本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，具體屬于一種用于測量非線性晶體熱透鏡焦距的裝置和方法。

背景技術(shù)：

單頻紫外激光作為一種重要的激光光源被廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)療、激光印刷、高精細(xì)光譜學(xué)、非經(jīng)典光場的制備等領(lǐng)域?，F(xiàn)有的增益介質(zhì)的熒光光譜范圍一般在600-1500nm的近紅外到中紅外波段，而倍頻技術(shù)為獲得更短波長激光提供了有效的途徑。但是，隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)在倍頻產(chǎn)生高功率紫外光的過程中，非線性晶體的熱效應(yīng)非常嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了倍頻光功率的進(jìn)一步提高。熱透鏡焦距是衡量熱效應(yīng)嚴(yán)重程度的一個重要指標(biāo)，為了獲得更高功率的單頻紫外激光，需要研究非線性晶體的熱特性并準(zhǔn)確測定不同注入功率下晶體的熱透鏡焦距。

傳統(tǒng)的測量熱透鏡焦距的方法主要集中在對增益介質(zhì)熱透鏡焦距的測量。最具代表性的有探針光法、平平腔法。探針光法是讓一束平行光通過具有熱透鏡效應(yīng)的增益介質(zhì)，通過測量平行光束的聚焦位置來確定該增益介質(zhì)的熱透鏡焦距。該方法的優(yōu)點(diǎn)是直觀，但需要額外引入一束光，且測量精度非常低，不能準(zhǔn)確反映晶體熱效應(yīng)的嚴(yán)重程度。平平腔法是通過測輸出激光的腰斑的位置和大小再反推晶體的熱透鏡焦距，計(jì)算過程較復(fù)雜、測量精度低。而在倍頻過程中，引起晶體熱效應(yīng)的因素較為復(fù)雜，包括晶體單獨(dú)對基頻光的吸收，單獨(dú)對倍頻光的吸收以及倍頻光誘導(dǎo)基頻光的吸收，用以上方法均無法具體分析非線性晶體的熱特性，且無法準(zhǔn)確測量非線性晶體的熱透鏡焦距。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有方法的局限性，本發(fā)明的目的在于提供一種操作簡單、結(jié)果準(zhǔn)確的測定非線性晶體熱透鏡焦距的裝置和方法。

本發(fā)明提供的一種測量非線性晶體熱透鏡焦距的裝置，包括非線性晶體、光學(xué)諧振腔、單頻激光器、功率調(diào)節(jié)器、分束器、光電探測器、示波器、信號發(fā)生器、高壓放大器。其特征在于，所述非線性晶體放置在光學(xué)諧振腔的最小腰斑處；單頻激光器的輸出光經(jīng)過功率調(diào)節(jié)器后注入到光學(xué)諧振腔中；由信號發(fā)生器產(chǎn)生低頻掃描信號，經(jīng)高壓放大器放大后加載于粘連在腔鏡的壓電陶瓷上；分束器將光學(xué)諧振腔輸出的倍頻光和基頻光分離；基頻光注入到光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號，光電探測器的輸出信號輸入到示波器記錄不同注入功率下光學(xué)諧振腔的透射譜。

所述的非線性晶體為雙折射相位匹配的LBO、BIBO、BBO或準(zhǔn)相位匹配的PPKTP、PPLN、PPSLT等。

所述的光學(xué)諧振腔為駐波腔或行波腔。

所述的單頻激光器為連續(xù)單頻可調(diào)諧鈦寶石激光器、連續(xù)單頻1064nm激光器或連續(xù)單頻1342nm激光器。

所述的功率調(diào)節(jié)器由λ/2波片和偏振分光棱鏡組成。

所述的示波器為可存儲記錄數(shù)據(jù)的數(shù)字示波器。

本發(fā)明提供的一種測量非線性晶體熱透鏡焦距的方法，其原理為：在外腔倍頻過程中，為了獲得穩(wěn)定的倍頻光輸出，需要將光學(xué)諧振腔鎖定在注入的基頻光的頻率上，當(dāng)掃描光學(xué)諧振腔的腔長來尋找諧振點(diǎn)時(shí)，非線性晶體嚴(yán)重的熱效應(yīng)導(dǎo)致了光學(xué)諧振腔諧振頻率的偏移，表現(xiàn)為諧振腔透射譜的展寬。而諧振腔諧振頻率的偏移量與非線性晶體的熱透鏡焦距有一定的關(guān)系，通過測量諧振頻率偏移量的大小可以得到非線性晶體的熱透鏡焦距。

在倍頻過程中，引起非線性晶體熱效應(yīng)的因素包括晶體單獨(dú)對基頻光的吸收，單獨(dú)對倍頻光的吸收以及倍頻光誘導(dǎo)基頻光的吸收。由于非線性晶體單獨(dú)對基頻光的吸收很弱，所以只考慮另外兩種因素引起的熱效應(yīng)，其熱透鏡焦距可表示為：

其中，ω為基頻光束在非線性晶體中心的腰斑半徑，F(xiàn)為光學(xué)諧振腔的精細(xì)度，λ_ω為基頻光的波長，Δ和Θ分別為非線性晶體倍頻光誘導(dǎo)基頻光引起的光學(xué)諧振腔的失諧量及吸收倍頻光引起的光學(xué)諧振腔的失諧量，表示為：

和

其中，α_u、α_s分別為倍頻光誘導(dǎo)基頻光吸收系數(shù)及單獨(dú)對倍頻光的吸收系數(shù)，L_C為非線性晶體的長度，Γ_eff為晶體的非線性系轉(zhuǎn)化數(shù)，P為光學(xué)諧振腔內(nèi)基頻光功率，K_C為非線性晶體的熱導(dǎo)率，dn/dT為非線性晶體的熱光系數(shù)。對于特定的非線性晶體來說，其對倍頻光的吸收系數(shù)α_s以及非線性轉(zhuǎn)化系數(shù)Γ_eff是確定的，可根據(jù)具體的腔內(nèi)基頻光功率值求得Θ。另外，由這兩部分熱效應(yīng)引起的光學(xué)諧振腔的總失諧量Ψ＝Δ+Θ表示為：

其中，Δν＝ν-ν₀為光學(xué)諧振腔諧振頻率的偏移量，ν₀為沒有熱效應(yīng)時(shí)光學(xué)諧振腔的諧振頻率，ν為熱效應(yīng)存在時(shí)光學(xué)諧振腔的諧振頻率，c為真空中光的傳播速度，L為諧振腔的幾何長度，n為非線性晶體的折射率。由式1-4可知，在光學(xué)諧振腔內(nèi)基頻光功率一定的情況下，通過測量光學(xué)諧振腔諧振頻率的偏移量Δν即可計(jì)算得到非線性晶體的熱透鏡焦距f，同時(shí)，還可計(jì)算求得非線性晶體倍頻光誘導(dǎo)基頻光的吸收系數(shù)α_u，為具體研究非線性晶體的熱特性提供了有效途徑。

本發(fā)明提供的一種測量非線性晶體熱透鏡焦距的方法，包括以下步驟：

(a)由信號發(fā)生器產(chǎn)生低頻掃描信號，經(jīng)高壓放大器放大后加載于粘連在腔鏡的壓電陶瓷上，掃描光學(xué)諧振腔的腔長，用示波器記錄光學(xué)諧振腔的透射譜；

(b)根據(jù)獲得的光學(xué)諧振腔的透射譜，測量出其頻率偏移量Δν＝ν-ν₀；

(c)根據(jù)式4得到光學(xué)諧振腔總的失諧量Ψ；

(d)根據(jù)非線性晶體對倍頻光的吸收系數(shù)α_s和非線性轉(zhuǎn)化系數(shù)Γ_eff，由式3可得出在一定的腔內(nèi)基頻光功率下，非線性晶體吸收倍頻光引起的失諧量Θ；

(e)根據(jù)關(guān)系式Δ＝Ψ-Θ，得出由吸收基頻光引起的失諧量Δ；

(f)根據(jù)得到的失諧量Δ和Θ，由式4和2可同時(shí)得到非線性晶體的熱透鏡焦距f和其倍頻光誘導(dǎo)基頻光的吸收系數(shù)α_u。

與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明在對非線性晶體的熱透鏡焦距進(jìn)行測量時(shí),不必分析晶體本身發(fā)生的復(fù)雜的熱過程，也無需引入其他光學(xué)系統(tǒng)，只需在諧振腔后監(jiān)測光學(xué)諧振腔的透射譜的變化，即可得到非線性晶體的熱透鏡焦距，該測量方法過程簡單，結(jié)果精確。

2.本發(fā)明適用于任意非線性晶體的熱透鏡焦距的測量。

3.本發(fā)明適用于不同腔型結(jié)構(gòu)中非線性晶體熱透鏡焦距的測量。

4.本發(fā)明在測量非線性晶體熱透鏡焦距的基礎(chǔ)上，還可以分析非線性晶體的熱特性，如倍頻光誘導(dǎo)基頻光吸收系數(shù)，進(jìn)而明確引起熱效應(yīng)各部分因素對非線性晶體熱效應(yīng)的貢獻(xiàn)量。

總之，本發(fā)明能夠準(zhǔn)確測量非線性晶體的熱透鏡焦距，裝置簡單，操作簡便，同時(shí)還可具體研究非線性晶體的熱特性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施方案一：“8”字環(huán)形諧振腔實(shí)現(xiàn)倍頻光輸出過程中非線性晶體熱透鏡焦距測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：1-非線性晶體，2-光學(xué)諧振腔，3-單頻激光器，4-功率調(diào)節(jié)器，5-分束器，6-光電探測器，7-示波器，8-信號發(fā)生器，9-高壓放大器，10-倍頻光，11-基頻光，12-第一平面鏡，13-第二平面鏡，14-第一平凹鏡，15-第二平凹鏡。

圖2為本發(fā)明實(shí)施方案二：駐波腔實(shí)現(xiàn)倍頻光輸出過程中非線性晶體熱透鏡焦距測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：1-非線性晶體，2-光學(xué)諧振腔，3-單頻激光器，4-功率調(diào)節(jié)器，5-分束器，6-光電探測器，7-示波器，8-信號發(fā)生器，9-高壓放大器，10-倍頻光，11-基頻光，16-凹凸鏡，17-平凹鏡。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，但是本發(fā)明不限于這些實(shí)施案例。

實(shí)施方式一：圖1所示為本發(fā)明對“8”字環(huán)形腔中非線性晶體熱透鏡焦距進(jìn)行測量的裝置，包括非線性晶體1、光學(xué)諧振腔2、單頻激光器3、功率調(diào)節(jié)器4、分束器5、光電探測器6、示波器7、信號發(fā)生器8、高壓放大器9。被測非線性晶體由銦箔包覆通過真空銦焊置于紫銅控溫爐中，并置于諧振腔的最小腰斑處，以保證最大的轉(zhuǎn)化效率，控溫爐采用熱電制冷器(TEC)進(jìn)行溫度控制，控溫精度為0.1℃，以實(shí)現(xiàn)最佳相位匹配；光學(xué)諧振腔2為“8”字環(huán)形結(jié)構(gòu)，由第一平面鏡12、第二平面鏡13、第一平凹鏡14、第二平凹鏡15組成，第一平面鏡12鍍有對基頻光部分透射、對倍頻光高反膜，第二平面鏡13鍍有對基頻光和倍頻光均高反膜，第一平凹鏡14鍍有對基頻光與倍頻光均高反膜，第二平凹鏡15鍍有對基頻光高反，對倍頻光高透膜；單頻激光器3產(chǎn)生特定波長的基頻光，經(jīng)功率調(diào)節(jié)器4注入到光學(xué)諧振腔2，分束器5將光學(xué)諧振腔2輸出的基頻光11和倍頻光10分離，其中基頻光11注入到光電探測器6；光電探測器6的輸出信號輸入到示波器7記錄光學(xué)諧振腔2的透射譜；信號發(fā)生器8輸出的低頻掃描信號，經(jīng)高壓放大器9放大后加載于粘連在第一平凹鏡14的壓電陶瓷上，掃描光學(xué)諧振腔2的腔長。

實(shí)施方式二：圖2所示為本發(fā)明對駐波腔中非線性晶體熱透鏡焦距進(jìn)行測量的裝置，包括非線性晶體1、光學(xué)諧振腔2、單頻激光器3、功率調(diào)節(jié)器4、分束器5、光電探測器6、示波器7、信號發(fā)生器8、高壓放大器9。被測非線性晶體由銦薄包覆通過真空銦焊置于紫銅控溫爐中，并置于諧振腔的最小腰斑處，以保證最大的轉(zhuǎn)化效率，控溫爐采用熱電制冷器(TEC)進(jìn)行溫度控制，控溫精度為0.1℃，以實(shí)現(xiàn)最佳相位匹配；光學(xué)諧振腔2為駐波腔結(jié)構(gòu)，由凹凸鏡16和平凹鏡17組成，凹凸鏡16鍍有對基頻光有一定透射率且對倍頻光高反模，平凹鏡17鍍有對基頻光高反，對倍頻光高透模；單頻激光器3產(chǎn)生特定波長的基頻光，經(jīng)功率調(diào)節(jié)器4注入到光學(xué)諧振腔2，分束器5將光學(xué)諧振腔2輸出的基頻光11和倍頻光10分離，其中基頻光11注入到光電探測器6轉(zhuǎn)化為電信號；光電探測器6的輸出信號輸入到示波器7記錄光學(xué)諧振腔2的透射譜；信號發(fā)生器8輸出的低頻掃描信號，經(jīng)高壓放大器9放大后加載于粘連在平凹鏡17的壓電陶瓷上，掃描光學(xué)諧振腔2的腔長。

被測非線性晶體1為MgO:PPSLT晶體，尺寸為0.8×2×10mm³，兩端面均鍍有795nm及397.5nm高反膜，極化周期為9.23μm；光學(xué)諧振腔2為“8”字環(huán)形結(jié)構(gòu)，第一平面鏡12為對795nm光透射率為11％，對397.5nm光高反的輸入耦合鏡，第二平面鏡13為對795nm光和397.5nm光均高反的平面鏡，第一平凹鏡14為對795nm光及397.5nm光均高反的平凹鏡，曲率半徑為100mm，第二平凹鏡15對795nm光高反，397.5nm光高透的平凹鏡，曲率半徑為100mm；單頻激光器3為輸出波長為795nm的鈦寶石激光器；功率控制器4由半波片和偏振分光棱鏡組成；光電探測器6用于探測795nm光透射峰，型號為S3399，示波器7用于監(jiān)視探測器探測到的信號，以記錄不同注入泵浦功率下的透射譜。當(dāng)注入光學(xué)諧振腔2中的激光功率為1.957W時(shí)，記錄光學(xué)諧振腔的透射譜。測量得到光學(xué)諧振腔諧振頻率的偏移量為

105MHz，利用公式

計(jì)算得光學(xué)諧振腔總的失諧量Ψ為19.1，其中光速c為3×10⁸m/s，光學(xué)諧振腔腔長L為534mm，非線性晶體的長度L_C為10mm，非線性晶體的折射率n為2.178，無熱效應(yīng)時(shí)光學(xué)諧振腔的精細(xì)度F為50。根據(jù)晶體對倍頻光的吸收系數(shù)4.6％cm^-1，結(jié)合公式計(jì)算得吸收倍頻光引起的失諧量Θ為0.6，利用公式Δ＝Ψ-Θ可得由倍頻光誘導(dǎo)基頻光吸收引起的失諧量Δ為18.5，其中，P_f為18.7mW，熱導(dǎo)率K_C為8.4W/m·K，熱光系數(shù)dn/dT為2.6×10^-5K^-1，基頻光波長λ_ω為795nm。再利用公式計(jì)算得非線性晶體的熱透鏡焦距為2.8mm，其中腰斑半徑ω為42.18μm，同時(shí)，可以利用求得的Δ結(jié)合公式得出397.5nm光誘導(dǎo)795nm光吸收系數(shù)為5.36％/cm。用同樣的方法即可測量得不同注入功率下非線性晶體的熱透鏡焦距以及非線性晶體的397.5nm光誘導(dǎo)795nm光的吸收系數(shù)。