三倍频

2021-02-26 14:42:39 浏览:427

定义

一种利用非线性材料实现激光频率为输入光频率三倍的效应。

三倍频是一种非线性频率变换,得到的光的频率是输入激光的频率的三倍。原则上,这可以通过χ(3)非线性直接实现三次谐波产生[12-14],但是由于介质的χ(3)很小以及相位匹配的限制,使得利用这种方法实现三倍频很困难。因此,三倍频通常利用级联非线性过程产生,首先对输入光束进行倍频,然后利用倍频光和基频光的和频实现三倍频过程,这两个过程均是基于非线性晶体材料的χ(2)非线性的。

图 1 一个典型三倍频装置:波长为1064nm的红外输入利用一个倍频器实现了波长为532nm的绿米,然后利用一个和频器实现了355nm的光。

三倍频的主要应用是紫外光的产生。最常见的是利用由 Nd:YAG或Nd:YVO4 激光器产生的1064nm的激光实现三倍频,从而产生波长为355nm的紫外光。一种常用的方法是使用两个LBO(三硼酸锂)晶体,或一个LBO和一个BBO晶体,一个用于相位匹配的二次谐波产生,另一个实现和频过程。利用从一个调Q或锁模激光可以使得这个过程效率很高,当然利用腔内倍频和和频过程也可以实现连续光的高效三倍频过程。

此外,利用掺钕激光器输出的波长为1.3um的激光的三倍频也可以实现蓝光的产生。

电源转换效率

理论上来说,三倍频过程的功率转换效率可以接近100%。当倍频器具有的2/3的转换效率时,那么倍频光的功率为剩余泵浦光的两倍,从而两束光具有相同的光子数。但是在实际过程中,倍频器的效率通常稍低(通常约40至50%),而且和频混频器的效率远低于100%。对于后者来说原因有很多,如光强度较低、由光学损伤导致的设计上的限制、空间走离、脉冲脉宽的不匹配、时间走离等。转换效果最好的情况是输入光峰值功率较高而脉冲宽度较宽,光束质量高,而且带宽较窄的情况。在这种情况下,从红外光到紫外光的总转换效率可达30~40%的量级。

非线性晶体退化

为了实现高效的三次谐波产生,非线性晶体通常需要承受相当高的光强。但对于和频过程,这往往会产生一个问题:即使对于光强低于损伤阈值的光束,但强烈紫外光还是会导致非线性晶体和出射表面的增透膜的逐渐退化。在这种情况下,非线性晶体通常会变成消耗品,也就是说系统的工作寿命相当有限,从而需要进行晶体的更换。由于这个效应通常只受到光束直径的影响,因此可以通过移动非线性晶体来减少这个效应的影响。

最终的晶体使用寿命取决于各种因素,包括非线性晶体材料的类型,材料质量,峰值和平均光强的大小,增透膜的类型,脉冲参数(例如脉冲宽度),以及环境空气的污染程度。例如,从机械零件油在紫外光的作用下会发生化学变化,从而会导致其在晶体材料上的沉积。

需要注意的是,如果晶体上的模场面积等比例的增加,那么紫外光功率的增强并不会导致晶体工作的寿命的减小。

对于给定的输出功率水平,可以通过在增强腔中防止三次谐波晶体实现晶体寿命的大幅提高。通过利用谐振的频率转换使得单程的转化效率降低,而作为非转换的泵浦光被“回收”。然而,谐振增强的三倍频并不总是可以发生的(例如,由于激光源的相干性不足),并且还引入了系统额外的复杂性。

参考文献

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参阅:倍频、四倍频、非线性频率变换、非线性晶体材料、紫外光紫外激光

非线性光学

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