用低功率可見二極管激光器進(jìn)行倍頻實(shí)驗(yàn)

婁秀濤, 徐連杰, 趙海發(fā)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 應(yīng)用物理專業(yè)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 黑龍江 哈爾濱 150001)

非線性光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)的一個(gè)重要分支,利用非線性效應(yīng)獲取短波激光已成為激光技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向[1-3]。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)和近代物理實(shí)驗(yàn)等課程中開設(shè)的激光倍頻實(shí)驗(yàn)[4-5],多采用波長(zhǎng)1 064 nm的高功率近紅外固體激光器[6-8]作為光源。然而,高功率不可見光源在實(shí)驗(yàn)中存在光路調(diào)節(jié)難度大和安全防護(hù)要求高的問(wèn)題。

本文提出一種采用低功率、連續(xù)可見二極管激光(LD)為光源的倍頻實(shí)驗(yàn)方案。采用功率小于50 mW的506 nm綠色LD光源作為基頻光[9],使用偏硼酸鋇(BBO)晶體生成nW級(jí)倍頻紫外激光，并由光電倍增管(PMT)探測(cè)?；l光為低功率可見光,大大降低了倍頻實(shí)驗(yàn)的光路校準(zhǔn)難度和安全防護(hù)要求。同時(shí),nW級(jí)光探測(cè)實(shí)驗(yàn)可進(jìn)一步豐富學(xué)生關(guān)于微弱光信號(hào)檢測(cè)方面的知識(shí)。

1 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)激光在透明非線性晶體中傳播時(shí),光頻電場(chǎng)將引起晶體介質(zhì)的線性和非線性極化,其中非線性極化波將激發(fā)出不同于入射光波長(zhǎng)的光波。激光倍頻正是利用了晶體的二階非線性效應(yīng)。角頻率為ω的入射光電場(chǎng)E=E0sinωt所產(chǎn)生的二階極化場(chǎng)強(qiáng)度P2可表示為

(1)

式中：E0為入射光電場(chǎng)振幅,ε0為真空介電常數(shù),χ2為非線性晶體的二階非線性系數(shù)。式(1)中角頻率為2ω的項(xiàng)對(duì)應(yīng)的就是倍頻光波,倍頻光功率P2ω可表示為[10]

(2)

式中：L為晶體長(zhǎng)度,A為光束橫截面積,c為光速,n為折射率,Δk為基頻光和倍頻光的波數(shù)差。由式(2)可以看出,倍頻光功率正比于基頻光功率的平方,倍頻效率η正比于基頻光功率,η=P2ω/Pω。

在給定晶體長(zhǎng)度的情況下,生成的倍頻光功率主要取決于sinc函數(shù)決定的相位匹配程度。當(dāng)Δk=2(nω-n2ω)ω/c=0時(shí),倍頻光功率達(dá)到最大值,此時(shí)nω=n2ω。由此可見,相位匹配是由折射率匹配實(shí)現(xiàn)的,而后者是利用晶體的雙折射物理特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在給定功率條件下,通過(guò)光束聚焦來(lái)減少光束橫截面積,從而提高倍頻效率。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

采用低功率可見LD光源的倍頻實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。LD光源為法布里珀羅(FP)型,其標(biāo)稱中心波長(zhǎng)為506 nm。FP型LD的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、成本低。LD輸出功率通過(guò)電流驅(qū)動(dòng)器Thorlabs LDC200控制,電流控制精度為1 μA。為了獲得穩(wěn)定的功率輸出,LD的工作溫度由溫度控制器Thorlabs TED200穩(wěn)定在25 ℃,溫度控制精度為0.01 ℃。LD激光器的輸出功率用功率計(jì)Thorlabs PM100USB測(cè)量,通過(guò)改變LD的驅(qū)動(dòng)電流可獲得基頻光功率與驅(qū)動(dòng)電流間的關(guān)系。

圖1 基于低功率可見二極管激光的倍頻實(shí)驗(yàn)裝置

準(zhǔn)直后的LD出射激光經(jīng)過(guò)35 mm焦距的透鏡聚焦后注入BBO晶體。BBO晶體是負(fù)單軸晶體,是紫外波段非線性系數(shù)最高的晶體之一[11-12]。實(shí)驗(yàn)所使用的BBO晶體的長(zhǎng)度為7 mm,切割角度為51°,以實(shí)現(xiàn)I類相位匹配(o+o→e)。BBO晶體固定在二維調(diào)整支架上,通過(guò)調(diào)整BBO的光軸與基頻光波矢之間的角度獲得精確相位匹配。

從BBO晶體透射的基頻光和新生成的倍頻光在傳播方向上大體保持一致,二者僅有小于5°的走離角,因此基頻光本身即可作為倍頻光空間位置的校準(zhǔn)光?；l光和倍頻光經(jīng)35 mm焦距的石英透鏡準(zhǔn)直后射入日盲型PMT(Hamamatsu H11461)。日盲型PMT對(duì)紫外光具有很高的探測(cè)靈敏度,但對(duì)可見光不敏感。另外,PMT前放置中心波長(zhǎng)253 nm、透過(guò)半高寬10 nm、可見光光學(xué)深度大于5的干涉濾光片,以進(jìn)一步抑制可見基頻光的干擾。干涉濾光片還可以充分濾除實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的背景光,使得實(shí)驗(yàn)可以在正常的亮環(huán)境進(jìn)行。PMT將倍頻光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)后經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡采集到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行信號(hào)分析、處理與記錄。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)溫度控制器將LD的工作溫度穩(wěn)定在25 ℃,通過(guò)電流驅(qū)動(dòng)器改變LD的注入電流。每隔5 mA用光功率計(jì)測(cè)量激光器的輸出功率,每個(gè)驅(qū)動(dòng)電流下連續(xù)測(cè)量5次激光功率,取平均值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。LD的閾值電流大約為34 mA,當(dāng)注入電流達(dá)到閾值電流后,輸出功率Pω隨注入電流I的增大而線性增加。線性擬合的校正決定系數(shù)R2=0.9997,表明Pω與I之間具有很高的線性相關(guān)度。

圖2 基頻光輸出功率與注入電流間的關(guān)系

由于倍頻光功率僅為nW量級(jí),所以不能由光功率計(jì)直接探測(cè)到,而是由PMT的輸出電壓信號(hào)結(jié)合PMT的響應(yīng)度推算得到。圖3展示了倍頻光功率P2ω與基頻激光器注入電流I之間的關(guān)系。P2ω隨著I的增大而單調(diào)增加,二次函數(shù)擬合的校正決定系數(shù)R2=0.999 8,表明二者之間的關(guān)系可很好地由二次函數(shù)描述。又由于Pω與I為線性關(guān)系,因而P2ω與Pω也為二次函數(shù)關(guān)系,這與公式(2)給出的理論關(guān)系一致。

圖3 倍頻光功率與基頻激光器注入電流間的關(guān)系

根據(jù)圖3展示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算出倍頻效率η與基頻光功率Pω間的關(guān)系,如圖4所示?？梢院苊黠@看出倍頻效率隨著基頻光功率的增加而增大。采用線性擬合得到的校正決定系數(shù)R2=0.993,表明二者之間具有很好的一次函數(shù)關(guān)系,這與理論關(guān)系十分吻合。

圖4 倍頻轉(zhuǎn)化效率與基頻光功率間的關(guān)系

需要注意的是：低功率連續(xù)激光的倍頻轉(zhuǎn)換效率很低,只有10-7量級(jí)。但即使在這種情況下,仍然獲得了與理論值相符合的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,這充分說(shuō)明了本文所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置的可行性和有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

以低功率連續(xù)可見LD光源進(jìn)行激光倍頻實(shí)驗(yàn),證明倍頻光功率與基頻光功率為二次函數(shù)關(guān)系,倍頻效率與基頻光功率為一次函數(shù)關(guān)系,這與理論分析結(jié)果高度一致。與使用高功率近紅外固體激光器的倍頻實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比,采用低功率可見光LD光源的倍頻實(shí)驗(yàn),極大地降低了光路校準(zhǔn)難度和安全防護(hù)要求。通過(guò)本實(shí)驗(yàn),不僅可以幫助學(xué)生深刻理解非線性光學(xué)效應(yīng)中的相位匹配、倍頻效率等理論知識(shí),還可以讓學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)LD光源的控制和操作技能,有效提高了教學(xué)效果。