OPA和泵浦探测3354非线性光学实验室的理想建设要求

高精度实验设备要想达到理想的使用效果，也会对设备的运行环境提出更高的要求。使用光参量放大器(OPA)和泵浦探测的用户都希望有一个理想的实验环境来保证这些高精度器件的稳定运行，获得可靠的理想实验结果。通常情况下，用户习惯按照洁净室的标准建设自己的光学实验室。然而，对于OPA和泵检测等设备，这有时会适得其反。这是因为OPA和泵浦检测设备的核心部件采用非线性光学元件，属于非线性光学设备，对环境有各种要求。单纯追求清洁可能会使其他环境条件得不到满足，从而产生其他问题。

图一。飞秒激光器(PHAROS)、光学参量放大器(ORPHEUS)和泵浦探测系统(HARPIA)

非线性光学设备除了要求光学洁净室的无尘条件外，还要求更好的温度稳定性、湿度稳定性和超低风速。通常光学洁净室的送风速度很高，对非线性光学设备的稳定运行影响很大。而清洁度和风速通常是矛盾的。因此，有必要采取一些措施，甚至在建设实验室之初，在设计层面平衡各种因素，建设一个理想的非线性光学实验室。

我们先来看看主要环境因素对非线性光学设备的影响，然后介绍非线性光学实验室建设中的注意事项。

不同环境因素对非线性光学设备的影响

温度

OPA等设备的理想工作温度为22-24，温度偏差为1。如果温度过低或过高，如低于18或高于26，前端激光器可能无法启动。激光器具有独立反馈，通过改变内部电压、电流等参数，可以保证其输出功率在一定的温度波动下保持稳定。然而，OPA是一种无源器件，没有自动调节装置，其稳定性对温度波动很敏感。当温度变化较大时，OPA中非线性晶体的耦合效率会降低，随之而来的是输出功率的降低。温度波动导致所有光路的框架热胀冷缩，影响光路的稳定性和光束质量。由于热胀冷缩的不可逆性，机架的螺杆胀缩偏差的机械距离不同，会影响OPA电源的长期稳定性。

湿度

湿度会影响镜片表面薄膜的稳定性，进而影响光路。高湿度还会导致镜片表面结露，被强激光破坏。非线性晶体和薄膜在高湿度下容易潮解，导致失效。而且湿度过高或过低都会造成电路故障，损坏设备。激光器和OPA应在湿度低于60%的环境中工作。理想的湿度范围在30%到55%之间。实验室的合理湿度可以根据该地区的年平均湿度来设定。一般来说，为了保证OPA的功率稳定性，湿度波动控制在10%以内比较理想。

风速

在建立恒温恒湿的光学洁净室环境时，风速是一个容易被忽视的因素。但是对于非线性光学设备来说，超低风速甚至无风的环境是极其重要的。对于OPA这种动力设备来说，明显的风速意味着实验室内明显的温度梯度。风速引起的空气湍流会引起短期的温度波动，OPA输出功率会因空调的制冷循环而周期性漂移。与脉冲能量大的OPA相比，脉冲能量小的OPA对风速更敏感。从经验统计来看，在实验室温湿度稳定的情况下，风速是OPA功率不能长时间维持的主要原因。

2.低泵浦脉冲能量(10uJ)的OPA在低风速(大于8小时)下的功率稳定性

图3。无风环境下中等泵浦脉冲能量(90uJ)的运算放大器功率稳定性(8小时)

泵系统(如HARPIA-TA)的稳定性也与风速密切相关。探测设备泵浦的探测光的激发激光一般都有较长的光路延迟，所以经过较长的光路后，风速会明显影响激发激光的稳定性，甚至影响被激发的探测光的稳定性。特别是当风从设备正上方吹来时，对探头灯的稳定性危害很大。根据经验统计，与低风速或无风环境相比，探测光在风速明显的环境中稳定性会下降1-2个数量级。如果在理想条件下稳定度可以达到0.02% RSD，那么有风环境的稳定度可能会下降到0.2% RSD，甚至超过1% RSD。

空气的洁净度

环境清洁是光学设备通常的要求，非线性光学设备也要求有更好的清洁环境。灰尘会引起光的衍射，影响光场分布，影响光的质量；落在光学元件表面的灰尘也会影响光的传输效率；在强光下，光学镜头上的灰尘也可能导致组件损坏。

图4。洁净室与非洁净室OPA内部光路含尘量的比较

通常一万个洁净室就可以满足非线性光学设备的运行要求。实验室的洁净度和风速之间的矛盾是一个棘手的问题。如果风速太低，实验室的洁净度就无法保证。如上所述，高风速会影响非线性光学设备的稳定性和实验结果。如何实现两者的平衡？

风速驱动的空气循环可以清除实验室空气中漂浮的尘粒，而较高的风速可以防止灰尘停留在实验室平台或地面上，从而保证实验室整体的洁净度。通常，对光学设备的威胁是空气中漂浮的尘埃颗粒。停在站台或地面上的尘粒主要是未被回风带走的重颗粒，这些颗粒不易自动回到空中重新悬浮。通过光学架挡板或保护帘保证设备周围的低风速后，循环空气仍能有效带走环境中的悬浮灰尘，从而保证光学设备和光路的正常工作；地面和平台上的尘粒可以分别用吸尘器和干(或微湿)抹布定期清理，防止其落在光学元件表面，保证整个环境的清洁。这样可以有效缓解风速和环境洁净度的矛盾。

非线性光学实验室的设计考虑

温度监测

测温标准一般采用多路测温装置或具有多点测温功能的设备，传感器一般采用铂电阻，或其他符合要求的传感器，数量不少于5个。测量范围应覆盖整个实验室温度控制范围，以保证整个环境的温度均匀性。

环境稳定性要求建立后，温度控制系统的稳定性应达到环境温度稳定性要求的1/2，而传感器的灵敏度应达到环境温度稳定性要求的1/10。以1的环境温度稳定性要求为例，温度控制系统的稳定性应0.5，传感器的灵敏度应0.1。

与单片机和DDU相比，PLC具有编程和修改程序简单、扩展性强、通用性好的特点，可以实现多种复杂的控制，更适合实验室定制化的控制要求。

在南方实验室，要注意选择有制热功能的空调，防止特殊年份冬季过度制冷导致实验室温度失控。但是有些特殊的实验室即使在冬天温度也很高，需要空调、制冷和温度控制。普通空调机组在外界环境低于15时无法制冷。针对这种特殊情况，有必要选择具有年制冷量的机组。这时，应注意两者的区别

空调系统要配备除湿模块，一些高级空调还可以配备加湿功能，方便在湿度过低时调节湿度。整体送回风系统应考虑内循环新风的组合方式。尤其是南方很多地区，一年大部分时间湿度都很高。如果只采用无内循环的新风模式，外界富含水分的空气很难一次性通过空调除湿达到实验室要求，容易影响设备和实验。完全内循环的模式容易导致实验室缺氧，影响实验人员的健康。通常情况下，新鲜空气的比例应为每人每小时30立方米。

湿度控制

对于非线性光学设备，风速控制要求复杂，是设备运行的关键。风速控制不仅影响温湿度的稳定性和均匀性，还影响实验室的洁净度。从实验室的角度来说，有报道说在送风口加入微孔铝板可以将风速降低到0.1m/s以下，实验室不同区域的温度偏差可以控制在0.3，同时达到更好的风速控制和温度均匀性。

图5。送风口有无微孔铝板时的温度和风速分布性能

对于非线性光学设备，无风环境更为理想。OPA制造商使用封闭的测试箱来隔离设备和平台周围的风速扰动。但是普通实验室很难满足这样的条件。为了减少洁净室送风对非线性光学设备的影响，送风口应避开设备正上方。其次，你可以在设备所在的平台上方搭建一个平台框架，在框架顶部铺设挡风板，降低来自上方的风速。可以在平台周围安装光学防护帘，减缓平台周围的气流扰动。通过在送风出口和设备周边采取措施，可以有效降低送风速度，减少空气扰动对非线性光学设备的影响。

图6。封闭式实验箱、光学平台框架挡风光学保护帘

此外，在实验室外预留一个隔间放置激光系统的水冷器，也有助于减少气流扰动，控制实验室内的温湿度。通常激光的水冷器会排出高风速的高温空气。如果把水冷器放在实验室，即使水冷器的排风扇对着实验室的回风口，也会有一部分高温空气排入实验室。这样，实验室的空调将通过额外的冷却空气供应来保持温度的稳定性。同时，激光水冷器的排风和空调送风量的增加，增加了实验室内的气流扰动，会对设备的稳定运行和长期的电力稳定产生负面影响。因此，将水冷器放在室外可以同时降低实验室内风速和温湿度的波动，对设备的运行和实验结果有积极的作用。长期的实践经验表明，在相同条件下，采用外置激光冷水机组的实验室，OPA功率可以保持更长时间，泵浦探测实验的光信号更加稳定。

以上是我们主要介绍的影响因素和预防措施。实验室通常考虑的照明、供电、接地、微振动，这里就不讨论了。

风速控制

除了洁净度、温湿度的稳定性，超低风速是非线性光学设备不同于一般光学设备的主要环境要求。在设计和建设非线性光学设备实验室时，重要的是在保证设备周围低风速的前提下，保证其他因素满足要求。

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