06--产生太赫兹辐射源的Nd_YAG双波长准连续激光器
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M i nist ry of Ed ucation , Ti an j i n U ni versit y , Ti anj i n 300072 , Chi na 3 Col le ge of A utom ation , Ti anj i n U ni versit y , Ti anj i n 300072 , Chi na
本文研究的双波长激光谱线分别是 R2 2X 1 跃 迁 ,辐射波长为1318. 8 nm ; R2 2X 3 跃迁 ,辐射波长 为1338. 2 nm 。已报道过侧面抽运 Nd∶YA G 实现这 两个 波 长 的 同 时 输 出[6 ,11 ] 。进 行 了 激 光 二 极 管 (LD) 端面抽运 Nd∶YA G 1319 nm/ 1338 nm双波长 激光 器 的 实 验 研 究 。为 了 利 用 DA S T ( 42N , N2 dimet hylamino24′2N′2met hyl2stilbazolium to sylate) 晶体进行双波长差频产生高相干性太赫兹波 ,在激 光腔中 插 入 一 块 布 儒 斯 特 片 实 现 了 双 波 长 激 光 1319 nm/ 1338 nm准连续偏振运转 。
1 引 言
太赫兹波一般是指频率在 0. 1～10 T Hz ,对应 波长为 3000～30μm范围内的电磁波 ,其波段位于 电磁波谱中毫米波和远红外光之间 ,是光子学技术 与电子学技术的过渡领域 。近十几年来 ,有关太赫 兹波辐射的研究引起了广泛的关注 ,已逐渐成为各 发达国家的重大研究方向 ,而太赫兹辐射源的研究 更是太赫兹技术研究的重点 。产生太赫兹波辐射的 方法可分为电子学和光子学两类 。近年来 ,非线性 光学的飞速发展带动了基于光子学原理产生太赫兹 技术的发展 :如基于周期微结构材料和固体非线性 材料的光学参变振荡 、光整流 、光电导 、光抽运 、光学 受激效应 、表面发射效应 、光学倍频及差频效应 、光 学切连科夫 ( Cherenkov) 效应等非线性效应[1] 。其 中 ,利用非线性光学差频方法获得太赫兹辐射因其 没有阈值 、实验设备容易搭建 、容易实现差频转换而 成为研究热点[2 ,3] 。很多激光增益介质都有多条跃 迁谱线 ,只要进行合理的谐振腔设计[4～6] ,就可以在 腔内同时产生两个甚至两个以上的波长振荡 。其 中 ,Nd∶YA G 晶体具有优秀的物理化学和激光特 性 。基于 Nd∶YA G 晶体的1064 nm固体激光器是目 前应用最广泛的激光器 。以 Nd∶YA G 晶体为激光 增益 介 质 , 不 仅 能 够 获 得 高 功 率 的 1064 nm , 1319 nm和946 nm波长的激光输出 ,还可以获得高 功率的多波长激光同时输出 。目前已有的报道主要 是1064 nm和946 nm ,1064 nm和1319 nm ,1319 nm 和1338 nm等双波长激光同时运转[7～10 ] 。
第
35 卷 第 2 2008 年 2 月
期
中 国 激 光 C H IN ESE J OU RNAL O F L A SERS
文章编号 : 025827025 (2008) 0220200206
Vol. 35 , No . 2 February , 2008
产生太赫兹辐射源的 Nd∶YAG双波长准连续激光器
2 实验结果
为了获得较高的峰值功率 , 采用声光调 Q 技 术 ,进行了双波长激光准连续运转的实验工作 。实 验结构如图 1 所示 ,采用的谐振腔结构为简单凹平 直腔 。实验中所用的光纤输出激光二极管由德国
L IMO 公司生产 ,中心波长在808 nm附近 ,最大输 出功率30 W ,光纤芯径400μm ,数值孔径0. 22 。实验 中所用的光学耦合系统可将抽运光聚焦成直径约为 320μm的光斑 ,对808 nm的透射率大于 90 % ,工作 距离49. 2 mm ,外径37. 2 mm ,长度 98. 4 mm 。实验 中所用激光晶体是一块键合 Nd∶YA G 晶体 ,晶体尺 寸为 <3 mm ×(3. 8 + 10. 2 + 3. 8) mm , 晶体总长度 17. 8 mm ,两端3. 8 mm为非掺杂区 ,中间10. 2 mm 为掺杂区 ,掺杂原子数分数为1. 1 % ,晶体表面镀有 1319 nm ,1338 nm和1064 nm高透膜 。声光 ( AO) Q 开关 (Q S GSU210/ Q) 重复频率从 0～50 k Hz可调 。 输入镜为平凹镜 ,曲率半径为300 mm ,对1319 nm 和1338 nm的反射率高于 99 % ,实验中测量该输入 镜对808 nm的透射率大于 70 %。输出镜为平镜 ,对 1319 nm和 1338 nm 的 透 射 率 分 别 为 10. 282 % 和 9. 759 %。为了抑制1064 nm的寄生振荡 ,输入镜和 输出镜 的 膜 层 对 1064 nm 激 光 的 透 射 率 均 大 于 75 %。布儒斯特片 (B P) 以布氏角 56°放置 ,表面镀 有对 p 偏振光高透 ( T = 98. 787 %) ,对 s 偏振光高 反 ( T = 1. 3151 %) 的膜系 ,偏振度为0. 983 。实验中 激光二极管抽运源水冷温度设定为15 ℃,Nd∶YA G 晶体水冷温度为12 ℃,声光 Q 开关水冷温度设定为 20 ℃。
பைடு நூலகம்
Simultaneous Dual2Wavelength Quasi2Continuous2Wave Laser2Diode2End2Pumped Nd∶YAG Laser f or Terahertz Wave Sourse
Zheng Fanghua1 ,2 Liu Huan1 ,2 Li Xif u3 Yao J ianquan1 ,2
E2mail :yuanfeisix666 @gmail. com 导师简介 :姚建铨 (1939 —) ,男 ,上海人 ,中国科学院院士 ,教授 ,博士生导师 ,主要从事全固体激光及非线性光学频率变换 技术方面的研究 。E2mail :jqyao @tju. edu. cn
2 期 郑芳华 等 : 产生太赫兹辐射源的 Nd∶YA G 双波长准连续激光器
1 Col lege of Precision I nst rument an d O pto2Elect ronics En gi neeri n g ,
I nstit ute of L aser an d O ptoelect ronics , Ti an j i n U ni versit y , Ti anj i n 300072 , Chi na 2 Key L aboratory of O ptoeleationct ric I n f orm ation S cience an d Technolog y ,
郑芳华1 ,2 刘 欢1 ,2 李喜福3 姚建铨1 ,2
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院激光与光电子研究所 , 天津 300072 2 天津大学教育部光电信息技术科学重点实验室 , 天津 300072 ;3 天津大学自动化学院 , 天津 300072
摘要 产生太赫兹波辐射的方法可分为电子学和光子学两大类 。在光子学领域 ,非线性光学差频方法是获取高功 率 、低成本 、便携 式 、室 温 运 转 太 赫 兹 波 的 主 要 方 法 之 一 。实 验 研 究 了 激 光 二 极 管 (LD) 端 面 抽 运 Nd ∶YA G 1319 nm/ 1338 nm双波长准 连 续 线 偏 振 运 转 激 光 器 , 理 论 计 算 了 输 出 双 波 长 在 非 线 性 晶 体 DAST ( 42N , N2 dimet hylamino24′2N′2met hyl2stilbazolium to sylate) 中差频产生太赫兹辐射的平均功率 。在重复频率50 k Hz时 ,双波 长激光平均输出功率达到2. 22 W ,斜率效率12. 72 % ,线偏振度0. 983 ,脉冲宽度71. 91 ns 。M2 因子仅为1. 165 ,不稳 定性小于0. 487 %。根据非线性差频理论 ,计算出可在1 mm厚 DAST 晶体中获得4. 71 mW的3. 23 T Hz高相干性太 赫兹波辐射 。这两条非常接近的谱线为进一步通过非线性光学差频方法获得高相干性太赫兹波提供了理论基础 。 关键词 激光器 ;Nd∶YA G 双波长激光器 ;非线性光学差频 ;太赫兹波 中图分类号 TN 248. 1 文献标识码 A
收稿日期 :2007204219 ; 收到修改稿日期 :2007209224 基金项目 :国家自然科学基金 (10474071) 和教育部博士点基金 (20040056010) 资助项目 。 作者简介 :郑芳华 (1982 —) ,女 ,河南人 ,硕士研究生 ,主要从事光电子技术方面的研究 。
Abstract The met hods to generate terahertz ( T Hz) waves can be divided into elect ro nics and p hotonics. We use no nlinear optical difference f requency generation to o btain T Hz waves which belongs to p hoto nics met hod. It is po rtable and run at room temperature , wit h high power and low co st . A simultaneo us dual2wavelengt h quasi2 co ntinuo us wave ( CW) laser2diode2end2p umped Nd ∶YA G laser polarized operating at 1319 nm and 1338 nm has been demonst rated and t he laser at 1064 nm is supp ressed successf ully. A total polarized quasi2CW outp ut power of 2. 22 W is obtained at a p ump power of 20 W wit h a p ulse repetition rate of 50 k Hz , and t he slope efficiency is 12. 72 %. The corresponding p ulse widt h is 71. 91 ns. The beam quality factor M2 is as low as 1. 165 and t he instability of t he o utp ut power is less t han 0. 487 % at t he polarized wave o utp ut power of 2. 17 W. U sing t he simultaneous dual2wavelengt h laser , t he highly co herent T Hz wave radiatio n of 3. 23 T Hz will be generated by no nlinear optical difference f requency met hod in DAST (42N , N2dimet hylamino24′2N′2met hyl2stilbazolium to sylate) crystal. The ideal o utp ut peak power is 4. 71 mW. The simultaneo us dual2wavelengt h laser p rovides t heoretically basis fo r generating highly coherent terahertz wave radiatio n by no nlinear optical difference f requency met hod. Key words lasers ; Nd∶YA G dual2wavelength laser ; nonlinear optical difference frequency generation ; terahertz wave
本文研究的双波长激光谱线分别是 R2 2X 1 跃 迁 ,辐射波长为1318. 8 nm ; R2 2X 3 跃迁 ,辐射波长 为1338. 2 nm 。已报道过侧面抽运 Nd∶YA G 实现这 两个 波 长 的 同 时 输 出[6 ,11 ] 。进 行 了 激 光 二 极 管 (LD) 端面抽运 Nd∶YA G 1319 nm/ 1338 nm双波长 激光 器 的 实 验 研 究 。为 了 利 用 DA S T ( 42N , N2 dimet hylamino24′2N′2met hyl2stilbazolium to sylate) 晶体进行双波长差频产生高相干性太赫兹波 ,在激 光腔中 插 入 一 块 布 儒 斯 特 片 实 现 了 双 波 长 激 光 1319 nm/ 1338 nm准连续偏振运转 。
1 引 言
太赫兹波一般是指频率在 0. 1～10 T Hz ,对应 波长为 3000～30μm范围内的电磁波 ,其波段位于 电磁波谱中毫米波和远红外光之间 ,是光子学技术 与电子学技术的过渡领域 。近十几年来 ,有关太赫 兹波辐射的研究引起了广泛的关注 ,已逐渐成为各 发达国家的重大研究方向 ,而太赫兹辐射源的研究 更是太赫兹技术研究的重点 。产生太赫兹波辐射的 方法可分为电子学和光子学两类 。近年来 ,非线性 光学的飞速发展带动了基于光子学原理产生太赫兹 技术的发展 :如基于周期微结构材料和固体非线性 材料的光学参变振荡 、光整流 、光电导 、光抽运 、光学 受激效应 、表面发射效应 、光学倍频及差频效应 、光 学切连科夫 ( Cherenkov) 效应等非线性效应[1] 。其 中 ,利用非线性光学差频方法获得太赫兹辐射因其 没有阈值 、实验设备容易搭建 、容易实现差频转换而 成为研究热点[2 ,3] 。很多激光增益介质都有多条跃 迁谱线 ,只要进行合理的谐振腔设计[4～6] ,就可以在 腔内同时产生两个甚至两个以上的波长振荡 。其 中 ,Nd∶YA G 晶体具有优秀的物理化学和激光特 性 。基于 Nd∶YA G 晶体的1064 nm固体激光器是目 前应用最广泛的激光器 。以 Nd∶YA G 晶体为激光 增益 介 质 , 不 仅 能 够 获 得 高 功 率 的 1064 nm , 1319 nm和946 nm波长的激光输出 ,还可以获得高 功率的多波长激光同时输出 。目前已有的报道主要 是1064 nm和946 nm ,1064 nm和1319 nm ,1319 nm 和1338 nm等双波长激光同时运转[7～10 ] 。
第
35 卷 第 2 2008 年 2 月
期
中 国 激 光 C H IN ESE J OU RNAL O F L A SERS
文章编号 : 025827025 (2008) 0220200206
Vol. 35 , No . 2 February , 2008
产生太赫兹辐射源的 Nd∶YAG双波长准连续激光器
2 实验结果
为了获得较高的峰值功率 , 采用声光调 Q 技 术 ,进行了双波长激光准连续运转的实验工作 。实 验结构如图 1 所示 ,采用的谐振腔结构为简单凹平 直腔 。实验中所用的光纤输出激光二极管由德国
L IMO 公司生产 ,中心波长在808 nm附近 ,最大输 出功率30 W ,光纤芯径400μm ,数值孔径0. 22 。实验 中所用的光学耦合系统可将抽运光聚焦成直径约为 320μm的光斑 ,对808 nm的透射率大于 90 % ,工作 距离49. 2 mm ,外径37. 2 mm ,长度 98. 4 mm 。实验 中所用激光晶体是一块键合 Nd∶YA G 晶体 ,晶体尺 寸为 <3 mm ×(3. 8 + 10. 2 + 3. 8) mm , 晶体总长度 17. 8 mm ,两端3. 8 mm为非掺杂区 ,中间10. 2 mm 为掺杂区 ,掺杂原子数分数为1. 1 % ,晶体表面镀有 1319 nm ,1338 nm和1064 nm高透膜 。声光 ( AO) Q 开关 (Q S GSU210/ Q) 重复频率从 0～50 k Hz可调 。 输入镜为平凹镜 ,曲率半径为300 mm ,对1319 nm 和1338 nm的反射率高于 99 % ,实验中测量该输入 镜对808 nm的透射率大于 70 %。输出镜为平镜 ,对 1319 nm和 1338 nm 的 透 射 率 分 别 为 10. 282 % 和 9. 759 %。为了抑制1064 nm的寄生振荡 ,输入镜和 输出镜 的 膜 层 对 1064 nm 激 光 的 透 射 率 均 大 于 75 %。布儒斯特片 (B P) 以布氏角 56°放置 ,表面镀 有对 p 偏振光高透 ( T = 98. 787 %) ,对 s 偏振光高 反 ( T = 1. 3151 %) 的膜系 ,偏振度为0. 983 。实验中 激光二极管抽运源水冷温度设定为15 ℃,Nd∶YA G 晶体水冷温度为12 ℃,声光 Q 开关水冷温度设定为 20 ℃。
பைடு நூலகம்
Simultaneous Dual2Wavelength Quasi2Continuous2Wave Laser2Diode2End2Pumped Nd∶YAG Laser f or Terahertz Wave Sourse
Zheng Fanghua1 ,2 Liu Huan1 ,2 Li Xif u3 Yao J ianquan1 ,2
E2mail :yuanfeisix666 @gmail. com 导师简介 :姚建铨 (1939 —) ,男 ,上海人 ,中国科学院院士 ,教授 ,博士生导师 ,主要从事全固体激光及非线性光学频率变换 技术方面的研究 。E2mail :jqyao @tju. edu. cn
2 期 郑芳华 等 : 产生太赫兹辐射源的 Nd∶YA G 双波长准连续激光器
1 Col lege of Precision I nst rument an d O pto2Elect ronics En gi neeri n g ,
I nstit ute of L aser an d O ptoelect ronics , Ti an j i n U ni versit y , Ti anj i n 300072 , Chi na 2 Key L aboratory of O ptoeleationct ric I n f orm ation S cience an d Technolog y ,
郑芳华1 ,2 刘 欢1 ,2 李喜福3 姚建铨1 ,2
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院激光与光电子研究所 , 天津 300072 2 天津大学教育部光电信息技术科学重点实验室 , 天津 300072 ;3 天津大学自动化学院 , 天津 300072
摘要 产生太赫兹波辐射的方法可分为电子学和光子学两大类 。在光子学领域 ,非线性光学差频方法是获取高功 率 、低成本 、便携 式 、室 温 运 转 太 赫 兹 波 的 主 要 方 法 之 一 。实 验 研 究 了 激 光 二 极 管 (LD) 端 面 抽 运 Nd ∶YA G 1319 nm/ 1338 nm双波长准 连 续 线 偏 振 运 转 激 光 器 , 理 论 计 算 了 输 出 双 波 长 在 非 线 性 晶 体 DAST ( 42N , N2 dimet hylamino24′2N′2met hyl2stilbazolium to sylate) 中差频产生太赫兹辐射的平均功率 。在重复频率50 k Hz时 ,双波 长激光平均输出功率达到2. 22 W ,斜率效率12. 72 % ,线偏振度0. 983 ,脉冲宽度71. 91 ns 。M2 因子仅为1. 165 ,不稳 定性小于0. 487 %。根据非线性差频理论 ,计算出可在1 mm厚 DAST 晶体中获得4. 71 mW的3. 23 T Hz高相干性太 赫兹波辐射 。这两条非常接近的谱线为进一步通过非线性光学差频方法获得高相干性太赫兹波提供了理论基础 。 关键词 激光器 ;Nd∶YA G 双波长激光器 ;非线性光学差频 ;太赫兹波 中图分类号 TN 248. 1 文献标识码 A
收稿日期 :2007204219 ; 收到修改稿日期 :2007209224 基金项目 :国家自然科学基金 (10474071) 和教育部博士点基金 (20040056010) 资助项目 。 作者简介 :郑芳华 (1982 —) ,女 ,河南人 ,硕士研究生 ,主要从事光电子技术方面的研究 。
Abstract The met hods to generate terahertz ( T Hz) waves can be divided into elect ro nics and p hotonics. We use no nlinear optical difference f requency generation to o btain T Hz waves which belongs to p hoto nics met hod. It is po rtable and run at room temperature , wit h high power and low co st . A simultaneo us dual2wavelengt h quasi2 co ntinuo us wave ( CW) laser2diode2end2p umped Nd ∶YA G laser polarized operating at 1319 nm and 1338 nm has been demonst rated and t he laser at 1064 nm is supp ressed successf ully. A total polarized quasi2CW outp ut power of 2. 22 W is obtained at a p ump power of 20 W wit h a p ulse repetition rate of 50 k Hz , and t he slope efficiency is 12. 72 %. The corresponding p ulse widt h is 71. 91 ns. The beam quality factor M2 is as low as 1. 165 and t he instability of t he o utp ut power is less t han 0. 487 % at t he polarized wave o utp ut power of 2. 17 W. U sing t he simultaneous dual2wavelengt h laser , t he highly co herent T Hz wave radiatio n of 3. 23 T Hz will be generated by no nlinear optical difference f requency met hod in DAST (42N , N2dimet hylamino24′2N′2met hyl2stilbazolium to sylate) crystal. The ideal o utp ut peak power is 4. 71 mW. The simultaneo us dual2wavelengt h laser p rovides t heoretically basis fo r generating highly coherent terahertz wave radiatio n by no nlinear optical difference f requency met hod. Key words lasers ; Nd∶YA G dual2wavelength laser ; nonlinear optical difference frequency generation ; terahertz wave
