常温条件下KTP晶体应用于1319nm激光

引言

全固态蓝光激光器在生物工程、大屏幕显示、激光医疗和海底通信等许多领域都具有重要的应用。目前，为了获得功率高、稳定性好的固体激光输出，通常采用非线性光学手段，如用三硼酸锂(LBO)或偏硼酸钡(BBO)晶体对946nm(Nd∶YAG)激光倍频(SHG)获得473nm蓝光输出；利用Nd∶YVO4晶体的914nm及Nd∶GdVO4晶体的912nm激光谱线的倍频获得457nm、456nm蓝光输出。还可以对1.3μm红外基频光与其倍频光进行和频而获得三倍频(THG)蓝色激光的输出。这个方案对获得大功率的蓝光激光是有利的。如中国科学院物理研究所利用LBO晶体对1319nm激光谱线进行内腔三倍频获得了高功率440nm蓝色激光的输出;X.D.Mu等[6,7]的1319nm三倍频实验中倍频晶体采PP-KTP,和频KTP晶体切割角度为θ=90°,φ=0°,高温控制；暨南大学对Nd∶YAP晶体的1341.4nm进行了三倍频实验，三倍频晶体也选用了KTP晶体。

KTP晶体作为优良的非线性光学晶体在440nm处有较好透射率（晶体长度为1cm时透射率约为88%),虽有少量的吸收，但是KTP晶体有较大的有效非线性系数。与9nm倍频的情况相反，在1319nm激光三倍频处存在相位匹配角，并有较小的走离角，不潮解，价格低廉的优点。

非线性晶体的色散方程在人们已重点关注的波长有很好的精度，但当应用于新的波长、新非线性变换时（如本文研究的1319nm三倍频、临界相位匹配），由于色散方程本身的误差，将导致计算所得的相位匹配角数值存在较大的误差[9],难以直接采用。所以对相位匹配角的实验探索是正式激光实验的重要前期工作。本文在计算的基础上利用激光器实验，根据晶体在腔内旋转时激光输出的强弱变化现象，利用激光器实验获得了该相位匹配角的实验值。

1319nm三倍频相位匹配角的计算

晶体中共线条件下三波互作用要满足的相位匹配可表示为

由于KTP晶体Ⅰ类匹配有效非线性系数远小于Ⅱ类匹配，所以实验中三倍频处选择Ⅱ类匹配方式为

根据不同文献中的KTP色散方程计算得到的1319nm三倍频(Ⅱ类相位匹配）的相位匹配曲线如图1所示。计算依据的色散方程分别是K.Kato等，于1992年和2002年得出的色散方程，B.Boulanger等在1994年得出的结果和SNLO软件中色散数据。图2为与图1中4条曲线相对应的有效非线性系数deff和θ的关系图。最佳相位匹配角(θ,φ)的值通常在deff取最大值时取得。所以，获得4组相位匹配角度计算值：1)θ=87.74°,φ=0°(K.Kato,1992);2)θ=87.40°,φ=0°(B.Boulanger,1994);3)θ=85.63°,φ=0°(K.Kato,2002);4)θ=84.40°,φ=0°(SNLO)。

4组结果中θ角度范围为：84.40°~87.74°。晶体在切割时一般具有0.1°的精度（角度的测量精度要高于晶体加工精度），所以上述角度范围太大。为了找出更准确的相位匹配角度数值，先挑选一个计算结果对KTP晶体进行切割及做激光实验。实验中选取的角度是(θ=84.6°,φ=0°),晶体切割后再进行测量，实际θ值略大于84.7°。

对三倍频相位匹配角的实验测量

实验装置

在实验中，采用直短腔激光二极管(LD)端面抽运内腔三倍频的实验方案，如图3所示 

LD大输出功率为7.3 W,Nd∶YAG晶体尺寸φ3 mm×7 mm,Nd3+参杂原子数分数为1%,左端面镀膜情况：808nm@HT,660@HR,1319nm@HR,右端面：1319nm@HT。声光Q开关（为了增加峰值功率，提高腔内增益）调至重复频率7.1 kHz。实验中倍频KTP晶体(θ=59.8°,φ=0°)和三倍频处KTP晶体尺寸均为3 mm×3 mm×10 mm,端面未镀膜。输出耦合镜镀膜情况为：440 nm@HT,660@AT,1319 nm@AT。三倍频KTP晶体水冷温度设定为20℃。He-Ne激光有两个作用：1)用于对激光器各器件进行准直，2)三倍频KTP晶体旋转后，用于测量该晶体的转动角度。

测量实验

首先正确放置KTP晶体，以满足(2)式的要求。图4给出了腔内各波长激光偏振情况，对于倍频晶体，1319nmo光和e光产生660nm的o光，而660nm相对三倍频KTP晶体要作为e光入射，并与相对三倍频晶体来说为o光的1319nm相互作用而产生440nm的o光。另外，在倍频过程中由于1319 nm的e光走离较为严重，在具体实验中将倍频晶体放在靠近输出镜一端，而三倍频晶体放在腔内部，如图3所示，以减少走离带来的影响。

实验中LD抽运功率为4 W,输出440nm蓝光，并有660nm红光漏出。用光谱仪测量1319nm带宽约0.5 m,660nm带宽约0.2nm,调Q的脉冲宽度约40ns。在激光器右端，用三棱镜将输出光分光，照射在光屏上（分成红蓝两个光斑）。然后分别向不同的方向精细旋转三倍频KTP晶体（改变θ和φ的大小），观察光屏上蓝光光斑的强度变化。在KTP晶体右端面竖直向上偏转时(θ发生变化），光斑亮度经历了由亮到暗，然后再到明亮，最后逐渐变暗消失的过程。而改变φ的过程中没有发生此现象。光斑亮暗变化过程的原因可解释为，在开始的光路中，腔内各器件是准直好的，于是输出光斑亮度高；三倍频晶体偏转后，光斑亮度明显减弱，这是由于晶体端面未镀增透膜，发生了反射（输出损耗，导致腔内基频和倍频光的功率下降），而且偏角越大，损耗越严重，光斑继续变暗；但晶体旋转到一定角度时输出光斑又变亮，这是由于此时激光在晶体中的传播方向达到了相位匹配的条件，虽然基频和倍频光的功率仍处于下降趋势中，但由于三倍频效率的提高，三倍频蓝光的输出强度升高了；继续旋转晶体，蓝光亮度又变弱。由此可以判断目前晶体的匹配角不是最佳的，而最佳相位匹配角度应该在晶体旋转后光斑最亮时，激光在晶体中的传播方向。

在晶体旋转后蓝光最强时，保持晶体的偏转角度不变，关闭激光器，撤去输出镜、三棱镜和倍频KTP晶体，测量三倍频晶体的偏转角度。利用三倍频晶体到光屏的距离l值（图3)、He-Ne激光束在光屏上的入射小孔位置及He-Ne激光在三倍频晶体反射后在光屏上的光斑间的距离Δx，根据公式2θ′=arct an(Δx／l）可计算出He-Ne激光的入射光线与反射光线的夹角2θ′,从而得到三倍频晶体的偏转角度θ′。激光器运转时，腔内晶体外面（自由空间）振荡光的运行方向是和准直光方向平行的，如图5所示。振荡光在晶体表面发生折射，在晶体内部，振荡激光和晶体端面法线的夹角记为Δθ,即为KTP晶体相位匹配角需要修正的值。根据折射公式计算时，晶体内振荡光的折射率可根据目前晶体的方位(θ,φ)使用色散方程进行计算，由于基频光和倍频光的折射率略有差异，本实验近似都取折射率为1.8。当KTP晶体的温度控制为20℃,经过多次测量，Δx≈0 . 9 cm , l≈53 . 5 cm 时，计算得到 Δθ= 0 . 27 °。

为确定Δθ的变化方向，改变晶体工作温度，通过SNLO软件计算可知，KTP晶体的相位匹配角度（xoz面）随着温度升高，θ值增加。调节三倍频KTP晶体的水冷温度，绘制出从7℃到40℃之间Δθ大小随温度的变化曲线，如图6所示。从中可以判断出20℃时，此KTP晶体最佳相位匹配角θ应该在原角度的基础上增加0.27°。

晶体照实验结果(Δθ= 0 . 27 °) 对 角 度 进 行 修整后测量为 θ= 85 . 04 °, φ= 0 °。将 晶 体 放 入 激 光 腔中重新进行实验，并通过调节温度的方法来观察输出 440 nm 蓝 光 功 率 的 变 化 情 况，寻 找 最 佳 相 位 匹配温度，如图 7 所示，在 18  ℃时功率达到最大值 。

结论

根据激光器运转时，输出激光强度随着腔中器件的偏转变化较为明显的原理，在理论计算的基础上，采用旋转晶体和调节温度的方法对三倍频KTP晶体切割角的大小进行了实验测量，最终确定1319nm激光三倍频KTP晶体相位匹配角的大小为θ=85.04°,φ=0°,对应的最佳工作温度为18℃。