用低功率可見二極管激光器進行倍頻實驗

婁秀濤, 徐連杰, 趙海發

(哈爾濱工業大學 應用物理專業國家級實驗教學示范中心, 黑龍江 哈爾濱 150001)

非線性光學是現代光學的一個重要分支,利用非線性效應獲取短波激光已成為激光技術研究的一個熱點方向[1-3]。在大學物理實驗和近代物理實驗等課程中開設的激光倍頻實驗[4-5],多采用波長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驗中存在光路調節難度大和安全防護要求高的問題。

本文提出一種采用低功率、連續可見二極管激光(LD)為光源的倍頻實驗方案。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級倍頻紫外激光，并由光電倍增管(PMT)探測?；l光為低功率可見光,大大降低了倍頻實驗的光路校準難度和安全防護要求。同時,nW級光探測實驗可進一步豐富學生關于微弱光信號檢測方面的知識。

1 實驗原理

當激光在透明非線性晶體中傳播時,光頻電場將引起晶體介質的線性和非線性極化,其中非線性極化波將激發出不同于入射光波長的光波。激光倍頻正是利用了晶體的二階非線性效應。角頻率為ω的入射光電場E=E0sinωt所產生的二階極化場強度P2可表示為

(1)

式中：E0為入射光電場振幅,ε0為真空介電常數,χ2為非線性晶體的二階非線性系數。式(1)中角頻率為2ω的項對應的就是倍頻光波,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。

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

2 實驗裝置

采用低功率可見LD光源的倍頻實驗裝置如圖1所示。LD光源為法布里珀羅(FP)型,其標稱中心波長為506 nm。FP型LD的優點是工藝簡單、成本低。LD輸出功率通過電流驅動器Thorlabs LDC200控制,電流控制精度為1 μA。為了獲得穩定的功率輸出,LD的工作溫度由溫度控制器Thorlabs TED200穩定在25 ℃,溫度控制精度為0.01 ℃。LD激光器的輸出功率用功率計Thorlabs PM100USB測量,通過改變LD的驅動電流可獲得基頻光功率與驅動電流間的關系。

圖1 基于低功率可見二極管激光的倍頻實驗裝置

準直后的LD出射激光經過35 mm焦距的透鏡聚焦后注入BBO晶體。BBO晶體是負單軸晶體,是紫外波段非線性系數最高的晶體之一[11-12]。實驗所使用的BBO晶體的長度為7 mm,切割角度為51°,以實現I類相位匹配(o+o→e)。BBO晶體固定在二維調整支架上,通過調整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光?；l光和倍頻光經35 mm焦距的石英透鏡準直后射入日盲型PMT(Hamamatsu H11461)。日盲型PMT對紫外光具有很高的探測靈敏度,但對可見光不敏感。另外,PMT前放置中心波長253 nm、透過半高寬10 nm、可見光光學深度大于5的干涉濾光片,以進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驗室環境的背景光,使得實驗可以在正常的亮環境進行。PMT將倍頻光信號轉化成電信號后經由數據采集卡采集到計算機中進行信號分析、處理與記錄。

3 實驗結果

通過溫度控制器將LD的工作溫度穩定在25 ℃,通過電流驅動器改變LD的注入電流。每隔5 mA用光功率計測量激光器的輸出功率,每個驅動電流下連續測量5次激光功率,取平均值。

實驗結果如圖2所示。LD的閾值電流大約為34 mA,當注入電流達到閾值電流后,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R2=0.9997,表明Pω與I之間具有很高的線性相關度。

圖2 基頻光輸出功率與注入電流間的關系

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

圖3 倍頻光功率與基頻激光器注入電流間的關系

根據圖3展示的實驗結果,計算出倍頻效率η與基頻光功率Pω間的關系,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R2=0.993,表明二者之間具有很好的一次函數關系,這與理論關系十分吻合。

圖4 倍頻轉化效率與基頻光功率間的關系

需要注意的是：低功率連續激光的倍頻轉換效率很低,只有10-7量級。但即使在這種情況下,仍然獲得了與理論值相符合的實驗結果,這充分說明了本文所設計的實驗裝置的可行性和有效性。

4 結語

以低功率連續可見LD光源進行激光倍頻實驗,證明倍頻光功率與基頻光功率為二次函數關系,倍頻效率與基頻光功率為一次函數關系,這與理論分析結果高度一致。與使用高功率近紅外固體激光器的倍頻實驗教學相比,采用低功率可見光LD光源的倍頻實驗,極大地降低了光路校準難度和安全防護要求。通過本實驗,不僅可以幫助學生深刻理解非線性光學效應中的相位匹配、倍頻效率等理論知識,還可以讓學生進一步學習LD光源的控制和操作技能,有效提高了教學效果。