非線性光學晶體內基頻雷射相位控制裝置的製作方法
2023-11-11 21:02:22 3
專利名稱：非線性光學晶體內基頻雷射相位控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射倍頻器，特別是涉及一種非線性光學晶體內基頻雷射相位控制裝置。
背景技術：
光學二次諧波產生(SHG)——倍頻，是雷射出現後第一個被發現的非線性光學效應(J.A.Armstrong，N.Bloembergen，et al，Phys.Rev，127，1918(1962))。理論與實驗研究證明，當基頻雷射的相速與倍頻光的相速相等時，即所謂的相位匹配，晶體內各處產生的倍頻光能夠以相同的相位進行疊加，獲得相長幹涉，就能夠獲得有效的倍頻轉換。儘管光學二次諧波是最早發現的非線性光學效應，但是，迄今為止光倍頻仍然是最有實際應用價值的一個非線性光學效應。由於倍頻技術在非常廣泛的領域有著重要的應用價值，國內外對這一非線性效應進行了深入的研究。在傳統的倍頻、和頻技術裡，對於II類相位匹配倍頻，由於基頻光在非線性光學晶體中的快光分量和慢光分量的折射率不同，使得倍頻光和基頻光有走離，這就限制了非線性光學晶體的長度，從而降低了倍頻效率；而且，在出射時基頻光的相位將發生改變，這樣就大大限制了它的應用。近年來，在補償走離的方法上有了一定改進，如日本學者Hiromotsu Kiriyama等人在文獻(Highly efficient second harmonic generation by using four pass quadraturefrequency conversion，Proceedings of SPIE，Vol.3889(2000))中報導了利用II類倍頻這一特性，採用正交頻率轉換技術實現了80％倍頻效率。但是，正交頻率轉換的物理本質決定了倍頻產生的二次諧波相位特性較差，不適於應用在有偏振要求的情況，如泵浦鈦寶石雷射器，可調諧光參量雷射器等。
利用半導體雷射器(LD)泵浦固體雷射介質的固體雷射器與非線性光學倍頻器構成的全固態雷射器具有結構緊湊、壽命長、效率高、相位可控等優點，可應用於工業、科研、醫療、軍事、顯示等領域，近年來成為雷射領域最為活躍且最具前景的方向之一。
發明內容
本發明的目的在於克服已有的II類相位匹配裝置中由於基頻光和倍頻光在晶體裡的折射率不一樣而產生走離效應，因而倍頻效率很低，倍頻產生的二次諧波相位特性較差，而且基頻光的相位無法控制的缺點；為了達到在高效非線性倍頻的同時實現調節雷射相位的目的；從而本發明提供一種採用溫度控制非線性光學晶體折射率變化，進而控制基頻雷射的相位，可以實現II類相位匹配走離角補償，達到高效率倍頻的結構簡單的非線性光學晶體內基頻雷射相位控制裝置。
本發明的目的是這樣實現的本發明提供的一種雷射相位控制裝置；包括諧振腔鏡、非線性光學晶體和泵浦雷射源；其中泵浦雷射源安置在輸入諧振腔鏡的前方，輸入諧振腔鏡和輸出諧振腔鏡之間組成雷射諧振光路，其特徵是還包括在雷射諧振光路中至少安裝一臺控溫裝置，非線性光學晶體放置在控溫裝置的加熱基片上，控溫裝置與電源電連接；所有光學元件均安裝在可調諧角度的光學平臺上。
本發明還包括一雷射晶體，該雷射晶體放置在輸入諧振腔鏡與非線性光學晶體之間的光路上，所述的雷射晶體包括摻釹釩酸釔(NdYVO4)、摻釹釔釹石榴石(NdYAG)、摻釹氟化釔鋰(NdYLF)等。
所述的溫控裝置可以是比例—積分—微分放大器(PID)溫控儀，也可以是其它溫控設備；但是其溫控裝置的溫度控制精度在0.1度以下。所述的控溫裝置可以是2個以上，每個控溫裝置的加熱基片上放置一塊非線性光學晶體，並且控溫裝置在光路上串聯連接。
所述的非線性光學晶體可以是三硼酸鋰(LBO)、偏硼酸鋇(BBO)、鈮酸鉀(KNO3)、鈦氧磷酸鉀(KTP)，或其它非線性光學晶體，其形狀包括塊狀、棒狀或任意形狀的。其非線性光學晶體內的變頻方式是倍頻，其相位匹配方式是II類相位匹配。
所述的泵浦雷射源包括固體雷射器、液體雷射器、氣體雷射器、半導體雷射器或頻率變換雷射，可以是連續波雷射，也可以是準連續波雷射；所述的泵浦雷射源的波長可以是1064nm、1342nm、1319nm、1030nm、946nm、914nm，還可以是其它波長的雷射。
所述的非線性光學晶體倍頻方式包括腔外倍頻、腔內倍頻、外腔倍頻。
本發明提供的雷射相位控制裝置當雷射泵浦非線性光學晶體產生II類相位匹配倍頻時，基頻光和倍頻光因為波長不一樣，對非線性光學晶體的折射率也不一樣，因而會產生走離效應。由於溫度隨折射率的變化而變化，所以用精密溫控裝置控制非線性光學晶體的溫度，就能控制非線性光學晶體的折射率，進而控制基頻光和倍頻光的相位差。
本發明的優越性在於本發明的非線性光學晶體內基頻雷射相位控制裝置由精密溫控裝置、一塊或幾塊非線性光學晶體、泵浦光源組成的，其非線性光學晶體由精密溫控裝置精密控溫，控制非線性光學晶體的溫度即能控制晶體內基頻光和倍頻光的折射率，進而控制基頻光的相位差。本發明還可以在光路上安置諧振腔鏡以實現腔內倍頻(圖1)相位控制和外腔倍頻(圖2)相位控制。
總之，本發明克服了原有技術因難以控制相位差而且導致的倍頻效率低下的缺點，並且結構簡單，其效率可達理論極限值，實現了高效的雷射輸出，為高效率的雷射倍頻技術實用化開闢了廣闊的前景，可廣泛應用於軍事、科研、娛樂、醫療等領域。
圖1、II類相位匹配偏振控制器在腔內倍頻中的應用(連續波)圖2、II類相位匹配偏振控制器在外腔倍頻中的應用(連續波)圖3、II類相位匹配偏振控制器在腔外倍頻中的應用(準連續波、鎖模)附圖標示1.泵浦雷射源 2.諧振腔鏡 3.雷射晶體 4.非線性光學晶體 5.諧振腔鏡6.輸出光 7.精密溫控裝置 8.非線性光學晶體 9.基頻光 10.布儒斯特角稜鏡具體實施方式
實施例1按照圖1的光路製作一臺雷射相位調節裝置，該調節裝置是II類相位匹配偏振控制器腔內倍頻輸出連續波紅光，雷射晶體NdYVO4，被半導體雷射器端面泵浦後，產生1342nm的螢光並在腔內振蕩形成雷射，雷射經過倍頻晶體後被倍頻產生671nm的紅光。
該雷射相位調節裝置中的雷射晶體採用NdYVO4，所用諧振腔鏡2選用平鏡，靠近泵光1的一面鍍808nm的增透膜，另一面鍍808nm的增透膜和1342nm、671nm的高反膜；諧振腔鏡5選用平凹鏡，凹面鍍1342nm的高反膜和671nm的增透膜；兩塊諧振腔鏡2、5放在一條光學導軌。一塊雷射晶體3選用NdYVO4，雙面鍍1342nm，671nm，和808nm的增透膜，安置在諧振腔鏡2的後面光路上，其中8mm長為通光方向；一塊非線性光學晶體4選用BBO晶體，BBO的切割角為θ＝29.3°，雙面鍍671nm和1342nm的增透膜，放在雷射晶體3和諧振腔鏡5之間，將1342nm波長的雷射倍頻成為671nm的紅光輸出光6；一個市場購買的精密PID溫控儀7安置在雷射晶體3與諧振腔鏡5之間的光路上，非線性光學晶體4放在精密PID溫控儀7的加熱基片，將其包裝起來並精密控溫，PID溫控儀7與溫控電源電連接；選用半導體雷射器LD作為泵浦雷射源1安置在諧振腔鏡2的前面從端面泵浦雷射源晶體2。
使用本發明提供的雷射相位調節裝置控制基頻雷射的相位，是採用溫度控制非線性光學晶體折射率變化來達到的，具體調節過程如下首先將精密溫控裝置的溫度設定在308.0K(由非線性光學晶體來設定的)，使得基頻雷射經過非線性光學晶體後相位變化kπ，從而保持基頻雷射偏振態不變，消除基頻雷射經過非線性光學晶體後偏振態的隨機變化(這將導致雷射晶體雙折射損耗增大，雷射輸出下降)，即能在腔內實現腔內倍頻並提高輸出穩定性。調節諧振腔鏡2和5使1342nm的螢光起振，調節非線性光學晶體4使1342nm的雷射倍頻，則在諧振腔鏡5後輸出671nm的紅光輸出光6。
實施例2按圖2的光路圖建造一臺II類相位匹配偏振控制器外腔倍頻輸出連續波藍光，腔鏡2選用平鏡，靠近泵光1的一面鍍946nm的增透膜，另一面鍍946nm的增透膜和473nm的高反膜；腔鏡5選用平凹鏡，凹面鍍946nm的高反膜和473nm的增透膜；一塊非線性光學晶體4選用LBO晶體，雙面鍍946nm和473nm的增透膜，LBO的切割角為θ＝37.5°，φ＝90°，放在諧振腔鏡2和5之間，將946nm波長的雷射倍頻成為473nm的藍光；一個PID精密溫控裝置7安置在雷射晶體3與諧振腔鏡5之間的光路上，非線性光學晶體4放在精密PID溫控儀7的加熱基片，將其包裝起來並精密控溫，PID溫控儀7與溫控電源電連接；選用946nm的雷射作為泵光1安置在諧振腔鏡2的前面從端面泵浦非線性光學晶體4。
調整溫度，將精密溫控裝置的溫度設定在300.7K，使得基頻雷射經過非線性光學晶體後相位變化kπ，從而保持基頻雷射偏振態不變，消除基頻雷射經過非線性光學晶體後偏振態的隨機變化(這將導致倍頻輸出雷射功率較大起伏)，即能在腔內實現倍頻並提高輸出穩定性。
調節諧振腔鏡2和5使946nm的螢光起振，調節非線性光學晶體4使946nm的雷射倍頻，則在諧振腔鏡5後輸出473nm的藍光。
實施例3按圖3的光路建造一臺II類相位匹配偏振控制器腔外倍頻輸出準連續波綠光，兩塊非線性光學晶體4、8選用KTP，KTP的切割角為θ＝90°，φ＝23.5°，串聯安置在泵光1的後面，並使非線性光學晶體4和8的Z軸反向；精密溫控裝置7將非線性光學晶體4和8包裝起來並精密控溫，調整溫度，使得基頻光(1064nm)在非線性光學晶體4前後的位相相差Kπ(k為整數)；選用1064nm的準連續波雷射作為泵光1安置在非線性光學晶體4的前面從端面泵浦非線性光學晶體4；一塊布儒斯特角稜鏡10安置在非線性光學晶體8的後面將基頻光9和倍頻光6分開。
將精密溫控裝置的溫度設定在307.5K，這樣基頻光(1064nm)在非線性光學晶體4前後的位相相差kπ(k為整數)，即基頻光在經過非線性光學晶體4後偏振方向不改變，仍為線偏光，具有較高的偏振度。這樣，設計非線性光學晶體4和8為走離補償方式，即能實現高效腔外倍頻光輸出。調節非線性光學晶體4和8使1064nm的雷射倍頻，則在布儒斯特角稜鏡10後輸出532nm的準連續波綠光。該實驗已於2002年3月在中科院物理研究所CL06組實現，實驗中僅用兩塊3×3×15mm3(15mm長為通光方向)的KTP串接，已實現在基頻光(1064nm)75W(基頻光功率密度1.14MW/cm2)下倍頻光(532nm)達30W，轉換效率達40％。同時在無溫控狀態下測得532nm輸出功率21W，轉換效率28％。顯然，溫控後效率提高了12％。
權利要求
1.一種非線性光學晶體內基頻雷射相位控制裝置，包括諧振腔鏡、非線性光學晶體和泵浦雷射源；其中泵浦雷射源安置在輸入諧振腔鏡的前方，輸入諧振腔鏡和輸出諧振腔鏡之間組成雷射諧振光路，其特徵是還包括在雷射諧振光路中安裝至少一臺控溫裝置，非線性光學晶體放置在控溫裝置的加熱基片上，控溫裝置與電源電連接；所有光學元件均安裝在可調諧角度的光學平臺上。
2.按權利要求1所述的非線性光學晶體內基頻雷射相位控制裝置，其特徵是還包括一雷射晶體，該雷射晶體放置在輸入諧振腔鏡與非線性光學晶體之間的光路上，所述的雷射晶體包括摻釹釩酸釔、摻釹釔釹石榴石或摻釹氟化釔鋰。
3.按權利要求1所述的非線性光學晶體內基頻雷射相位控制裝置，其特徵是所述的非線性光學晶體包括三硼酸鋰、偏硼酸鋇、鈮酸鉀、鈦氧磷酸鉀或其它非線性光學晶體，其形狀包括塊狀、棒狀或任意形狀的。
4.按權利要求1所述的非線性光學晶體內基頻雷射相位控制裝置，其特徵是所述的泵浦雷射源包括固體雷射器、液體雷射器、氣體雷射器、半導體雷射器或頻率變換雷射，該雷射包括連續波雷射或準連續波雷射。
5.按權利要求1所述的非線性光學晶體內基頻雷射相位控制裝置，其特徵是所述的非線性光學晶體倍頻方式包括腔外倍頻、腔內倍頻、外腔倍頻。
6.按權利要求1所述的非線性光學晶體內基頻雷射相位控制裝置，其特徵是所述的溫控裝置是比例—積分—微分放大器溫控儀，或其它溫控設備；其溫控裝置的溫度控制精度在0.1度以下。
7.按權利要求1所述的非線性光學晶體內基頻雷射相位控制裝置，還包括所述的控溫裝置是2個以上，每個控溫裝置的加熱基片上放置一塊非線性光學晶體，並且控溫裝置在光路上串聯連接。
全文摘要
本發明涉及一種非線性光學晶體內基頻雷射相位控制裝置。該雷射相位控制裝置包括諧振腔鏡、非線性光學晶體和泵浦雷射源，其中泵浦雷射源安置在輸入諧振腔鏡的前方，輸入諧振腔鏡和輸出諧振腔鏡組成雷射諧振光路；其特徵是在雷射諧振光路中安置控溫裝置，非線性光學晶體放置在控溫裝置的加熱基片上，控溫裝置與電源電連接，所有光學元件均安裝在可調諧角度的光學平臺上。該裝置採用溫度控制非線性光學晶體折射率變化，進而控制基頻雷射的相位，可以實現II類相位匹配走離角補償，實現高效率倍頻，克服了原有技術中II類倍頻後基頻光相位無法控制的缺點，並且結構簡單，採用多塊非線性光學晶體串聯倍頻，其倍頻效率可達理論極限。
文檔編號H01S3/091GK1499679SQ02149350
公開日2004年5月26日 申請日期2002年11月11日 優先權日2002年11月11日
發明者畢勇, 李瑞寧, 許祖彥, 馮衍, 林學春, 畢 勇 申請人:中國科學院物理研究所