Comparative study of second harmonic generation at 1030 nm in BiBO and LBO crystals using a 100 W-class picosecond laser

Riepilogo Tecnico: Studio Comparativo della Generazione di Seconda Armonica nei Cristalli BiBO e LBO

Enunciato del Problema
Il rapido avanzamento dei sistemi laser a impulsi di picosecondi e sub-picosecondi ad alta potenza media (ad esempio, architetture a disco sottile, in fibra e a lastra) operanti vicino a 1030 nm ha creato una domanda critica per stadi di conversione di frequenza non lineare capaci di garantire alta efficienza, eccellente qualità del fascio e stabilità a lungo termine nella regione spettrale verde. Sebbene il Triborato di Litio (LBO) sia stato a lungo lo standard per la Generazione di Seconda Armonica (SHG) ad alta potenza grazie alla sua elevata soglia di danneggiamento e al basso walk-off, il Triborato di Bismuto (BiBO) offre un coefficiente non lineare efficace significativamente maggiore, permettendo teoricamente una conversione efficiente in cristalli molto più corti. Tuttavia, il BiBO è noto per avere soglie di danneggiamento più basse, assorbimenti più elevati alla lunghezza d'onda della seconda armonica (SH) e un walk-off spaziale maggiore. Nonostante questi compromessi noti, i confronti sperimentali sistematici tra BiBO e LBO in condizioni identiche di alta potenza media (50+ W) e impulsi di picosecondi sono stati notevolmente scarsi. Questo studio affronta la mancanza di parametri di riferimento quantitativi necessari per guidare la selezione dei cristalli non lineari per i moduli di generazione di armoniche di prossima generazione.

Metodologia
Gli autori hanno condotto un confronto sperimentale sistematico della SHG in singolo passaggio nei cristalli BiBO e LBO utilizzando un laser Yb:YAG a disco sottile da 1,3 ps, 91 kHz e 57 W di potenza media a 1030 nm.

• Configurazione del Cristallo: Un cristallo BiBO lungo 1,5 mm (tagliato per Tipo I $e+e \to o$ nel piano YZ) è stato confrontato con un cristallo LBO lungo 6 mm (tagliato per Tipo I $o+o \to e$ nel piano XY). La lunghezza maggiore dell'LBO è stata selezionata per compensare il suo coefficiente non lineare inferiore, mirando a un'uscita comparabile. Entrambi i cristalli presentavano rivestimenti antiriflesso a doppia banda per 1030 nm e 515 nm ed erano operati a temperatura ambiente senza stabilizzazione termica attiva.
• Caratterizzazione: Lo studio ha misurato la dipendenza della potenza di uscita SH, la stabilità della potenza a lungo termine (>1 ora), la qualità del fascio ($M^2$), la durata dell'impulso, le proprietà spettrali e la banda di accettazione angolare.
• Analisi Termica: Gli effetti termici sono stati investigati monitorando gli spostamenti dell'angolo di adattamento di fase in funzione della potenza di ingresso e misurando l'aumento della temperatura superficiale utilizzando una camera IR. Simulazioni numeriche eseguite con il software mlSNLO sono state effettuate per validare le bande di accettazione angolare e modellare la deriva termica dell'adattamento di fase.

Risultati Chiave

• Potenza di Uscita ed Efficienza: Entrambi i cristalli hanno raggiunto una massima potenza SH di 32 W a 515 nm con un'efficienza di conversione del 56% alla massima potenza di ingresso di 57 W. Ciò rappresenta la più alta potenza di uscita SH riportata a oggi per il BiBO nella regione spettrale verde utilizzando un laser Yb:YAG a disco sottile.
• Dipendenza dalla Potenza: Mentre l'LBO ha mostrato una chiara saturazione dell'efficienza, l'efficienza del BiBO ha continuato ad aumentare con la potenza di ingresso, suggerendo che non aveva ancora raggiunto il suo potenziale massimo. Tuttavia, un'ulteriore scalatura è stata evitata a causa della soglia di danneggiamento più bassa del BiBO.
• Qualità del Fascio: I fasci SH hanno esibito una qualità vicina al limite di diffrazione ($M^2 \approx 1,3–1,8$). Il fascio generato dal BiBO era circa il 25% più piccolo in area rispetto al fascio LBO, attribuito alle variazioni di adattamento di fase indotte termicamente causate dal profilo di intensità gaussiano del fascio fondamentale.
• Durata dell'Impulso e Spettro: Il cristallo BiBO ha prodotto impulsi leggermente più brevi (1,1 ps contro 1,2 ps per l'LBO) e bande spettrali più ampie (0,48 nm contro 0,42 nm). Ciò è attribuito alla più ampia banda di accettazione spettrale del BiBO e alla ridotta accumulazione di Disadattamento di Velocità di Gruppo (GVM) dovuta alla sua lunghezza di cristallo più corta.
• Stabilità Termica e Adattamento di Fase:
  • BiBO: Ha esibito una significativa sensibilità termica. In oltre un'ora di funzionamento continuo, l'uscita SH è diminuita di circa l'8% (2,5 W) a causa di un disadattamento di fase indotto termicamente. La riottimizzazione dell'inclinazione del cristallo ha ripristinato la stabilità. L'imaging IR ha confermato un aumento della temperatura superficiale di circa 7°C, corrispondente a uno spostamento angolare interno di circa 2,5 mrad.
  • LBO: Ha dimostrato una stabilità superiore con una diminuzione della potenza di solo circa il 2,5% nello stesso periodo, attribuita al suo assorbimento inferiore a 515 nm.
• Accettazione Angolare: Nonostante l'accettazione intrinsecamente più stretta per unità di lunghezza del BiBO, il cristallo BiBO da 1,5 mm ha esibito una banda di accettazione angolare comparabile al cristallo LBO da 6 mm a bassa potenza, e persino maggiore a piena potenza. Ciò conferma che l'alta non linearità del BiBO permette cristalli più corti senza sacrificare la tolleranza angolare.

Significato e Affermazioni
Il documento afferma di fornire i primi parametri di riferimento prestazionali diretti e quantitativi che confrontano BiBO e LBO in condizioni di alta potenza media e impulsi di picosecondi. Gli autori affermano che, sebbene il BiBO permetta una conversione efficiente in un ingombro significativamente più compatto (1,5 mm contro 6 mm) e offra caratteristiche leggermente migliori per impulsi/spettro, è più suscettibile alla deriva di disadattamento di fase indotta termicamente. Al contrario, l'LBO rimane la scelta più robusta dal punto di vista termico per operazioni a lungo termine senza intervento.

Lo studio conclude che entrambi i cristalli sono soluzioni valide per generare luce verde da laser a impulsi di picosecondi della classe 100 W vicino a 1030 nm. La scelta ottimale dipende dai requisiti specifici dell'applicazione: il BiBO è vantaggioso per sistemi compatti ad alta efficienza (potenzialmente con controllo attivo della temperatura), mentre l'LBO è preferito per applicazioni che danno priorità alla stabilità termica a lungo termine e alla minima deriva di potenza. I risultati servono come guida per la selezione dei cristalli non lineari per la progettazione di moduli di conversione di frequenza di prossima generazione.