封面 | 啁啾週期極化鈮酸鋰晶體：1064 nm激光倍頻新方案
原文鏈接：《光學學報》2024年第11期封面文章 | 蘇偉倫, 劉峻銘, 鄒娛, 劉勵強, 洪麗紅, 李志遠. 啁啾週期極化鈮酸鋰晶體在1064 nm倍頻實驗中的效率與溫度魯棒性[J]. 光學學報, 2024, 44(11): 1119001.
如何提高532 nm連續激光的產生效率與穩定性，降低532 nm固體激光器的複雜度，是科學家一直探索的問題。文章從倍頻晶體的角度入手，利用啁啾週期極化鈮酸鋰（CPPLN）晶體代替傳統的三硼酸鋰（LBO）晶體進行1064 nm的倍頻實驗，輸出的倍頻光功率高且受環境溫度的影響小。本工作可以有效提高532 nm固體激光器穩定性和功率，在鈦寶石飛秒激光器、窄線寬激光器、低噪聲激光器等領域上具有廣闊的應用前景。
近年來，隨着532 nm固體連續激光器的發展，使其輸出高功率、穩定激光的方法與技術層出不窮。然而由於傳統的激光器採用LBO雙折射相位匹配方案，其溫度控制的敏感程度在原理上受到了限制。爲了使激光器滿足人們的需求，人們不得不在激光器中引入精密而複雜的反饋調節系統，這增加了激光器的複雜度與成本。
對此，研究人員用CPPLN作爲倍頻晶體，成功實現了高溫度穩定性和高功率的532 nm激光輸出，在工業、醫學、科研等領域具有重要應用前景。
本文所提出的CPPLN結構如圖1所示。CPPLN晶體的極化週期會沿着激光的傳播方向呈線性增大或者減小，即在激光傳播方向上引入類似於啁啾的結構分佈。連續變化的晶體極化週期可以提供連續變化的倒格矢向量，使得1064 nm激光的輸出不會受到過大的溫度影響，實現高晶體溫度魯棒性的特點。
首先，根據實驗環境，並權衡溫度魯棒性和轉換效率之後，確定CPPLN晶體的大致參數。接着，對設計的晶體進行仿真計算，其有效傅里葉係數在倒格矢域的分佈如圖2所示。仿真結果表明，在0.8989~0.9015 μm-1這段區間範圍內，晶體都有着較高的有效傅里葉係數。將該曲線同溫度與相位失配量的變化關係曲線作對比，可以看出在13.84~27.24 ℃範圍內該晶體都表現出較高的轉換效率。
圖2 設計的CPPLN的倒格矢與有效非線性係數的關係以及溫度與相位失配量的關係圖
最後，利用設計的CPPLN晶體搭建1064 nm倍頻的實驗裝置，並與傳統LBO晶體的倍頻效果進行對比，實驗結果如圖3所示。實驗結果表明，設計的CPPLN晶體有着更高的倍頻轉換效率，是LBO晶體的15倍以上。同時，CPPLN晶體的倍頻功率關於溫度的半高全寬比LBO晶體的大，這表明CPPLN晶體的溫度魯棒性也優於LBO晶體。實際曲線與仿真曲線存在差別，其原因在於CPPLN晶體加工時存在精度限制，導致CPPLN晶體的實際結構與設計結構之間存在偏差。
圖3 不同倍頻晶體產生的倍頻光與溫度的關係。（a）CPPLN；（b）LBO
對比兩種晶體倍頻輸出的光斑隨溫度的變化情況，結果如圖4所示。LBO晶體由於走離效應和晶軸的偏差在溫度變化時光斑會變形和分裂，而CPPLN晶體由於採用準相位匹配方案避免了這些問題，所以在溫度變化時光斑幾乎沒有變化。
圖4 不同倍頻晶體輸出光斑對比。（a）（b）（c）（d）CPPLN晶體分別在21、25、29、33 ℃條件下的光斑；（e）（f）（g）（h）LBO晶體分別在15、19、23、27 ℃條件下的光斑
在未來的工作中，研究團隊將繼續對晶體的結構進行進一步優化設計，減小誤差帶來的影響，提高晶體實用性。同時，將基於設計的晶體開發性能優越、穩定性高的532 nm固體連續綠光激光器。
李志遠，本文通信作者，華南理工大學物理與光電學院教授，副院長，人工光、聲微結構物理實驗室主任，國家傑出青年基金獲得者。從事微納光子學、非線性光學、激光技術、拓撲光子學和量子物理中的理論、實驗和應用研究近30年。現任《光子學報》副主編，《光學學報（網絡版）》編委，在Physical Review Letters, Science Advances, Chemical Society Reviews, Journal of the American Chemical Society, Advanced Materials, Nano Letters, ACS Nano, Photonics Research, Light: Science & Applications等物理學、光學、化學和材料學期刊上發表SCI論文近500篇，被SCI引用33,000次，H-index爲86。
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