基于PPLN晶体的中红外差频激光技术研究

摘要

近年来基于周期性极化铌酸锂晶体(PPLN)和准相位匹配(QPM)得差频(DFG)技术已被广泛用于产中红外激光光源。与双折射相位匹配方式产生非线性频率变换不同，基于准相位匹配(QPM)和PPLN晶体的差频激光，没有因走离效应和光斑大小导致非线性相互作用长度受到限制，可以采用较长的PPLN晶体获得较高的非线性转换效率。在PPLN晶体某一给定晶格周期通道里，不同的光波波长，其有效折射率n也是不同的，可以有多个光波能同时满足的能量守恒和动量守恒条件。因而对于某一给定晶格周期PPLN晶体中，理论可以获得一个较宽调谐范围得光波输出。
　　基于PPLN晶体满足QPM条件的产生的中红外差频激光，在中红外领域具有较宽的波长调谐范围，且能产生窄激光线宽等优势。空气中大量的微量气体基频吸收带在中红外波段，所以差频产生的中红外激光在中红外光谱区的痕量气体检测中具有很好的应用价值。基于差频产生的中红外激光在痕量气体探测方面有着广泛的应用，包括大型建筑、医院、飞机等方面的空气质量控制，在采矿和钻井排放中气体的实时监测、以及燃烧诊断中。
　　由于中红外差频激光具有上述优良性能，本论文中开展基于PPLN晶体的连续宽调谐差频激光技术研究。首先对基于PPLN晶体满足QPM条件产生的差频激光原理进行了阐述，并对它的优点特性也做了详细的描述。实验采用固定波长的Nd掺杂的固态激光器和一个波长可调谐的近红外半导体激光器，两束激光叠合通过一个由九个晶格周期组合而成的PPLN晶体。数值模拟计算表明，可以使用PPLN晶体晶格周期调谐和温度调谐相结合方式，满足QPM条件来获得宽调谐范围的中红外激光输出。论文中推导了平面波和高斯光束下的差频能量转换效率公式，并对影响能量转换效率的原因做了简单分析。通过这些理论推导和数值计算，获得DFG激光实验所需的工作参数，并应用于实验研究中。