專利名稱：具有偏振調(diào)制的倍頻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種激光倍頻器，特別是涉及一種具有偏振調(diào)制的倍頻裝置。
背景技術(shù)：
光學(xué)二次諧波產(chǎn)生(SHG)——倍頻，是激光出現(xiàn)后第一個被發(fā)現(xiàn)的非線性光學(xué)效應(yīng)(J.A.Armstrong，N.Bloembergen，et al，Phys.Rev，127，1918(1962))。理論與實驗研究證明，當(dāng)基頻激光的相速與倍頻光的相速相等時，即所謂的相位匹配，晶體內(nèi)各處產(chǎn)生的倍頻光能夠以相同的相位進行疊加，獲得相長干涉，就能夠獲得有效的倍頻轉(zhuǎn)換。盡管光學(xué)二次諧波是最早發(fā)現(xiàn)的非線性光學(xué)效應(yīng)，但是，迄今為止光倍頻仍然是最有實際應(yīng)用價值的一個非線性光學(xué)效應(yīng)。高效二次諧波的產(chǎn)生不僅在產(chǎn)生可調(diào)諧光源、材料加工等方面有著重要作用，而且在產(chǎn)生高次諧波、頻率上轉(zhuǎn)換等方面具有重要意義。由于倍頻技術(shù)在非常廣泛的領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值，國內(nèi)外對這一非線性效應(yīng)進行了深入的研究。提高二次諧波轉(zhuǎn)換效率一直是倍頻技術(shù)研究的重要方向之一，眾多學(xué)者均對此進行了大量的研究，如日本學(xué)者Hiromotsu Kiriyama等人在文獻(Highlyefficient second harmonic generation by using four pass quadrature frequencyconversion，Proceedings of SPIE，Vol.3889(2000))中報道了利用KTP晶體II類相位匹配方案，采用正交倍頻技術(shù)方案，其第一塊非線性光學(xué)晶體和第二塊非線性光學(xué)晶體相位匹配面正交，使得泵浦剩余光在第二塊非線性光學(xué)晶體中得到有效倍頻，實現(xiàn)了80％倍頻效率，其實驗方案如圖1所示。然而，盡管KTP晶體具有很大的非線性系數(shù)，可以獲得很高的倍頻效率，但是，KTP晶體的物理本質(zhì)決定了KTP晶體的損傷閾值很低，不適宜用于高平均功率、長壽命、高效率的諧波產(chǎn)生。在目前存在的具有較大的非線性系數(shù)的非線性光學(xué)晶體中，如LN，KTP晶體等，損傷閾值均很低；而損傷閾值較高的非線性晶體，如LBO晶體等，有效非線性較小，很難獲得高效率的諧波產(chǎn)生。因此，高平均功率、長壽命、高效率的倍頻問題一直是大功率諧波產(chǎn)生沒有得到很好解決的一個問題。本實用新型的目的在于采用具有較高損傷閾值的非線性光學(xué)晶體，采用新發(fā)明的多晶體倍頻方案，獲得高效的諧波產(chǎn)生。
利用半導(dǎo)體激光器(LD)泵浦固體激光介質(zhì)的固體激光器與非線性光學(xué)倍頻器構(gòu)成的全固態(tài)激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長、效率高、相位可控等優(yōu)點，可應(yīng)用于工業(yè)、科研、醫(yī)療、軍事、顯示等領(lǐng)域，近年來成為激光領(lǐng)域最為活躍且最具前景的方向之一。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服已有的裝置由于多個非線性光學(xué)晶體間，基頻光和倍頻光間的相移導(dǎo)致的相干相消效應(yīng)，而這一效應(yīng)導(dǎo)致倍頻效率顯著下降的缺陷；目的之二在于為了解決平均功率低、壽命短、效率低的倍頻問題；從而提供一種具有偏振調(diào)制的倍頻裝置。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的本實用新型提供的一種具有偏振調(diào)制的倍頻裝置，包括非線性光學(xué)倍頻晶體、泵浦激光源；其特征是還包括一偏振調(diào)制器；所述的偏振調(diào)制器設(shè)置在兩塊非線性光學(xué)倍頻晶體之間的光路上，和在一塊非線性倍頻晶體前的輸入光路上安置至少一塊諧振腔鏡，并在非線性倍頻晶體與諧振腔鏡之間的光路上設(shè)置一激光晶體；在另一塊非線性倍頻晶體輸出光路上安置至少一塊諧振腔鏡，泵浦激光源安置在諧振腔鏡的前面組成腔內(nèi)倍頻，如圖4所示。
在上述的技術(shù)方案中，還包括在一塊非線性倍頻晶體輸入的光路上設(shè)置一透鏡，非線性倍頻晶體與偏振調(diào)制器之間的光路上設(shè)置一準(zhǔn)直鏡，和在偏振調(diào)制器與另一塊非線性倍頻晶體輸出光路上安置另一塊透鏡，泵浦激光源安置在諧振腔鏡的前面，如圖2所示。
所述的偏振調(diào)制器由石英晶體或其它雙折射旋光材料制成，滿足Δθ=θ2ω-θω=(2k-1)π2,]]>偏振調(diào)制器的旋光角精度至少為3毫弧度。所述的雙折射旋光材料包括釩酸釔或偏硼酸鋇(BBO)等。
還包括非線性倍頻晶體設(shè)置在一加熱溫控裝置上，該加熱溫控裝置由爐絲和測溫電阻組成，非線性倍頻晶體放在中空的紫銅塊內(nèi)，紫銅塊外面繞上爐絲，通電對紫銅進行加溫實現(xiàn)對非線性倍頻晶體，并由測溫電阻反饋回溫度信號進行控溫。調(diào)整溫度，將精密溫控裝置的溫度設(shè)定在310K，滿足相位匹配條件。偏振調(diào)制器由石英晶體制成，使得基頻激光偏振面與倍頻激光偏振面旋轉(zhuǎn)角差為90°，消除兩塊非線性晶體產(chǎn)生的倍頻激光間的相干相消作用(這將導(dǎo)致倍頻效率下降)，即能實現(xiàn)高效腔內(nèi)倍頻。
所述的泵浦激光源包括固體激光器、液體激光器、氣體激光器或半導(dǎo)體激光器及其頻率變換激光。
所述的泵浦激光源的波長包括是1064nm、1342nm、1319nm、1030nm、946nm、914nm，還包括其它波長的激光。
所述的泵浦激光源包括連續(xù)波激光或準(zhǔn)連續(xù)波激光。
所述的泵浦激光源在非線性光學(xué)晶體中實現(xiàn)的相位匹配方式包括共線、非共線、臨界、非臨界相位匹配。
所述的非線性光學(xué)倍頻晶體包括三硼酸鋰(LBO)、偏硼酸鋇(BBO)、鈮酸鉀(KNO3)、鈦氧磷酸鉀(KTP)，也可以是其它非線性光學(xué)晶體；非線性光學(xué)倍頻晶體內(nèi)的相位匹配方式包括I類或II類相位匹配，其形狀包括塊狀、棒狀或任意形狀，還包括是多塊非線性光學(xué)晶體串聯(lián)而成。
偏振調(diào)制器的工作原理表述如下具有旋光特性的物質(zhì)分為左旋或右旋，即使光的偏振面發(fā)生左旋或右旋效應(yīng)，如石英晶體，其旋光特性隨著波長的不同而不同，圖3給出了石英晶體的旋光本領(lǐng)隨波長的變化，圖3(a)給出了不同波長光通過相同長度的旋光介質(zhì)后，其偏振面旋轉(zhuǎn)角度不同的示意圖；圖3(b)則給出了不同波長光在石英晶體中的旋光因子。適當(dāng)選取旋光材料的通光長度，即可使不同波長的激光偏振面旋光角度差等于90°角的奇數(shù)倍，消除第一次倍頻產(chǎn)生的二次諧波和第二次產(chǎn)生的二次諧波間的相干性，獲得高效倍頻。
當(dāng)激光泵浦非線性光學(xué)晶體產(chǎn)生I類或II類相位匹配倍頻時，由于介質(zhì)膜層、光學(xué)元件和空氣的色散等原因，造成基頻光和倍頻光之間存在相位延遲，即相移。當(dāng)采用多塊非線性倍頻晶體倍頻時，第二塊晶體內(nèi)產(chǎn)生的諧波與第一塊晶體產(chǎn)生的諧波之間由于相移而導(dǎo)致難以獲得相干加強，嚴(yán)重時還將導(dǎo)致相干相消的效應(yīng)，限制了進一步提高倍頻效率的提高。從本質(zhì)上來說，這一效應(yīng)是相干光源相互作用的結(jié)果。因此，本實用新型采用偏振調(diào)制器進行偏振態(tài)調(diào)制，使得第一塊非線性倍頻晶體產(chǎn)生的諧波與第二塊非線性倍頻晶體產(chǎn)生的諧波偏振態(tài)互相垂直，消除了相干條件，進而可以提高倍頻轉(zhuǎn)換效率，其實驗原理如圖2所示。
本實用新型的優(yōu)越性本實用新型的具有偏振調(diào)制的倍頻裝置由精密偏振調(diào)制器、一塊或幾塊非線性光學(xué)晶體、泵浦光源組成的，其偏振調(diào)制器由石英晶體或其它雙折射材料制成，通過設(shè)計偏振調(diào)制器的參數(shù)，即能調(diào)節(jié)基頻光和倍頻光的電場矢量夾角，進而消除相干相消效應(yīng)，提高倍頻效率，至少提高一倍以上。
本實用新型提供的具有偏振調(diào)制的倍頻裝置對基頻光和倍頻光的電場矢量夾角進行調(diào)制，克服了相干相消效應(yīng)，有效提高倍頻效率，并且結(jié)構(gòu)簡單，其效率可達理論極限值，實現(xiàn)了高效的激光輸出，為高效率的激光倍頻技術(shù)實用化開辟了廣闊的前景，可廣泛應(yīng)用于軍事、科研、娛樂、醫(yī)療等領(lǐng)域。


圖1、本實用新型的具有偏振調(diào)制的倍頻裝置倍頻方案原理示意圖圖2(a)本實用新型的具有偏振調(diào)制的倍頻裝置組成示意圖圖2(b)基頻光和倍頻光的電場矢量調(diào)制前、后示意圖圖3給出了石英晶體的旋光本領(lǐng)隨波長的變化，其中圖3(a)給出了不同波長光通過相同長度的旋光介質(zhì)后，其偏振面旋轉(zhuǎn)角度不同的示意圖；圖3(b)則給出了不同波長光在石英晶體中的旋光因子。
圖4、本實用新型的具有偏振調(diào)制的倍頻裝置的一種實施例結(jié)構(gòu)示意圖，即偏振調(diào)制器在腔內(nèi)倍頻中的應(yīng)用(連續(xù)波)圖面說明1-泵浦激光源；2，6-諧振腔鏡； 3-激光晶體；4-非線性光學(xué)晶體；5-偏振調(diào)制器； 7-輸出光；8-加熱溫控裝置； 9-透鏡； 12-準(zhǔn)直鏡14-透鏡；具體實施方式
參考圖4，制作一臺I類相位匹配偏振調(diào)制器倍頻輸出連續(xù)波紅光的本實用新型的裝置，并結(jié)合調(diào)解方法對本實用新型進行詳細說明如下激光晶體3采用NdYVO4，泵浦激光源1采用半導(dǎo)體激光器；激光晶體3被半導(dǎo)體激光器1從端面泵浦后，產(chǎn)生1342nm的熒光并在腔內(nèi)振蕩形成激光，此激光經(jīng)過非線性倍頻晶體4后被倍頻產(chǎn)生671nm的紅光。該激光晶體3選用NdYVO4，雙面鍍1342nm，671nm，和808nm的增透膜，安置在諧振腔鏡2的后面，其中8mm長為通光方向；非線性光學(xué)晶體4選用LBO晶體，LBO的切割角為θ＝58.9°，φ＝0.0°，雙面鍍671nm和1342nm的增透膜，放在激光晶體3和諧振腔鏡6之間，將1342nm波長的激光倍頻成為671nm的紅光；一塊由石英或釩酸釔或偏硼酸鋇制作的偏振調(diào)制器(5)，通光長度達到可使不同波長的激光偏振面旋光角度差等于90°角，即滿足Δθ=θ2ω-θω=(2k-1)π2),]]>偏振調(diào)制器的旋光角精度為3毫弧度，雙面鍍671nm和1342nm的增透膜，放在兩塊非線性光學(xué)晶體4之間；加溫控溫裝置8將非線性光學(xué)晶體4包裝起來并加溫控溫；諧振腔鏡2選用平面鏡，靠近泵浦激光源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6選用平凹鏡，凹面鍍1342nm的高反膜和671nm的增透膜。
其中加溫控溫裝置由爐絲和測溫電阻組成，晶體放在中空的紫銅里，紫銅外面繞上爐絲通電對紫銅進行加溫，并由測溫電阻反饋回溫度信號進行控溫。調(diào)整溫度，將精密溫控裝置的溫度設(shè)定在310K，滿足相位匹配條件。
權(quán)利要求1.一種具有偏振調(diào)制的倍頻裝置，其特征是包括非線性光學(xué)倍頻晶體、泵浦激光源；其特征是還包括一偏振調(diào)制器；所述的偏振調(diào)制器設(shè)置在兩塊非線性光學(xué)倍頻晶體之間的光路上，和在一塊非線性倍頻晶體前的輸入光路上安置至少一塊諧振腔鏡，并在非線性倍頻晶體與諧振腔鏡之間的光路上設(shè)置一激光晶體；和在另一塊非線性倍頻晶體輸出光路上安置至少一塊諧振腔鏡，泵浦激光源安置在諧振腔鏡的前面組成腔內(nèi)倍頻。
2.按權(quán)利要求1所述的具有偏振調(diào)制的腔內(nèi)倍頻裝置，其特征是還包括在一塊非線性倍頻晶體輸入的光路上設(shè)置一透鏡，非線性倍頻晶體與偏振調(diào)制器之間的光路上設(shè)置一準(zhǔn)直鏡，和在偏振調(diào)制器與另一塊非線性倍頻晶體輸出光路上安置另一塊透鏡，泵浦激光源安置在諧振腔鏡的前面。
3.按權(quán)利要求1所述的具有偏振調(diào)制的倍頻裝置，其特征是還包括非線性倍頻晶體設(shè)置在一加熱溫控裝置上，該加熱溫控裝置由爐絲和測溫電阻組成，非線性倍頻晶體放在中空的紫銅塊或管內(nèi)，其紫銅外面繞上爐絲，通電對紫銅進行加溫實現(xiàn)對非線性倍頻晶體，并由測溫電阻反饋回溫度信號進行控溫；調(diào)整溫度，將精密溫控裝置的溫度設(shè)定在滿足相位匹配條件的溫度。
4.按權(quán)利要求1或2所述的具有偏振調(diào)制的倍頻裝置，其特征是所述的偏振調(diào)制器由石英晶體或其它雙折射材料制成，滿足Δθ=θ2ω-θω=(2k-1)π2]]>，偏振調(diào)制器的旋光角精度至少為3毫弧度。
5.按權(quán)利要求1所述的具有偏振調(diào)制的倍頻裝置，其特征是非線性光學(xué)晶體材料其形狀包括塊狀、棒狀或任意形狀；其非線性光學(xué)晶體內(nèi)的相位匹配方式是I類或II類相位匹配。
6.按權(quán)利要求1所述的具有偏振調(diào)制的倍頻裝置，其特征是所述的泵浦激光源包括固體激光器、液體激光器、氣體激光器或半導(dǎo)體激光器及其頻率變換激光；所述的泵浦激光源的波長包括1064nm、1342nm、1319nm、1030nm、946nm、914nm或其它波長的激光；所述的泵浦激光源包括連續(xù)波激光或準(zhǔn)連續(xù)波激光。
7.按權(quán)利要求1所述的具有偏振調(diào)制的倍頻裝置，其特征是所述的泵浦激光源在非線性光學(xué)晶體中實現(xiàn)的相位匹配方式包括共線、非共線、臨界、非臨界相位匹配。
8.權(quán)利要求1所述的具有偏振調(diào)制的倍頻裝置，其特征是所述的非線性光學(xué)晶體是一塊或多塊非線性光學(xué)晶體串聯(lián)組成。
專利摘要本實用新型涉及一種具有偏振調(diào)制的倍頻裝置，包括非線性光學(xué)倍頻晶體、泵浦激光源；其特征是還包括一偏振調(diào)制器；所述的偏振調(diào)制器設(shè)置在兩塊非線性光學(xué)倍頻晶體之間的光路上，和在一塊非線性倍頻晶體前的輸入光路上安置至少一塊諧振腔鏡，并在非線性倍頻晶體與諧振腔鏡之間的光路上設(shè)置一激光晶體；和在另一塊非線性倍頻晶體輸出光路上安置至少一塊諧振腔鏡，泵浦激光源安置在諧振腔鏡的前面組成腔內(nèi)倍頻。本實用新型的具有偏振調(diào)制的倍頻裝置，通過設(shè)計偏振調(diào)制器的參數(shù)，即能調(diào)節(jié)基頻光和倍頻光的電場矢量夾角，進而消除相干相消效應(yīng)，提高倍頻效率，至少提高一倍以上。
文檔編號H01S3/109GK2689538SQ200320101609
公開日2005年3月30日 申請日期2003年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月22日
發(fā)明者許祖彥, 畢勇, 李瑞寧, 孫志培, 林學(xué)春 申請人:中國科學(xué)院物理研究所