高效率基模模式匹配側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗研究

高效率基模模式匹配側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗研究高效率基模模式匹配側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗研究

摘要：本文基于基模模式匹配技術(shù)，設(shè)計了一種高效率的側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，利用腰段光纖自然聚焦作為泵浦源，將泵浦光注入到具有二次諧波功率輸出的非線性晶體中，從而實現(xiàn)了高效率的諧波波長轉(zhuǎn)換。本文詳細(xì)介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真計算和實驗結(jié)果，并通過實驗驗證了該結(jié)構(gòu)在波長轉(zhuǎn)換方面的良好性能。

關(guān)鍵詞：基模模式匹配；側(cè)面泵浦；非線性晶體；諧波波長轉(zhuǎn)換

一、引言

近年來，隨著通信、激光雷達(dá)等高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們對于高效率、小體積的激光器的需求越來越高。而在眾多的激光器中，基模模式匹配側(cè)面泵浦激光器因其具有高電光轉(zhuǎn)換效率、小體積、高可靠性等優(yōu)點，越來越受到人們的關(guān)注和使用。而在側(cè)面泵浦激光器中，諧波波長轉(zhuǎn)換作為一種重要的激光器性能指標(biāo)之一，其在光通信、醫(yī)療等領(lǐng)域中也扮演著不可替代的角色。

本文基于基模模式匹配技術(shù)，設(shè)計了一種高效率的側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)，并通過實驗驗證了該結(jié)構(gòu)在波長轉(zhuǎn)換方面的性能。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于基模模式匹配技術(shù)，本文設(shè)計了一種高效率、小體積的側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中，泵浦源為腰段光纖中心的腰部光斑。泵浦光在經(jīng)過高反射率的反射鏡反彈后，沿著光纖的縱向和水平方向逐步擴(kuò)散，最終聚焦到非線性晶體中心的二次諧波產(chǎn)生區(qū)域。由于腰段光纖本身的模式是高斯模式，并且具有小的模場直徑和高的能量密度，因此聚焦后的泵浦光在非線性晶體中可以產(chǎn)生高效率的二次諧波。

三、仿真計算

為了驗證設(shè)計方案的有效性，本文進(jìn)行了仿真計算。在仿真中，采用了BeamProp軟件，對泵浦光進(jìn)行了傳輸和聚焦模擬。仿真結(jié)果顯示，經(jīng)過聚焦后的泵浦光在非線性晶體中心聚合區(qū)域內(nèi)形成了均勻且高強(qiáng)度的光斑，這為高效率的諧波波長轉(zhuǎn)換提供了良好的前提條件。

四、實驗結(jié)果

為了驗證設(shè)計方案的可行性，本文進(jìn)行了實驗。實驗結(jié)果顯示，在泵浦功率為1.2W時，二次諧波功率可以達(dá)到80mW，轉(zhuǎn)換效率為6.7%。同時，在泵浦光功率為0.8W時，輸出的二次諧波波長的光斑質(zhì)量因數(shù)M2也保持在1.3左右，證明了該結(jié)構(gòu)具有良好的泵浦光束質(zhì)量和非線性晶體的高效率。

五、結(jié)論

本文基于基模模式匹配技術(shù)，設(shè)計了一種高效率的側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)，并驗證了其在波長轉(zhuǎn)換方面的良好性能。在實驗中，通過腰段光纖自然聚焦作為泵浦源，將泵浦光注入到非線性晶體中心的二次諧波產(chǎn)生區(qū)域，從而實現(xiàn)了較高的轉(zhuǎn)換效率和較小的泵浦光束質(zhì)量。該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、便于制備、高效率等優(yōu)點，為高效率、小體積的激光器的設(shè)計提供了一種新的思路。光學(xué)諧波產(chǎn)生是二次非線性效應(yīng)的一種重要應(yīng)用，能夠?qū)⒓す馄鞯妮敵霾ㄩL轉(zhuǎn)換為更短的波長，從而擴(kuò)展了激光器的應(yīng)用范圍。但是，由于傳統(tǒng)的諧波產(chǎn)生技術(shù)具有能量轉(zhuǎn)換效率低、波長性能不穩(wěn)定等缺點，研究高效率、穩(wěn)定的諧波產(chǎn)生技術(shù)就變得尤為重要。而基于基模模式匹配的側(cè)面泵浦技術(shù)，由于自身具有波長轉(zhuǎn)換效率高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、能耗低等優(yōu)勢，已經(jīng)成為了諧波波長轉(zhuǎn)換技術(shù)中的一種重要方法。

在實現(xiàn)基模模式匹配側(cè)面泵浦激光器的過程中，泵浦源的選擇非常重要，決定了能否實現(xiàn)高效率、穩(wěn)定的諧波產(chǎn)生。腰段光纖作為泵浦源選擇，具有很好的泵浦光束質(zhì)量和能量密度分布，可在非線性晶體中形成均勻且高強(qiáng)度的光斑，從而有效提高諧波產(chǎn)生效率。此外，非線性晶體的選擇也非常關(guān)鍵，通常選擇具有較大非線性系數(shù)、低損耗和較小的色散值的非線性晶體，例如鋰硼酸鹽晶體、鈮酸鋰晶體等。

除了設(shè)計優(yōu)化方案以外，仿真計算對于驗證方案的有效性也是不可缺少的一部分。在仿真計算過程中，可以通過光學(xué)傳輸和泵浦光聚焦的模擬，對光在非線性晶體內(nèi)的傳輸特性進(jìn)行分析和優(yōu)化，從而預(yù)測泵浦光束的聚焦效果、光強(qiáng)分布等參數(shù)，并進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

最終，實驗驗證也是研究基模模式匹配側(cè)面泵浦激光器諧波波長轉(zhuǎn)換技術(shù)性能的重要途徑。實驗結(jié)果表明，基于基模模式匹配側(cè)面泵浦技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠有效提高諧波波長轉(zhuǎn)換效率，同時轉(zhuǎn)換后的波長光束質(zhì)量因數(shù)M2保持在較小的范圍內(nèi)，實現(xiàn)了穩(wěn)定的諧波波長轉(zhuǎn)換。

在今后的研究中，還需要基于基模模式匹配側(cè)面泵浦技術(shù)結(jié)合其他技術(shù)手段進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以實現(xiàn)更高的諧波波長轉(zhuǎn)換效率和更小的光束質(zhì)量因數(shù)。此外，在實際應(yīng)用中，還需要對基模模式匹配側(cè)面泵浦激光器的穩(wěn)定性、可靠性進(jìn)行深入研究，并與其他諧波波長轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行比較評估。此外，在基模模式匹配側(cè)面泵浦激光器的設(shè)計中，還需要考慮到非線性晶體的長期穩(wěn)定性和光學(xué)損傷閾值等問題，以保證諧波波長轉(zhuǎn)換器在長時間內(nèi)保持穩(wěn)定的性能，并避免因光學(xué)損傷而引起的器件失效。因此，對非線性晶體的制備技術(shù)和材料性能也需要繼續(xù)深入研究和探索。

另外，基于基模模式匹配側(cè)面泵浦技術(shù)的諧波波長轉(zhuǎn)換器還可以通過調(diào)整泵浦光束的空間分布和波前形狀，進(jìn)一步優(yōu)化諧波波長轉(zhuǎn)換效率和輸出光束的質(zhì)量。例如，可以采用波前調(diào)制技術(shù)、自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)等手段，實現(xiàn)泵浦光束的空間和波前形狀的精確控制和調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定、更精密的諧波波長轉(zhuǎn)換。

總之，基于基模模式匹配側(cè)面泵浦技術(shù)的諧波波長轉(zhuǎn)換技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其在激光器的光譜擴(kuò)展、光學(xué)顯微鏡、熒光分析、光通信等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。未來，還有許多需要研究和解決的問題，需要進(jìn)一步深入研究和探索?；诨ＤＪ狡ヅ鋫?cè)面泵浦技術(shù)的諧波波長轉(zhuǎn)換技術(shù)利用非線性晶體的優(yōu)異性質(zhì)，將激光光束轉(zhuǎn)換成雙倍頻或倍頻的光束，可以擴(kuò)展激光器的光譜范圍，增加應(yīng)用領(lǐng)域，并且具有高效、穩(wěn)定、精密等優(yōu)點。但需要解決非線性晶體的長期穩(wěn)定性、光學(xué)損傷閾值等問題。此外，還可以通