nm RMS)是相比非种子注入OPG(≈10 nm RMS)小约100倍.非种子注入OPG的带宽积随泵浦功率密度的增加, 使得波长放大, 从而得到一个更大的光谱相位失配, 导致光谱扩大.

图7显示了种子光注入OPG脉冲持续时间以及泵浦脉冲持续时间在泵浦功率密度的依赖关系.当泵浦的辐射脉冲持续时间在9 ps和10.5 ps的之间时, OPG 的弛豫时间从 3.5 ps, 15 GW/cm2增加到9 ps, 40 GW/cm2.此行为归因于时间脉冲的中心有更高的功率, 这会导致在脉冲中心产生更高的转换效率.这样的结果使得单个的脉冲前导和尾随缩短从而会有效抑制脉冲边沿.而在高功率泵浦的情况下可以由足够的能量转换, 使得脉冲中心功率密度均匀, 因此, 脉冲缩短不是很明显.

图6 种子光注入(红色)和非种子光注入(蓝色)OPG带宽与泵浦功率密度的关系Fig.6 Bandwidth of signal radiation of unseeded OPG(blue circle) and theinjection-seeded OPGs(red squares) in dependence on the pump power density

图7 532nm处的泵浦脉冲(绿色)与种子光注入式单脉冲的持续时间与泵浦功率密度的关系Fig.7 Pulse duration of pump pulses at 532nm(green circle)and signal pulses of the injection-seeded OPGs(red squares) in dependence on the pump power density

时间带宽积为0.37种子光注入, 其脉冲其功率密度为15 GW/cm2和时间带宽积为1.30种子光注入, 其脉冲功率密度为40 GW/cm2.这些值分别为理论值为0.315的双曲正割型—脉冲的1.2倍和4.1倍.

5 结 论

总之, 我们研究了一种在近红外波段具有高效的532nm泵浦kHz重复率的ps级OPG.其总的转换效率超过50%, 辐射可调谐从760nm至1770nm(信号).最大的总转换效率在简并点到达72%.种子光注入的光谱宽度减少了两个数量级, 得到带宽积为0.37(15 GW/cm2)和1.30(40 GW/cm2).

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Efficient kHz picosecond LBO optical parametric generator

LU Yi-Xin1, LV Yin-Zhuang1, YANG Lu-Na2

(1.Institute of Applied Physics Xi'an University Arts and Science, Xi'an 710065, China；2.Institute of Photonics and Photon Technology Northwest University, Xi'an 710069, China)

We report a highly efficient optical parametric generator (OPG) based on lithium triborate (LBO). A frequency doubled passively mode-locked diode-pumped Nd:YVO4 oscillator amplifier (MOPA) system is used as the pump radiation source. Focusing according to the theory of Boyd and Kleinman leads to a pump power density of 50 GW/cm2, which is well below the damage threshold of LBO of 80 GW/cm2. The overall conversion efficiency reaches a value of 72% measured at degeneracy. The tuning range of the OPG ranges from 760 nm (signal) to 1770 nm (idler) when referring to an overall conversion efficiency of 50%. The beam quality is excellent for conversion efficiencies below 40% (M2< 1.3). The typically 10 nm (RMS) broad spectrum can be narrowed by injection seeding the OPG. Injection seeding is demonstrated for a signal wavelength of 922.54 nm. A seed cw power of 30 nW is sufficient to reduce the spectral width to 0.1 nm (RMS). The measured injection-seeded OPG pulse duration is 9 ps (FWHM). This results in a time-bandwidth product of 1.30, which is 4.1 times the theoretical limit of 0.315 for sech2-shaped pulses.

LBO crystal; Optical parametric generator (OPG); Time-bandwidth; Injection seeding

2013-10-12

陕西省教育厅课题(2013JK0620)；西安市科技局课题(CX12189WL10)

卢一鑫(1982—), 男, 汉族, 西北大学物理系毕业, 主要从事非线性光学, 光电子器件研究. E-mail: tongy1982@163.com

103969/j.issn.1000-0364.2015.02.019

O432

A

1000-0364(2015)02-0286-05