一种测量非线性晶体热透镜焦距的装置和方法

摘要

本发明提供了一种测量非线性晶体热透镜焦距的装置和方法，装置包括非线性晶体、光学谐振腔、单频激光器、功率调节器、分束器、光电探测器、示波器、信号发生器、高压放大器。所述非线性晶体放置在光学谐振腔的最小腰斑处；单频激光器的输出光经功率调节器后注入到光学谐振腔中；分束器将光学谐振腔输出的倍频光和基频光分离；基频光注入到光电探测器，用示波器记录得到光学谐振腔的透射谱；由信号发生器产生低频信号，经高压放大器放大后加载于粘连在腔镜的压电陶瓷上。本发明根据记录的透射谱测量得到光学谐振腔谐振频率的偏移量，根据公式计算得到非线性晶体的热透镜焦距。该装置和方法简单、操作方便、测量结果准确，具有较高的实用价值。

权利要求

1.一种测量非线性晶体热透镜焦距的装置，包括非线性晶体(1)、光学谐振腔(2)、单频激光器(3)、功率调节器(4)、分束器(5)、光电探测器(6)、示波器(7)、信号发生器(8)、高压放大器(9)；其特征在于，所述非线性晶体(1)由铟箔包覆通过真空铟焊置于紫铜控温炉中，并置于谐振腔的最小腰斑处，以保证最大的转化效率，控温炉采用热电制冷器(TEC)进行温度控制，控温精度为0.1℃，以实现最佳相位匹配；单频激光器(3)的输出光经过功率调节器(4)后注入到光学谐振腔(2)中；分束器(5)将光学谐振腔(2)输出的倍频光(10)和基频光(11)分离；基频光(11)注入到光电探测器(6)转化为电信号，光电探测器(6)输出的电信号输入到示波器(7)，以记录不同注入功率下光学谐振腔(2)的透射谱；信号发生器(8)产生的低频扫描信号，经高压放大器(9)放大后加载于粘连在腔镜的压电陶瓷上。

2.根据权利要求1所述的一种测量非线性晶体热透镜焦距的装置，其特征在于，所述的非线性晶体(1)为双折射相位匹配的LBO、BIBO或BBO；或者为准相位匹配的PPKTP、PPLN或PPSLT。

3.根据权利要求1所述的一种测量非线性晶体热透镜焦距的装置，其特征在于，所述的光学谐振腔(2)为驻波腔或行波腔。

4.根据权利要求1所述的一种测量非线性晶体热透镜焦距的装置，其特征在于，所述的单频激光器(3)为连续单频可调谐钛宝石激光器、连续单频1064nm激光器或连续单频

1342nm激光器。

5.一种测量非线性晶体热透镜焦距的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的测量非线性晶体热透镜焦距的装置，包括以下步骤：(a)由信号发生器(8)产生低频扫描信号，经高压放大器(9)放大后加载于粘连在腔镜(14)的压电陶瓷上，扫描光学谐振腔(2)的腔长，用示波器(7)记录光学谐振腔(2)的透射谱；

(b)根据获得的光学谐振腔(2)的透射谱，测量出其相对冷腔的频率偏移量Δv＝v-v0，其中，v0为没有热效应时光学谐振腔(2)的谐振频率，v为热效应存在时光学谐振腔(2)的谐振频率；

(c)根据公式

得到光学谐振腔(2)总的失谐量Ψ，其中，c为真空中光的传播速度，L为光学谐振腔(2)的几何长度，n为非线性晶体(1)的折射率，LC为非线性晶体(1)的长度，F为没有效应存在时光学谐振腔(2)的精细度；

(d)根据非线性晶体(1)对倍频光的吸收系数αs，并利用失谐量与吸收功率之间的关系式得出非线性晶体(1)吸收倍频光引起的谐振腔的失谐量Θ，其中，Γeff为非线性晶体(1)的非线性转化系数，P为光学谐振腔(2)内的基频光功率，λω为基频光的波长，KC为非线性晶体(1)的热导率，dn/dT为非线性晶体(1)的热光系数；

(e)根据关系式Δ＝Ψ-Θ，得出由倍频光诱导基频光吸收引起的失谐量Δ；

(f)根据得到的失谐量Δ和Θ，利用热透镜焦距表达式

和倍频光诱导基频光吸收引起的腔失谐量的表达式

得到非线性晶体(1)的热透镜焦距f及倍频光诱导基频光吸收系数αu，其中，ω为基频光束在非线性晶体(1)中心的腰斑半径。

说明书

一种测量非线性晶体热透镜焦距的装置和方法

技术领域

[0001] 本发明涉及激光技术领域，具体属于一种用于测量非线性晶体热透镜焦距的装置和方法。

背景技术

[0002] 单频紫外激光作为一种重要的激光光源被广泛地应用于生物医疗、激光印刷、高精细光谱学、非经典光场的制备等领域。现有的增益介质的荧光光谱范围一般在600-1500nm的近红外到中红外波段，而倍频技术为获得更短波长激光提供了有效的途径。但是，随着研究的不断深入，人们发现在倍频产生高功率紫外光的过程中，非线性晶体的热效应非常严重，严重制约了倍频光功率的进一步提高。热透镜焦距是衡量热效应严重程度的一个重要指标，为了获得更高功率的单频紫外激光，需要研究非线性晶体的热特性并准确测定不同注入功率下晶体的热透镜焦距。

[0003] 传统的测量热透镜焦距的方法主要集中在对增益介质热透镜焦距的测量。最具代表性的有探针光法、平平腔法。探针光法是让一束平行光通过具有热透镜效应的增益介质，通过测量平行光束的聚焦位置来确定该增益介质的热透镜焦距。该方法的优点是直观，但需要额外引入一束光，且测量精度非常低，不能准确反映晶体热效应的严重程度。平平腔法是通过测输出激光的腰斑的位置和大小再反推晶体的热透镜焦距，计算过程较复杂、测量精度低。而在倍频过程中，引起晶体热效应的因素较为复杂，包括晶体单独对基频光的吸收，单独对倍频光的吸收以及倍频光诱导基频光的吸收，用以上方法均无法具体分析非线性晶体的热特性，且无法准确测量非线性晶体的热透镜焦距。

发明内容

[0004] 为了解决现有方法的局限性，本发明的目的在于提供一种操作简单、结果准确的测定非线性晶体热透镜焦距的装置和方法。

[0005] 本发明提供的一种测量非线性晶体热透镜焦距的装置，包括非线性晶体、光学谐振腔、单频激光器、功率调节器、分束器、光电探测器、示波器、信号发生器、高压放大器。其特征在于，所述非线性晶体放置在光学谐振腔的最小腰斑处；单频激光器的输出光经过功率调节器后注入到光学谐振腔中；由信号发生器产生低频扫描信号，经高压放大器放大后加载于粘连在腔镜的压电陶瓷上；分束器将光学谐振腔输出的倍频光和基频光分离；基频光注入到光电探测器转化为电信号，光电探测器的输出信号输入到示波器记录不同注入功率下光学谐振腔的透射谱。

[0006] 所述的非线性晶体为双折射相位匹配的LBO、BIBO、BBO或准相位匹配的PPKTP、PPLN、PPSLT等。

[0007] 所述的光学谐振腔为驻波腔或行波腔。

[0008] 所述的单频激光器为连续单频可调谐钛宝石激光器、连续单频1064nm激光器或连续单频1342nm激光器。

[0009] 所述的功率调节器由λ/2波片和偏振分光棱镜组成。

[0010] 所述的示波器为可存储记录数据的数字示波器。

[0011] 本发明提供的一种测量非线性晶体热透镜焦距的方法，其原理为：在外腔倍频过程中，为了获得稳定的倍频光输出，需要将光学谐振腔锁定在注入的基频光的频率上，当扫描光学谐振腔的腔长来寻找谐振点时，非线性晶体严重的热效应导致了光学谐振腔谐振频率的偏移，表现为谐振腔透射谱的展宽。而谐振腔谐振频率的偏移量与非线性晶体的热透镜焦距有一定的关系，通过测量谐振频率偏移量的大小可以得到非线性晶体的热透镜焦距。

[0012] 在倍频过程中，引起非线性晶体热效应的因素包括晶体单独对基频光的吸收，单独对倍频光的吸收以及倍频光诱导基频光的吸收。由于非线性晶体单独对基频光的吸收很弱，所以只考虑另外两种因素引起的热效应，其热透镜焦距可表示为：

[0013]

[0014] 其中，ω为基频光束在非线性晶体中心的腰斑半径，F为光学谐振腔的精细度，λω为基频光的波长，Δ和Θ分别为非线性晶体倍频光诱导基频光引起的光学谐振腔的失谐量及吸收倍频光引起的光学谐振腔的失谐量，表示为：

[0015]

[0016] 和

[0017]

[0018] 其中，αu、αs分别为倍频光诱导基频光吸收系数及单独对倍频光的吸收系数，LC为非线性晶体的长度，Γeff为晶体的非线性系转化数，P为光学谐振腔内基频光功率，KC为非线性晶体的热导率，dn/dT为非线性晶体的热光系数。对于特定的非线性晶体来说，其对倍频光的吸收系数αs以及非线性转化系数Γeff是确定的，可根据具体的腔内基频光功率值求得Θ。另外，由这两部分热效应引起的光学谐振腔的总失谐量Ψ＝Δ+Θ表示为：

[0019]

[0020] 其中，Δν＝ν-ν0为光学谐振腔谐振频率的偏移量，ν0为没有热效应时光学谐振腔的谐振频率，ν为热效应存在时光学谐振腔的谐振频率，c为真空中光的传播速度，L为谐振腔的几何长度，n为非线性晶体的折射率。由式1-4可知，在光学谐振腔内基频光功率一定的情况下，通过测量光学谐振腔谐振频率的偏移量Δν即可计算得到非线性晶体的热透镜焦距f，同时，还可计算求得非线性晶体倍频光诱导基频光的吸收系数αu，为具体研究非线性晶体的热特性提供了有效途径。

[0021] 本发明提供的一种测量非线性晶体热透镜焦距的方法，包括以下步骤：

[0022] (a)由信号发生器产生低频扫描信号，经高压放大器放大后加载于粘连在腔镜的压电陶瓷上，扫描光学谐振腔的腔长，用示波器记录光学谐振腔的透射谱；

[0023] (b)根据获得的光学谐振腔的透射谱，测量出其频率偏移量Δν＝ν-ν0；

[0024] (c)根据式4得到光学谐振腔总的失谐量Ψ；

[0025] (d)根据非线性晶体对倍频光的吸收系数αs和非线性转化系数Γeff，由式3可得出在一定的腔内基频光功率下，非线性晶体吸收倍频光引起的失谐量Θ；

[0026] (e)根据关系式Δ＝Ψ-Θ，得出由吸收基频光引起的失谐量Δ；

[0027] (f)根据得到的失谐量Δ和Θ，由式4和2可同时得到非线性晶体的热透镜焦距f和其倍频光诱导基频光的吸收系数αu。

[0028] 与现有技术相比本发明具有以下优点：

[0029] 1.本发明在对非线性晶体的热透镜焦距进行测量时,不必分析晶体本身发生的复杂的热过程，也无需引入其他光学系统，只需在谐振腔后监测光学谐振腔的透射谱的变化，即可得到非线性晶体的热透镜焦距，该测量方法过程简单，结果精确。

[0030] 2.本发明适用于任意非线性晶体的热透镜焦距的测量。

[0031] 3.本发明适用于不同腔型结构中非线性晶体热透镜焦距的测量。

[0032] 4.本发明在测量非线性晶体热透镜焦距的基础上，还可以分析非线性晶体的热特性，如倍频光诱导基频光吸收系数，进而明确引起热效应各部分因素对非线性晶体热效应的贡献量。

[0033] 总之，本发明能够准确测量非线性晶体的热透镜焦距，装置简单，操作简便，同时还可具体研究非线性晶体的热特性。

附图说明

[0034] 图1为本发明实施方案一：“8”字环形谐振腔实现倍频光输出过程中非线性晶体热透镜焦距测量装置的结构示意图。图中：1-非线性晶体，2-光学谐振腔，3-单频激光器，4-功率调节器，5-分束器，6-光电探测器，7-示波器，8-信号发生器，9-高压放大器，10-倍频光，11-基频光，12-第一平面镜，13-第二平面镜，14-第一平凹镜，15-第二平凹镜。

[0035] 图2为本发明实施方案二：驻波腔实现倍频光输出过程中非线性晶体热透镜焦距测量装置的结构示意图。图中：1-非线性晶体，2-光学谐振腔，3-单频激光器，4-功率调节器，5-分束器，6-光电探测器，7-示波器，8-信号发生器，9-高压放大器，10-倍频光，11-基频光，16-凹凸镜，17-平凹镜。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图对本发明进行进一步说明，但是本发明不限于这些实施案例。

[0037] 实施方式一：图1所示为本发明对“8”字环形腔中非线性晶体热透镜焦距进行测量的装置，包括非线性晶体1、光学谐振腔2、单频激光器3、功率调节器4、分束器5、光电探测器6、示波器7、信号发生器8、高压放大器9。被测非线性晶体由铟箔包覆通过真空铟焊置于紫铜控温炉中，并置于谐振腔的最小腰斑处，以保证最大的转化效率，控温炉采用热电制冷器(TEC)进行温度控制，控温精度为0.1℃，以实现最佳相位匹配；光学谐振腔2为“8”字环形结构，由第一平面镜12、第二平面镜13、第一平凹镜14、第二平凹镜15组成，第一平面镜12镀有对基频光部分透射、对倍频光高反膜，第二平面镜13镀有对基频光和倍频光均高反膜，第一平凹镜14镀有对基频光与倍频光均高反膜，第二平凹镜15镀有对基频光高反，对倍频光高透膜；单频激光器3产生特定波长的基频光，经功率调节器4注入到光学谐振腔2，分束器5将光学谐振腔2输出的基频光11和倍频光10分离，其中基频光11注入到光电探测器6；光电探测器6的输出信号输入到示波器7记录光学谐振腔2的透射谱；信号发生器8输出的低频扫描信号，经高压放大器9放大后加载于粘连在第一平凹镜14的压电陶瓷上，扫描光学谐振腔2的腔长。

[0038] 实施方式二：图2所示为本发明对驻波腔中非线性晶体热透镜焦距进行测量的装置，包括非线性晶体1、光学谐振腔2、单频激光器3、功率调节器4、分束器5、光电探测器6、示波器7、信号发生器8、高压放大器9。被测非线性晶体由铟薄包覆通过真空铟焊置于紫铜控温炉中，并置于谐振腔的最小腰斑处，以保证最大的转化效率，控温炉采用热电制冷器(TEC)进行温度控制，控温精度为0.1℃，以实现最佳相位匹配；光学谐振腔2为驻波腔结构，由凹凸镜16和平凹镜17组成，凹凸镜16镀有对基频光有一定透射率且对倍频光高反模，平凹镜17镀有对基频光高反，对倍频光高透模；单频激光器3产生特定波长的基频光，经功率调节器4注入到光学谐振腔2，分束器5将光学谐振腔2输出的基频光11和倍频光10分离，其中基频光11注入到光电探测器6转化为电信号；光电探测器6的输出信号输入到示波器7记录光学谐振腔2的透射谱；信号发生器8输出的低频扫描信号，经高压放大器9放大后加载于粘连在平凹镜17的压电陶瓷上，扫描光学谐振腔2的腔长。

[0039] 被测非线性晶体1为MgO:PPSLT晶体，尺寸为0.8×2×10mm3，两端面均镀有795nm及397.5nm高反膜，极化周期为9.23μm；光学谐振腔2为“8”字环形结构，第一平面镜12为对795nm光透射率为11％，对397.5nm光高反的输入耦合镜，第二平面镜13为对795nm光和
397.5nm光均高反的平面镜，第一平凹镜14为对795nm光及397.5nm光均高反的平凹镜，曲率半径为100mm，第二平凹镜15对795nm光高反，397.5nm光高透的平凹镜，曲率半径为100mm；
单频激光器3为输出波长为795nm的钛宝石激光器；功率控制器4由半波片和偏振分光棱镜组成；光电探测器6用于探测795nm光透射峰，型号为S3399，示波器7用于监视探测器探测到的信号，以记录不同注入泵浦功率下的透射谱。当注入光学谐振腔2中的激光功率为1.957W时，记录光学谐振腔的透射谱。测量得到光学谐振腔谐振频率的偏移量为

[0040] 105MHz，利用公式

[0041]

[0042] 计算得光学谐振腔总的失谐量Ψ为19.1，其中光速c为3×108m/s，光学谐振腔腔长L为534mm，非线性晶体的长度LC为10mm，非线性晶体的折射率n为2.178，无热效应时光学谐振腔的精细度F为50。根据晶体对倍频光的吸收系数4.6％cm-1，结合公式计算得吸收倍频光引起的失谐量Θ为0.6，利用公式Δ＝Ψ-Θ可得由倍频光诱导基频光吸收引起的失谐量Δ为18.5，其中，Pf为18.7mW，热导率KC为8.4W/m·K，热光系数dn/dT为2.6×10-5K-1，基频光波长λω为795nm。再利用公式 计算
得非线性晶体的热透镜焦距为2.8mm，其中腰斑半径ω为42.18μm，同时，可以利用求得的Δ结合公式 得出397.5nm光诱导795nm光吸收系数为5.36％/
cm。用同样的方法即可测量得不同注入功率下非线性晶体的热透镜焦距以及非线性晶体的
397.5nm光诱导795nm光的吸收系数。