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OPA 、泵浦探測——非線性光學實驗室的理想建設要求
閱讀：903 發布時間：2022-9-2高精密的實驗設備要想達到理想的使用效果，對設備的運行環境同樣會提出較高的要求。使用光參量放大器（OPA）和泵浦探測的用戶都希望有較為理想的實驗環境，以確保這些高精密設備運行穩定、得到可靠的理想實驗結果。通常，用戶習慣按照超凈間的標準打造自己的光學實驗室。然而對OPA和泵浦探測等設備來說，這樣做有時會適得其反。這是因為OPA和泵浦探測設備中的核心部件利用的是非線性光學元件，屬于非線性光學設備，對環境有多種要求，單純追求潔凈度可能會使其他環境條件得不到滿足，帶來另一些方面的問題。
圖1. 飛秒激光器（PHAROS）、光參量放大器（ORPHEUS）和泵浦探測系統（HARPIA）
除了光學潔凈間的無塵條件，非線性光學設備要求更好的溫度穩定性、濕度穩定性、超低的風速。通常光學潔凈間的送風風速很大，對非線性光學設備的穩定運行造成很大影響。而潔凈度和風速通常又是矛盾的。為此，需要采取一些措施，甚至在建造實驗室之初在設計層面采取方法平衡各種因素，打造理想的非線性光學實驗室。
我們先來了解一下主要的環境因素對非線性光學設備有哪些影響，再介紹一下非線性光學實驗室建造時的注意事項。
不同環境因素對非線性光學設備的影響
溫度
OPA等設備的理想運行溫度在22-24℃，溫度偏差±1℃。溫度過低或過高，如低于18℃或高于26℃，前端的激光器可能無法啟動。激光器有自主反饋，可以通過改變內部電壓、電流等參數保證自身可以在一定的溫度波動下仍能穩定輸出功率。而OPA屬于被動設備，沒有自動調節裝置，其穩定性對溫度波動較為敏感。當溫度變化較大時，OPA中非線性晶體的耦合效率會下降，隨之而來的是輸出的功率的下降。溫度的波動造成所有光路的鏡架熱脹冷縮，影響光路穩定和光束質量。由于熱脹冷縮的不可逆性，鏡架的螺絲膨脹和收縮偏移的機械距離不同，這將影響OPA功率的長期穩定性。
濕度
濕度會影響鏡片表面薄膜的穩定性，進而影響光路。濕度大還會導致鏡片表面水凝結，被強激光打壞鏡片。非線性晶體和膜層在較大的濕度下容易潮解，導致失效。并且，濕度過高或過低時還會造成電路故障，損壞設備。激光器和OPA應在濕度小于60%以下的環境運行。理想的濕度范圍在30%-55%之間，可根據本地區常年的平均濕度情況設置實驗室的合理濕度。通常，為保證OPA的功率穩定，濕度波動范圍控制在10%以內較為理想。
風速
在營造恒溫恒濕的光學超凈間環境時，風速是一個容易被忽視的因素。然而對非線性光學設備而言，超低的風速甚至無風的環境極為重要。對OPA這種功率設備而言，明顯的風速意味著實驗室內明顯的溫度梯度。風速引發的空氣湍流會引起溫度的短期波動，并由于空調的冷卻周期而導致OPA輸出功率周期性漂移。相比大脈沖能量的OPA，小脈沖能量的OPA對風速則更為敏感。從經驗統計上看，實驗室溫濕度穩定的情況下，風速是導致OPA功率不能長久保持的主要原因。
圖2. 低風速下低泵浦脈沖能量（10uJ）的OPA的功率穩定性（8小時以上）
圖3. 無風環境下中等泵浦脈沖能量（90uJ）的OPA的功率穩定性（8小時）
泵浦探測系統（如HARPIA-TA）的穩定性與風速也密切相關。由于通常泵浦探測設備probe光的激發激光有較長的光路延時，風速會明顯影響激發激光經過長光程后的穩定，更會影響激發的probe光的穩定性。特別是當風來自設備正上方，對probe光的穩定性傷害特別大。根據經驗統計，與低風速或無風的環境相比，有明顯風速的環境下probe光的穩定性會下降1-2數量級。如果理想情況下穩定性可以到0.02% RSD，有風的環境穩定性可能下降到0.2% RSD，甚至1% RSD以上。
空氣的潔凈度
環境的潔凈度是光學設備的通常要求，非線性光學設備同樣要求較好的潔凈環境。灰塵會引起光的衍射，影響光場分布，影響出光質量；光學元件表面落灰還會影響光的傳輸效率；在強光照射下，光學鏡片上的灰塵可能還會導致元件損壞。
圖4. 非潔凈間與潔凈間運行的OPA內部光路中灰塵數量對比
通常萬級的潔凈間就可以滿足非線性光學設備的運行要求。實驗室的潔凈度與風速的矛盾是容易令人糾結的問題。如果風速過低就不能保證實驗室的潔凈度，而如上所述，風速大又會影響非線性光學設備的運行穩定及實驗效果。如何在兩者之間實現平衡呢？
風速帶動的空氣流通可以除去實驗室空氣中漂浮的微塵顆粒，較大的風速則可以防止灰塵在實驗室平臺或地面停留，從而保證實驗室整體的潔凈程度。通常，對光學設備威脅的是空氣中的漂浮的微塵顆粒。而平臺面或地面停落的灰塵顆粒主要是沒有被送到回風帶走的較重顆粒，這些顆粒比較不容易自動返回空氣中重新懸浮。通過光學架擋板或防護簾確保設備周邊較低風速之后，流通的空氣仍可以有效帶走環境中的懸浮微塵，從而保證光學設備和光路的正常運行；而地面和平臺的灰塵顆粒可以分別通過吸塵器和干（或微濕的）抹布定期清潔，防止落在光學元件表面，并保證了整體環境的潔凈程度。如此一來，風速和環境潔凈度的矛盾便可以有效緩解。
非線性光學實驗室的設計考慮
溫度監測
溫度測量標準一般采用多通道溫度測量裝置或具有多點溫度測量功能的設備，傳感器一般采用鉑電阻，也可采用其他滿足要求的傳感器， 數量不少于5個。測量范圍應覆蓋實驗室溫度控制的全范圍，以確保整體環境的溫度均勻性。
環境溫度穩定性要求確立后，溫度控制系統的穩定性要達到環境溫度穩定性要求的1/2，而傳感器的靈敏度則要達到環境溫度穩定性要求的1/10。以環境溫度穩定性要求±1℃為例，溫度控制系統的穩定性應該≤0.5℃，傳感器的靈敏度應該≤0.1℃。
在控制系統的選型上，相比于單片機和DDU，PLC具有編程和更改程序簡單、擴展性強、通用性好，可實現多種復雜控制的特點，更適合實驗室的定制控制要求。
南方的實驗室在空調選擇上要注意選擇有加熱功能的空調，防止因特殊年份冬季降溫過多而使實驗室溫度失控。而有些特殊的實驗室即使在冬季溫度也較高，需要空調制冷控溫。普通的空調機組在外界環境低于15℃后就不能制冷了。針對這類特殊情況，需要選擇具備全年制冷能力的機組。此時，在制冷機組的選擇上要注意其工作溫度范圍和制冷溫度范圍的區別。
濕度控制
空調系統要配有除濕模塊，高級一些的空調還可配置加濕功能，方便在濕度過低時調節濕度。整體的送風回風系統，應考慮內循環+新風的組合模式。特別是南方很多地區一年中的大部分時候濕度較大，如果只是單純采用沒有內循環的新風模式，外界富含水分的空氣很難通過空調除濕一次性達到實驗室的要求，對設備和實驗容易造成影響。*內循環的模式則容易導致實驗室缺氧，影響實驗人員的健康。通常，新風的比例應保證30立方米每人每小時。
風速控制
對非線性光學設備來說，風速控制的要求較為復雜，是影響設備運行的關鍵。風速控制不僅影響溫濕度的穩定性和均勻性，也影響實驗室的潔凈度。從實驗室的角度，有的報道稱，在送風口增加微孔鋁板后能較好地降低風速，使風速下降到0.1m/s以下，并且實驗室不同地區的溫度偏差可控制到0.3℃，同時實現較好的風速控制和溫度均勻性。
圖5. 送風口使用和未使用微孔鋁板情況下溫度和風速分布的表現
對非線性光學設備而言，無風的環境更為理想。OPA廠家采用密閉實驗箱隔絕設備和平臺周圍的風速擾動。而通常的實驗室比較難達到這樣的條件。為減小潔凈間送風對非線性光學設備的影響，首先應避免送風口在設備的正上方。其次，可以在設備所在的平臺上方搭建平臺架，并在架子的頂部鋪設擋風板降低來自上方的風速。平臺架的周邊可以加裝光學防護簾，減緩平臺周邊的氣流擾動。通過在送風口和設備周邊分別采取措施，可以有效地降低送風風速并降低空氣擾動對非線性光學設備的影響。
圖6. 密閉實驗箱、光學平臺架+擋風板+光學防護簾
除此之外，在實驗室外預留隔間放置激光器系統的水冷機，對降低實驗室氣流擾動和溫濕度控制也有明顯幫助。因為通常激光器的水冷機會排出風速較大的高溫空氣，如果冷水機放在實驗室內，即使冷水機的排風扇對著實驗室的回風口，也會有部分高溫空氣排放在實驗室內。這樣，實驗室的空調就要通過額外的制冷送風維持溫度的穩定。激光器水冷機的排風與增加的空調送風同時加大了實驗室內的氣流擾動，對設備的穩定運行和長期的功率穩定都會產生負面影響。因此，將水冷機外置的做法，可以同時減小實驗室內的風速和溫濕度漲落，對設備的運行和實驗結果都具有積極作用。長期的實踐經驗表明，同等條件下，外置了激光器冷水機的實驗室，OPA功率保持的時間更長，泵浦探測實驗的光信號也更穩定。
以上就是我們主要介紹的影響因素和預防措施。照明、電源、接地和微振動等實驗室通常需要考慮的因素，在此就不再展開了。
結語
除了潔凈度，溫濕度的穩定性，超低的風速是非線性光學設備有別于一般光學設備的主要環境要求。在設計建造非線性光學設備的實驗室時，在確保設備周邊低風速的前提下來保障其他因素滿足要求是需要著重考慮的方面。
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