高精密的实验设备要想达到理想的使用效果，对设备的运行环境同样会提出较高的要求。使用光参量放大器（OPA）和泵浦探测的用户都希望有较为理想的实验环境，以确保这些高精密设备运行稳定、得到可靠的理想实验结果。通常，用户习惯按照超净间的标准打造自己的光学实验室。然而对OPA和泵浦探测等设备来说，这样做有时会适得其反。这是因为OPA和泵浦探测设备中的核心部件利用的是非线性光学元件，属于非线性光学设备，对环境有多种要求，单纯追求洁净度可能会使其他环境条件得不到满足，带来另一些方面的问题。

图1.  飞秒激光器（PHAROS）、光参量放大器（ORPHEUS）和泵浦探测系统（HARPIA）

        除了光学洁净间的无尘条件，非线性光学设备要求更好的温度稳定性、湿度稳定性、超低的风速。通常光学洁净间的送风风速很大，对非线性光学设备的稳定运行造成很大影响。而洁净度和风速通常又是矛盾的。为此，需要采取一些措施，甚至在建造实验室之初在设计层面采取方法平衡各种因素，打造理想的非线性光学实验室。

        我们先来了解一下主要的环境因素对非线性光学设备有哪些影响，再介绍一下非线性光学实验室建造时的注意事项。

温度

       OPA等设备的理想运行温度在22-24℃，温度偏差±1℃。温度过低或过高，如低于18℃或高于26℃，前端的激光器可能无法启动。激光器有自主反馈，可以通过改变内部电压、电流等参数保证自身可以在一定的温度波动下仍能稳定输出功率。而OPA属于被动设备，没有自动调节装置，其稳定性对温度波动较为敏感。当温度变化较大时，OPA中非线性晶体的耦合效率会下降，随之而来的是输出的功率的下降。温度的波动造成所有光路的镜架热胀冷缩，影响光路稳定和光束质量。由于热胀冷缩的不可逆性，镜架的螺丝膨胀和收缩偏移的机械距离不同，这将影响OPA功率的长期稳定性。

湿度

       湿度会影响镜片表面薄膜的稳定性，进而影响光路。湿度大还会导致镜片表面水凝结，被强激光打坏镜片。非线性晶体和膜层在较大的湿度下容易潮解，导致失效。并且，湿度过高或过低时还会造成电路故障，损坏设备。激光器和OPA应在湿度小于60%以下的环境运行。理想的湿度范围在30%-55%之间，可根据本地区常年的平均湿度情况设置实验室的合理湿度。通常，为保证OPA的功率稳定，湿度波动范围控制在10%以内较为理想。

风速

       在营造恒温恒湿的光学超净间环境时，风速是一个容易被忽视的因素。然而对非线性光学设备而言，超低的风速甚至无风的环境极为重要。对OPA这种功率设备而言，明显的风速意味着实验室内明显的温度梯度。风速引发的空气湍流会引起温度的短期波动，并由于空调的冷却周期而导致OPA输出功率周期性漂移。相比大脉冲能量的OPA，小脉冲能量的OPA对风速则更为敏感。从经验统计上看，实验室温湿度稳定的情况下，风速是导致OPA功率不能长久保持的主要原因。

图2. 低风速下低泵浦脉冲能量（10uJ）的OPA的功率稳定性（8小时以上）

图3. 无风环境下中等泵浦脉冲能量（90uJ）的OPA的功率稳定性（8小时）

       泵浦探测系统（如HARPIA-TA）的稳定性与风速也密切相关。由于通常泵浦探测设备probe光的激发激光有较长的光路延时，风速会明显影响激发激光经过长光程后的稳定，更会影响激发的probe光的稳定性。特别是当风来自设备正上方，对probe光的稳定性伤害特别大。根据经验统计，与低风速或无风的环境相比，有明显风速的环境下probe光的稳定性会下降1-2数量级。如果理想情况下稳定性可以到0.02% RSD，有风的环境稳定性可能下降到0.2% RSD，甚至1% RSD以上。

空气的洁净度

       环境的洁净度是光学设备的通常要求，非线性光学设备同样要求较好的洁净环境。灰尘会引起光的衍射，影响光场分布，影响出光质量；光学元件表面落灰还会影响光的传输效率；在强光照射下，光学镜片上的灰尘可能还会导致元件损坏。

图4. 非洁净间与洁净间运行的OPA内部光路中灰尘数量对比

      通常万级的洁净间就可以满足非线性光学设备的运行要求。实验室的洁净度与风速的矛盾是容易令人纠结的问题。如果风速过低就不能保证实验室的洁净度，而如上所述，风速大又会影响非线性光学设备的运行稳定及实验效果。如何在两者之间实现平衡呢？

       风速带动的空气流通可以除去实验室空气中漂浮的微尘颗粒，较大的风速则可以防止灰尘在实验室平台或地面停留，从而保证实验室整体的洁净程度。通常，对光学设备威胁的是空气中的漂浮的微尘颗粒。而平台面或地面停落的灰尘颗粒主要是没有被送到回风带走的较重颗粒，这些颗粒比较不容易自动返回空气中重新悬浮。通过光学架挡板或防护帘确保设备周边较低风速之后，流通的空气仍可以有效带走环境中的悬浮微尘，从而保证光学设备和光路的正常运行；而地面和平台的灰尘颗粒可以分别通过吸尘器和干（或微湿的）抹布定期清洁，防止落在光学元件表面，并保证了整体环境的洁净程度。如此一来，风速和环境洁净度的矛盾便可以有效缓解。

温度监测

       温度测量标准一般采用多通道温度测量装置或具有多点温度测量功能的设备，传感器一般采用铂电阻，也可采用其他满足要求的传感器， 数量不少于5个。测量范围应覆盖实验室温度控制的全范围，以确保整体环境的温度均匀性。

       环境温度稳定性要求确立后，温度控制系统的稳定性要达到环境温度稳定性要求的1/2，而传感器的灵敏度则要达到环境温度稳定性要求的1/10。以环境温度稳定性要求±1℃为例，温度控制系统的稳定性应该≤0.5℃，传感器的灵敏度应该≤0.1℃。

       在控制系统的选型上，相比于单片机和DDU，PLC具有编程和更改程序简单、扩展性强、通用性好，可实现多种复杂控制的特点，更适合实验室的定制控制要求。

       南方的实验室在空调选择上要注意选择有加热功能的空调，防止因特殊年份冬季降温过多而使实验室温度失控。而有些特殊的实验室即使在冬季温度也较高，需要空调制冷控温。普通的空调机组在外界环境低于15℃后就不能制冷了。针对这类特殊情况，需要选择具备全年制冷能力的机组。此时，在制冷机组的选择上要注意其工作温度范围和制冷温度范围的区别。

湿度控制

       空调系统要配有除湿模块，高级一些的空调还可配置加湿功能，方便在湿度过低时调节湿度。整体的送风回风系统，应考虑内循环+新风的组合模式。特别是南方很多地区一年中的大部分时候湿度较大，如果只是单纯采用没有内循环的新风模式，外界富含水分的空气很难通过空调除湿一次性达到实验室的要求，对设备和实验容易造成影响。*内循环的模式则容易导致实验室缺氧，影响实验人员的健康。通常，新风的比例应保证30立方米每人每小时。

风速控制

        对非线性光学设备来说，风速控制的要求较为复杂，是影响设备运行的关键。风速控制不仅影响温湿度的稳定性和均匀性，也影响实验室的洁净度。从实验室的角度，有的报道称，在送风口增加微孔铝板后能较好地降低风速，使风速下降到0.1m/s以下，并且实验室不同地区的温度偏差可控制到0.3℃，同时实现较好的风速控制和温度均匀性。

图5. 送风口使用和未使用微孔铝板情况下温度和风速分布的表现

       对非线性光学设备而言，无风的环境更为理想。OPA厂家采用密闭实验箱隔绝设备和平台周围的风速扰动。而通常的实验室比较难达到这样的条件。为减小洁净间送风对非线性光学设备的影响，首先应避免送风口在设备的正上方。其次，可以在设备所在的平台上方搭建平台架，并在架子的顶部铺设挡风板降低来自上方的风速。平台架的周边可以加装光学防护帘，减缓平台周边的气流扰动。通过在送风口和设备周边分别采取措施，可以有效地降低送风风速并降低空气扰动对非线性光学设备的影响。

图6. 密闭实验箱、光学平台架+挡风板+光学防护帘

        除此之外，在实验室外预留隔间放置激光器系统的水冷机，对降低实验室气流扰动和温湿度控制也有明显帮助。因为通常激光器的水冷机会排出风速较大的高温空气，如果冷水机放在实验室内，即使冷水机的排风扇对着实验室的回风口，也会有部分高温空气排放在实验室内。这样，实验室的空调就要通过额外的制冷送风维持温度的稳定。激光器水冷机的排风与增加的空调送风同时加大了实验室内的气流扰动，对设备的稳定运行和长期的功率稳定都会产生负面影响。因此，将水冷机外置的做法，可以同时减小实验室内的风速和温湿度涨落，对设备的运行和实验结果都具有积极作用。长期的实践经验表明，同等条件下，外置了激光器冷水机的实验室，OPA功率保持的时间更长，泵浦探测实验的光信号也更稳定。

        以上就是我们主要介绍的影响因素和预防措施。照明、电源、接地和微振动等实验室通常需要考虑的因素，在此就不再展开了。

结语

       除了洁净度，温湿度的稳定性，超低的风速是非线性光学设备有别于一般光学设备的主要环境要求。在设计建造非线性光学设备的实验室时，在确保设备周边低风速的前提下来保障其他因素满足要求是需要着重考虑的方面。

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