脈沖光纖激光器倍頻實驗研究

脈沖光纖激光器倍頻實驗研究摘要綠光光纖激光器在流場測量和顯示技術(shù)等領(lǐng)域有重要和廣泛的應(yīng)用，而頻率變換技術(shù)是實現(xiàn)激光器波長轉(zhuǎn)化的主要技術(shù)，和傳統(tǒng)的固體激光器相比，光纖激光器光譜特性差、非線偏振輸出導(dǎo)致效率低，本論文開展光纖激光器的倍頻研究，實現(xiàn)輸出激光的波長從1064nm向532nm的轉(zhuǎn)化。本論文在深入調(diào)研文獻的基礎(chǔ)上開展了光學(xué)倍頻理論基礎(chǔ)的研究，包括非線性極化理論、耦合波方程、相位匹配等相關(guān)的理論，在倍頻理論的支持下對倍頻實驗方案進行設(shè)計。在倍頻晶體的選擇上，通過比較不同晶體的特性，選擇了適合本次實驗的LBO晶體作為實驗材料。本實驗從倍頻晶體的環(huán)境溫度、倍頻晶體的尺寸、基頻光的輸出功率三個方面開展脈沖光纖激光器的倍頻實驗，通過測試不同尺寸、不同溫度和不同基頻光功率下的倍頻輸出功率，最終在50℃下，基頻光功率為22.32W的條件下，對晶體規(guī)格為3×3×30mm3的LBO晶體進行倍頻實現(xiàn)了最高輸出功率為410mW的532nm綠光輸出。通過分析實驗數(shù)據(jù)，從最適溫度、基頻光功率和倍頻晶體的尺寸三個方面分析對倍頻效率的影響。關(guān)鍵詞：光纖激光器，倍頻，脈沖，綠光

AbstractGreenfiberlasershaveimportantandwideapplicationsinthefieldsofflowfieldmeasurementanddisplaytechnology,andfrequencyconversiontechnologyisthemaintechnologyforachievinglaserwavelengthconversion.Comparedwithtraditionalsolid-statelasers,fiberlasershavepoorspectralcharacteristicsandnonlinearpolarization.Theoutputleadstolowefficiency.Inthispaper,thefrequencydoublingstudyoffiberlaseriscarriedouttorealizetheconversionoftheoutputlaserwavelengthfrom1064nmto532nm.Basedonthein-depthresearchliterature,thisthesishascarriedoutresearchonthebasisofopticalfrequencydoublingtheory,includingnonlinearpolarizationtheory,coupledwaveequation,phasematchingandotherrelatedtheories.Underthesupportoffrequencydoublingtheory,thefrequencydoublingexperimentschemeiscarriedout.design.Intheselectionoffrequencydoublingcrystals,LBOcrystalssuitableforthisexperimentwereselectedasexperimentalmaterialsbycomparingthecharacteristicsofdifferentcrystals.Inthisexperiment,thefrequencydoublingexperimentofpulsedfiberlaseriscarriedoutfromthreeaspectsoftheambienttemperatureofthefrequencydoublingcrystal,thesizeofthefrequencydoublingcrystal,andtheoutputpowerofthefundamentalfrequencylight.Bytestingdifferenttimes,differenttemperaturesanddifferentfundamentalfrequencyopticalpowersFrequencyoutputpower,finallyat50°C,thefundamentalfrequencyopticalpoweris22.32W,theLBOcrystalwithcrystalsizeof3×3×30mm3ismultipliedtoachieveamaximumoutputpowerof410mW532nmgreenlightoutput.Byanalyzingtheexperimentaldata,theinfluenceonthefrequencydoublingefficiencyisanalyzedfromthreeaspects:theoptimumtemperature,thefundamentalfrequencyopticalpowerandthesizeofthefrequencydoublingcrystal.Keywords:fiberlaser,frequencydoubling,pulse,greenlight目 錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 緒論光纖激光器的研究進展在20世紀(jì)60年代早期，美國的光學(xué)公司在摻雜光纖中發(fā)現(xiàn)了激光，因此提出了光纖激光器的概念。然而，它存在光纖自身損耗大的問題。在當(dāng)時，各國科學(xué)家因為這個問題都沒有足夠重視光纖激光器。到了20世紀(jì)60年代末期，高錕等科學(xué)家分析了光纖自身損耗高的主要原因，他們認(rèn)為解決這個問題后，光纖激光器必定會成為史無前例的熱門話題，而且將來對通信方面的發(fā)展會發(fā)揮重要作用。高錕等人因此被授予2009年諾貝爾物理學(xué)獎。在20世紀(jì)70年代初，美國的康寧公司生產(chǎn)出具有低傳輸損耗特性的二氧化硅光纖。這一材料的誕生把光纖的發(fā)展帶入了一個新的階段。在20世紀(jì)80年代中期，高功率半導(dǎo)體激光器和摻雜光纖的性能已經(jīng)有了很大提高。在20世紀(jì)90年代末，美國的貝爾實驗室聯(lián)合南安普敦大學(xué)在實驗中確認(rèn)了光纖放大器的想法是可行的，他們以半導(dǎo)體激光器為激光泵浦源對種子光通過包層泵浦技術(shù)進行了功率放大。長距離的光纖通信技術(shù)也因為包層泵浦技術(shù)得到發(fā)展。在20世紀(jì)90年代后，不同類型的光纖激光器都在功率輸出上取得不小的突破。目前，大功率光纖激光器已經(jīng)是市場上許多熱門切割機和打標(biāo)機的基礎(chǔ)了[1]。光纖激光器輸出的激光波長和摻雜的稀土元素有關(guān)。所以根據(jù)這一特性，不同稀土元素?fù)诫s在光纖中能有不同的應(yīng)用。稀土元素中的Yb3+離子在能級躍遷時對泵浦光的要求不具備單一性（915nm或975nm都可以），因為這種特性激光在激發(fā)態(tài)不會吸收泵浦光，所以Yb3+離子可用作多能級系統(tǒng)。因為Yb3+光纖的結(jié)構(gòu)、發(fā)射譜線和吸收光譜的優(yōu)勢，摻雜Yb3+的光纖激光器變成了研究的熱點。美國的IPG公司是目前世界上最頂尖的光纖激光器公司。該公司有多種光纖的產(chǎn)品可以滿足市場的不同需求[2]。對于脈沖光纖激光器而言，脈沖寬度、重復(fù)頻率是非常重要的參數(shù)。而這兩個參數(shù)在一些結(jié)構(gòu)特殊的脈沖光纖激光器中是可變換的，這樣的話脈沖光纖激光器的應(yīng)用變得靈活，應(yīng)用面也因此變得更廣泛。脈沖光纖激光器與固體激光器相比，體積變得更集約化，對環(huán)境要求不高。所以在一些特殊的環(huán)境下，脈沖光纖激光器有著很好的應(yīng)用。光纖激光器的壽命比固體激光器長，因此光纖激光器是不需要經(jīng)常維護的。更重要的是，光纖激光器的轉(zhuǎn)換效率要比固體激光器高。目前國內(nèi)公司生產(chǎn)激光器使用的光纖主要都是美國Nufern公司生產(chǎn)的摻雜光纖。中國現(xiàn)在也有很多公司的光纖無源元件生產(chǎn)工藝和使用效果都已經(jīng)十分接近國外的同類產(chǎn)品。目前美國IPG公司的17kW脈沖光纖激光器是最近轟動光纖激光器產(chǎn)業(yè)的重量級產(chǎn)品。在中國，從光束質(zhì)量、重復(fù)頻率和脈沖寬度三個方面來看，銳科公司生產(chǎn)的光纖激光器表現(xiàn)不錯。光纖激光器中，連續(xù)輸出和脈沖進行比較可以發(fā)現(xiàn)，脈沖輸出的功率密度較好。這種優(yōu)勢使得脈沖光纖激光器在工業(yè)、醫(yī)療、軍事和其他領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用空間。在倍頻方面，光纖激光器輸出窄脈沖寬度的優(yōu)勢可以大大提高非線性轉(zhuǎn)換效率[3]。綠光激光器的應(yīng)用及產(chǎn)生綠光激光的研究進展綠光激光器在各領(lǐng)域都應(yīng)用廣泛。在醫(yī)療方面，脈沖綠光激光器的功率高，可在極短的時間內(nèi)作用于人體，對皮膚的作用時間短危害小，且由于人眼對綠光的敏感度高，因此532nm綠光可用于眼科手術(shù)、治療血管性疾病、治療中風(fēng)等方面；在激光精密加工方面，綠光的聚焦光斑和熱影響區(qū)小，用于加工時不會產(chǎn)生大的形變，在電子行業(yè)憑借這種精密性有廣泛的應(yīng)用，如用于改變電阻的阻值等。在大規(guī)模集成電路方面，綠光激光器已經(jīng)是不可替代的關(guān)鍵技藝。下面重點介紹綠光激光在測量領(lǐng)域和顯示技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。綠光激光在測量領(lǐng)域的應(yīng)用激光是一種單色性好、亮度高的光源。假如實驗中需要高相干性的測量，那么窄線寬532nm激光就是實驗的重要選擇。窄線寬532nm激光具有光譜結(jié)構(gòu)十分精細(xì)的特點[4]。另外，在空氣動力學(xué)的實驗中，流場的參數(shù)測量需要用到光學(xué)的散射測量技術(shù)。流場中的氣體分子對測試激光會產(chǎn)生瑞利散射效應(yīng)，這種效應(yīng)會使光譜的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而通過分析這種變化，就可以求得流場的參數(shù)[5]。窄線寬532nm激光在高溫流場和溫度測量的測量等方面運用比較廣泛。美國德克薩斯大學(xué)的MatthewCrisanti等人在2014年報告了使用濾波瑞利散射技術(shù)來測量2.5馬赫條件下的氦-空氣混合渦旋結(jié)構(gòu)的實驗研究，使用的是激光線寬為50um的窄線寬532nm脈沖激光器。對于高溫燃燒場中的參數(shù)測量，除了可以通過瑞利散射測量技術(shù)進行測量，還可以通過激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)、相干反斯托克斯拉曼散射光譜技術(shù)來測量。因此窄線寬532nm激光在燃燒流場診斷方面的應(yīng)用也受到了關(guān)注。在航空航天領(lǐng)域，發(fā)動機內(nèi)的燃燒流場診斷十分重要，故窄線寬532nm脈沖激光器有著日益重要的應(yīng)用。西北核技術(shù)研究所的王晟等人用窄線寬532nm激光測量了燃燒火焰的參數(shù)，不同相混合的流場顯示和超聲速流場的參數(shù)診斷，對此報道了濾波瑞利散射技術(shù)在流場診斷方面的研究[6]。中國空氣動力學(xué)研究與發(fā)展中心的陳力等人對高溫燃燒場參數(shù)測量的三種技術(shù)都進行了研究。在研究中使用532nm窄線寬種子激光器來測量燃燒流場的不同參數(shù)。對1026℃附近的高溫燃燒場的溫度采用雙色平面激光誘導(dǎo)熒光法進行測量，跟傳統(tǒng)的測量方法比較，測量的不確定度非常小，準(zhǔn)確性高。對于一般流場的參數(shù)測量，使用F-P干涉儀測出了其速度。由此可見，光學(xué)測量在非侵入式和瞬態(tài)兩個領(lǐng)域具備其他方法不具有的優(yōu)勢[7]。2010年，美國Iowa州立大學(xué)的JosephD.Miller等人報告了一種高速多線OH基平面激光誘導(dǎo)熒光測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于非穩(wěn)態(tài)流場的測量。OH-PLIF系統(tǒng)將線寬為4×10-3cm-1的532nm的窄線寬脈沖激光與兩種不同的種子激光混合通過晶體形成了的313.5nm激光[8]。綠光激光在顯示技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用激光顯示技術(shù)是一種新的顯示技術(shù)，是使用三原色激光光源以不同的混合配比形成白光，可以通過顯示單元控制基于這三種顏色的不同配比就能形成非常豐富的色彩，以此可以構(gòu)成各種所需要的圖像。通過激光顯示技術(shù)形成的色域能夠覆蓋接近90%的人眼可見色域，這是傳統(tǒng)的顯示技術(shù)無法實現(xiàn)的。激光顯示技術(shù)在色彩方面的出色表現(xiàn)足夠引起國際研究的討論熱潮[9]。圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s11RGB三色激光源圖STYLEREF1\s1.SEQ圖\*ARABIC\s12新型激光電視532nm的綠光激光是激光顯示技術(shù)的重要組成部分，因為綠色是三原色的組分之一。對于激光顯示技術(shù)而言，散斑干涉紋是影響顯示質(zhì)量的重要因素，散斑干涉紋的產(chǎn)生與激光的高相干性有關(guān)。所以想要提高顯示的質(zhì)量可以從降低激光相干性的角度入手，激光的相干性可以通過增加光譜帶寬來降低。相干性低于一定程度后，人眼將無法區(qū)分激光產(chǎn)生的散斑干涉紋，因此也就達(dá)到了提高顯示質(zhì)量的目的。532nm綠光激光器想要實現(xiàn)消除散斑的話，光譜的帶寬需要在幾納米附近，對此國際上也有不少研究。韓國的NanEiYu等人對532nm的激光有不少研究，其中重點在于激光顯示技術(shù)中如何消除激光產(chǎn)生的散斑干涉紋，也就是說如何產(chǎn)生光譜帶寬較寬的532nm激光。2012年，NanEiYu等人得到了一種光譜帶寬為13nm的綠光[10]，這種綠光是通過倍頻技術(shù)獲得的，可以用于激光顯示技術(shù)。2014年，NanEiYu等人又報道了一種光譜帶寬為6.5nm的綠光，這種光譜寬度下的綠色激光產(chǎn)生的散斑干涉紋遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)激光顯示中消散斑技術(shù)。綠光產(chǎn)生方法的研究進展目前，綠光的產(chǎn)生主要通過以下方法：第一種方法是對半導(dǎo)體激光器進行倍頻或和頻，要求半導(dǎo)體激光器輸出的激光波長在近紅外區(qū)域。2001年，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所用KLN晶體將半導(dǎo)體激光器輸出的820-960nm激光倍頻得到了藍(lán)綠光輸出。2007年，德國用BBO晶體將兩種半導(dǎo)體激光器的輸出和頻獲得了527nm綠光。對半導(dǎo)體激光倍頻或和頻輸出的激光光束質(zhì)量較差[11]。第二種方法是對帶隙比較寬的半導(dǎo)體材料進行泵浦輸出，如ZnSe和GaN等。1991年美國研制的ZnSe激光器引起了人們的注意。但是ZnSe這種材料的制備困難，而基于這種材料的激光器輸出的激光使用壽命不長。對于延長這種方法產(chǎn)生激光的使用壽命方面，1996年日本索尼公司成功用ZnSe激光器輸出了使用壽命超過100小時的515nm綠光。到了1998年，索尼公司還將這種綠光的壽命延長至400小時。后來研究發(fā)現(xiàn)GaN的使用壽命比ZnSe要長，因此對使用GaN的激光器研究也越來越多。但是總體來看，這種方法的使用壽命和光束質(zhì)量仍不夠好。第三種方法是利用稀土離子的轉(zhuǎn)換效應(yīng)，通常是在光纖激光器上摻雜稀土離子來實現(xiàn)綠光輸出。這種方法下，光纖激光器的基質(zhì)材料以氟化物的光纖為主，通常摻雜Er3+等稀土離子。2002年，北京交通大學(xué)在TiBa激光器上摻雜了Er3+/Yb3+，成功輸出524nm綠光。2007年，埃及研制出了在SiO2-TiO2激光器上摻雜Er3+/Yb3+成功輸出了513nm綠光。這種方法產(chǎn)生綠光的轉(zhuǎn)換效率不高，通常只能輸出幾百毫瓦的綠光，在生命科學(xué)分析等方面才是主要的應(yīng)用領(lǐng)域[12]。第四種方法是利用一種特殊的材料，自倍頻晶體材料。這種材料既可以產(chǎn)生激光又能轉(zhuǎn)換激光的波長。輸出綠光需要用到LD泵浦自倍頻晶體，這種晶體能夠產(chǎn)生波長在近紅外區(qū)的激光，這個波段的激光通過自倍頻效應(yīng)就能夠輸出綠光。1999年，國內(nèi)外都有使用這種方法的研究報道，日本的M.Iwai等人通過使用自倍頻晶體成功輸出了綠光，香港城市大學(xué)和山東大學(xué)合作通過使用自倍頻晶體輸出了225mW的綠光。這種方法輸出的綠光功率較低[13]。最后還有一種方法是通過光學(xué)的非線性效應(yīng)頻率轉(zhuǎn)換，固體激光器和光纖激光器都可以將輸出的特定波長的基頻光通過倍頻晶體的倍頻得到綠光，比如從1064nm波長的基頻光倍頻得到532nm的綠光。固體綠光激光器的研究已經(jīng)十分成熟。2005年，日本的T.Kojima等人用倍頻晶體對固體激光器輸出的基頻光做非線性效應(yīng)頻率轉(zhuǎn)換獲得了400W的綠光輸出。同樣是2005年，中國科學(xué)院物理研究所通過將固體激光器折疊腔輸出的基頻光利用非線性效應(yīng)頻率轉(zhuǎn)換獲得了121W的綠光。對綠光光纖激光器的進展國內(nèi)稍落后于國外。2000年，英國的S.V.Popov等人利用KTP晶體通過光纖激光器倍頻得到6W的綠光輸出。在國內(nèi)，2004年，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所使用PPLN晶體通過光纖激光器倍頻得到59mW的綠光輸出。由此可見國內(nèi)的綠光光纖激光器研究進展較慢。2009年，日本的MomokoTanaka等人用DKDP晶體通過光纖激光器獲得了75J的脈沖綠光。所以對光纖激光器的研究在國內(nèi)是十分有必要的。光纖激光器在效率、線寬、散熱、損傷閾值、體積、結(jié)構(gòu)等方面比起固體激光器更有優(yōu)勢[14]。由此可見，用非線性效應(yīng)來實現(xiàn)頻率變換的方法產(chǎn)生的綠光與其他方法相比，光束的質(zhì)量高、輸出功率高，且對光纖激光器在頻率變換方面的研究十分具有發(fā)展前景。非線性頻率變換的研究進展在激光器出現(xiàn)后的第二年，F(xiàn)ranken在觀察注入具有694.3nm紅寶石光束的石英晶體時，發(fā)現(xiàn)了347.2nm的出射光。頻率恰好是入射光的兩倍，從此以后，在光學(xué)研究中增加了一個分支：非線性光學(xué)。光學(xué)倍頻是自激光出現(xiàn)后最實用的非線性光學(xué)效應(yīng)，也是最早發(fā)現(xiàn)的非線性光學(xué)效應(yīng)。它在擴展激光光譜范圍方面有很大的應(yīng)用。對于窄帶激光倍頻，理論研究相對完整，很容易實現(xiàn)更高的倍頻效率。對于強場超短脈沖，由于其極高的峰值功率（數(shù)百GW/cm2），即使倍頻晶體很薄，也可以在確保大轉(zhuǎn)換帶寬的同時實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率。對于常見的納秒摻鐿光纖激光器，它通常具有3~8nm的寬帶，峰值功率僅為數(shù)十至數(shù)百MW/cm2。對于一定的入射角，只允許基本光處于某個特定波長時實現(xiàn)相位匹配，并且由于大多數(shù)頻率分量處于相位失配狀態(tài)，所以不能獲得高轉(zhuǎn)換效率。因此，對寬帶短脈沖倍頻技術(shù)的研究具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義[15]。自激光倍頻現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)以來，理論研究已相對完整，并且還有大量的實驗文章。對于單頻激光，人們可以更容易地實現(xiàn)高倍頻能量轉(zhuǎn)換效率，甚至可以實現(xiàn)高達(dá)75％的轉(zhuǎn)換效率，但對于寬帶激光，轉(zhuǎn)換效率低，一般低于50％。1989年，Martinez和Szabo使用光柵角色散補償?shù)姆椒▽崿F(xiàn)了寬帶激光的倍頻轉(zhuǎn)換，采用的基頻光中心波長為650nm，但沒有關(guān)于倍頻效率的報道。2001年，chien等人使用了4mm長的KDP晶體將中心波長1053nm的基頻光倍頻，以獲得高達(dá)80％的轉(zhuǎn)換效率，但此時，使用強度高達(dá)400GW/cm2的飛秒激光脈沖，這需要對倍頻晶體的損傷閾值要求很高，高階非線性效應(yīng)是不可避免的，并且沒有報告特定的激光帶寬。2006年，四川大學(xué)使用帶寬30nm的飛秒脈沖，對KDP晶體進行倍頻實驗，最終倍頻效率為10%。受KDP晶體接收帶寬的限制，倍頻光譜變窄，帶寬為3nm。2009年，丁良恩等人使用了兩種BBO晶體級聯(lián)對帶寬為40nm的基頻光進行諧波轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換效率為35.7％，倍頻光學(xué)帶寬為6.7nm，比單晶倍頻帶寬高0.5nm。2011年，中物院激光聚變研究中心的王偉等人進行倍頻實驗得到了70%的倍頻效率，他們使用的是兩塊匹配類型為Ⅰ類匹配的KDP晶體級聯(lián)倍頻的方法[16]。課題研究的背景和主要工作頻率變換技術(shù)是實現(xiàn)激光器波長轉(zhuǎn)化的主要技術(shù)，但由于光纖激光器光譜光寬度大、非線偏振輸出導(dǎo)致效率低，本論文開展光纖激光器的倍頻研究，實現(xiàn)輸出波長從1064nm向532nm的轉(zhuǎn)化。最終實現(xiàn)50mW以上的532nm綠光輸出。論文的結(jié)構(gòu)安排如下：第一章：緒論。這一章通過介紹光纖激光器的研究進展、綠光激光器的應(yīng)用及產(chǎn)生綠光激光的研究進展和非線性頻率轉(zhuǎn)換的研究進展簡要說明了本文的背景和意義。第二章：光學(xué)倍頻理論基礎(chǔ)。介紹了在光學(xué)倍頻中重要的非線性極化理論、耦合波方程和相位匹配。第三章：光纖激光器的倍頻實驗研究。從實驗方案的設(shè)計、實驗過程和實驗數(shù)據(jù)三個方面對倍頻實驗進行介紹。第四章：實驗分析與結(jié)論。對倍頻實驗測得的數(shù)據(jù)進行整理和分析，最后得出結(jié)論。第五章：總結(jié)。總結(jié)本次畢業(yè)設(shè)計的做的工作。

光學(xué)倍頻理論基礎(chǔ)通常我們會討論介質(zhì)的電極化強度與入射光電場的關(guān)系，兩者的關(guān)系與表征光和物質(zhì)相互作用的參數(shù)相關(guān)，其中介質(zhì)的吸收系數(shù)就是重要參數(shù)之一。在強光作用下，介質(zhì)的吸收系數(shù)因為吸收率的變化不再為固定常數(shù)。表征光與物質(zhì)相互作用的參數(shù)通常是光電場強度的高冪次項。在這些高冪次項中的二階系數(shù)對應(yīng)的是二階的非線性光學(xué)效應(yīng)。其中，二次諧波的產(chǎn)生是獲得藍(lán)綠光的常用方法。非線性極化理論物質(zhì)的電極化強度和入射光電場在一般情況下如公式（2.1）所示[17]： （2.1）公式（2.1）等號右側(cè)為為真空中的介電常數(shù)、介質(zhì)極化率張量和電場E的乘積。等號的左側(cè)為極化強度P。在強光作用下，電極化強度與光電場的關(guān)系不再是線性變化，呈非線性的變化，此時電極化強度變成： （2.2）公式（2.2）等號的右側(cè)各項分別對應(yīng)線性電極化強度、非線性光學(xué)效應(yīng)下表征光與物質(zhì)作用的參數(shù)。線性電極化強度對應(yīng)于普通光學(xué)中光的獨立性原理和疊加原理。χ(2)和χ(3)等為非線性極化張量。在倍頻效應(yīng)中我們需要關(guān)注二階非線性極化率張量，將三階以上的非線性極化張量舍去可以將電極化強度簡化為： （2.3）通過頻率分別對公式（2.3）左右兩側(cè)的電極化強度和光電場強度作傅里葉展開，于是可以得到電極化強度的矢量表達(dá)式： （2.4）公式（2.4）中等號右側(cè)的是三階張量，可用矩陣表示： （2.5）假設(shè)兩束頻率相等的光在介質(zhì)中發(fā)生極化現(xiàn)象，若設(shè)這兩束光的頻率為ω，極化產(chǎn)生的光頻率為2ω，此時這兩束光的光場和極化產(chǎn)生光的光場是具有完全對稱的特性的，意味著光場的位置是完全等同且可交換的： （2.6）通過這種特性，可以推出具有空間對稱性的材料的非線性極化率也具有對稱性，由于極化率的張量元之間關(guān)系是特定的，而具有反演中心的晶體更為特殊，這種晶體偶數(shù)階的非線性極化率為0，在倍頻實驗中需要利用晶體的二階非線性極化率，因此不能使用具有反演中心的晶體做倍頻實驗，不過利用這種特性，許多非線性極化率的張量表示都將大大簡化。耦合波方程耦合波方程就是入射光電場與產(chǎn)生光電場之間的關(guān)系。通過求解耦合波方程可以獲得電場和介質(zhì)的極化率，而非線性極化強度又與這兩個參數(shù)相關(guān)，固通過求解耦合波方程能夠獲得非線性效應(yīng)的參數(shù)，如倍頻信號強度、轉(zhuǎn)換效率等。非線性波動方程不考慮自由電荷的存在的情況下的波動方程為[17]： （2.7）公式（2.7）中的為磁導(dǎo)率。電極化強度P可以分為兩個部分，即線性部分和非線性部分，其中，引入，代入公式（2.7）可得： （2.8）公式（2.8）等號右側(cè)是非線性效應(yīng)項，理想介質(zhì)在弱光作用下PNL為0，方程此時變?yōu)槠胀ǖ木€性波動方程。在非線性效應(yīng)中光電場的組分為：，其電極化強度為：，電極化強度和光電場在只考慮z方向傳播的情況下，以頻率展開為傅里葉形式如公式（2.9）： （2.9）公式（2.9）中的新引入?yún)?shù)有頻率的光電場波矢，極化波的波矢，將公式（2.9）代入公式（2.8）中，其中,得： （2.10）通過慢變振幅近似，即，和，，可以得到簡化形式： （2.11）如果非線性介質(zhì)中傳播的是短脈沖，當(dāng)其傳輸時間等于脈沖寬度時，此時需要考慮光電場振幅變化： （2.12）耦合波方程以一般情形為例，假設(shè)頻率為ω1、ω2、ω3的平面單色波入射到非線性介質(zhì)中，其中ω3=ω1+ω2，即第三個平面單色波的頻率是前兩個的和，只考慮z方向上傳播，光電場強度表示為E1、E2、E3，簡并因子D=2，忽略二階以上的非線性效應(yīng)。二階非線性項表示如下： （2.13）將公式（2.13）代入非線性波動方程即公式（2.11）有[18]： （2.14）公式（2.14）中的n1、n2和n3是介質(zhì)對相應(yīng)的頻率的折射率，相位匹配因子Δk=k3-k2-k1，當(dāng)Δk=0的時候，意味著光波動量守恒。公式（2.14）可以改寫為標(biāo)量形式： （2.15）公式（2.15）是三光場的相互作用下的耦合波方程。通過這個耦合波方程可以對二階非線性效應(yīng)進行分析計算。公式（2.15）中的各個標(biāo)量形式的極化率為： （2.16）公式（2.16）中的e1、e2、e3為不同方向的單位矢量。倍頻效應(yīng)通過非線性介質(zhì)的基頻光衰減可忽略，在倍頻過程中兩束基頻光特性相同，即k1=k2，也就是說相位匹配因子Δk=k3-2k1，簡并因子D=1，耦合波方程為： （2.17）積分公式（2.17）可獲得出射面處的光電場，此時的邊界條件為E3(z)=0： （2.18）公式（2.18）中L為介質(zhì)長度，根據(jù)發(fā)光強度的計算公式可得：，，其中I3為倍頻光的發(fā)光強度： （2.19）倍頻系數(shù)，倍頻效率η為倍頻光與基頻光的功率比： （2.20）在公式（2.20）中，轉(zhuǎn)換效率的計算需要用到光斑面積A，從公式（2.20）可以看出，其他參數(shù)一定時，當(dāng)Δk=0，也就是說相位匹配時，，倍頻效率最高。并且可以看出基頻光功率密度越大倍頻效率越高，所以在倍頻時應(yīng)實現(xiàn)較大的光強輸入，通常采取聚焦的方式來實現(xiàn)。由公式（2.20）可知η與d2成正比。因此，假如倍頻材料的參數(shù)是確定的，進行倍頻應(yīng)當(dāng)選取倍頻系數(shù)較大的方向?；l光的消耗在相位匹配和長作用時間下是不能再忽略的，在這種情況下耦合方程組為： （2.21）公式（2.21）中的，，在，和的情況下，假設(shè)，即相位匹配時，通過積分變換可以得到： （2.22）通常，基頻光在倍頻時的作用長度越大，倍頻效率越高。但是當(dāng)長度到達(dá)一定程度時，倍頻光的輸出功率會趨于飽和，在最大的倍頻光輸出功率的情形下的長度被稱為有效倍頻長度。相位匹配從公式（2.20）可以得出倍頻效率和相位偏移量有很大關(guān)系，如圖2.1所示。由圖可見相位失配時倍頻效率極低，只有在相位匹配的時候，倍頻效率才能夠達(dá)到最大值。通過，可以發(fā)現(xiàn)，即基頻光與倍頻光的折射率相等，由此可以推斷出基頻光和倍頻光的相速度是相等的。在相位匹配時，因為倍頻光的相位與基頻光一致，通過相長干涉，此時倍頻光輸出功率最高[19]。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s11倍頻效率與相位偏移量的關(guān)系如果基頻光偏振方向與倍頻晶體折射率較低的方向相同的情況，我們稱為Ⅰ類匹配；反之，基頻光偏振方向與倍頻晶體折射率較低的方向相互垂直的情況稱為Ⅱ類匹配。當(dāng)非線性光學(xué)晶體處于正常色散情況，即時，此時相位不匹配。光束入射到具有光學(xué)各向異性的倍頻晶體中，分解為兩束沿不同方向折射的光，把這種現(xiàn)象稱為雙折射效應(yīng)。相位匹配可以通過這種效應(yīng)來實現(xiàn)。角度匹配對于倍頻晶體的雙折射效應(yīng)，倍頻光折射率是入射光矢與晶體光軸夾角θ的函數(shù)。所以調(diào)整θ就可以調(diào)整倍頻光的折射率，角度匹配就是利用這一點將基頻光與倍頻光的折射率調(diào)至相等，從而實現(xiàn)相位匹配。倍頻光的折射率可以由以下公式得出： （2.23）負(fù)單軸晶體中，設(shè)倍頻光為e，那么將有，在Ⅰ類匹配的情形下，需要滿足這個條件，以BBO晶體為例，可以利用這些條件列出Sellmeier方程： （2.24）在公式（2.24）中，等式右邊的λ為波長。如圖2.2所示，以1064nm處Ⅰ類倍頻的情況為例，基頻光與倍頻光的折射率在光軸與入射光矢夾角22.8°的情況下是相等的。由圖可以推出，倍頻光折射率隨著θ的增大而逐漸下降，因此在實驗中需要調(diào)整晶體位置使倍頻光的輸出功率達(dá)到最高。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s12BBO晶體1064nm處的Ⅰ類匹配角度負(fù)單軸晶體的Ⅱ類匹配要滿足的相位條件如下：，相位匹配時角度滿足的方程可以通過聯(lián)立公式（2.23）得到[17]： （2.25）以常見倍頻晶體BBO為例，BBO晶體屬于負(fù)單軸晶體。利用Sellmeier方程可以計算得出其Ⅱ類匹配角為32.9°。正單軸晶體的不同類型匹配條件與負(fù)單軸晶體相似，因為這種情況下基頻光和倍頻光的折射率大小恰好相反，基頻光變?yōu)閑光，倍頻光變?yōu)閛光，如下： （2.26）對于正單軸晶體，Ⅰ類相位匹配角和Ⅱ類相位匹配角都可以通過對應(yīng)的Sellmeier方程來計算。而雙軸晶體不具有旋轉(zhuǎn)對稱性，相位匹配的情況就比較復(fù)雜了。雙軸晶體的折射率與、相關(guān)，所以通常雙軸晶體的波矢以球坐標(biāo)的形式表示。偏振分為兩種，快光和慢光，其中快光的折射率小，慢光的折射率大，倍頻光通常取快光。如圖2.3所示[20]。和的關(guān)系可以由公式（2.27）得出： （2.27）在公式（2.27）中ni(ω)(i=x,y,z)是晶體在不同坐標(biāo)軸方向上頻率為ω的光折射率。對此同樣也可以分兩種情況討論。當(dāng)Ⅰ類匹配時，，即倍頻光與基頻光的折射率相等；當(dāng)Ⅱ類匹配時，，即兩個基頻光折射率之和等于兩倍的倍頻光折射率。Hobden根據(jù)相位匹配和主折射率之間的關(guān)系，把雙軸晶體的匹配類型歸納為14種。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s13雙軸晶體中的e1光和e2光KTP晶體在不同區(qū)域處的主折射率為：，，，，，，在Ⅱ類匹配的條件下，，在x-y平面內(nèi)計算基頻光比較便利，即。如圖2.4所示，基頻光與倍頻光的折射率在附近滿足條件。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s14KTP的Ⅱ類匹配角（x-y平面）最佳相位匹配相位匹配時，有效倍頻系數(shù)最大的情況稱為最佳相位匹配。光束在相位匹配時將會偏離主軸的方向，非線性極化率由多種張量元組成。下面討論晶體的有效倍頻系數(shù)，負(fù)單軸晶體在Ⅰ類匹配的條件下的有效倍頻系數(shù)與是坐標(biāo)軸上e光的方向余弦、坐標(biāo)軸上o光的方向余弦、晶體的倍頻系數(shù)有關(guān)為[18]：。討論j與k的關(guān)系，若j與k相等，則δjk為0，否則為1。以常見倍頻晶體KDP為例，KDP晶體作為負(fù)單軸晶體，只有兩個獨立非零張量d123和d321。下面分別討論這兩個獨立非零張量，對其中一個獨立非零張量d312而言，因為基頻光在z軸上的投影為0可以推出有效倍頻系數(shù)為0。因此對于KDP晶體只有d123可用，對這種情況的有效倍頻系數(shù)可以表示為：，顯然其他條件一定時，在時，有效倍頻系數(shù)取極大值，但是有效倍頻系數(shù)的最大值需要考慮θ的值。對雙軸晶體而言，因為慢光和快光在坐標(biāo)軸上投影十分復(fù)雜，所以倍頻系數(shù)矩陣也變得復(fù)雜。如果雙軸晶體的兩個主折射率近似相等，此時雙軸晶體可以當(dāng)作單軸晶體來分析。這種情況下的KTP晶體的有效倍頻系數(shù)近似為：，當(dāng)時有極值，所以，我們通常在x-y平面對KTP晶體進行倍頻，這樣才能滿足最大值的條件。可接受匹配寬度完全匹配的情況下，倍頻輸出能夠達(dá)到最大值。但是實際運用中，存在一定的失諧量使倍頻效率降低。當(dāng)倍頻效率高于完全匹配時寬度的40%稱為可接受寬度[18]。下面以角度匹配為例，在實際情況下，匹配角為：，匹配因子： （2.28）由公式（2.8）可以分析出匹配因子△k在π/L的范圍內(nèi)相位匹配。當(dāng)△k=2π/L時，等式兩邊實際各有π/L的失諧量，那么這種情況，即在2π/L的范圍內(nèi)也是可以接受的。再以單軸晶體的Ⅰ類匹配為例，匹配因子有： （2.29）在具有很小雙折射和色散的晶體中，Δθ可以近似為： （2.30）類似地，頻率匹配寬度為：，僅在該頻率寬度范圍內(nèi)的入射光對倍頻的貢獻較大，范圍外的頻率寬度對倍頻貢獻較小。θm隨晶體的溫度的變化而變化，可以通過加熱使θm達(dá)到90°，此時溫度相位匹配，存在溫度匹配寬度。討論溫度相位匹配，負(fù)單軸晶體在Ⅰ類匹配的情況下：，其中為相位匹配溫度。由上可見，倍頻效率受多種因素的影響，并且這些因素對倍頻效率的影響都不小，在實際運用中應(yīng)選擇合適的倍頻方式來利用這些倍頻晶體。準(zhǔn)相位匹配技術(shù)傳統(tǒng)的相位匹配技術(shù)指的是將基頻光的相位和倍頻光的相位調(diào)整為一致，形成干涉相長用以實現(xiàn)倍頻光的輸出。而準(zhǔn)相位匹配是通過調(diào)整晶體的非線性極化率，通常采用周期性調(diào)制的方法來補償在倍頻過程中的相位失配，以此實現(xiàn)倍頻光的輸出[21]。對于傳統(tǒng)的相位匹配技術(shù)而言，在相位匹配時，相位匹配因子△k=0，此時倍頻光的輸出功率與晶體長度成正比。當(dāng)△k≠0時，也就是相位失配的情形下，倍頻光不再是被連續(xù)轉(zhuǎn)換，而是呈周期性起伏，其中周期的大小和相干長度有關(guān)。準(zhǔn)相位匹配技術(shù)就是利用了相位失配時的特性，通過改變晶體的結(jié)構(gòu)，將晶體的結(jié)構(gòu)修改成一種周期性結(jié)構(gòu)，這樣晶體的極化方向和折射率都會周期性改變，以此補償了相位失配達(dá)到倍頻光與基頻光的相位同步，其周期性常數(shù)為： （2.31）在公式（2.31）中，我們可以看出周期性常數(shù)與相干長度Lc和周期性調(diào)制的階數(shù)m有關(guān)。對于m=1的情況下，即一階準(zhǔn)相位匹配的情形下，每隔一個周期對光進行2π相位調(diào)制。倍頻光強度公式的簡寫形式為：。在相位匹配的條件下，，也就是說倍頻光強度隨晶體的長度增長而升高；在相位失諧的條件下，倍頻光的強度不僅受到晶體長度的影響，還跟sinc函數(shù)的變化有關(guān)系，sin函數(shù)呈現(xiàn)周期性變化，也即導(dǎo)致倍頻光強度呈周期性變化。因為每隔一個周期進行2π的相位調(diào)制，也就是說在每半個相干長度需要利用準(zhǔn)相位匹配疊加π來補償相位失諧，同樣可以使倍頻光增強。如圖2.5和圖2.6所示[22]。圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s15周期性極化晶體圖圖STYLEREF1\s2.SEQ圖\*ARABIC\s16倍頻的能量轉(zhuǎn)換通過雙折射效應(yīng)進行倍頻需要選擇基頻光的入射方向，很難選擇非線性系數(shù)最大的方向進行高效率倍頻。通過調(diào)制透光波段寬的晶體的極化周期實現(xiàn)相位匹配的方法可以有效的避免空間的走離效應(yīng)。此時真正做到利用了倍頻晶體大的非線性系數(shù)方向，達(dá)到了倍頻轉(zhuǎn)換效率高的目的。但是這種方法的缺點是制作周期性極化晶體的工藝十分復(fù)雜，并且這種晶體的光學(xué)損傷閾值低，不能用于大功率倍頻。

LBO晶體的脈沖光纖激光器倍頻實驗研究光纖激光器輸出波段一般處于近紅外光波段，輸出波段限制了光纖激光器的應(yīng)用面。但是光纖激光器體積小、光束質(zhì)量高，人們不愿意放棄這些優(yōu)點?？梢姽獠ǘ问菓?yīng)用面非常廣的波段，光纖激光器可以通過對倍頻晶體進行倍頻來獲得可見光波段的光。Liu.A.P等人報道了一種獲得高質(zhì)量綠光的方法，他們是用LBO晶體的串接對光纖激光器倍頻[23]。下面介紹本次設(shè)計光纖激光器的倍頻實驗方案。實驗方案設(shè)計倍頻晶體的選擇在理想狀態(tài)下，我們應(yīng)選取非線性系數(shù)大且透光率高的倍頻晶體。然而在實際運用中，倍頻晶體的價格、損傷閾值、使用環(huán)境等因素也是需要考慮的。以下是幾種常見的倍頻晶體[24]。第一種常見的倍頻晶體是LBO晶體。LBO晶體具有損傷閾值高、接受角寬、走離效應(yīng)小的特點，適用于對Nd摻雜的光纖激光器進行倍頻轉(zhuǎn)換。對于倍頻時的波長漂移情況，LBO晶體因為透光波段廣，非常適用于這種情況。LBO晶體還具有輕微的潮解特性，所以在保存方面需要注意。LBO晶體的主要參數(shù)如表3.1所示。表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s11LBO參數(shù)晶體類型負(fù)雙軸晶體透光波段160nm-2600nmⅠ類匹配T=422.1K，=90°，=0°，有效非線性系數(shù)0.85pm/vT=300K，=90°，=11.3°，有效非線性系數(shù)0.83pm/vⅡ類匹配T=300K，=21.1°，=90°，有效非線性系數(shù)0.63pm/v損傷閾值10ns，>10GW/cm2潮解特性輕微潮解第二種常見的倍頻晶體是BBO晶體。BBO晶體的非線性系數(shù)大，透光波段較寬，因此常用于紫外光倍頻以及多倍頻。在超短光脈沖的情況下，BBO晶體損傷閾值高。BBO晶體在Nd摻雜的光纖激光器最高可以實現(xiàn)五倍頻。BBO晶體相比于LBO晶體更易潮解，在使用過程中也需要注意保護。BBO晶體的主要參數(shù)如表3.2所示。表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s12BBO參數(shù)晶體類型負(fù)單軸晶體透光波段189nm-3500nmⅠ類匹配T=300K，=22.9°，有效非線性系數(shù)2.01pm/vⅡ類匹配T=300K，=33°，有效非線性系數(shù)1.41pm/v損傷閾值10ns，>0.5GW/cm2潮解特性潮解第三種常見的倍頻晶體是KTP晶體，這種晶體被稱為全能晶體。因為KTP晶體的非線性系數(shù)、透光波段和化學(xué)性質(zhì)都不錯，而且有很好的機械性能。因此KTP晶體是單程倍頻的標(biāo)準(zhǔn)部件。KTP的優(yōu)異化學(xué)性質(zhì)使其更易于保存和使用。KTP晶體的主要參數(shù)如表3.3所示。表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s13KTP參數(shù)晶體類型正雙軸晶體透光波段350nm-4400nmⅡ類匹配（y-z平面）T=300K，=69.6°，=90°，有效非線性系數(shù)-1.81pm/vⅡ類匹配（x-y平面）T=300K，=90°，=23.5°，有效非線性系數(shù)3.58pm/v損傷閾值10ns，>500MW/cm2潮解特性不潮解第四種常見的晶體是KDP晶體。KDP晶體是唯一用于激光模擬核試驗的倍頻晶體。KDP晶體通過水熱法制備能夠得到大晶體尺寸。但是其非線性系數(shù)較小，且非常容易潮解，在使用中需要加溫并通過恒溫爐保持溫度才能保護KDP晶體。KDP晶體的參數(shù)見表3.4。表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s14KDP參數(shù)晶體類型負(fù)單軸晶體透光波段170nm-1700nmI類匹配T=300K，=41.1°，有效非線性系數(shù)0.264pm/vⅡ類匹配T=300K，=58.9°，有效非線性系數(shù)0.335pm/v損傷閾值15ns，>14.4GW/cm2潮解特性高潮解以上各晶體的參數(shù)都是取自波長1064nm處的。通過比較各晶體的參數(shù)，LBO晶體的高損傷閾值、接受角寬、走離效應(yīng)小的特性適合本次實驗，因此本次實驗的倍頻晶體選擇LBO晶體。倍頻方案的選擇倍頻實驗方案一般有兩種，腔內(nèi)倍頻和腔外倍頻。固體激光器的功率較低，倍頻效率與光功率密度是呈正相關(guān)的，固體激光器腔內(nèi)光功率密度大于腔外，因此將倍頻晶體放入腔內(nèi)可以獲得較高的倍頻效率。光纖激光器的功率高，雖然光功率密度越大倍頻效率越高，但是過大的光功率密度會使晶體受光學(xué)損傷，因此只能將倍頻晶體放在腔外。因為本次實驗采用光纖激光器，固采取腔外倍頻的方案。在光纖激光器的選擇方面，本次實驗選擇的是峰值功率高的脈沖光纖激光器，因為倍頻效率與基頻光的功率成正比。脈沖光纖激光器的基頻光功率峰值比連續(xù)激光器的功率高，因此選擇脈沖光纖激光器可以實現(xiàn)更高的倍頻效率。實驗材料實驗儀器和結(jié)構(gòu)本次實驗需要的儀器有：30W脈沖光纖激光器、85mm聚焦透鏡、晶體座、溫控爐、二色鏡、光功率測量儀、光譜儀。實驗的結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s11倍頻實驗結(jié)構(gòu)圖實驗時，脈沖光纖激光器發(fā)出1064nm基頻光通過聚焦透鏡聚焦在LBO晶體的中心端面，通過LBO晶體倍頻可得到1064nm&532nm的混合光，通過一個僅對532nm光透光的二色鏡將1064nm光濾去，最后532nm光打在光功率測試儀上得到倍頻光功率。在倍頻實驗中，因為倍頻效率受到多種因素的影響，比如基頻光功率、匹配角度等。在調(diào)試倍頻光功率的過程中，需要通過調(diào)整LBO晶體的位置和基頻光的聚焦點的位置來找到最大倍頻光功率的狀態(tài)。聚焦透鏡水平放置后固定，使基頻光在聚焦后是水平輸出的，方便后續(xù)其他儀器的擺放。晶體座能夠調(diào)節(jié)前后左右四個方向，便于找到最佳的匹配角度，得到最高的倍頻光功率。二色鏡通過一個調(diào)節(jié)固定架水平固定在光學(xué)導(dǎo)軌，通常不需要調(diào)整，能夠使532nm光水平透過就能滿足需要。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s12各類實驗器件實驗用的LBO晶體參數(shù)如圖3.3所示，本次實驗用到的倍頻晶體為濟南快譜公司生產(chǎn)的LBO晶體，有3種不同的晶體長度，匹配類型為I類匹配。詳細(xì)參數(shù)如表3.5所示。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s13實驗使用到的LBO晶體表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s15實驗用到的LBO晶體參數(shù)尺寸3×3×10mm33×3×20mm33×3×30mm3θ90°90°90°φ11.3°11.3°11.3°匹配類型I類匹配I類匹配I類匹配實驗過程和數(shù)據(jù)記錄脈沖光纖激光器的輸出功率測試本次實驗使用的是銳科30W脈沖光纖激光器，通過EZCAD這款軟件對基頻光輸出進行參數(shù)的調(diào)節(jié)，而EZCAD是通過設(shè)定輸出功率的百分比來進行輸出的（10%-100%），所以在正式實驗之前，需要先測試不同百分比輸出下的1064nm基頻光功率以便對后續(xù)的實驗數(shù)據(jù)進行分析，如表3.6。表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s16銳科30W脈沖光纖激光器的功率輸出功率基頻光功率/W10%3.0920%4.3730%6.8240%9.3450%11.7260%14.0370%16.3380%18.5790%20.80100%22.32倍頻實驗實驗步驟如下：1.在實驗開始之前，根據(jù)已經(jīng)設(shè)計好的倍頻實驗方案，將脈沖光纖激光器、聚焦透鏡、晶體座、二色鏡等裝置的位置確定并固定，使得激光器輸出激光的光軌在一條直線上，然后放置光功率測試儀；圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s14倍頻實驗裝置主視圖圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s15倍頻實驗裝置布局俯視圖2.實驗裝置擺放好后，將3×3×10mm3規(guī)格的LBO晶體放入晶體座中，通過測量工具將晶體端面和聚焦透鏡之間的距離調(diào)整為85mm，目的是將基頻光聚焦在LBO晶體的端面中心；圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s16晶體座與LBO晶體3.將激光器與電腦連接，通過EZCAD激光打標(biāo)軟件開啟激光，首先確認(rèn)綠光的光斑是否打在光功率測試儀的傳感器中心，確認(rèn)后，將光功率測試儀的測量參數(shù)設(shè)置為測量532nm波長的激光功率，目的是測量倍頻光功率；設(shè)置完畢后，需要通過調(diào)整晶體座各方向的旋鈕，微調(diào)LBO晶體的位置，調(diào)整的同時觀察光功率測試儀測得的功率，找出功率最大的位置后停止激光；圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s17倍頻實驗側(cè)圖圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s18綠光光斑圖4.打開溫控爐，將溫度設(shè)定為30℃，待晶體座溫度升至30℃并穩(wěn)定后，通過EZCAD軟件設(shè)置脈沖光纖激光器的輸出功率為10%，開啟激光，記錄此時的倍頻光功率； 5.記錄完畢后，停止激光，將脈沖光纖器的輸出功率增加10%，開啟激光并記錄數(shù)據(jù)；重復(fù)操作至輸出功率100%后，停止激光。6.將溫控爐溫度設(shè)置為40℃，待晶體座溫度升至40℃并穩(wěn)定后，同樣記錄脈沖光纖激光器輸出功率從10%至100%的倍頻光功率，記錄完畢后停止激光再將溫控爐增加10℃，重復(fù)操作直至80℃的倍頻光功率記錄完畢。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s19溫控爐圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s110不同溫度下3×3×10mm3LBO晶體的倍頻實驗數(shù)據(jù)7.數(shù)據(jù)記錄完畢后，關(guān)閉溫控爐使得晶體座溫度降至室溫，然后更換倍頻晶體，放入3×3×20mm3的LBO晶體，同樣需要先調(diào)節(jié)晶體座旋鈕使得光功率測試儀測得的功率最大再開始記錄數(shù)據(jù)。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s111不同溫度下3×3×20mm3LBO晶體的倍頻實驗數(shù)據(jù)8.該規(guī)格晶體數(shù)據(jù)記錄完后，關(guān)閉溫控爐使得晶體座溫度降至室溫，再更換晶體，放入3×3×30mm3的LBO晶體，同樣需要先調(diào)節(jié)晶體座旋鈕使得光功率測試儀測得的功率最大再開始記錄數(shù)據(jù)。圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s112不同溫度下3×3×30mm3LBO晶體的倍頻實驗數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)記錄完畢后，用光譜儀測量倍頻光的光譜，通過軟件分析記錄光譜圖像如圖3.13所示，可以看出倍頻光的中心波長在532nm附近；圖STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s113倍頻光的光譜圖所有數(shù)據(jù)記錄完畢后，關(guān)閉溫控爐，待溫度降至室溫，期間關(guān)閉其他通電儀器的電源，蓋好光纖激光器防護蓋，晶體座溫度降至室溫后，取出LBO晶體放回存儲盒內(nèi)防止受潮。

實驗分析與總結(jié)LBO晶體的倍頻最適溫度分析通過整理大于50mW的倍頻光數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在30℃-70℃的環(huán)境溫度下，基頻光功率大于9.34W的脈沖激光器產(chǎn)生的1064nm光倍頻得到的532nm綠光輸出均大于50mW；而在80℃的環(huán)境溫度下，需要基頻光功率大于11.72W的脈沖光纖激光器產(chǎn)生的1064nm光倍頻才能產(chǎn)生大于50mW的532nm綠光輸出。通過整理基頻光功率為22.32W的不同規(guī)格LBO晶體的不同溫度下的倍頻光功率數(shù)據(jù)可得圖4.1；圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s11不同規(guī)格的LBO晶體在相同基頻光功率下的倍頻光功率如圖4.1所示，在其他條件相同時，不同晶體長度的LBO晶體在50℃時倍頻光功率最大。為確認(rèn)具體的最適倍頻溫度，取45℃-55℃的溫度段，對3×3×30mm3規(guī)格的LBO晶體在22.32W的基頻光功率下每隔2℃再測一次倍頻光功率，記錄數(shù)據(jù)如圖4.2所示。圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s12在45℃-55℃下倍頻光功率隨溫度的變化圖由圖4.2可知，LBO晶體的最適倍頻溫度為50℃。LBO晶體的倍頻效率分析以50℃下的LBO晶體在不同基頻光功率輸出的倍頻光功率為例，如圖4.3所示。圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s13在50℃下LBO晶體不同基頻光功率輸出的倍頻光功率由圖4.3可以得出，在其他條件一定時，基頻光功率越高，得到的倍頻光功率越高。將圖中數(shù)據(jù)整理并計算倍頻效率，倍頻效率等于倍頻光功率與基頻光功率之比。表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s11在50℃下3×3×30mm3的倍頻效率基頻光功率(W)倍頻光功率(mW)倍頻效率(%)3.09300.974.37400.926.82701.039.341001.0711.721401.1914.031901.3516.332401.4718.573001.6220.803601.7322.324101.84表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s12在50℃下3×3×20mm3的倍頻效率基頻光功率(W)倍頻光功率(mW)倍頻效率(%)3.09200.654.37300.696.82500.739.34900.9611.721201.0214.031601.1416.332101.2918.572601.4020.803201.5322.323601.61表STYLEREF1\s4.SEQ表\*ARABIC\s13在50℃下3×3×10mm3的倍頻效率基頻光功率(W)倍頻光功率(mW)倍頻效率(%)3.09100.324.37200.466.82400.599.34700.7511.721000.8514.031300.9316.331701.0418.572101.1320.802601.2522.322901.30整理表4.1、表4.2、表4.3中基頻光功率和倍頻效率作圖可得圖4.4，圖STYLEREF1\s4.SEQ圖\*ARABIC\s14不同晶體長度的基頻光功率與倍頻效率關(guān)系圖由圖4.4可得，在其他條件一定時，基頻光功率越高，倍頻效率也越高，并且晶體長度越大的LBO晶體在同等條件下倍頻效率越高。在3×3×30mm3規(guī)格的LBO晶體達(dá)到了最高功率為410W的532nm倍頻光輸出。實驗結(jié)論本實驗將脈沖光纖激光器輸出的1064nm光通過LBO晶體倍頻得到了532nm綠光輸出，從溫度、倍頻效率、晶體長度三個角度分析了LBO晶體的特性：1.在其他條件一定時，LBO晶體倍頻的最適合溫度在50℃，并且與LBO晶體的長度無關(guān)；2.在其他條件一定時，LBO晶體的倍頻光功率和倍頻效率隨基頻光功率的增大而增大；3.在其他條件一定時，LBO晶體的長度越長，倍頻效率越高。在本實驗中，倍頻光功率最高的情況在環(huán)境溫度為50℃下，基頻光功率為22.32W的脈沖光纖激光器產(chǎn)生的1064nm光通過尺寸規(guī)格為3×3×30mm3的LBO晶體倍頻得到了410W的532nm綠光輸出，倍頻效率為1.84%；在30℃-70℃的環(huán)境溫度下，基頻光功率大于9.34W的脈沖激光器產(chǎn)生的1064nm光倍頻得到的532nm綠光輸出均大于50mW；在80℃的環(huán)境溫度下，基頻光功率大于11.72W的脈沖光纖激光器產(chǎn)生的1064nm光倍頻產(chǎn)生的532nm綠光輸出均大于50mW，達(dá)到了本次實驗的設(shè)計要求。

總結(jié)本實驗項目通過調(diào)研光纖激光器方面的文獻資料，并了解綠光激光器在各個領(lǐng)域的應(yīng)用以及產(chǎn)生綠光激光的研究進展，同時對非線性頻率變換、倍頻技術(shù)等進行探索研究。通過理論計算、整體設(shè)計和實驗操作對脈沖光纖激光器進行倍頻實驗的研究。最終成功獲得了最高倍頻光輸出功率為410mW的532nm綠光輸出。結(jié)合所學(xué)知識和老師以及師兄們的細(xì)心指導(dǎo)，從理論上完成了倍頻實驗方案的設(shè)計，最終將理論運用到實驗當(dāng)中，設(shè)計了脈沖光纖激光器的倍頻實驗系統(tǒng)并成功搭建。在該實驗中，實驗器材包括了脈沖光纖激光器、聚焦透鏡、晶體座、熱沉&TEC模塊、溫控爐、二色鏡、光功率測試儀等。首先將脈沖光纖激光器輸出的1064nm基頻光通過焦距為85mm聚焦透鏡，使激光聚焦中在倍頻晶體的端面中心處附近，經(jīng)過倍頻得到1064nm和532nm的混合光通過二色鏡，將1064nm光濾去，得到532nm綠光，透過二色鏡的532nm綠光打在光功率檢測儀上，測得532nm綠光的功率。本實驗的創(chuàng)新點在于用溫控爐改變倍頻晶體LBO的環(huán)境溫度，通過在相同基頻光功率下測不同環(huán)境溫度LBO晶體的倍頻效率，找到了LBO晶體的最適倍頻溫度，大約在50℃附近。通過整理實驗數(shù)據(jù)能夠得出以下結(jié)論：1.在其他條件一定時，LBO晶體倍頻的最適合溫度在50℃，并且與LBO晶體的長度無關(guān)；2.在其他條件一定時，LBO晶體的倍頻光功率和倍頻效率隨基頻光功率的增大而增大；3.在其他條件一定時，LBO晶體的長度越長，倍頻效率越高。整個實驗以及理論研究的成功，立足于扎實的光纖激光器理論知識，以及科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灧桨?，同時也感謝優(yōu)秀負(fù)責(zé)的老師和師兄們的大力幫助和指導(dǎo)。

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