基于MgO∶PPLN啁啾结构和频的宽谱黄-橙激光输出 下载: 1250次
1 引言
宽谱黄-橙色激光的波长约为600 nm,是一种重要的荧光激发光源,可通过实时扫描目标对象的吸收光谱,获得相关信息,广泛应用于光谱学、光遗传学、生命科学、原子科学等领域[1-5]。由于缺乏合适的直接带隙材料,并未生产出该波段的半导体激光器[6]。由非线性光学频率获得紧凑、稳定和高效的全固态黄-橙激光是目前的最佳方案,主要方法是在非线性晶体中通过混合两种基波使其和频产生波长为600 nm左右的黄-橙激光[7]。常规的双折射晶体是利用单轴或双轴非线性晶体的双折射特性和色散特性,采用角度匹配的方式受波矢方向和偏振方向的限制,只能在晶体的特定切割方向或特定温度下才能实现特定波长的转换,难以获得光谱带宽较宽的激光输出。
周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体(MgO∶PPLN)是一种重要的非线性频率转换晶体,主要通过外加脉冲电压极化的方式进行器件制备,可以通过周期计算实现透光范围内的任意波长输出,也可以通过设计啁啾、扇形等多种超晶格结构,实现宽光谱激光输出。其中啁啾超晶格结构是在晶体通光方向上设计多种周期,以实现宽谱光源的频率转换。常见的啁啾结构包括线性、步进啁啾周期结构以及非周期结构等。要实现宽谱准相位匹配,可以采用单块的晶体方案,也可以采用级联均匀极化周期和步进啁啾极化周期两块晶体的方案[8-15]。线性啁啾接近连续的周期变量对制造工艺要求较高,且步进啁啾和线性啁啾的宽带响应谱线容易出现波动,不利于产生宽谱脉冲光源,非周期方案虽然能很好地实现宽带转换和平坦的带顶,但在数值优化过程中,宽带和频过程的参数搜索空间极大、耗时长,且难以收敛,对环境变化比较敏感,稳定性不高。
本文在MgO∶PPLN中将C波段(1525~1565 nm)激光和波长为980 nm的激光进行和频处理,实现了宽谱黄-橙激光的输出。为获得高效、平坦的黄-橙激光,采用布拉格光纤光栅中常用的变迹模拟方法[16-17],结合准相位匹配技术,建立了变迹步进啁啾MgO∶PPLN宽带和频的数学模型,确定了变迹率r和啁啾周期范围增量dp两个自变量,利用遗传算法[18]对自变量进行迭代优化,能在较小的搜索空间中找到最优值,从而确定变迹步进啁啾MgO∶PPLN的结构设计参数,最终获得波长为600 nm附近宽谱激光输出的最优光谱转换。
2 变迹步进啁啾MgO∶PPLN宽带和频理论分析
为获得高效、平坦的宽谱黄-橙激光,需要建立变迹步进啁啾MgO∶PPLN宽带和频的数学模型。在小信号、慢变振幅的近似条件下,MgO∶PPLN和频的转换效率η可表示为[19]
式中,Pω1、Pω2、Pω3分别为泵浦光、信号光、和频光的功率,ω为光频率,d33为晶体的非线性系数,Iω1和Iω2分别为泵浦光和信号光的光强,L为光波在晶体内相互作用的长度,c为真空中的光速,ε0为真空介电常量,λω3为和频光的波长,nωr,(r=1,2,3)为光波在晶体中的折射率,可由Sellmeier公式[20]求得,d(z)为畴反转结构的归一化常数,取值为±1,d(z)=1表示极化方向向上,d(z)=-1表示极化方向向下。相位失配量Δk可表示为
式中,
式中,
如
3 C波段宽带和频优化设计
3.1 实验装置与基本原理
图 2. 单通宽带和频实验装置示意图
Fig. 2. Schematic diagram of experimental device based on single-pass broadband sum-frequency generation
设进入晶体前Pω1=290 mW,Pω2=200 mW,使用晶体长度为50 mm的MgO∶PPLN,在室温下,对变迹步进啁啾晶体的超晶格结构进行数值优化,目标是在给定的波段范围(C波段)内,获得高转换效率、小带顶波动的宽谱黄-橙激光输出。
线性变迹函数和正双曲正切变迹函数对和频转换带宽和带顶波动的影响如
图 3. 变迹函数对和频转换带宽和带顶波动的影响。(a)线性变迹函数的占空比;(b)正双曲正切变迹函数的占空比;(c)线性变迹函数的和频转换效率;(d)正双曲正切变迹函数的和频转换效率
Fig. 3. Effect of apodization function on bandwidth and band-top ripple of sum-frequency conversion. (a) Duty ratio of linear apodization function; (b) duty ratio of the positive hyperbolic tangent apodization function; (c) sum-frequency conversion efficiency graph of linear apodization function; (d) sum-frequency conversion efficiency diagram of positive hyperbolic tangent apodization function
啁啾周期的范围会影响转换带宽和转换效率,实验中的啁啾步长使用实验条件能达到的最小空间分辨率5 nm,为了获得Pω1=290 mW,Pω2=200 mW时的最优和频响应曲线,将晶体起点周期长度Λ'1和终点周期长度Λ'N分别初始化为1525 nm和1565 nm处的和频准相位匹配周期,在温度为25 ℃时,通过Sellmeier方程和相位匹配公式求得Λ'1=9.98 μm,Λ'N=10.33 μm,通过调节啁啾周期范围增量dp,得到起点周期Λ1=Λ'1-dp和终点周期ΛN=Λ'N+dp。
图 4. r和dp与带宽、带顶波动、转换效率关系。(a)r与带宽、带顶波动的关系;(b)dp与带宽、转换效率的关系
Fig. 4. Relationship between r, dp and bandwidth, top ripple, conversion efficiency. (a) Relationship between r and bandwidth, top ripple; (b) relationship between dp and bandwidth, conversion efficiency
3.2 变迹啁啾结构数值优化
为了在C波段获得转换率和带顶波动的最优解,将优化目标函数定义为
式中,mean[]为求均值,S[]为求均方差,w为方差的权重系数,为了分析均值和方差的比例关系,权重系数取值为10。
为了获得目标值的最优值,采用遗传算法在给定的搜索空间中进行迭代计算,算法流程如
如
图 6. 遗传算法优化结果图。(a)迭代过程;(b)和频转换效率
Fig. 6. Optimization results of genetic algorithm. (a) Iteration process; (b) sum-frequency conversion efficiency
4 结论
围绕宽谱黄-橙激光的制备需求,基于准相位匹配理论,利用和频效应,计算出最佳的晶体模型结构。提出了变迹步进啁啾MgO∶PPLN的建模方案,在室温条件下,用功率为290 mW的C波段宽带光源和功率为200 mW的980 nm的光源分别作为泵浦光和信号光;选择不同的变迹函数,通过控制变迹率r和啁啾周期范围增量dp等参数,实现对和频输出光谱的带宽、带顶波动及转换效率的动态调控;最后利用遗传算法,在较小的搜索空间内,对参数r和dp进行数值优化,在r=0.5、dp=0.03 μm时,获得了最优结果,实现了高效、均匀的黄-橙激光宽谱输出,转换效率为-11 dB、带顶波动达0.047 dB,为基于准相位匹配技术的和频效应产生宽谱激光提供了理论指导和可行方案。
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