以化學計量比鉭酸鋰超晶格為變頻晶體的光參量振蕩雷射器的製作方法
2023-10-06 16:44:34 1
專利名稱：以化學計量比鉭酸鋰超晶格為變頻晶體的光參量振蕩雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種以化學計量比鉭酸鋰超晶格為變頻晶體的光參量振蕩雷射器。該雷射器以化學計量比鉭酸鋰光學超晶格為非線性變頻晶體，採用532nm雷射器為抽運光源，通過改變周期(在周期超晶格中)，或者使用準周期、非周期結構，並輔助以溫度調節，能實現從可見光到中紅外(3至4微米)範圍寬調諧雷射輸出。
背景技術：
近十年，已經有以高功率二極體雷射器為抽運光源，利用電場極化的方法製造周期鐵電光學超晶格如周期極化同成份鉭酸鋰(PPLT)和周期極化同成份鈮酸鋰(PPLN)，以準位相匹配(QPM)方法製造有效的結構緊湊的全固態光參量振蕩(OPO)雷射器[1]。但是因為同成份鉭酸鋰和同成份鈮酸鋰矯頑場比較高(＞20KV/mm)，極化比較困難，特別是極化周期小於10μm的結構更加困難，另外受材料本身光折變損傷和可見光引起的紅外吸收的影響，所以製造的OPO雷射器只能工作在紅外光區。目前也有一些報導用PPLT和PPLN作為增益介質產生近紅外光，但是輸出功率只能處於毫瓦量級[2-4]。具有高重複頻率、高功率和可調範圍從可見光到中紅外的OPO雷射器將會是一種新的雷射光源，它可以替代目前的雷射器應用在從可見光到中紅外這一特殊波長範圍，從事線性和非線性光譜學研究及一些其它應用。
化學計量比鉭酸鋰(U.S.patent 6211999)對光折變損傷和可見光引起的紅外吸收有很強的抑制作用。在化學計量比鉭酸鋰中非化學計量比的缺陷數量大大減少，從而相對於同成份鉭酸鋰，其矯頑場降低了一個數量級以上，極化周期已經可以做到10μm以下，同時它的抗光損傷域值提高了兩到三個數量級[5]。因此，周期極化化學計量比鉭酸鋰(PPSLT)已經開始在倍頻和和頻產生綠光和藍光中有所應用[6-8]。在這些應用中綠光和藍光的峰值功率密度都處在光折變損傷域值2-3MW/cm2之下。Takaaki Hatanaka等人製造出了應用PPSLT超晶格為頻率轉換介質以高平均功率近紅外光(1064nm)作為抽運光源的OPO系統，重複頻率為1KHz，樣品尺寸是18mm×8mm×1mm(長×寬×厚)，利用28、29和30μm的周期在100到250℃可以實現1.43--1.457，1.471--1.51和1.533--1.589μm的信號光和相應波長的閒置光輸出，轉換效率為27％。在該系統正常工作時並沒有出現光折變損傷或光折變損傷現象並不明顯[9，10]。PPSLT光學器件在U.S.patent 6211999中也提到在可見光功率密度大於15MW/cm2仍然可以避免光折變損傷和可見光引起的紅外吸收。所以PPSLT超晶格應該可以作為一個非常好的選擇用來製造高功率可調範圍從可見光到中紅外的OPO雷射器系統。(參見Topics Appl.Phys.89，141
周期結構的光學超晶格可以用於倍頻，和頻和差頻等參量過程的頻率轉換。周期結構超晶格的倒格矢可以表示為G=m2]]>，其中Λ為周期，m為一整數，也就是說所有的倒格矢是一階倒格矢的整數倍。
利用超晶格的參量過程是實現雷射變頻輸出的重要手段。利用多通道的周期、準周期或非周期超晶格來實現以532nm雷射為抽運光源的可調波長雷射輸出。為了利用最大的有效非線性係數，得到最高的轉換效率，可以利用周期結構提供的一階倒格矢來匹配參量過程中的位相失配，從而得到最高的轉換效率(Appl.Phys.Lett.，85，188(2004).Ferroelectrics，273，199(2002).Opt.Lett.，29，1775(2004))。
周期結構正負電疇的寬度比取為1∶1，使用了周期結構提供的一階倒格矢(即m＝1)來補償抽運光和參量光的位相失配。對於用來實現參量轉換周期結構，有2[ne(pump)pump-ne(signal)signal-ne(idler)idler]-2=0]]>其中λpump、λsignal和λidler為抽運光、信號光和閒置光的波長，ne(λpump)、ne(λsignal)和ne(λidler)分別為它們的折射率，Λ為超晶格的周期。
利用如下的色散公式[1]來計算折射率ne2(,T)=A+B+b(T)2-[C+c(T)]2+E2-F2+G2-H2+D2]]>其中的參數為A＝4.502483B＝7.294×10-3C＝0.185087D＝-2.357×10-2E＝7.3423×10-2F＝0.199595G＝0.001H＝7.99724b(T)＝3.483933×10-8(T+273.15)2c(T)＝1.607839×10-8(T+273.15)21.用一個PPSLT樣品，經過仔細的研究和測量，發現光折變損傷在這種鐵電材料應用在光參量放大和光參量振蕩過程中仍然存在。但是在溫度高於80℃時，光折變損傷已經降低到光參量過程正常工作可以接受的程度。而且在一個設定好的諧振腔中在參量振蕩產生以後上述光折變損傷現象已經消失。上述色散方程中存在兩個未知參量λ和T，λ為所計算波的波長，T為溫度。實驗中設計了多個通道的結構，這樣做的原因是對於單個通道通過調節溫度可以使參量光波長在一定範圍內可調，通過多通道的設計就可以利用不同的周期結構並輔以溫度調諧使參量光可以在比較大的範圍內可調，以至於在較大範圍內連續可調。從而構造出能實現高效參量光連續可調輸出的小型固態雷射器。根據以上公式的計算，可以設計一個多通道周期結構，周期分別為8μm，8.5μm，9μm，9.5μm，10μm，10.5μm，11μm。這樣通過調整不同的周期，在工作溫度從80℃到200℃的情況下，參量光的調諧範圍如下表。
表一
這個PPSLT樣品的尺寸是20mm×8mm×0.83mm(長×寬×厚)。以重複頻率為3.5KHz的532nm抽運光為激發光源，經過透鏡聚焦在諧振腔中的樣品上，可以實現648-940nm信號光和1230-2980nm閒置光輸出，光子轉換效率達到40％--60％。圖2為利用9.5μm周期，樣品溫度為170℃，輸出信號光波長為713.6nm，閒置光波長為2095nm。在諧振腔腔長為40mm時，輸入抽運光能量1W時，可以輸出信號光318mW，閒置光121mW，能量轉換效率44％，斜率效率可以達到63.6％。
典型的OPO系統是用周期極化的反轉疇結構來實現可調波長輸出。每個周期的可調範圍受限於晶體的光散射性質隨溫度的變化程度。如表一中採用七個周期結構，在650nm到3μm的調諧範圍內還是會有一些間斷。對於SLT晶體，通過計算可以知道要想得到從650nm到3μm的連續可調，至少需要10個周期結構。為了用更少的通道數量，可以設計一個複合結構包含兩個或兩個以上周期結構的倒格失，這種複合結構可以利用準周期或非周期等結構[12]。設計這樣的準周期或非周期結構來減少通道數，將會更加容易應用。如採用準周期結構，要實現從650nm到3μm的連續可調，用一個準周期結構來實現兩個周期結構的作用。
二組元準周期光學超晶格結構由圖2(a)中所示A、B兩個基元排列而成，每個基元由一對正負疇構成。設定A、B基元中的正疇寬度相等，用l表示。理論計算準周期結構的倒格矢可以寫作如下形式Gm,n=2m+nD,]]>
每個倒格矢對應的傅立葉係數為gm,n=2(1+)lDsinc(Gm,nl2)sinc(Xm,n)]]>其中參數D＝τDA+DB，DA和DB就是結構單元A和B的寬度。
如設計一個準周期結構通道替代8.1μm和7.8μm兩個周期結構通道，它們所對應的倒格矢分別為dk1＝0.775702，dk2＝0.805536，我們可以設計一個準周期結構，使用準周期結構中的倒格矢G1，1匹配dk1，G1，2匹配dk2。計算結果τ＝0.039999，D＝8.423991，當g(G1，1)×g(G1，2)達到最大值時的結構參數此時g(G1，1)＝0.409311，g(G1，2)＝0.400089，DA＝11.970μm，DB＝7.945μm，l＝3.970μm。這樣一個準周期通道即可實現兩個周期通道的參量過程，但是要注意利用腔鏡對不同波長的反射率來進行選擇哪一個參量過程實現共振，而且參量共振的效率會因為傅立葉係數相對於周期結構的減小而有所降低。
1.本發明適用於以周期、準周期、非周期和雙周期等光學超晶格結構為變頻晶體的參量過程。
2.除了化學計量比鉭酸鋰晶體，也可以用摻鎂化學計量比鉭酸鋰、化學計量比鈮酸鋰、摻鎂化學計量比鈮酸鋰等其它非線性光學晶體，根據這些晶體的色散關係可以設計出特定結構和結構參數的光學超晶格，獲得高效參量光輸出。諧振腔的設計這個發明是由一個化學計量比鉭酸鋰超晶格和相應的光學諧振腔系統所組成的實現寬可調諧的雷射光源。
圖1是本發明OPO系統的輸出特性圖2是本發明採用的二組元準周期結構示意3是本發明採用的幾種光學諧振腔的結構，3a-3d是四種結構。
圖4是本發明兩種諧振腔結構的輸出線寬比較具體實施方式
本發明包括幾種光學諧振腔，他們都可以實現寬可調範圍、有效的高功率穩定輸出。所用的抽運光是一個調Q二極體雷射器抽運的532nm固態雷射器，它的重複頻率從100赫茲到100K赫茲可調。第一種光學諧振腔是用一個對抽運光高透射對參量光高反射的透鏡作為入射腔鏡，出射腔鏡為對抽運光和閒置光高透射率，對信號光透射率在50％-80％左右，從而實現單共振，這樣做的目的是通過最短的諧振腔腔長得到高的功率和高的轉換效率。第二種光學諧振腔是用一個45°透鏡置於諧振腔中，它對抽運光高反射而對參量光高透射從而將抽運光引入諧振腔，以一個鍍銀的平面反射鏡作為一個腔鏡，出射腔鏡為對抽運光和閒置光高透射率，對信號光透射率在50％-80％左右，這樣的組合有利於實現寬的可調諧範圍。第三種光學諧振腔是在第二種組合的基礎上在45°透鏡和鍍銀平面反射鏡之間加一個擴束鏡或一個分光光柵，這樣做的好處是可以得到比較窄的線寬，從而使整個OPO系統更好應用在光譜分析中。第四種光學諧振腔是在第二種組合基礎上，用一個分光光柵代替出射腔鏡，使入射光線掠入射到分光光柵上，用一個鍍銀的平面鏡將部分信號光再反射回腔內，使之形成共振。這樣做的好處與第三種諧振腔相似，可以得到比較窄的線寬。圖3中給出了上述四種諧振腔結構的示意圖，引文13中給出了更詳細的說明和實驗結果，證明本發明可以提供高功率有效的可調諧雷射光源。圖4是實驗中測量到的第一種諧振腔結構和第四種諧振腔結構條件下信號光的線寬比較，可以很明顯的看到在增加光柵的情況下線寬有明顯的變窄。
現在一般現在應用的OPO雷射器基本都是以1064nm紅外光作為抽運光源，得到近紅外參量光。可以應用在各種雷射光譜技術研究的主要技術設備，也是光學、光電子學、醫學、生物學等研究重要光源。在軍事上可調諧雷射器是光電子對抗的重要雷射光源之一，如雷射雷達、雷射通訊、雷射水下探測和通訊、雷射遙感、雷射致盲等。355nm的光也可以作為抽運光源。
本發明具有輕便、環保、耐用、成本低和調節簡便等優點。它可以代替現在市場上的染料雷射器和鈦藍寶石雷射器作為可調諧雷射光源。應用在雷射光譜學、物理化學、生物科學研究和生物顯微成像等方面。其高功率可以激發非線性光學效應，替代皮秒及飛秒雷射器成為生物及材料(納米和半導體等)顯微成像設備的光源。
權利要求
1.以化學計量比鉭酸鋰超晶格為變頻晶體的光參量振蕩雷射器的設置方法雷射器以化學計量比鉭酸鋰光學超晶格為非線性變頻晶體，採用雷射器為抽運光源，通過在周期超晶格中改變周期、使用準周期或非周期結構，並輔助以溫度調節，實現從可見光到中紅外範圍寬調諧雷射輸出。
2.根據權利要求1所述的以化學計量比鉭酸鋰超晶格為變頻晶體的光參量振蕩雷射器的設置方法其特徵是所述雷射器為532nm雷射器。
3.根據權利要求1所述的以化學計量比鉭酸鋰超晶格為變頻晶體的光參量振蕩雷射器的設置方法其特徵是所述化學計量比鉭酸鋰超晶格包括以周期極化化學劑量比鉭酸鋰、周期極化摻鎂化學計量比鉭酸鋰或周期極化摻鎂化學計量比鈮酸鋰等光學超晶格為非線性變頻介質的光學參量振蕩雷射光源。
4.根據權利要求1所述的以化學計量比鉭酸鋰超晶格為變頻晶體的光參量振蕩雷射器的設置方法其特徵是周期結構正負電疇的寬度比取為1∶1，使用周期結構提供的一階倒格矢來補償抽運光和參量光的位相失配；實現參量轉換周期結構有2[ne(pump)pump-ne(signal)signal-ne(idler)idler]-2=0]]>其中λpump、λsignal和λidler為抽運光、信號光和閒置光的波長，ne(λpump)、ne(λsignal)和ne(λidler)分別為它們的折射率，Λ為超晶格的周期；利用如下的色散公式來計算折射率nc2(,T)=A+B+b(T)2-[C+c(T)]2+E2-F2+G2-H2+D2]]>A＝4.502483B＝7.294×10-3C＝0.185087D＝-2.357×10-2E＝7.3423×10-2其中的參數為F＝0.199595G＝0.001H＝7.99724b(T)＝3.483933×10-8(T+273.15)2c(T)＝1.607839×10-8(T+273.15)2
5.根據權利要求1所述的以化學計量比鉭酸鋰超晶格為變頻晶體的光參量振蕩雷射器的設置方法其特徵是通過多通道的設計，利用不同的周期結構並輔以溫度調諧使參量光可以在比較大的範圍內可調，構造出實現高效參量光連續可調輸出的小型固態雷射器。
6.根據權利要求1所述的以化學計量比鉭酸鋰超晶格為變頻晶體的光參量振蕩雷射器的設置方法其特徵是設計一個多通道周期或準周期結構，周期分別為8μm，8.5μm，9μm，9.5μm，10μm，10.5μm，11μm；通過調整不同的周期，在工作溫度從80℃到200℃的情況下，參量光的大的調諧範圍；所述準周期結構，要實現從650nm到3μm的連續可調，用一個準周期結構來實現兩個周期結構的作用二組元準周期光學超晶格結構由A、B兩個基元排列而成，每個基元由一對正負疇構成；設定A、B基元中的正疇寬度相等，用l表示；計算準周期結構的倒格矢可以寫作如下形式Gm,n=2m+nD,]]>每個倒格矢對應的傅立葉係數為gm,n=2(1+)lDsinc(Gm,nl2)sinc(Xm,n)]]>其中參數D＝τDA+DB，DA和DB就是結構單元A和B的寬度。
7.以化學計量比鉭酸鋰超晶格為變頻晶體的光參量振蕩雷射器，包括抽運光源，諧振腔及諧振腔端部的反射透射鏡，諧振腔內設有非線性變頻晶體，超晶格位置設有加溫裝置，並設有加溫裝置的溫度控制裝置，所述非線性變頻晶體是化學計量比鉭酸鋰光學超晶格周期、使用準周期或非周期結構，抽運光是一個調Q二極體雷射器抽運的532nm固態雷射器，其重複頻率從100赫茲到100K赫茲；所述諧振腔結構是用一個對抽運光高透射對參量光高反射的透鏡作為入射腔鏡，出射腔鏡為對抽運光和閒置光高透射率，對信號光透射率在50％-80％；
8.以化學計量比鉭酸鋰超晶格為變頻晶體的光參量振蕩雷射器，包括抽運光源，諧振腔及諧振腔端部的反射透射鏡，諧振腔內設有非線性變頻晶體，超晶格位置設有加溫裝置，並設有加溫裝置的溫度控制裝置，所述非線性變頻晶體是化學計量比鉭酸鋰光學超晶格周期、使用準周期或非周期結構，抽運光是一個調Q二極體雷射器抽運的532nm固態雷射器，其重複頻率從100赫茲到100K赫茲；所述光學諧振腔是用一個45°透鏡置於諧振腔中，它對抽運光高反射而對參量光高透射從而將抽運光引入諧振腔，以一個鍍銀的平面反射鏡作為一個腔鏡，出射腔鏡為對抽運光和閒置光高透射率，對信號光透射率在50％-80％。
9.由權利要求8所述的以化學計量比鉭酸鋰超晶格為變頻晶體的光參量振蕩雷射器，其特徵是在45°透鏡和鍍銀平面反射鏡之間加一個擴束鏡或一個分光光柵。
10.由權利要求8所述的以化學計量比鉭酸鋰超晶格為變頻晶體的光參量振蕩雷射器，其特徵是用一個分光光柵代替出射腔鏡，使入射光線掠入射到分光光柵上，用一個鍍銀的平面鏡將部分信號光再反射回腔內，使之形成共振。
全文摘要
本發明涉及一種以化學計量比鉭酸鋰超晶格為變頻晶體的光參量振蕩雷射器。該雷射器以化學計量比鉭酸鋰光學超晶格為非線性變頻晶體，採用532nm雷射器為抽運光源，通過改變周期(在周期超晶格中)，或者使用準周期、非周期結構，並輔助以溫度調節，能實現從可見光到中紅外(3至4微米)範圍寬調諧雷射輸出。輸出的雷射可以是連續的，也可以是脈衝的，可以是高重複頻率，也可以是低重複頻率，取決於抽運光源的工作特性。並且可以通過設計不同的諧振腔來滿足不同的應用需求。由於化學計量比鉭酸鋰晶體存在比較弱的光折變效應，調節溫度範圍為80℃－250℃。
文檔編號H01S3/16GK1845405SQ20061003880
公開日2006年10月11日 申請日期2006年3月14日 優先權日2006年3月14日
發明者祝世寧, 高志達, 章晨, 孔慶昌, 塗時雨 申請人:南京大學