常溫條件下KTP晶體應用于1319nm激光三倍頻相位匹配角的測量

引言

全固態藍光激光器在生物工程、大屏幕顯示、激光醫療和海底通信等許多領域都具有重要的應用。目前，為了獲得功率高、穩定性好的固體激光輸出，通常采用非線性光學手段，如用三硼酸鋰(LBO)或偏硼酸鋇(BBO)晶體對946nm(Nd∶YAG)激光倍頻(SHG)獲得473nm藍光輸出；利用Nd∶YVO4晶體的914nm及Nd∶GdVO4晶體的912nm激光譜線的倍頻獲得457nm、456nm藍光輸出。還可以對1.3μm紅外基頻光與其倍頻光進行和頻而獲得三倍頻(THG)藍色激光的輸出。這個方案對獲得大功率的藍光激光是有利的。如中國科學院物理研究所利用LBO晶體對1319nm激光譜線進行內腔三倍頻獲得了高功率440nm藍色激光的輸出;X.D.Mu等[6,7]的1319nm三倍頻實驗中倍頻晶體采PP-KTP,和頻KTP晶體切割角度為θ=90°,φ=0°,高溫控制；暨南大學對Nd∶YAP晶體的1341.4nm進行了三倍頻實驗，三倍頻晶體也選用了KTP晶體。

KTP晶體作為優良的非線性光學晶體在440nm處有較好透射率（晶體長度為1cm時透射率約為88%),雖有少量的吸收，但是KTP晶體有較大的有效非線性系數。與9nm倍頻的情況相反，在1319nm激光三倍頻處存在相位匹配角，并有較小的走離角，不潮解，價格低廉的優點。

非線性晶體的色散方程在人們已重點關注的波長有很好的精度，但當應用于新的波長、新非線性變換時（如本文研究的1319nm三倍頻、臨界相位匹配），由于色散方程本身的誤差，將導致計算所得的相位匹配角數值存在較大的誤差,難以直接采用。所以對相位匹配角的實驗探索是正式激光實驗的重要前期工作。本文在計算的基礎上利用激光器實驗，根據晶體在腔內旋轉時激光輸出的強弱變化現象，利用激光器實驗獲得了該相位匹配角的實驗值。

1319nm三倍頻相位匹配角的計算

晶體中共線條件下三波互作用要滿足的相位匹配可表示為

由于KTP晶體Ⅰ類匹配有效非線性系數遠小于Ⅱ類匹配，所以實驗中三倍頻處選擇Ⅱ類匹配方式為

根據不同文獻中的KTP色散方程計算得到的1319nm三倍頻(Ⅱ類相位匹配）的相位匹配曲線如圖1所示。計算依據的色散方程分別是K.Kato等，于1992年和2002年得出的色散方程，B.Boulanger等在1994年得出的結果和SNLO軟件中色散數據。圖2為與圖1中4條曲線相對應的有效非線性系數deff和θ的關系圖。最佳相位匹配角(θ,φ)的值通常在deff取最大值時取得。所以，獲得4組相位匹配角度計算值：1)θ=87.74°,φ=0°(K.Kato,1992);2)θ=87.40°,φ=0°(B.Boulanger,1994);3)θ=85.63°,φ=0°(K.Kato,2002);4)θ=84.40°,φ=0°(SNLO)。

4組結果中θ角度范圍為：84.40°~87.74°。晶體在切割時一般具有0.1°的精度（角度的測量精度要高于晶體加工精度），所以上述角度范圍太大。為了找出更準確的相位匹配角度數值，先挑選一個計算結果對KTP晶體進行切割及做激光實驗。實驗中選取的角度是(θ=84.6°,φ=0°),晶體切割后再進行測量，實際θ值略大于84.7°。

對三倍頻相位匹配角的實驗測量

實驗裝置

在實驗中，采用直短腔激光二極管(LD)端面抽運內腔三倍頻的實驗方案，如圖3所示 

LD大輸出功率為7.3 W,Nd∶YAG晶體尺寸φ3 mm×7 mm,Nd3+參雜原子數分數為1%,左端面鍍膜情況：808nm@HT,660@HR,1319nm@HR,右端面：1319nm@HT。聲光Q開關（為了增加峰值功率，提高腔內增益）調至重復頻率7.1 kHz。實驗中倍頻KTP晶體(θ=59.8°,φ=0°)和三倍頻處KTP晶體尺寸均為3 mm×3 mm×10 mm,端面未鍍膜。輸出耦合鏡鍍膜情況為：440 nm@HT,660@AT,1319 nm@AT。三倍頻KTP晶體水冷溫度設定為20℃。He-Ne激光有兩個作用：1)用于對激光器各器件進行準直，2)三倍頻KTP晶體旋轉后，用于測量該晶體的轉動角度。

測量實驗

首先正確放置KTP晶體，以滿足(2)式的要求。圖4給出了腔內各波長激光偏振情況，對于倍頻晶體，1319nmo光和e光產生660nm的o光，而660nm相對三倍頻KTP晶體要作為e光入射，并與相對三倍頻晶體來說為o光的1319nm相互作用而產生440nm的o光。另外，在倍頻過程中由于1319 nm的e光走離較為嚴重，在具體實驗中將倍頻晶體放在靠近輸出鏡一端，而三倍頻晶體放在腔內部，如圖3所示，以減少走離帶來的影響。

實驗中LD抽運功率為4 W,輸出440nm藍光，并有660nm紅光漏出。用光譜儀測量1319nm帶寬約0.5 m,660nm帶寬約0.2nm,調Q的脈沖寬度約40ns。在激光器右端，用三棱鏡將輸出光分光，照射在光屏上（分成紅藍兩個光斑）。然后分別向不同的方向精細旋轉三倍頻KTP晶體（改變θ和φ的大小），觀察光屏上藍光光斑的強度變化。在KTP晶體右端面豎直向上偏轉時(θ發生變化），光斑亮度經歷了由亮到暗，然后再到明亮，最后逐漸變暗消失的過程。而改變φ的過程中沒有發生此現象。光斑亮暗變化過程的原因可解釋為，在開始的光路中，腔內各器件是準直好的，于是輸出光斑亮度高；三倍頻晶體偏轉后，光斑亮度明顯減弱，這是由于晶體端面未鍍增透膜，發生了反射（輸出損耗，導致腔內基頻和倍頻光的功率下降），而且偏角越大，損耗越嚴重，光斑繼續變暗；但晶體旋轉到一定角度時輸出光斑又變亮，這是由于此時激光在晶體中的傳播方向達到了相位匹配的條件，雖然基頻和倍頻光的功率仍處于下降趨勢中，但由于三倍頻效率的提高，三倍頻藍光的輸出強度升高了；繼續旋轉晶體，藍光亮度又變弱。由此可以判斷目前晶體的匹配角不是最佳的，而最佳相位匹配角度應該在晶體旋轉后光斑最亮時，激光在晶體中的傳播方向。

在晶體旋轉后藍光最強時，保持晶體的偏轉角度不變，關閉激光器，撤去輸出鏡、三棱鏡和倍頻KTP晶體，測量三倍頻晶體的偏轉角度。利用三倍頻晶體到光屏的距離l值（圖3)、He-Ne激光束在光屏上的入射小孔位置及He-Ne激光在三倍頻晶體反射后在光屏上的光斑間的距離Δx，根據公式2θ′=arct an(Δx／l）可計算出He-Ne激光的入射光線與反射光線的夾角2θ′,從而得到三倍頻晶體的偏轉角度θ′。激光器運轉時，腔內晶體外面（自由空間）振蕩光的運行方向是和準直光方向平行的，如圖5所示。振蕩光在晶體表面發生折射，在晶體內部，振蕩激光和晶體端面法線的夾角記為Δθ,即為KTP晶體相位匹配角需要修正的值。根據折射公式計算時，晶體內振蕩光的折射率可根據目前晶體的方位(θ,φ)使用色散方程進行計算，由于基頻光和倍頻光的折射率略有差異，本實驗近似都取折射率為1.8。當KTP晶體的溫度控制為20℃,經過多次測量，Δx≈0 . 9 cm , l≈53 . 5 cm 時，計算得到 Δθ= 0 . 27 °。

為確定Δθ的變化方向，改變晶體工作溫度，通過SNLO軟件計算可知，KTP晶體的相位匹配角度（xoz面）隨著溫度升高，θ值增加。調節三倍頻KTP晶體的水冷溫度，繪制出從7℃到40℃之間Δθ大小隨溫度的變化曲線，如圖6所示。從中可以判斷出20℃時，此KTP晶體最佳相位匹配角θ應該在原角度的基礎上增加0.27°。

晶體照實驗結果(Δθ= 0 . 27 °) 對 角 度 進 行 修整后測量為 θ= 85 . 04 °, φ= 0 °。將 晶 體 放 入 激 光 腔中重新進行實驗，并通過調節溫度的方法來觀察輸出 440 nm 藍 光 功 率 的 變 化 情 況，尋 找 最 佳 相 位 匹配溫度，如圖 7 所示，在 18  ℃時功率達到最大值 。

結論

根據激光器運轉時，輸出激光強度隨著腔中器件的偏轉變化較為明顯的原理，在理論計算的基礎上，采用旋轉晶體和調節溫度的方法對三倍頻KTP晶體切割角的大小進行了實驗測量，最終確定1319nm激光三倍頻KTP晶體相位匹配角的大小為θ=85.04°,φ=0°,對應的最佳工作溫度為18℃。

文章來源：中國激光, 2011, 38 (8): 0802007（如有侵權，請聯系刪除）