基于PPKTP晶體的飛秒激光倍頻實(shí)驗(yàn)研究

劉延等

摘 要 利用PPKTP晶體進(jìn)行了中心波長為780 nm、重復(fù)頻率為250 MHz、脈寬為100 fs、譜寬為15 nm的飛秒激光倍頻實(shí)驗(yàn)研究.在最佳匹配溫度條件下，得到了功率約為23 mW、中心波長為390 nm、譜寬為0.6 nm的紫外倍頻光，倍頻轉(zhuǎn)換效率為13.9%.該脈沖激光具有模式極優(yōu)、線寬很窄等特點(diǎn)，是一種很有價值的紫外激光光源.

關(guān)鍵詞 PPKTP晶體；飛秒激光；倍頻

中圖分類號 O437文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 10002537（2014）03005805

“量子糾纏”被稱為“量子力學(xué)的精髓”[1]，它“反映了量子力學(xué)的本質(zhì)——相干性、或然性和空間非定域性”[2]，這些性質(zhì)深刻影響著人們對物理世界的認(rèn)知和理解，同時也為人們探索物理世界提供了全新的方法、手段和資源.在量子計算和量子通信等領(lǐng)域，量子糾纏已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[34]，而這些應(yīng)用得益于人們不斷制備出新型高效率的量子糾纏源.在多光子糾纏研究領(lǐng)域，研究者常利用780 nm的飛秒激光脈沖經(jīng)過LBO等非線性晶體，倍頻產(chǎn)生390 nm激光脈沖，再利用參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生糾纏光子對[5]和多光子糾纏態(tài)[6].但是，LBO晶體二階非線性系數(shù)較低，需要較高的基頻激光能量，而且制備的390 nm激光模式較差.作者在本研究中，利用單脈沖能量僅為0.66 nJ、功率165 mW的 780 nm飛秒激光，倍頻得到單脈沖能量0.09 nJ、功率23 mW的390 nm的紫外脈沖激光，轉(zhuǎn)換效率為 13.9%，且激光模式極優(yōu)、線寬很窄.這為利用PPKTP等新型高效率的非線性晶體，研制低功耗、小體積、高效率的新型多光子糾纏源，提供了一種有價值的紫外激光光源.

1 周期極化晶體倍頻的理論

2 倍頻實(shí)驗(yàn)裝置

采用準(zhǔn)相位匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛秒激光脈沖PPKTP晶體倍頻實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)中，使用Menlosystem公司MFiber A 780的飛秒激光作為基頻光，輸出激光的中心波長為780 nm、脈寬為100 fs、重復(fù)頻率為250 MHz、功率為165 mW、脈沖的峰值能量為0.66 nJ.該激光光束為高斯型光束，M2因子為1.02.用光束分析儀測量得到的光束亮斑（如圖1所示），光束直徑約為1 mm.用高分辨率光譜儀測量得到了激光脈沖的光譜圖（如圖2所示），頻譜寬約為15 nm.

圖1 基頻光光斑

Fig.1 The light spot of fundamental frequency light

圖2 基頻光光譜

Fig.2 The spectrum of fundamental frequency light

利用PPKTP晶體進(jìn)行飛秒激光脈沖倍頻實(shí)驗(yàn)的裝置如圖3所示.基頻光從激光器出射，經(jīng)兩個反射鏡M（780 nm反射鏡）準(zhǔn)直，通過聚焦透鏡L耦合到I型PPKTP晶體中.基頻光的偏振方向?yàn)樨Q直方向（Vertical），與PPKTP晶體的本征偏振方向（Vertical）相同，保證了倍頻實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)實(shí)現(xiàn).PPKTP晶體的尺寸為10 mm×2 mm×1 mm（長×寬×高），極化周期為2.95 μm，兩端面均鍍有780 nm和390 nm激光增透膜.將PPKTP晶體置于晶體溫控爐中，溫控爐被固定在三維平移臺上.溫控爐的溫度調(diào)節(jié)范圍為25 ℃到200 ℃，精度為0.1 ℃.選擇合適的聚焦透鏡L，并精確調(diào)節(jié)PPKTP晶體的位置，使光束束腰位于晶體中心.

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

Fig.3 Experimantal setup

光束經(jīng)PPKTP晶體，獲得390 nm倍頻紫外光（但其中混雜780 nm基頻光及其他雜散光）.隨后，光束經(jīng)過6個光學(xué)器件，包括4個45°雙色分光鏡（M1、M2、M5、M6）和2個濾波片（M3、M4），其中M1、M2、M5、M6為高反390 nm（反射率99.9%）高透780 nm（透過率98%）的雙色分光鏡，M3為785 nm帯阻濾波片（Tavg>80% 350～400 nm；Tavg > 93% 400～742.1 nm；Tavg>93% 827.9～1 600 nm；ODabs>6 785 nm），M4為390 nm帶通濾波片（Tavg>90% 381～399 nm；ODavg>5 200～340 nm；ODavg>3.3 340～345 nm；ODavg > 3.3 423～428 nm；ODavg > 5 428～1 000 nm）.按照圖3擺放PPKTP晶體后的光學(xué)器件，其一是為了較好地濾掉780 nm泵浦光及其他雜散光，得到純凈單一的390 nm倍頻光；其二是為了給接下來利用Ⅱ型參量下轉(zhuǎn)換過程制備量子糾纏源的實(shí)驗(yàn)提供方便.最后，對倍頻光進(jìn)行功率測量和光譜分析.

3 倍頻實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中將中心波長為780 nm、頻譜寬為15 nm、脈寬為100 fs、重復(fù)頻率為250 MHz、輸出功率為165 mW的飛秒激光脈沖作為基頻光.

參考Boyd和Kleinman對倍頻實(shí)驗(yàn)中高斯光束聚焦問題的研究[10]，根據(jù)高斯光束傳播規(guī)律[11]，可計算得到倍頻實(shí)驗(yàn)中聚焦在PPKTP晶體中心的光束的最佳束腰半徑為22 μm. 實(shí)驗(yàn)中選擇不同焦距的聚焦透鏡，使光束束腰位于PPKTP晶體的中心位置，經(jīng)PPKTP晶體倍頻后，分別測量倍頻光的光功率，并計算倍頻效率（倍頻效率=倍頻光功率/泵浦光功率×100%），具體結(jié)果見表1.

由表1可知，用F=50 mm的聚焦透鏡比用F=100 mm的聚焦透鏡進(jìn)行倍頻實(shí)驗(yàn)得到的倍頻效率要高，但用F=50 mm的聚焦透鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，觀察到390 nm倍頻光模式不斷變化，且功率不斷下降，倍頻光如圖4所示.這是光致折射效應(yīng)（激光脈沖與介質(zhì)相互作用時會引起介質(zhì)折射率的改變）所導(dǎo)致的光束發(fā)散或畸變的現(xiàn)象.若入射激光的強(qiáng)度超過晶體介質(zhì)的強(qiáng)度損傷閾值，還會引起晶體介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改變，使晶體受到損害.

經(jīng)過綜合考慮，作者最后選擇了焦距F=100 mm的聚焦透鏡，PPKTP晶體中心光束的腰斑半徑約為42 μm.

在選擇聚焦透鏡焦距F=100 mm的情況下，緩慢改變晶體溫度（間隔0.1 ℃）測量得到倍頻光功率隨晶體溫度變化的關(guān)系曲線（如圖5所示）.從圖中可以確定晶體的最佳倍頻溫度為55 ℃左右，但是，不同于連續(xù)激光倍頻實(shí)驗(yàn)[1213]，利用飛秒激光脈沖進(jìn)行PPKTP晶體倍頻實(shí)驗(yàn)時，倍頻光功率對晶體溫度并不敏感，倍頻效率的變化很小.這是由于飛秒激光的光譜較寬，實(shí)驗(yàn)中不僅有二倍頻效應(yīng)還有和頻效應(yīng)，因此在較寬的溫度范圍內(nèi)，不同波長的和頻效應(yīng)依次發(fā)生，而輸出功率基本保持恒定.

倍頻實(shí)驗(yàn)中獲得的390 nm紫外倍頻光滿足利用Ⅱ型參量下轉(zhuǎn)換過程制備糾纏光子實(shí)驗(yàn)對于泵浦光的要求.

4 結(jié)束語

對脈寬為100 fs超短激光脈沖在PPKTP晶體中的倍頻進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并分析了倍頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)倍頻轉(zhuǎn)換效率對溫度匹配并不敏感，倍頻光譜寬大幅變窄.在單次通過PPKTP晶體的情況下，獲得了光功率約為23 mW、中心波長為390 nm、譜寬為0.6 nm的倍頻光.實(shí)驗(yàn)裝置簡單，便于調(diào)節(jié)，為利用PPKTP等新型高效率的非線性晶體，研制低功耗、小體積、高效率的新型多光子糾纏源，提供了一種有價值的紫外激光光源.

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[12] 趙 陽，李 燁，彭 瑜，等.用周期極化 KTP 晶體高效倍頻獲得穩(wěn)定461nm激光[J].光學(xué)學(xué)報， 2009，29（9）：24732478.

[13] 李嘉華，鄭海燕，張 玲，等.利用PPKT P 晶體倍頻產(chǎn)生397. 5 nm 激光的實(shí)驗(yàn)研究[J].量子光學(xué)學(xué)報，2011，17（1）：3033.

（編輯 陳笑梅）

經(jīng)過綜合考慮，作者最后選擇了焦距F=100 mm的聚焦透鏡，PPKTP晶體中心光束的腰斑半徑約為42 μm.

在選擇聚焦透鏡焦距F=100 mm的情況下，緩慢改變晶體溫度（間隔0.1 ℃）測量得到倍頻光功率隨晶體溫度變化的關(guān)系曲線（如圖5所示）.從圖中可以確定晶體的最佳倍頻溫度為55 ℃左右，但是，不同于連續(xù)激光倍頻實(shí)驗(yàn)[1213]，利用飛秒激光脈沖進(jìn)行PPKTP晶體倍頻實(shí)驗(yàn)時，倍頻光功率對晶體溫度并不敏感，倍頻效率的變化很小.這是由于飛秒激光的光譜較寬，實(shí)驗(yàn)中不僅有二倍頻效應(yīng)還有和頻效應(yīng)，因此在較寬的溫度范圍內(nèi)，不同波長的和頻效應(yīng)依次發(fā)生，而輸出功率基本保持恒定.

倍頻實(shí)驗(yàn)中獲得的390 nm紫外倍頻光滿足利用Ⅱ型參量下轉(zhuǎn)換過程制備糾纏光子實(shí)驗(yàn)對于泵浦光的要求.

4 結(jié)束語

對脈寬為100 fs超短激光脈沖在PPKTP晶體中的倍頻進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并分析了倍頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)倍頻轉(zhuǎn)換效率對溫度匹配并不敏感，倍頻光譜寬大幅變窄.在單次通過PPKTP晶體的情況下，獲得了光功率約為23 mW、中心波長為390 nm、譜寬為0.6 nm的倍頻光.實(shí)驗(yàn)裝置簡單，便于調(diào)節(jié)，為利用PPKTP等新型高效率的非線性晶體，研制低功耗、小體積、高效率的新型多光子糾纏源，提供了一種有價值的紫外激光光源.

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[13] 李嘉華，鄭海燕，張 玲，等.利用PPKT P 晶體倍頻產(chǎn)生397. 5 nm 激光的實(shí)驗(yàn)研究[J].量子光學(xué)學(xué)報，2011，17（1）：3033.

（編輯 陳笑梅）

經(jīng)過綜合考慮，作者最后選擇了焦距F=100 mm的聚焦透鏡，PPKTP晶體中心光束的腰斑半徑約為42 μm.

在選擇聚焦透鏡焦距F=100 mm的情況下，緩慢改變晶體溫度（間隔0.1 ℃）測量得到倍頻光功率隨晶體溫度變化的關(guān)系曲線（如圖5所示）.從圖中可以確定晶體的最佳倍頻溫度為55 ℃左右，但是，不同于連續(xù)激光倍頻實(shí)驗(yàn)[1213]，利用飛秒激光脈沖進(jìn)行PPKTP晶體倍頻實(shí)驗(yàn)時，倍頻光功率對晶體溫度并不敏感，倍頻效率的變化很小.這是由于飛秒激光的光譜較寬，實(shí)驗(yàn)中不僅有二倍頻效應(yīng)還有和頻效應(yīng)，因此在較寬的溫度范圍內(nèi)，不同波長的和頻效應(yīng)依次發(fā)生，而輸出功率基本保持恒定.

倍頻實(shí)驗(yàn)中獲得的390 nm紫外倍頻光滿足利用Ⅱ型參量下轉(zhuǎn)換過程制備糾纏光子實(shí)驗(yàn)對于泵浦光的要求.

4 結(jié)束語

對脈寬為100 fs超短激光脈沖在PPKTP晶體中的倍頻進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并分析了倍頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)倍頻轉(zhuǎn)換效率對溫度匹配并不敏感，倍頻光譜寬大幅變窄.在單次通過PPKTP晶體的情況下，獲得了光功率約為23 mW、中心波長為390 nm、譜寬為0.6 nm的倍頻光.實(shí)驗(yàn)裝置簡單，便于調(diào)節(jié)，為利用PPKTP等新型高效率的非線性晶體，研制低功耗、小體積、高效率的新型多光子糾纏源，提供了一種有價值的紫外激光光源.

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[12] 趙 陽，李 燁，彭 瑜，等.用周期極化 KTP 晶體高效倍頻獲得穩(wěn)定461nm激光[J].光學(xué)學(xué)報， 2009，29（9）：24732478.

[13] 李嘉華，鄭海燕，張 玲，等.利用PPKT P 晶體倍頻產(chǎn)生397. 5 nm 激光的實(shí)驗(yàn)研究[J].量子光學(xué)學(xué)報，2011，17（1）：3033.

（編輯 陳笑梅）