Monolithic PPLN Crystal as a Laser electro-optics Q-switch and a Wavelength Converter

新式電光週期極化反轉鈮酸鋰雷射元件名

林彥穎(Yen-Yin Lin) ； 林碩泰(Sou-Tai Lin) ； 張癸五(Guey-Wu Chang) ； 蔣安忠(An-Chung Chiang)

《光學工程》 101期 (2008/03) Pp. 21-35

https://doi.org/10.30011/OE.200803.0002

摘要

由於週期極化鈮酸鋰(periodically poled lithium niobate, PPLN)晶體具有高非線性係數、可人工設計生產和穩定的化學性質的優點，所以近年來已成為非線性光學中的重要材料，特別是在各種波長可調的光參數產生過程中的應用最為廣泛。一般而言，極化週期在20至30微米左右的週期極化鈮酸鋰晶體製作方式已經相當成熟穩定，足以達到元件等級的應用，而鈮酸鋰本身也是一種優良的電光晶體、聲光晶體、以及光波導元件的基板。所以本篇論文的重點在於設計並展示一些新的週期性極化鈮酸鋰元件的光學效能，並研究其特性與應用方向。
首先提出的設計是一種利用週期性極化鈮酸鋰晶體作成的電光效應布拉格光調制器，此電光效應布拉格光調制器由一個長度為14.2厘米，厚度為780毫米，極化週期為20.13毫米的週期極化鈮酸鋰晶體所製成，本電光效應布拉格光調制器的半波電壓(half-wave voltage)僅約160V。我們也利用此布拉格光調制器來架構一個新型的Q開關(Q-switched)脈衝式雷射，在19.35瓦808奈米的半導體雷射激發下，我們成功的產生脈衝重複率為一萬赫茲、脈衝寬度為7.8奈秒、脈衝能量為201微焦耳的雷射脈衝。
再來我們報告一個單縱模的雙波長雷射，利用19.35瓦808奈米的半導體雷射激發同時產生頻譜線寬少於450兆赫茲的1.064微米雷射光源和頻譜線寬少於400兆赫茲的1.342微米雷射光源，這兩個光源的波長還可以透過共振腔的微調來進行調整。另外我們也利用電光效應布拉格光調制器來進行此種雷射動態的研究。
最後我們發現在退火質子交換非週期性極化鈮酸鋰的波導中，電光調製波長的程度與光強度有關，實驗中發現當基頻光強度從0.6毫瓦增加到46毫瓦時，電光調製波長的能力會從0.07nm/(kV/mm)增加到0.32nm/(kV/mm)。再初步的實驗中發現，此種增益現象與倍頻光的強弱有較顯著的關係。

關鍵字

週期極化鈮酸鋰periodically poled lithium niobate, PPLN ； 電光效應 ； 布拉格光調制器

並列摘要

We report an electro-optic Bragg modulator using a periodically poled lithium niobate (PPLN) crystal. We measured a half-wave voltage of 160 V when transmitting a 1064-nm laser through a 14.2-mm-long, 780-mm-thick, 20.13-mm-period PPLN crystal at the Bragg angle. We also demonstrated a Q-switched Nd: YVO4 laser using such a PPLN Bragg modulator as its Q-switch, producing 7.8-ns, 201-mJ pulses at 10 kHz repetition rate when pumped by a 19.35-W diode laser at 808 nm. We also report a periodically poled lithium niobate (PPLN) crystal for both temperature-insensitive laser Q-switching and temperature-tuned wavelength conversion. The PPLN crystal consists of two sections, a 20.3-μm period section functioning as an electro-optic Bragg grating for Qswitching a diode-pumped Nd: YVO4 laser at 1064 nm and a 31-μm-period section functioning as an optical parametric generator for down converting the generated 1064-nm laser. When driving the PPLN Bragg grating with 170-V voltage pulses, we measured 181-μJ pulse energy at 1064 nm from the Nd: YVO4 laser pumped by 20.4 W diode power. The 181-μJ pulsed laser was further converted into mid-infrared radiation in the monolithic PPLN crystal with 35% parametric efficiency. The wavelengths were broadly tunable in the range of 1.75-1.88μm (signal) and 2.7-2.44μm (idler) via temperature without affecting the performance of the PPLN Bragg Q-switch.

並列關鍵字

Lasers ； Q-switched ； Electro-optical devices Nonlinear optics ； parametric processes