周期极化磷酸氧钛钾晶体的倍频特性实验分析

　　1 引 言

　　高功率、高转换效率的绿光激光器在光电对抗、海洋探测、材料加工、医疗设备和环境检测等科学和工业领域得到了极为广泛的应用。利用非线性晶体倍频技术获得高功率绿光光源成为目前广泛应用的方法之一。非线性晶体倍频效率受激光光源、倍频材料、倍频方式等多方面因素影响。国内外学者一方面通过改善倍频晶体的质量提高倍频效率，另一方面通过改善激光束质量提高倍频效率。非线性晶体在高功率基频光的作用下，由于晶体的吸收等因素将引起晶体通光方向上的局部温升，将对晶体的倍频效率产生影响。磷酸氧钛钾( KTP) 晶体为双轴非线性晶体，其双折射效应对于温度变化较敏感，晶体的热效应会引起晶体的相位失配，从而会影响倍频光的输出功率。

　　目前采用单次通过非线性倍频晶体产生绿光，由于其装置结构紧凑、实用性强，产生的绿光线宽窄、光束空间质量高引起了人们的广泛关注。光纤激光器可以产生十瓦量级的连续基准光束，于是选择合适的非线性晶体材料，对于提高单次通过倍频晶体的效率及产生高功率的倍频光束至关重要。材料特性包括非线性特性、相互作用长度、相位匹配、高的损伤阈值，准相位匹配非线性晶体。

　　周期极化铌酸锂( PPLN) 具有高的非线性效应，原理上可以通过倍频产生可见光范围的光信号。在室温下，由于光折射效应，倍频功率难以提高。在PPLN 晶体中掺杂 MgO，不仅可以减少晶体的光折射效应，还可以增加晶体的抗损伤阈值。然而由于掺 MgO 的 PPLN 对红光的吸收效应，仍然限制了绿光的倍频效率。周期极化磷酸氧钛钾( PPKTP) 晶体具有高的非线性效应，以及高的抗损伤阈值，在倍频领域得到了人们的广泛关注。

　　本文选用 PPKTP 晶体，采用窄线宽皮秒激光器作为光源，进行倍频特性实验研究，通过实验分析了倍频晶体温度特性、及基频功率对倍频功率的影响。
　　
　　2 实验装置实验的光路示意图
　　
　　如图 1 所示，主要由激光器、透镜、隔离器、反射镜、半波片、非线性晶体及分光镜组成。光路中 L 为透镜、FI 为空间光隔离器、R 为反射镜、λ/2 为半波片、M 为双向色镜。实验中选用南通墨禾量子科技发展有限公司的高功率皮秒光纤激光器，输出激光波长为1 036nm，脉宽为 11ps，最大平均功率为 10W。激光器首先通过透镜进行准直，再通过空间隔离器，通过两个反射镜进行光路调整，然后经过半波片，通过透镜聚焦到非线性晶体上。选用周期极化磷酸氧钛钾( PPKTP) 晶体作为倍频晶体，晶体尺寸为 1mm ×2mm ×15mm，参考极化周期为 8． 25μm，晶体采用高精度温控炉进行温度控制。倍频光与基频光的混合光先通过透镜进行准直，在通过双向色镜进行分光，将1 036nm 的基频光与 518nm 倍频光分成两路，实验装置如图 2 所示。【图1.图2略】

　　3 实验结果及分析

　　3． 1 基频对晶体的影响
　　
　　实验 中 非 线 性 晶 体 前 端 入 射 基 频 功 率 为830mW，通过温控炉改变倍频晶体的温度，测量单次通过非线性晶体产生的倍频功率，测量数据如图3 所示。从图中可以看出，倍频晶体的温度对倍频功率的影响很大，随着晶体温度的增加，倍频功率将会出现先增大后减小的现象。其中 57℃ 时倍频功率最大，可以达到 21mW，此温度为倍频功率峰值温度点。曲线中可以看出在 26℃和 74℃温度点，倍频功率也有一个小的峰值点。【图3】

　　
　　为了进一步研究温度及基频功率对倍频晶体的影响，我们选取了 26℃，57℃，74℃ 三个温度点，将倍频晶体的温度控制在此温度下，改变倍频晶体的基频功率，测量数据如图 4 所示。为了进行比较我们将倍频功率进行了归一化处理，从图中可以看出，随着基频功率的增加，单次通过倍频晶体产生的倍频功率总体趋势为逐渐增加的。对于 57℃和 74℃温度下，随着基频功率的增加，倍频功率增长趋势几乎一致，尤其是基频功率小于 800mW 时倍频功率增长趋势几乎重合; 对于 26℃ 温度下，随着基频功率的增加倍频功率先是增加的，但当基频功率大于800mW 时又出现逐渐减小的趋势。此现象初步判断是晶体的热效应造成的，基频激光通过晶体时，会对晶体产生一定的热积累，基频功率越大热积累量越大，这些热积累会改变晶体的控制温度，使晶体的控制温度有所增加，尤其是低温度控制下此现象更为明显。而对于 57℃和 74℃温度下，晶体的温度比较高，热积累对晶体的影响较小。【图4】

　　
　　3． 2 温度对晶体的影响

　　调整基频光的功率，分析在不同基频功率下，晶体温度对倍频功率的影响，实验结果如图 5 所示。

　　从图中可以看出，在不同基频功率下，晶体温度对晶体的倍频功率的影响基本趋势是一样的，都会出现先增加再减小的现象，都有一个最佳晶体匹配温度。

　　对于此晶体最佳匹配温度在 50℃ ～60℃之间，但是随着基频功率的改变，最佳配备温度也有相应的变化。为了进一步分析基频功率对晶体最佳匹配温度的影响，我们将图 5 中的实验结果进行了归一化处理，结果如图 6 所示。可以看出随着基频功率的增加，晶体最佳匹配温度向低温方向偏移。这一实验对倍频的产生很有意义，在实验进行中温度和基频功率对倍频都会产生影响，基频功率改变后要重新选择匹配温度，以便于产生到达最佳工作状态。【图5-6】

　　
　　4 结束语

　　本文采用窄线宽皮秒 1 036nm 的激光单次通过PPKTP 晶体倍频产生 518nm 绿光信号，通过实验分析了晶体的温度特性和功率特性。研究了不同温度下基频功率对倍频晶体的影响，以及不同基频功率下温度对倍频晶体的影响。在高温度控制下，随着基频功率的增加倍频功率为逐渐增加的，晶体的热积累现象不明显; 在低温度控制下，由于晶体的热积累现象，随着基频功率的增加倍频功率为先增加后减小的趋势。实验中分析了基频功率对晶体最佳匹配温度的影响，随着基频功率的增加，晶体最佳匹配温度向低温方向偏移。这一实验结果对倍频晶体、绿光产生及绿光激光器的研制有一定的意义。