非線性頻率轉(zhuǎn)換(nlfc)裝置和光源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及包括頻率轉(zhuǎn)換處理的發(fā)光裝置。本發(fā)明涉及所述裝置的設(shè)計。
【背景技術(shù)】
[0002] 在光子器件的現(xiàn)有技術(shù)中存在許多示例使用材料的非線性光學性質(zhì)將具有至少 一個頻率的輸入光轉(zhuǎn)換為具有與輸入頻率不同的至少一個頻率的產(chǎn)生光。在一類器件中， 第一頻率（f\)的光通過具有非零二階非線性磁化率的材料，并且輸入光的一部分或全部 被轉(zhuǎn)換為具有第二頻率（f 2)的產(chǎn)生光，其中f2 = 2f\。這種過程通常稱作"二次諧波產(chǎn) 生"（SHG)，并且有時稱作"倍頻"。在另一類器件中，包括具有兩種不同頻率的光在內(nèi)的輸 入光通過具有非零二階非線性磁化率的材料，并且輸入光的一部分或全部可被轉(zhuǎn)換為具有 第三頻率的產(chǎn)生光。這一過程通常稱作和頻產(chǎn)生（SFG)或者差頻產(chǎn)生（DFG)。SHG、SFG和 DFG都是非線性頻率轉(zhuǎn)換（NLFC)過程的示例。
[0003] 已知存在各種各樣的具有較大二階非線性磁化率的材料。其中的示例包括鈮酸鋰 (LiNbO 3)、磷酸鈦氧鉀（KTiOPO4)、三硼酸鋰（LiB3O5)、β -硼酸鋇（β -BaB2O4)和磷酸二氫鉀 (KH2PO4)?？梢员憩F(xiàn)出NLFC的部件可以由這些材料制造，并且這里稱作NLFC部件。
[0004] 在使用NLFC部件的光子器件中，通常重要的是高效率發(fā)生NLFC過程。NLFC的效 率是產(chǎn)生光的功率除以輸入光的功率之比。在SHG的情況下，SHG的效率是倍頻光的功率 除以輸入光的功率之比。
[0005] NLFC的效率可以強烈地依賴于當輸入光束在通過NLFC部件時的性質(zhì)。在NLFC的 許多示例中，使輸入光束在至少一個束平面中聚焦（束平面是光束的傳播方向所處的任意 平面）。這在圖1中說明，圖1是通過NLFC部件2的聚焦輸入光束1的圖示，其中該附圖所 在的平面是光束被聚焦的束平面。當聚焦輸入光束1傳播通過NLFC部件2時，束寬度3首 先降低，然后達到最小值，且然后增加。給定束平面中的束寬度3是沿位于所述平面內(nèi)并且 與光束的傳播方向4垂直的方向的寬度。束半徑定義為等于束寬度的一半。將沿著光束的 傳播方向在束平面中束寬度最小處的位置描述為所述束平面中的束腰，并且將該位置處所 述平面中的束半徑描述為所述平面中的束腰半徑5。通常，光束可能并非關(guān)于其傳播方向呈 圓對稱。在這種情況下，在沿光束傳播方向的任意位置處，在兩個不同的束平面中測量的束 寬度可能不相等。
[0006] 例如，可以使用一個或多個透鏡來聚焦輸入光束，使得當光束朝著NLFC部件傳播 時光束在至少一個束平面中會聚（也就是說，當光束朝著NFLC部件傳播時，至少一個束平 面中的束寬度減小），從而至少一個束平面中的束腰形成于NLFC部件中。在這種情況下， 在給定束平面中輸入光束的聚焦強度可以用光束進入NLFC部件之前在空氣中測量的光 束會聚半角來量化。這也在圖1中進行了說明。光束的會聚半角Φ。定義為tan(ct。）= IT^W(Z1)-W(Z2)Viz2-Zj，其中W(Z1)和W(Z 1)是在沿光束傳播方向4的兩個位置Z1和Z2 處測量的光束寬度，Z1和Z2均是光束傳播進入NLFC部件2之前的位置。
[0007] 在給定束平面中輸入光束的聚焦強度也可以通過在光束已經(jīng)從NLFC部件出 射之后在空氣中測量的光束發(fā)散半角來量化。光束的發(fā)散半角^定義為tan(ctd)= 1/2 {w (z4)-w (z3) }/{z4_z3}，其中w(z3)和w(z4)是在沿光束傳播方向4的兩個位置Z 3和Z4 處測量的光束寬度，Z3和Z4均是光束傳播離開NLFC部件2之后的位置。
[0008] NLFC的效率可以強烈地依賴于輸入光束在傳播通過NLFC部件時的寬度。Boyd和 Kleinman[Journal of Applied Physics 39,3597(1968)]描述了識別 NLFC 部件內(nèi)輸入光 束的合適寬度的方法，以針對在NLFC部件內(nèi)部具有圓形"高斯光束"形式的輸入光束的特 定情況高效率地獲得SHG。高斯光束是光強度隨著相距中心的徑向距離按照高斯方式改變 的光束。高斯光束在沿光束傳播方向的一位置處的寬度通常定義為沿與光束的傳播方向垂 直的方向測量的如下兩點之間的距離：在所述點處，光束的強度等于沿光束傳播方向的該 位置處光束的最大強度的Ι/e 2。圓形高斯光束在沿光束傳播方向的具體位置處在所有束平 面內(nèi)具有相等的束寬度。對于在折射率為η的介質(zhì)中傳播的波長（在真空中測量）為λ 的高斯光束，束腰半徑rw和遠場會聚角或發(fā)散半角Φ通過等式1相關(guān)。
【主權(quán)項】
1. 一種非線性頻率轉(zhuǎn)換NLFC裝置（13)，包括： NLFC部件（26)，所述NLFC部件表現(xiàn)出走離；以及 光學部件（25)，配置為將非衍射受限輸入光束（33)會聚到NLFC部件中； 其中，NFLC部件輸出的輸出光束（34)的至少一部分的頻率與輸入光束的頻率不同。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的NLFC裝置（13)，其中輸入光束（33)在至少一個平面中的光 束質(zhì)量因子大于2 (M2 >2)，并且與NLFC部件（26)的非走離平面平行的平面中的光束質(zhì)量 因子大于2 (Mg〉2)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1至2中任一項所述的NLFC裝置（13)，其中輸入光束（33)在與NLFC 部件（26)的走離平面平行的平面中的光束質(zhì)量因子小于輸入光束在與NLFC部件的非走離 平面平行的平面中的光束質(zhì)量因子（Mx2 < M^)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的NLFC裝置（13)，其中在NLFC部件（26)的非 走離平面中空氣中的會聚半角大于針對衍射受限光的會聚半角，其中衍射受限光的光束質(zhì) 量因子M 2等于1。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的NLFC裝置（13)，其中在NLFC部件（26)的非走離平面中空 氣中的會聚半角是My乘以針對衍射受限光的會聚半角，其中My是非衍射受限光在非走離 平面中的光束質(zhì)量因子的平方根。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的NLFC裝置（13)，其中在NLFC部件（26)的非走離平面中空 氣中的會聚半角是乘積ε XMy乘以針對衍射受限光的會聚半角值，其中ε的值在等于0.4 頓絲白勺繼購鶴it 5力旬，瓶My纖Λ棘(33)獅越5F神白勺 光束質(zhì)量因子的平方根。
7. 一種光源（20)，包括： 發(fā)光元件（21)，發(fā)射非衍射受限的輸入光束；以及 非線性頻率轉(zhuǎn)換NLFC部件（26)，所述NLFC部件表現(xiàn)出走離并且執(zhí)行二次諧波產(chǎn)生，從 而NLFC部件（26)輸出的輸出光束（34)的至少一部分具有輸入光束的兩倍頻率；以及 光學部件，配置為將非衍射受限輸入光束會聚到NLFC部件中。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光源（20)，其中在NLFC部件（26)的非走離平面中空氣中的 會聚半角大于針對衍射受限光的會聚半角，其中衍射受限光的光束質(zhì)量因子M 2等于1。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的光源（20)，其中在NLFC部件（26)的非走離平面中空氣中的 會聚半角是乘積ε XMy乘以針對衍射受限光的會聚半角值，其中ε的值在等于0.4與€ 二者中較大者的較低值與較高值5之間，并且My是輸入光束在非走離平面中的光束質(zhì)量因 子的平方根。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一項所述的光源（20)，其中所述發(fā)光元件是包括 AlyInxGa1^N半導體材料的激光二極管，并且激光二極管的發(fā)光區(qū)域的一個維度是至少 5. m，并且在與NLFC部件的非走離表面平行的平面中的光束質(zhì)量因子大于3 ( Μ#> 3 )，并 且所述光學部件配置為將輸入光束會聚為具有在0.9°和10. 5°之間的會聚半角。
11. 根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一項所述的光源（20)，其中確定會聚半角，使得在傳播 通過非平面或者表面法向不與輸入光束的傳播方向平行的NLFC部件（26)的輸入表面（35) 之后輸入光束的束腰半徑近似等于在NLFC部件的輸入表面（35)是平坦表面并且所述表面 的法向與輸入光束的傳播方向平行的情況下具有空氣中一會聚半角的輸入光束傳播進入 所述輸入表面（35)之后將會在NLFC部件中形成的輸入光束的束腰半徑。
【專利摘要】將非線性頻率轉(zhuǎn)換(NLFC)部件(26)結(jié)合到光源(20)中。光源包括：發(fā)光元件(21)，其發(fā)射非衍射受限的輸入光束；以及NLFC部件，其表現(xiàn)出走離并且執(zhí)行NLFC處理，例如二次諧波產(chǎn)生。光學部件(25)配置為將非衍射受限輸入光束以確定的會聚半角會聚到NLFC部件中。在NLFC部件的非走離平面中在空氣中的會聚半角大于針對衍射受限光的會聚半角。所述會聚半角可以是乘積ε×M乘以針對衍射受限光的會聚半角值，其中ε的值在等于0.4與二者中較大者的較低值與較高值5.0之間，其中M是非衍射受限光的光束質(zhì)量因子的平方根。
【IPC分類】G02F1-35
【公開號】CN104730799
【申請?zhí)枴緾N201410803329
【發(fā)明人】蒂姆·邁克爾·斯密頓, 愛德華·安德魯·伯爾德曼, 卡爾·彼得·韋爾納
【申請人】夏普株式會社
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2014年12月19日
【公告號】EP2887136A1, US20150177593