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        磷化硅鎘晶體光學(xué)參量振蕩角度調(diào)諧范圍分析

        2015-03-29 02:11:04夏士興范葉霞苑利鋼
        激光與紅外 2015年5期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)

        夏士興,范葉霞,苑利鋼

        (1.華北光電技術(shù)研究所,北京100015;2.固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100015;3.北京雷生強(qiáng)式科技有限責(zé)任公司,北京100015)

        1 引言

        近年來(lái),新型紅外非線(xiàn)性光學(xué)晶體材料磷化硅鎘(CdSiP2,CSP)的出現(xiàn)引起人們的極大關(guān)注,該晶體材料系II-IV-V族黃銅礦類(lèi)三元半導(dǎo)體化合物,其晶格常數(shù)a=b=5.68,c=10.431,空間點(diǎn)群為CSP晶體透光范圍為0.52~9.5μm;非線(xiàn)性系數(shù)d36=84.5 pm/V,是ZnGeP2晶體非線(xiàn)性系數(shù)(d36=75 pm/V)的1.13倍;熱導(dǎo)率13.6 W/m·K,是AgGaS2晶體熱導(dǎo)率(1.4 W/m·K)和AgGaSe2晶體熱導(dǎo)率(1.0 W/m·K)的10~15倍;顯微硬度930 kg/mm2,便于晶體切割與加工。特別是波長(zhǎng)1.064μm Nd:YAG激光器可作為其泵浦源實(shí)現(xiàn)6.0~6.5μm波長(zhǎng)的激光輸出,該波長(zhǎng)可廣泛應(yīng)用在外科醫(yī)療領(lǐng)域,被認(rèn)為是非常有前途的新型紅外非線(xiàn)性光學(xué)材料[1-3]。

        在CSP晶體光學(xué)參量振蕩器研究上,各國(guó)學(xué)者也集中采用1.064μm Nd離子激光器為泵浦源抽運(yùn)CSP-OPO晶體獲得閑頻光6.0μm以上的激光輸出,CSP-OPO晶體相位匹配類(lèi)型多為Ⅰ類(lèi)匹配,相位匹配角為90°,切割角為45°,諧振腔調(diào)諧方式為(e→o+o)[4-8]。近幾年來(lái),我國(guó)山東大學(xué)和四川大學(xué)一些科研工作者[9-10]在CSP多晶合成和單晶體生長(zhǎng)取得了較大的進(jìn)展,但在CSP光學(xué)參量振蕩應(yīng)用領(lǐng)域的研究還未見(jiàn)報(bào)道。本文著重理論分析CSP晶體在不同波長(zhǎng)激光泵浦源抽運(yùn)下CSP晶體的激光輸出波長(zhǎng)與相位匹配角之間的關(guān)系。

        2 調(diào)諧參數(shù)

        CSP晶體系負(fù)單軸晶體(折射率no>ne),相位匹配方式有兩類(lèi)。Ⅰ類(lèi)諧振腔調(diào)諧方式為(e→o+o),Ⅱ類(lèi)諧振腔調(diào)諧方式為(e→o+e)。

        式中,下標(biāo)p,s,i分別代表抽運(yùn)光、信號(hào)光和閑頻光。

        根據(jù)CSP晶體折射率的色散方程(Sellmeier)計(jì)算其晶體折射率[1]。

        式中,λ為波長(zhǎng);no,ne為折射率。

        CSP晶體空間結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足Kleinman交換對(duì)稱(chēng)性,Ⅰ類(lèi)匹配有效非線(xiàn)性系數(shù):

        當(dāng)θ=90°,=45°時(shí),Ⅰ類(lèi)匹配有效非線(xiàn)性系數(shù)最大。

        Ⅱ類(lèi)匹配有效非線(xiàn)性系數(shù):

        當(dāng)θ=45°,=0°或90°時(shí),Ⅱ類(lèi)匹配有效非線(xiàn)性系數(shù)最大。

        根據(jù)負(fù)單軸晶體折射率公式,結(jié)合CSP晶體的色散方程,可得到CSP晶體Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)兩種匹配方式下的角度調(diào)諧曲線(xiàn)。本文分別計(jì)算了抽運(yùn)光波長(zhǎng)1.064μm、1.55μm、1.98μm、2.05μm和2.50μm時(shí),CSP晶體Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)兩種匹配方式下的角度調(diào)諧曲線(xiàn)。

        3 調(diào)諧曲線(xiàn)

        圖1為抽運(yùn)波長(zhǎng)為1.064μm時(shí),CSP晶體Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)。由圖1可以看出,CSP晶體Ⅰ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)實(shí)現(xiàn)閑頻光波長(zhǎng)6.0~6.5μm輸出,對(duì)應(yīng)的匹配角度約為79.6°~90.0°,相應(yīng)的信號(hào)光波長(zhǎng)調(diào)諧范圍1.27~1.28μm;CSP晶體Ⅱ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)實(shí)現(xiàn)閑頻光波長(zhǎng)7.86~9.06μm輸出,對(duì)應(yīng)的匹配角度約為71.1°~88.7°,相應(yīng)的信號(hào)光波長(zhǎng)調(diào)諧范圍1.20~1.23μm。

        圖1 抽運(yùn)波長(zhǎng)1.064μm CSP晶體Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)Fig.1 The typeⅠand typeⅡphase matching angle tuning curve of CdSiP2 with a pump atλp=1.064μm

        圖2 為抽運(yùn)波長(zhǎng)為1.55μm時(shí),CSP晶體Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)。由圖2可以看出,CSP晶體Ⅰ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)實(shí)現(xiàn)閑頻光波長(zhǎng)3.0~5.0μm輸出,對(duì)應(yīng)的匹配角度約為55.8°~61.2°,相應(yīng)的信號(hào)光波長(zhǎng)調(diào)諧范圍2.24~2.90μm;實(shí)現(xiàn)閑頻光波長(zhǎng)6.0~9.0μm輸出,對(duì)應(yīng)的匹配角度約為48.0°~53.1°,相應(yīng)的信號(hào)光波長(zhǎng)調(diào)諧范圍1.87~2.09μm。CSP晶體Ⅱ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)實(shí)現(xiàn)閑頻光波長(zhǎng)6.0~9.0μm輸出,對(duì)應(yīng)的匹配角度約為55.1°~69.0°,相應(yīng)的信號(hào)光波長(zhǎng)調(diào)諧范圍1.87~2.09μm。

        圖3為抽運(yùn)波長(zhǎng)為1.98μm時(shí),CSP晶體Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)。由圖3可以看出,CSP晶體Ⅰ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)3.0~5.0μm輸出,對(duì)應(yīng)的匹配角度約為46°~47°;實(shí)現(xiàn)閑頻光波長(zhǎng)6.0~9.0μm輸出,對(duì)應(yīng)的匹配角度約為44.5°~45.8°,相應(yīng)的信號(hào)光波長(zhǎng)調(diào)諧范圍2.54~2.95μm。CSP晶體Ⅱ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)3.0~5.0μm輸出,對(duì)應(yīng)的匹配角度約為62.8°~90.0°;實(shí)現(xiàn)閑頻光波長(zhǎng)6.0~9.0μm輸出,對(duì)應(yīng)的匹配角度約為52.7°~61.7°,相應(yīng)的信號(hào)光波長(zhǎng)調(diào)諧范圍2.54~2.95μm。

        圖2 抽運(yùn)波長(zhǎng)1.55μm CSP晶體Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)Fig.2 The typeⅠand typeⅡphase matching angle tuning curve of CdSiP2 with a pump atλp=1.55μm

        圖3 抽運(yùn)波長(zhǎng)1.98μm CSP晶體Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)Fig.3 The typeⅠand typeⅡphase matching angle tuning curve of CdSiP2 with a pump atλp=1.98μm

        圖4 為抽運(yùn)波長(zhǎng)為2.05μm時(shí),CSP晶體Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)。由圖4可以看出,CSP晶體Ⅰ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)3.0~5.0μm輸出,對(duì)應(yīng)的匹配角度約為44.8°~46.1°;實(shí)現(xiàn)閑頻光波長(zhǎng)6.0~9.0μm輸出,對(duì)應(yīng)的匹配角度約為44.2°~45.1°,相應(yīng)的信號(hào)光波長(zhǎng)調(diào)諧范圍2.76~3.11μm。CSP晶體Ⅱ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)3.0~5.0μm輸出,對(duì)應(yīng)的匹配角度約為59.0°~90.0°;實(shí)現(xiàn)閑頻光波長(zhǎng)6.0~9.0μm輸出,對(duì)應(yīng)的匹配角度約為52.7°~61.3°,相應(yīng)的信號(hào)光波長(zhǎng)調(diào)諧范圍2.65~3.11μm。

        圖5為抽運(yùn)波長(zhǎng)為2.50μm時(shí),CSP晶體Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)。由圖5可以看出,CSP晶體Ⅰ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)3.0~5.0μm輸出,對(duì)應(yīng)的匹配角度約為42.6°~49.4°;實(shí)現(xiàn)閑頻光波長(zhǎng)6.0~9.0μm輸出,對(duì)應(yīng)的匹配角度約為42.6°~43.7°,相應(yīng)的信號(hào)光波長(zhǎng)調(diào)諧范圍3.46~4.26μm。CSP晶體Ⅱ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)實(shí)現(xiàn)信號(hào)光波長(zhǎng)3.0~5.0μm輸出,對(duì)應(yīng)的匹配角度約為54.0°~74.7°,相應(yīng)的閑頻光波長(zhǎng)調(diào)諧范圍5.0 ~9.96μm。實(shí)現(xiàn)閑頻光波長(zhǎng)6.0~9.0μm輸出,對(duì)應(yīng)的匹配角度約為54.7°~63.2°,相應(yīng)的信號(hào)光波長(zhǎng)調(diào)諧范圍3.46 ~4.29μm。

        圖4 抽運(yùn)波長(zhǎng)2.05μm CSP晶體Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)Fig.2 The typeⅠand typeⅡphase matching angle tuning curve of CdSiP2 with a pump atλp=0.05μm

        圖5 抽運(yùn)波長(zhǎng)2.5μm CSP晶體Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn)Fig.5 The typeⅠand typeⅡphase matching angle tuning curve of CdSiP2 with a pump atλp=2.5μm

        4 結(jié)論

        計(jì)算了不同泵浦波長(zhǎng)下CSP-OPO晶體Ⅰ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)相位匹配角度調(diào)諧曲線(xiàn),分析了相應(yīng)的激光輸出波長(zhǎng)與相位匹配角之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。確定了CSP-OPO晶體的相位匹配方式、調(diào)諧范圍、調(diào)諧角度和晶體的切割角。所得結(jié)果為CSPOPO晶體光參變振蕩器的實(shí)驗(yàn)研究提供了一定的理論參考。

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