用低功率可见二极管激光器进行倍频实验

娄秀涛, 徐连杰, 赵海发

(哈尔滨工业大学 应用物理专业国家级实验教学示范中心, 黑龙江 哈尔滨 150001)

非线性光学是现代光学的一个重要分支,利用非线性效应获取短波激光已成为激光技术研究的一个热点方向[1-3]。在大学物理实验和近代物理实验等课程中开设的激光倍频实验[4-5],多采用波长1 064 nm的高功率近红外固体激光器[6-8]作为光源。然而,高功率不可见光源在实验中存在光路调节难度大和安全防护要求高的问题。

本文提出一种采用低功率、连续可见二极管激光(LD)为光源的倍频实验方案。采用功率小于50 mW的506 nm绿色LD光源作为基频光[9],使用偏硼酸钡(BBO)晶体生成nW级倍频紫外激光，并由光电倍增管(PMT)探测。基频光为低功率可见光,大大降低了倍频实验的光路校准难度和安全防护要求。同时,nW级光探测实验可进一步丰富学生关于微弱光信号检测方面的知识。

1 实验原理

当激光在透明非线性晶体中传播时,光频电场将引起晶体介质的线性和非线性极化,其中非线性极化波将激发出不同于入射光波长的光波。激光倍频正是利用了晶体的二阶非线性效应。角频率为ω的入射光电场E=E0sinωt所产生的二阶极化场强度P2可表示为

(1)

式中：E0为入射光电场振幅,ε0为真空介电常数,χ2为非线性晶体的二阶非线性系数。式(1)中角频率为2ω的项对应的就是倍频光波,倍频光功率P2ω可表示为[10]

(2)

式中：L为晶体长度,A为光束横截面积,c为光速,n为折射率,Δk为基频光和倍频光的波数差。由式(2)可以看出,倍频光功率正比于基频光功率的平方,倍频效率η正比于基频光功率,η=P2ω/Pω。

在给定晶体长度的情况下,生成的倍频光功率主要取决于sinc函数决定的相位匹配程度。当Δk=2(nω-n2ω)ω/c=0时,倍频光功率达到最大值,此时nω=n2ω。由此可见,相位匹配是由折射率匹配实现的,而后者是利用晶体的双折射物理特性来实现的。在给定功率条件下,通过光束聚焦来减少光束横截面积,从而提高倍频效率。

2 实验装置

采用低功率可见LD光源的倍频实验装置如图1所示。LD光源为法布里珀罗(FP)型,其标称中心波长为506 nm。FP型LD的优点是工艺简单、成本低。LD输出功率通过电流驱动器Thorlabs LDC200控制,电流控制精度为1 μA。为了获得稳定的功率输出,LD的工作温度由温度控制器Thorlabs TED200稳定在25 ℃,温度控制精度为0.01 ℃。LD激光器的输出功率用功率计Thorlabs PM100USB测量,通过改变LD的驱动电流可获得基频光功率与驱动电流间的关系。

图1 基于低功率可见二极管激光的倍频实验装置

准直后的LD出射激光经过35 mm焦距的透镜聚焦后注入BBO晶体。BBO晶体是负单轴晶体,是紫外波段非线性系数最高的晶体之一[11-12]。实验所使用的BBO晶体的长度为7 mm,切割角度为51°,以实现I类相位匹配(o+o→e)。BBO晶体固定在二维调整支架上,通过调整BBO的光轴与基频光波矢之间的角度获得精确相位匹配。

从BBO晶体透射的基频光和新生成的倍频光在传播方向上大体保持一致,二者仅有小于5°的走离角,因此基频光本身即可作为倍频光空间位置的校准光。基频光和倍频光经35 mm焦距的石英透镜准直后射入日盲型PMT(Hamamatsu H11461)。日盲型PMT对紫外光具有很高的探测灵敏度,但对可见光不敏感。另外,PMT前放置中心波长253 nm、透过半高宽10 nm、可见光光学深度大于5的干涉滤光片,以进一步抑制可见基频光的干扰。干涉滤光片还可以充分滤除实验室环境的背景光,使得实验可以在正常的亮环境进行。PMT将倍频光信号转化成电信号后经由数据采集卡采集到计算机中进行信号分析、处理与记录。

3 实验结果

通过温度控制器将LD的工作温度稳定在25 ℃,通过电流驱动器改变LD的注入电流。每隔5 mA用光功率计测量激光器的输出功率,每个驱动电流下连续测量5次激光功率,取平均值。

实验结果如图2所示。LD的阈值电流大约为34 mA,当注入电流达到阈值电流后,输出功率Pω随注入电流I的增大而线性增加。线性拟合的校正决定系数R2=0.9997,表明Pω与I之间具有很高的线性相关度。

图2 基频光输出功率与注入电流间的关系

由于倍频光功率仅为nW量级,所以不能由光功率计直接探测到,而是由PMT的输出电压信号结合PMT的响应度推算得到。图3展示了倍频光功率P2ω与基频激光器注入电流I之间的关系。P2ω随着I的增大而单调增加,二次函数拟合的校正决定系数R2=0.999 8,表明二者之间的关系可很好地由二次函数描述。又由于Pω与I为线性关系,因而P2ω与Pω也为二次函数关系,这与公式(2)给出的理论关系一致。

图3 倍频光功率与基频激光器注入电流间的关系

根据图3展示的实验结果,计算出倍频效率η与基频光功率Pω间的关系,如图4所示。可以很明显看出倍频效率随着基频光功率的增加而增大。采用线性拟合得到的校正决定系数R2=0.993,表明二者之间具有很好的一次函数关系,这与理论关系十分吻合。

图4 倍频转化效率与基频光功率间的关系

需要注意的是：低功率连续激光的倍频转换效率很低,只有10-7量级。但即使在这种情况下,仍然获得了与理论值相符合的实验结果,这充分说明了本文所设计的实验装置的可行性和有效性。

4 结语

以低功率连续可见LD光源进行激光倍频实验,证明倍频光功率与基频光功率为二次函数关系,倍频效率与基频光功率为一次函数关系,这与理论分析结果高度一致。与使用高功率近红外固体激光器的倍频实验教学相比,采用低功率可见光LD光源的倍频实验,极大地降低了光路校准难度和安全防护要求。通过本实验,不仅可以帮助学生深刻理解非线性光学效应中的相位匹配、倍频效率等理论知识,还可以让学生进一步学习LD光源的控制和操作技能,有效提高了教学效果。