基于PDH（Pound-Drever-HaⅡ）技术外腔谐振倍频理论与实验研究
发布时间：2020-02-23 00:08
【摘要】：光学非线性频率变换是随着激光技术发展产生的一门新学科,它使在目前现有激光材料基础上,获得更多波段范围内的激光输出成为了可能,因此自出现以来就备受关注。激光倍频是目前非线性频率变换领域应用最多和最广的技术,由于倍频过程对基频光光强的依赖很高,仅有少数情况能获得高倍频效率的激光输出。外腔谐振倍频理论与技术的出现极大地提高了倍频效率,尤其是在低平均功率、连续输出的基频光倍频过程中,外腔谐振倍频能将倍频效率较单通情况提高两个量级,显示出了其巨大的优越性。本文主要开展了外腔谐振倍频的理论和实验研究。首先,在对国内外研究进展充分调研的基础上,确定了基于PDH技术外腔谐振倍频路线。结合理想平面波倍频结论,建立了聚焦高斯光束倍频理论模型并进行了数值计算；引入BK聚焦因子和多光束干涉理论进一步求解了谐振倍频情况下的倍频效率公式,理论分析了倍频晶体长度、基频光注入功率与束腰半径对谐振倍频效率的影响,并在理想情况下采用LBO晶体长度为30mm、注入基频光功率为10W、束腰半径为50μm时,最佳谐振倍频转换效率达到80%以上；对满足最佳倍频条件的环形倍频腔进行了设计和优化,利用传输矩阵法分析了腔镜曲率半径、间距等对腔模束腰半径的影响,确定了采用“8字”环形腔的谐振倍频腔结构以及满足最佳倍频条件的腔参数,并进一步研究了基频光与环形腔之间的模式匹配特性与阻抗匹配特性。其次,对基于PDH技术腔长锁定理论进行了研究,分析了PDH误差信号的产生原理并进一步研究了环形腔透射腔模信号与误差信号随腔长微小偏移量的变化关系,从而验证了采用PDH技术实现腔长锁定的可行性。设计了适用于外腔谐振倍频的PDH腔长反馈控制系统,并开展了腔长锁定实验。针对影响锁定误差信号的电光相位调制器、调制信号以及扫描信号的频率与幅值、PID控制器参数等进行优化和整定,并通过监测经环形腔某一腔镜的腔内基频光漏光功率和光斑分布判定腔长锁定效果。实验中通过将空间相位调制器更换为光纤相位调制器,调制信号频率与幅值分别设为12.5MHz与0.2V,扫描信号频率与幅值设为10Hz与5 V, PID控制器参数G、P、I、D分别设为21、9500、215、0时获得了较理想的锁定效果。通过监测到的漏光推算出锁定时腔内基频光循环功率为152.69W,谐振增强因子为15.87,且漏光光斑分布均匀,呈基横模分布。最后,在腔长锁定基础上将LBO倍频晶体插入环形腔内开展谐振倍频实验。采用尺寸为8mm×8mm×30mm,类非临界相位匹配的LBO晶体,并将晶体放置于铜制热沉中进行150℃左右温控,实验结果显示晶体内部温度分布均匀,温宽较小；在谐振倍频实验中,分别分析了LBO晶体温度、基频光功率、束腰半径与中心波长和输入耦合腔镜反射率等重要参数对谐振倍频效率的影响,获得的实验结果与理论分析基本一致,且当LBO晶体温度为150℃,注入基频光功率为8.5W,束腰半径为50ìμm,输入耦合腔镜反射率为93%时,获得最高功率谐振倍频绿光输出为4.59W,倍频效率达到54%,比较了LBO晶体单通倍频情况下的实验结果,其倍频效率提高约200倍。最后测量了绿光功率的波长调谐特性、线宽、光束质量和输出稳定性等,均获得了较好的实验结果。在上述的研究工作中,本文取得的主要成果有以下3个方面：1).将聚焦高斯光束理论与谐振腔理论结合建立了外腔谐振倍频理论计算模型,分析了注入基频光功率Pin、倍频腔内最小束腰半径ω0、输入耦合镜反射率r1等重要参数对转换效率的影响并指导外腔倍频实验系统设计。2).采用了基于PDH腔长反馈控制技术,相比于通常基于光强型谱线误差信号反馈控制技术,其鉴相灵敏度高,避免了激光幅度噪声或不稳定性对系统的影响,提高了整个系统的可靠性。3).建立了外腔谐振倍频实验系统,利用“8字”环形倍频腔实现了腔长的长时间精确稳定的锁定,获得了锁定时基频光功率在腔内谐振增强15倍,倍频效率为54%的最高4.59W单频连续绿光输出,外腔谐振倍频效率较单通倍频效率提高了200倍,验证了对低功率连续输出基频光高效倍频技术的可行性。
【图文】：
采用内腔倍频方式能使基频光多次经过倍频晶化，增加倍频次数，并且能有效利用逡逑较商的基频光功率密度，从而获得较高的转换效率和较低的聚浦光的阔值，另外也逡逑实现激光器的小型化和全固化Ｗ。１９８２年，Ｙ．ＳNｉｕ等人印Ｊ用ＫＴＰ晶体腔内调Ｑ逡逑法，获得了重复频率为５Ａ化、平均功率为５．６Ｗ的５３２？ｗ绿光输出；１９８７年，姚逡逑院±采用同种倍频晶体，获得了当时国际最高平均功率３４Ｗ的绿光输出１９９８逡逑Ｈｏｎｅａ等人采用双调Ｑ的Ｖ型腔结构，获得了邋１４０Ｗ绿光町到２００９年，美国相逡逑Ｗｊ采用ＩＩ类匹配ＬＢＯ晶体在Ｚ字形腔内倍频，获得了邋４２０Ｗ的绿光ｔＷ，是目前报逡逑脉冲体制下最高功串的内腔倍频绿光。１９９９年，Ｒ本的ＴｅｓｕｏＫｏｊｉｍａ等人分析了逡逑腔内非线性晶体ＫＴＰ的热效应对输出绿光功率稳定性的影响，获得了功率稳定的逡逑（Ｍ２＝８），Ｗ及功率为口Ｗ（Ｍ２＝１．２）ＴＥＭ００模连续绿光输出ＩＷ。在邋２０１１邋年，Ａｍａｉｊｅｅｔ逡逑ｈ等人利用ＫＴＰ品体Ｚ型腔腔闲倍频获得了邋８２Ｗ连续绿光输出。但是由于存在严逡逑球差，绿光的光束质量较差，Ａ／２接近４0ｔＷ。进入一－十一世纪，随着５３２ｎｍ倍频绿逡逑术的日趋成熟，内腔倍频技术在其他波长的应用开始备受关注。如２００８年逡逑ｍｏｕｄ邋Ｆａｌｂｈｉ邋等人义用邋ＩｎＧａＡｓ－ＧａＡｓ邋ＶＥＣＳＥＬ（ｖｅｒｔｉｃａｌ－ｅｘｔｅｍａｌ－ｃａｖｉｔｙ，邋ｓｕｒｆａｃｅ逡逑ｉｔｔｉｎ结构折叠腔腔内倍频，获得了基频光在１１４７－１１９７／！ｗ范围内连续可调，倍频光逡逑
比如生长具有更高二次非线性系数的材料，提高基频光功率密度与稳定性，采用准相匹配技术改善基频光与非线性晶体有效作用长度等。尤其在连续或长脉冲体制下，由基频光的峰值功率密度远小于ＭＷ／ｃｗ２星级，使得倍频效率极低，通常约为千分之几右。外腔谐振技术便是提z┓窍咝宰恍实囊淮畏浅３晒Φ拇葱潞统⑹裕沟迷谛蚵龀逄逯频幕倒夤β式系偷那榭觯曰竦媒细咦恍食晌赡堋ｅ义喜皇庇谀谇槐镀岛颓煌獾ネū镀担馇恍痴癖镀凳侵冈谀称导す馔獠慷懒⑸杓菩潮镀登唬ü∪『鲜实谋镀登坏膶艉鲜淙刖捣瓷渎剩⒗醚沟缣沾珊偷缪Х蠢】叵低尘房刂破淝怀ぃ沟迷诒镀登荒谧⑷氲幕倒夤β拭芏扔捎谛痴竦玫郊蟮厍浚⑶夷堋洞瓮ü镀稻逶黾颖镀荡问惶岣弑镀底恍О耄ｅ义贤馇恍痴癖镀档母拍钍状斡桑粒粒螅瑁耄椋畹热嗽冢保梗叮赌晏岢觥Ｋ墙倒庾⑷氲街昧隋澹耍模衅诽宓钠桨记荒冢竦昧诵痴袷保保氨队谧⑷牖倒夤β实那荒谘饭β省Ｑ樽爸猛既缤迹保乘尽Ｊ笛榈玫降慕峁肜砺鄯治鑫呛辖虾茫⒅っ髁说ズ帷⒌プ莼倒馐墙型馇恍痴癖镀档淖罴压庠础Ｊ笛榛乖史址治隽诵痴癖镀登坏乃鸷模准氨毒宥员镀底恍实挠跋欤ぱ粤送ü纳破骷问⑻嵘淌笛榧际跏侄魏筒捎糜疟镀稻謇椿竦们筛弑镀敌实目尚行浴ｅ义希
本文编号：2582023
【图文】：
采用内腔倍频方式能使基频光多次经过倍频晶化，增加倍频次数，并且能有效利用逡逑较商的基频光功率密度，从而获得较高的转换效率和较低的聚浦光的阔值，另外也逡逑实现激光器的小型化和全固化Ｗ。１９８２年，Ｙ．ＳNｉｕ等人印Ｊ用ＫＴＰ晶体腔内调Ｑ逡逑法，获得了重复频率为５Ａ化、平均功率为５．６Ｗ的５３２？ｗ绿光输出；１９８７年，姚逡逑院±采用同种倍频晶体，获得了当时国际最高平均功率３４Ｗ的绿光输出１９９８逡逑Ｈｏｎｅａ等人采用双调Ｑ的Ｖ型腔结构，获得了邋１４０Ｗ绿光町到２００９年，美国相逡逑Ｗｊ采用ＩＩ类匹配ＬＢＯ晶体在Ｚ字形腔内倍频，获得了邋４２０Ｗ的绿光ｔＷ，是目前报逡逑脉冲体制下最高功串的内腔倍频绿光。１９９９年，Ｒ本的ＴｅｓｕｏＫｏｊｉｍａ等人分析了逡逑腔内非线性晶体ＫＴＰ的热效应对输出绿光功率稳定性的影响，获得了功率稳定的逡逑（Ｍ２＝８），Ｗ及功率为口Ｗ（Ｍ２＝１．２）ＴＥＭ００模连续绿光输出ＩＷ。在邋２０１１邋年，Ａｍａｉｊｅｅｔ逡逑ｈ等人利用ＫＴＰ品体Ｚ型腔腔闲倍频获得了邋８２Ｗ连续绿光输出。但是由于存在严逡逑球差，绿光的光束质量较差，Ａ／２接近４0ｔＷ。进入一－十一世纪，随着５３２ｎｍ倍频绿逡逑术的日趋成熟，内腔倍频技术在其他波长的应用开始备受关注。如２００８年逡逑ｍｏｕｄ邋Ｆａｌｂｈｉ邋等人义用邋ＩｎＧａＡｓ－ＧａＡｓ邋ＶＥＣＳＥＬ（ｖｅｒｔｉｃａｌ－ｅｘｔｅｍａｌ－ｃａｖｉｔｙ，邋ｓｕｒｆａｃｅ逡逑ｉｔｔｉｎ结构折叠腔腔内倍频，获得了基频光在１１４７－１１９７／！ｗ范围内连续可调，倍频光逡逑
比如生长具有更高二次非线性系数的材料，提高基频光功率密度与稳定性，采用准相匹配技术改善基频光与非线性晶体有效作用长度等。尤其在连续或长脉冲体制下，由基频光的峰值功率密度远小于ＭＷ／ｃｗ２星级，使得倍频效率极低，通常约为千分之几右。外腔谐振技术便是提z┓窍咝宰恍实囊淮畏浅３晒Φ拇葱潞统⑹裕沟迷谛蚵龀逄逯频幕倒夤β式系偷那榭觯曰竦媒细咦恍食晌赡堋ｅ义喜皇庇谀谇槐镀岛颓煌獾ネū镀担馇恍痴癖镀凳侵冈谀称导す馔獠慷懒⑸杓菩潮镀登唬ü∪『鲜实谋镀登坏膶艉鲜淙刖捣瓷渎剩⒗醚沟缣沾珊偷缪Х蠢】叵低尘房刂破淝怀ぃ沟迷诒镀登荒谧⑷氲幕倒夤β拭芏扔捎谛痴竦玫郊蟮厍浚⑶夷堋洞瓮ü镀稻逶黾颖镀荡问惶岣弑镀底恍О耄ｅ义贤馇恍痴癖镀档母拍钍状斡桑粒粒螅瑁耄椋畹热嗽冢保梗叮赌晏岢觥Ｋ墙倒庾⑷氲街昧隋澹耍模衅诽宓钠桨记荒冢竦昧诵痴袷保保氨队谧⑷牖倒夤β实那荒谘饭β省Ｑ樽爸猛既缤迹保乘尽Ｊ笛榈玫降慕峁肜砺鄯治鑫呛辖虾茫⒅っ髁说ズ帷⒌プ莼倒馐墙型馇恍痴癖镀档淖罴压庠础Ｊ笛榛乖史址治隽诵痴癖镀登坏乃鸷模准氨毒宥员镀底恍实挠跋欤ぱ粤送ü纳破骷问⑻嵘淌笛榧际跏侄魏筒捎糜疟镀稻謇椿竦们筛弑镀敌实目尚行浴ｅ义希
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