基于KTP晶體的受激電磁耦子散射產(chǎn)生可調(diào)諧的斯托克斯光及其腔內(nèi)倍頻.pdf

1、常用的非線性光學(xué)效應(yīng)一般為二階及三階非線性效應(yīng)。二階非線性效應(yīng)包括倍頻、差頻、和頻、光學(xué)參量振蕩等。三階非線性效應(yīng)包括自聚焦、光學(xué)Kerr效應(yīng)、四波混頻、受激拉曼散射等。其中，光學(xué)參量振蕩是一種常用和有效的擴(kuò)展激光光源的方式。在這個過程中，泵浦光、信號光以及閑頻光需要滿足相位匹配，通過改變它們的相位匹配角，可以較容易地實(shí)現(xiàn)波長調(diào)諧。而在拉曼散射中，在泵浦光作用下，產(chǎn)生的是一個斯托克斯光光子和一個聲子。由于這個過程不需要相位匹配，所以操作

2、會更加方便。然而，一般晶體材料的拉曼頻移往往是固定的，所以利用晶體材料的受激拉曼散射很難實(shí)現(xiàn)波長調(diào)諧。
　　本文研究的是利用另外一種光與物質(zhì)的相互作用形式—受激電磁耦子散射—產(chǎn)生波長可調(diào)諧的紅外激光輸出。受激電磁耦子散射是一種包含二階與三階非線性效應(yīng)的光學(xué)現(xiàn)象。在產(chǎn)生機(jī)制與實(shí)驗(yàn)方法方面與光學(xué)參量振蕩器和受激拉曼散射有相似之處，也有區(qū)別。電磁耦子是在光波與晶格振動波相互作用條件下的一種光子與聲子的耦合態(tài)。具有紅外和拉曼雙活性極性晶格

3、振動模的晶體才可以產(chǎn)生受激電磁耦子散射，磷酸鈦氧鉀晶體(KiTiOPO4，KTP)屬于具有這種模式的晶體之一。在產(chǎn)生機(jī)制上，二階光學(xué)參量振蕩屬于單純的二階非線性過程，受激拉曼散射是一個單純的三階非線性過程，而受激電磁耦子散射的過程同時包含二階及三階非線性作用。在實(shí)驗(yàn)中，利用KTP晶體的受激電磁耦子散射產(chǎn)生的斯托克斯光頻移一般比KTP的OPO產(chǎn)生的信號光頻移小。與受激拉曼散射相比較，利用KTP受激電磁耦子散射的相位匹配可以更容易地實(shí)現(xiàn)斯托

4、克斯光的波長調(diào)諧。
　　本文研究的首要內(nèi)容是通過1064.2nm的，重復(fù)頻率為1Hz的調(diào)Q激光脈沖來泵浦KTP晶體，激發(fā)晶體內(nèi)部的受激電磁耦子散射產(chǎn)生可調(diào)諧的斯托克斯光。然后，利用三硼酸鋰晶體(LiB3O5，LBO)實(shí)現(xiàn)斯托克斯光的腔內(nèi)倍頻。實(shí)驗(yàn)中對產(chǎn)生的斯托克斯光及其倍頻光的特性進(jìn)行了研究，并用受激電磁耦子散射的理論分析了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。主要研究內(nèi)容包括以下方面:
　　1.研究了斯托克斯光的特性。首先，比較了不同透過率的斯托克斯

5、光輸出鏡對各角度下斯托克斯光輸出能量的影響，結(jié)果顯示60％透過率條件下斯托克斯光能量整體上獲得了最大輸出。然后測量了斯托克斯光波長的角度調(diào)諧特性。斯托克斯光的波長隨著泵浦光與斯托克斯光之間的夾角變化而變化，隨著兩光束在晶體外的夾角從1.875°增長到6.750°，對應(yīng)晶體內(nèi)部的夾角為1.073°到3.856°，斯托克斯光的調(diào)諧波長為從1076.5nm到1077.0nm，從1080.7nm到1081.3nm，從1082.6nm到1084.

6、0nm，從1085.3nm到1087.2nm，從1090.6nm到1091.4nm。在這個角度連續(xù)調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)了四個波長空隙帶。第三，研究了斯托克斯光的能量調(diào)諧特性，即得到斯托克斯光的輸出能量隨波長的變化關(guān)系。在泵浦能量為120mJ情況下，斯托克斯光的最大輸出能量為46.5nJ，最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了39％，對應(yīng)波長為1086.6nm。第四，研究了斯托克斯光的輸入輸出關(guān)系。繪制了不同波長處的斯托克斯光能量隨泵浦能量的變化曲線，整體上斯托克

7、斯光的能量是線性依賴于泵浦光能量的。最后，測量并記錄了入射泵浦光、剩余泵浦光及斯托克斯光的波形及其時間上的關(guān)系。
　　2.研究了斯托克斯倍頻光的特性。首先測量倍頻光的角度調(diào)諧特性。隨著斯托克斯光與泵浦光在晶體外夾角從1.875°到2.000°，從2.250°到3.000°，從3.125°到3.375°，從3.625°到5.625°的變化，倍頻光波長的調(diào)諧范圍從538.5nm到538.6nm，從540.4nm到540.9nm，從54

8、1.5nm到542.1nm，從543.1nm到543.8nm。其次，給出了倍頻光的能量隨波長的變化關(guān)系。在泵浦光能量為120mJ條件下，倍頻光的最大輸出能量為15.8mJ，相應(yīng)波長為543.4nm。最后，測量了不同波長下的倍頻光能量隨泵浦光能量的變化，即輸入輸出關(guān)系。
　　3.繪制了KTP晶體的電磁耦子的色散曲線、吸收曲線及受激電磁耦子散射過程中幾個不同角度下的相位匹配曲線，并通過求解色散曲線及相位匹配曲線的交點(diǎn)，得到理論的斯托克