差频产生中红外光源系统特性研究

论文总字数：22745字

目 录

摘要 1

Abstract 2

1绪论 3

1.1概述 3

1.2国内外研究现状 4

1.3 本论文主要研究内容 5

2 差频产生中红外光源理论基础 5

2.1 非线性光学理论 5

2.2 差频产生基本原理 6

2.2.1 三光波相互作用的耦合波方程 6

2.2.2 光学差频的耦合波方程 7

2.3 相位匹配技术 9

2.3.1双折射相位匹配原理 9

2.3.2准相位匹配原理 11

2.4 周期极化晶体 15

3 差频产生中红外光源系统设计 16

3.1基频光源 17

3.2光束耦合单元 18

3.3 差频产生单元 21

4差频产生中红外光源系统性能分析 22

4.1 DFG转换效率的分析 22

4.2 基频光功率调谐特性 25

4.3 PPLN晶体温度调谐特性 26

4.4 泵浦光波长调谐特性 27

4.5 DFG系统稳定性 27

5 总结 27

参考文献 28

致谢 30

差频产生中红外光源系统特性研究

尹鸣

，China

Abstract:Mid-infrared laser light source has an important application value in the gas detection, mineral exploration, industrial and agricultural production. Based on the difference frequency generation (DFG) and quasi-phase matching (QPM) technique, the mid-infrared laser is obtained in the periodically poled LiNbO₃(PPLN) crystal, which has the advantages of narrow line width, wide wavelength turning range and room temperature working. It has been the main way of getting light source. In this paper, the physical process of difference frequency conversion is analyzed by study of three-wave coupling equation and QPM theory then the general design scheme of mid-infrared DFG light source system is determined. The DFG mid-infrared light source system is successfully obtained by build the experiment platform. Based on this, the output performance of the system is tested and analyzed. The experimental results show that the acceptance bandwidth for the pump wavelength and the crystal are 5.3nm and 4.9 ℃,respectively. The output power of the system is about 10μW and fluctuation is less than 1% in 2 hours.

Keywords:Nonlinear Crystal;Quasi-phase matching;Difference frequency generation;Mid-infrared

1绪论

1.1概述

随着社会的进步，人们的生活质量不断提高，大气环境污染越来越严重，不仅造成了巨大的经济损失，而且严重影响着人类的身体健康，因此，近年来大气环境污染问题越来越受重视。雾霾、臭氧层破坏、温室效应、酸雨等现象都严重破坏了我们的生活环境，如图1.1所示。研究发现，大气中痕量气体的浓度偏高是造成这些现象的主要原因。大气中的痕量气体主要包括： 二氧化碳(CO₂)、甲醛(CHO)、氮氧化物等^[1]。治理大气环境污染必须要精确测量这些痕量气体的浓度。

图1.1 大气污染的影响

传统的气体检测方法是选取样本后用化学分析法进行检测，存在操作复杂，精确度低等问题。近年来出现了许多测量大气污染物的分析仪，如紫外荧光SO₂监测仪、非分散红外法CO₂监测仪等，但这些仪器操作复杂、消耗时间长且测量的气体范围很小^[2]。因此，具有测量范围广、测量速度快等优点的光谱检测法得到了快速发展。目前最常用的光谱技术有差分吸收激光雷达(DIAL)、紫外/可见波段的差分光学吸收光谱(DOAS)^[3]等。

但上述光谱检测法一般用在在近红外波段检测，气体分子的吸收强度弱，严重制约了气体检测的精确性。研究显示，3-5µm位于大气低损耗传输“窗口”^[4]，对烟尘和雾具有很强的穿透力，此外，3-5µm波段包含了大量气体分子的基带吸收线，如图1.1所示，主要为分子的振转光谱区，谱线密集^[5]，与近红外“泛频”吸收相比，基带吸收强度要高出2-3个数量级。因此，连续波3-5µm中红外激光器在高灵敏度检测等方面有着重要的应用。

图1.2 气体分子吸收带

传统的中红外波段激光器有Ⅳ-Ⅵ族化合物材料制作的铅盐半导体激光器、量子级联激光器等，但这些激光器都受到工作条件及工作方式的限制，难以满足实用的小型化环境监测仪器的需要。所以如何获得室温下工作的新型小型化中红外光源一直是人们长期以来的研究热点。基于周期极化铌酸锂（PPLN）晶体和QPM产生的中红外DFG光源，因其具有可在室温运转、简单的结构、无阈值限制以及线宽窄等优点，被用为光谱检测的主流光源。本论文研究内容正是基于目前国家对生态文明建设极度重视的大背景，研究高效的中红外DFG光源，应用于大气痕量气体的检测等方面，因此，本毕业设计所研究的内容在促进科学研究与技术进步、为经济社会发展提供技术储备等方面具有极其重要的意义。

1.2国内外研究现状

国外对中红外DFG光源的研究起步较早，自1974年 Pine^[6]等人首次将利用差频技术获得的中红外光源应用到高分辨率光谱研究，基于各类激光器和非线性晶体的中红外DFG光源不断涌现。1993年，Simon等人首次利用两台室温工作的 690 nm和808 nm半导体激光器得到了波长4.7 µm 差频激光输出，但获得的3nW输出功率无法应用到高分辨激光光谱测量。1995年，在Goldberg等人的研究中，将PPLN晶体作为DFG混频元件，获得0.5 mW连续可调谐的中红外激光输出功率，通过调谐激光器波长，中红外激光输出范围为2.5-5.5µm。从此之后，具有良好的光束特性、宽广的调谐范围的差频光源成为铅盐半导体激光器、FT-IR光谱计的替代光源。

国内方面，对中红外DFG光源的研究相对较晚。华中科技大学实验室的研究人员讨论了DFG在制造波长转换器中应用的可能，并且将两个外腔半导体激光器用作基频光源。2007年，中科院安光所刘文清等人利用近红外1.523µm的DFB半导体激光器和1.064µm的掺镱光纤激光器，在PPLN晶体中非线性混频产生10µW的中红外功率输出，极大的提高了非线性转换效率，并实现了大气中甲烷、甲醛浓度的高灵敏度检测。

由此看来差频技术一直是国内外的研究热点，但是国内外现有的差频技术在实际应用中依然面临许多问题。目前的差频产生激光光源系统主要是基于分立光器件和固体激光器，这类激光器产生的激光光源效率低、成本高、系统庞大、仅适合实验室使用，因此，研究发展新型高效的中红外DFG光源系统是中红外激光领域需要解决的一个重要问题。

1.3 本论文主要研究内容

本文通过对非线性光学理论、三波耦合方程及QPM理论的研究，对差频转换的物理过程进行分析，设计了一种基于PPLN晶体的的中红外DFG光源系统，并完成实验平台的搭建。在此基础上，研究了系统的输出特性，主要包括PPLN晶体温度、泵浦光波长、基频光频率的调谐特性及系统的稳定性。本论文通过理论及实验的研究，为中红外DFG光源的应用打下基础。

2 差频产生中红外光源理论基础

2.1 非线性光学理论

非线性光学理论是现代光学内容的一个重要分支， 在激光问世以前，我们所研究的内容基本上是弱光束在介质中的传播过程，但在激光出现之后人们对光学的认识发生了很重要的变化。

1961年，Franken^[7]第一次观察到二次谐波（SHG）现象，发现红宝石激光的倍频，揭开了非线性光学研究的第一页；1962~1964年，Woodbury发现了受激喇曼散射现象（SRS），之后又发现了布里渊散射现象（SBS)；1965~1985非线性光学的发展趋于成熟，贝尔实验室发现光学混沌，加快了光学计算的研究进程。从1985年至今非线性光学已经初步被应用于许多方面。将各种非线性晶体做成电光开关，也可以实现激光的调剂；用来扩展激光波长的范围和发展各种波段的频率连续可调谐技术；通过差频技术产生红外激光、通过参量振荡产生可调谐红外激光并且可以获得可调谐的紫外和真空紫外激光^[8]。

强光束照射下物质的光学性质会产生变化，这些变化会影响原来光束的性质，研究这种在光与物质的相互作用过程中出现的各种各样的非线性光学效应就是非线性光学的内容。这些非线性光学效应与线性光学中出现的效应有许多不同，线性光学效应中：入射光强度与出射光强度呈正比例关系；频率不同的光波与光波之间不能相互交换能量；光在介质中传播时可以改变光的空间传播方向以及能量分布^[9]。而在非线性光学效应中：入射光的强度与出射光的强度呈平方或三次方关系；频率不同的光波之间可以进行能量的交换。发现这些效应，探索研究这些效应产生的条件和它们的特性、机理、应用等是非线性光学的任务^[10]。分子与材料之间的的非线性极化是非线性光学效应的起源，它的起源方程是：

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