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频率转换

消除光谱间隙

尽管半导体激光器表现卓越,但仍存在一些光谱间隙是利用当前激光二极管技术不能直接达到的。为了消除这些频率空档,非线性频率转换技术得以利用。紫外,蓝光,绿光,黄光,橙光和红光频谱可通过二次谐波产生(SHG)或和频产生(SFG)来获得。

二次谐波产生

TOPTICA 的频率转换激光系统采用二次谐波产生(SHG)技术。二次谐波产生过程可用波动光学或光子理论解释。在波动光学范畴内,频率为ω1的基础电磁波驱动非线性光学(NLO)晶体的偏振。由于非线性效应,偏振电磁波也可于ω2 = 2·ω1频率处振荡。这又导致于频率ω2处产生相干电磁波辐射。

再光子理论范畴,两个基本波长为 λ1的光子在非线性光学晶体中转换为一个波长为原波长一半的光子λ2 = 0.5·λ1。二次谐波产生效率随初始光功率,所用晶体非线性性质以及相位匹配效率而增加

相位匹配

有效的频率转换要求初始激光与频率转换光在非线性晶体中的折射率相等。在波动光学范畴内,这意味着在晶体中光传播方向上不同位置处二次谐波分量可实现加强干涉。

在光子理论范畴内,相位匹配满足动量守恒定律:两个具有动量p1的光子被转化为一个动量为p2=2·p1的光子。

色散效应阻碍相位匹配,且随处可见。为了减小该效应的影响,必须利用双折射晶体以及不同激光偏振性质。根据晶体类别以及操作波长,相位匹配情况的微调可以通过适当调节晶体温度或晶轴与光传输角度来实现。 

共振增强

TOPTICA的频率转换系统采用紧凑而坚固的蝴蝶型谐振腔设计,通过优化镜面镀膜可将基本激光功率共振提高50-400倍。谐振腔长度可通过Pound-Drever-Hall方法参考初始激光波长主动进行稳定调节。这使得长期稳定的精细锁定成为可能,并从而可靠且有效地提高初始激光的腔内功率。再加上抗反膜以及温控非线性晶体,我们实现了市面上最高的转换效率。

四次谐波产生

二次谐波产生是指二次倍频,四次谐波产生(FHG)则是电磁波频率转换至原来四倍的过程。一般来说,FHG过程被分为两个步骤,每一步都涉及一个标准二次谐波产生过程。在光子学范畴内,如之前所述,通过第一级二次谐波产生,初始激光发出的四个频率为ω1的光子被转化为两个频率为ω2 = 2·ω1的光子。之后通过第二级二次谐波产生,可将这两个光子转化为一个频率为ω4 = 2·ω2 = 4·ω1的光子,相应波长为 λ4=0.25·λ1。总体来说,四个来自初始激光的光子在FHG过程中被消耗,根据能量和动量守恒定律产生一个光子。

TOPTICA的四次谐波产生是通过两个级联SHG实现的,每一级都涉及相应温控非线性光学晶体中主动稳定的谐振增强和相位匹配。通过使用特殊调整过的TA-FHG系统,TOPTICA成功实现了波长低至191nm的连续激光输出(Scholz et al., Optics Express 20, 18659 (2012)),该激光在193nm处输出功率高于15mW (Scholz et al., Appl. Phys. Lett. 103, 051114 (2013))。 

TOPTICA频率转换激光系统