摘 要:利用KTP晶体和BBO晶体,进行了激光二极管泵浦的Nd:YVO4声光调Q激光脉冲四倍频实验。在不同绿光功率入射时,获得光束的束腰半径和紫外转换效率的依赖关系:当绿光功率为1.10 W,束腰半径为12.4μm时,得到了210 mW的准连续266 nm紫外脉冲输出,四倍频转换效率为19.1%。实验还对紫外远场光斑分别在o光振动面和e光振动面内进行分析,指出了BBO晶体在该两平面内不同的倍频接受角是造成椭圆形紫外光斑和主光斑附近明暗条纹的主要原因。
激光二极管(LD)泵浦的全固态紫外激光器具有结构紧凑、效率高和寿命长等优点。1999年陈国夫等首次采用BBO晶体获得266 nm紫外激光输出[1-2]。何京良等在2000年获得平均功率为63 mW的紫外激光,转换效率达11%[3];2005年又获得平均功率为196 mW的紫外激光,转换效率为30.1%[3-4]。同年,谭成桥等人对被动调Q激光器四倍频,得到平均功率为215 mW的紫外激光,转换效率为25.2%[5]。为了提高转换效率,在考虑晶体的损伤阈值为0.3 GW/cm2,脉冲重复频率为10 Hz情况下,一般采用对二倍频(SHG)绿光透镜会聚。但BBO晶体e光振动面和o光振动面内倍频接受角不相同,因此在考虑晶体内的功率密度和光束发散引起的相位失配共同作用的情况下,需要优化入射绿光的束腰半径。本文研究了不同功率绿光光束的束腰半径大小和四倍频(FHG)转换效率的依赖关系。测得高效率四倍频优化束腰半径,解释了产生紫外光远场椭圆形光斑以及光斑附近明暗条纹的原因。
1 实验装置
紫外四倍频实验装置如图1所示,左边虚线方框内是SHG绿光产生装置图,KTP按Ⅱ类匹配切割:入射角θ=90°,φ=23.5°,规格为3 mm×3 mm×9 mm,两端面镀增透膜。基频光为声光调Q的1 064 nm激光;通过KTP二倍频得到532 nm脉冲序列,重复频率在50~200 kHz可调。为了得到高脉冲峰值功率和好的光束质量,将重复频率设定在15 kHz。此时脉宽为32 ns,输出功率为1.15 W。图1右边为紫外实验装置。BBO按照25℃常温的Ⅰ类匹配切割:θ=47.6°,φ=0,规格为4 mm×4 mm×8 mm,两端面镀增透膜。L2为绿光会聚透镜,控制绿光束腰半径。为了保证266 nm远场光斑真实,分光棱镜采用双棱镜补偿的方式,最后对紫外输出功率进行测量。为兼顾BBO的倍频接受角和绿光功率密度,选择合适焦距的L2。倍频晶体采用温控铜热沉。
2 实验结果及讨论
2.1 二次谐波的产生
为了获得高SHG转换效率,将KTP放置于会聚透镜L1后的光束束腰位置处。图2所示为绿光输出功率和转换效率随基频光功率的变化。图2(a)中,随着基频光功率的增加,绿光功率呈增加趋势:当基频光从0·64 W增加到2.99 W时,绿光从0.06 W增加到1.37 W;图2(b)中,当基频光功率小于2.44 W时,转换效率随基频光功率的增加而增加;当基频光功率大于2.44 W时,转换效率随基频光功率增加而缓慢下降。
用CCD测量远场光斑图样,发现当基频光小于2.45 W时,绿光远场光斑为均匀的圆形;当基频光在2.45~3.00 W之间时,绿光远场光斑图样有所变形,不再是理想的圆形。图3(a)和图3(b)分别是绿光功率为2·44 W和3.00 W时的远场光斑图样。产生上述现象的原因主要是声光调Q激光器在输出较高功率时,基频光不再具有良好的模式,因而导致SHG转换效率降低。在紫外倍频实验中,为排除绿光光束质量变化对FHG转换效率的影响,将基频光保持在1.50 ~2.44 W之间,即绿光在0.48~1.15 W之间。此时绿光光束质量变化可忽略不计,测量得到绿光的光束质量因子M2为1.4。
2.2 FHG转换效率
绿光光束经过透镜变换之后的远场发散角θ和束腰半径w0满足关系[6]
式中:θ,λ分别表示晶体外光束的远场发散角和在真空中的波长,在晶体内须以θ/n1,λ/n1计算,n1为绿光在BBO晶体内的折射率。实验中通过测量晶体外绿光远场发散角便可得到BBO晶体中的绿光束腰宽度。
图4显示了不同功率时,不同束腰的绿光高斯光束对应的FHG转换效率。横坐标为束腰半径,纵坐标为转换效率。通过改变L2的焦距和位置,将绿光束腰半径控制在9~18μm之间。如图4(a)所示,当入射绿光为0.5 W时,减小束腰半径,FHG转换效率随着束腰半径的减小而增加;当束腰半径降到9μm时,实验测得转换效率为10.1%。在图4(b)~(d)中,FHG转换效率先随着束腰半径的减小而增加,当减小束腰半径小于某一最优值时,倍频效率随束腰的减小迅速下降。这种现象的原因主要是:由于基频光为高斯光,不可能达到完全相位匹配。当光束束腰半径减小时,虽然晶体内绿光的功率密度增加,但是晶体中光束的发散角也增大,而发散角的增大会导致相位失配加剧。这两方面因素中前者使倍频效率增加,后者使倍频效率降低;当相互之间达到有机平衡时倍频效率达到最高点,即最优化的束腰半径,偏离该最优化的束腰半径就会导致倍频效率的降低。
表1给出了不同绿光入射功率和各自优化绿光束腰半径时的最高的紫外转换效率。当绿光功率为1.1W,束腰半径为12.4μm时,最多获得了19.2%的转换效率和211 mW的紫外光脉冲输出。观察表1的规律,当绿光输入功率较小(0.7 W)时,获得最高的转换效率时需要的光束半径较小;反之当绿光功率较大(1.1 W)时,获得最高转换效率需要的束腰半径较大。其原因是:当绿光功率较小时,绿光功率密度过低对FHG转换效率的影响较大,因此需要强会聚(小束腰半径)才能获得最优的紫外转换效率;反之,当绿光功率较大时功率密度也较大,倍频接受角对FHG转换效率影响较大,因此弱会聚才能获得最优的紫外转换效率。
2.3 四倍频266 nm激光的远场光斑分析
根据角度相位匹配倍频定义,计算得到BBO晶体在e光振动面(Oy方向)和o光振动面内(Ox方向)的倍频接受角分别为Δθy=0.346 mrad/cm和Δθx=50.33 mrad/cm[8],如图5所示。上述两振动平面内的倍频接受角相差很大,可以解释如下:晶体光轴在的平面yOz为e光振动面,所以入射光的角度偏差直接造成与相位匹配角θm的偏差;而入射光在o光振动面xOz内的角度偏差,需要通过球面三角学的转换才可以得到有效的相位失配。所以入射光在o光振动面的倍频接受角要远大于e光振动面的倍频接受角。
图6为当绿光入射功率为1.10 W,M2为1.4,束腰半径为12μm时,激光的远场光斑分析。图6(a)为实验紫外光远场光斑,距离晶体后表面为3 m,中心为O。图6(b)和图6(c)中十字叉连线是测得在o光振动面(Ox轴)和e光振动面(Oy轴)上的光强分布;实线表示计算得到的绿光在远场的光强分布,虚线表示光束发散而引起的相位失配因子sinc(ΔkL/2)。如图6(b)所示,在Ox轴上紫外光斑光强分布近似为顶端较为平坦的类高斯分布。这是因为:首先,晶体在Ox轴上的倍频接受角Δθx大于绿光的远场发散角,绿光光束在Ox轴上的发散引起的相位失配量较小,因而光斑在Ox方向的分布主要取决于绿光的高斯光强分布;其次,由于绿光光束中央位置功率密度较高而导致倍频饱和效应(饱和绿光光强为300 GW/m2)[8],还使得光束中心区域的倍频转换效率相比于周边相邻区域反而较低,进而造成紫外光斑为中心比较平坦的类高斯分布。图6(c)中,在Oy轴上紫外主光斑光强分布为波浪形,主光斑两侧出现明显的明暗条纹。其中主光斑宽度相对于BBO晶体出射面的张角(全角)为0.45 mrad,每个亮条纹之间的距离相对于BBO晶体出射面的张角为0·22 mrad。
根据理论计算紫外倍频8 mm长的BBO晶体在Oy轴上倍频接受角为0.42 mrad[8],而实验中绿光的远场发散角远大于Oy轴的接受角。因此光斑在Oy轴上的分布主要取决于相位失配因子:即光束中发散较小的部分因为相位匹配实现高效的紫外倍频,而光束其他发散较大的部分则因为相位失配而使倍频效率骤降;又由于在Ox轴上的紫外光强分布仅与基频光的高斯参数有关,因而在远场屏上紫外主光斑呈椭圆形状分布。另外在图6(c)中,还发现理论计算得到的相位失配因子曲线的波峰和波谷与紫外的光强分布亮条纹和暗条纹相互对应。可以认为椭圆形的远场光斑,在Oy方向上明暗条纹主要是由于发散角造成的周期性上下起伏的相位匹配因子造成的。观察图6(c)中各级亮纹以及各个相对的相位匹配因子波峰,还发现Oy轴上四倍频效应的限制,不仅包括相位失配还包括由于光束中央位置功率密度高导致倍频饱和效应。
3 结 论
对声光调Q的Nd:YVO4激光器进行紫外四倍频实验,得到在不同绿光功率入射时最优化绿光束腰半径并且分析了最优化绿光束腰半径的物理意义。实验结果最多得到了210 mW的准连续266 nm紫外脉冲输出,紫外转换效率为19.1%。BBO晶体o光振动面和e光振动面上的倍频接受角不同,不仅造成了紫外远场光斑明暗条纹分布;而且影响进一步提高紫外转换效率。为了克服BBO晶体e光振动面上极小倍频接受角带来的坏处,可以考虑对入射到BBO晶体中的光束采用柱透镜汇聚。
参考文献:
[1] 陈国夫,杜戈果,王贤华.LD泵浦Nd:YVO4/KTP/BBO紫外激光器[J].光子学报, 1999,28(8):684-687.(Chen Guofu, Du Geguo, WangXianhua. LD pumped Nd:YVO4/ KTP/BBO frequency quadrupled ultraviolet laser.Acta PhotoNIca Sinica, 1999,2(8):684-687)
[2] 陈国夫,王贤华,杜戈果.全固态紫外激光器的研究[J].光子学报, 1999,28(9):785-788.(Chen Guofu, Wang Xianhua, Du Geguo. All solidstate ultraviolet laser.Acta Photonica Sinica, 1999,28(9):785-788)
[3] 何京良,卢兴强,贾玉磊,等.BBO四倍频全固态Nd:YVO4紫外激光器[J].物理学报, 2000,49(10):2106-2108.(He Jingliang, LuXingqiang, Jia Yulei, et al. All solid-state Nd:YVO4UV laser at 266 nm by fourth harmonic using a BBO crystal.Acta Physica Sinica,2000,49(10):2106-2108)
[4] 范秀伟,王云,彭倩倩.二极管泵浦Nd:GdVO4晶体紫外激光器的研究[J].激光与红外, 2005,35(5):331-334.(Fan Xiuwei, Wang Yun,Peng Qianqian. Laser-diode pumped Nd: GdVO4ultraviolet laser.Laser and Infrared, 2005,35(5):331-334)
[5] 谭成桥,薛庆华,贾富强,等.LD泵浦Nd:YAG/Cr:YAG腔外频率变换高功率紫外激光器[J].光子学报, 2005,34(9):1289-1291.(TanChengqiao, Xue Qinghua, Jia Fuqiang, et al. LD-pumped Nd:YAG out-cavity fourth harmonic generation high power ultraviolet laser.ActaPhotonica Sinica, 2005,34(9):1289-1291)
[6] Hodgson N, Weber H. Laser resonators and beam propagation: fundamentals advanced concepts and applications[M]. New York: Spring-er, 2005:714.
[7] 王屹山,赵尚弘,于连君.高效全固化263 nm紫外激光脉冲的产生[J].光子学报, 2005,29(10):917-919.(Wang Yishan, Zhao Shanghong,Yu Lianjun. The generation of high efficiency all solid state 263 nm ultraviolet laser pulse.Acta Photonica Sinica, 2005,29(10):917-919)
[8] Kochner W. Solid-state laser engineering[M]. New York: Springer, 2002:638.
基金项目:浙江省自然科学基金项目(20062612E11)
作者简介:胡 淼(1982—),男,浙江永嘉人,博士研究生,主要从事固体激光器技术研究; miao-hu@hotmail.com。
