三倍频 Frequency tripling

2022-11-23 13:28:29 浏览:302

定义

输入激光束产生光频率为三倍的光束的现象。

频率三倍是非线性频率转换的过程,其中产生的光学频率是输入激光束的三倍。 原则上,这可以通过χ(3) 直接产生三次谐波的非线性[12–14],但由于χ(3)光学介质的非线性以及由于相位匹配约束(气体增加三倍除外)。 因此,频率三倍通常实现为级联过程,从输入波束的倍频开始,随后产生两个波的总频率,这两个过程都基于非线性晶体材料,具有χ(2)非线性。

三倍频 Frequency tripling

图1:频率三倍的典型配置:1064 nm 的红外输入光束产生绿色 532 nm 波,这两者混合在第二个晶体中以获得 355 nm 光。

应用

频率三倍的主要应用是产生紫外线。 最常见的是通过将激光束的频率与 1064 nm 的频率三倍产生 355 nm 光,如从Nd:YAG或Nd:YVO4激光. 一种常见的方法是使用两个LBO(三硼酸锂)晶体,或一个LBO和一个BBO晶体,第一个相位匹配用于二次谐波产生,第二个用于产生和频率。 当使用来自Q开关或锁模激光器的脉冲时,很容易使该过程高效,但在连续波操作中也可以,例如腔内倍频和谐振和频率生成。

也可以通过将 1.3 μm钕激光器输出的频率提高三倍来产生蓝光。

功率转换效率

从理论上讲,频率三倍过程的总功率转换效率在单次通过晶体时可能接近100%。 为此,倍频器的转换效率应为2/3,以便二次谐波的功率是剩余基波的两倍,并且两者具有相等的光子数。 实际上,倍频器的效率通常略低(通常在40%至50%左右),特别是总和混频器远非100%的效率。 后一个问题可能由许多效应引起,例如光学强度过低、光学损伤造成的设计限制、空间走开的影响、脉冲持续时间和/或时间走失等。 暂时,该转换最适合不太短(例如皮秒)脉冲中的高峰值功率,并且当光束质量高且光带宽不太高时。 从红外线到紫外线的整体转换效率可以在30%到40%之间。

通过数值建模,可以模拟整个频率三倍过程,结果具有相当高的精度和可靠性。

非线性晶体的降解

为了有效地产生单程三次谐波,非线性晶体需要在相当高的光学强度下工作。 对于和频混频器晶体来说,这通常是一个问题:强烈的紫外线会导致晶体材料逐渐降解,并在出射表面上形成抗反射涂层,即使操作时远低于即时激光引起的损伤阈值也是如此。 在这种情况下,非线性晶体可能成为消耗品,即寿命相当有限的系统部件,需要定期更换。 由于通常只有光束的体积受到影响,因此人们通常会稍微移动晶体,以便使用另一个尚未退化的区域。 这种运动也可以用一些自动晶体移位器来完成;这种方法有时称为晶体的索引。 在良好的条件下,一个人可以在LBO晶体的一个点上达到几百小时的运行时间,并使用几十个点来获得单个晶体数千小时的整体寿命。

实现的晶体寿命取决于各种因素,包括晶体材料类型、材料质量、峰值和平均强度水平、增透膜的细节、其他脉冲参数(如脉冲持续时间)以及环境空气中的污染物。 例如,来自机械部件某些油的碳氢化合物可能会被紫外线化学改变,并可能导致吸收材料沉积在晶体和其他光学器件上,例如准直透镜。

请注意,如果晶体中的模面积与功率水平成比例地增加,则较高的紫外输出功率不一定会缩短晶体寿命。 因此,工作强度不会高于低功耗设备。 然而,人们可能会试图使用更高的功率来施加更高的强度,以进一步提高功率转换效率。 这会缩短晶体寿命。

通过在三次谐波晶体周围使用增强腔,即通过进行谐振频率转换,可以显著改善给定输出功率电平的晶体寿命。 这是因为单程转换效率可能会降低,因为未转换的光被“回收”。 然后可以在没有自动晶体移位器的情况下工作。 然而,共振增强并不总是可能的(例如,对于相干特性不足的激光源),并引入了额外的并发症。

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非线性光学

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