專利名稱：多端口光學(xué)參量振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換器件利用了光學(xué)參量放大的現(xiàn)象，其中將 在"泵浦"光信號(hào)中的一個(gè)波長(zhǎng)處提供的能量轉(zhuǎn)換成另外兩個(gè)波長(zhǎng)處的能
量，通常稱作"信號(hào)"波和"閑置"波。例如， 一種光學(xué)參量放大(OPA) 器件利用了所謂的"準(zhǔn)相位匹配"(QPM)技術(shù)，以在紫外河見(jiàn)、近紅外 或者中紅外(MWIR)光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生相位匹配光學(xué)參量振蕩(OPO)輸出。 OPM器件通過(guò)重置三個(gè)光信號(hào)在每個(gè)"相干長(zhǎng)度"?；《鹊南辔皇洌a(chǎn) 生相位匹配輸出，對(duì)于MWIR OPO相干長(zhǎng)度可能在20-40微米的范圍內(nèi)。 一種重置相位失配的方法通過(guò)電極化的反平行疇實(shí)現(xiàn)，所述疇在每個(gè)相 干長(zhǎng)度上交替變化?，F(xiàn)有QPM技術(shù)采用鐵電晶體(鐵磁體的電學(xué)相似 物，其中在優(yōu)選的方向上存在永久偶極矩)，其中使用光刻技術(shù)制造的周 期性電極引入調(diào)制電疇結(jié)構(gòu)。采用非常高的場(chǎng)強(qiáng)，例如在2-20kV/mm的 范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)所需操作。使用術(shù)語(yǔ)"周期性極化"(PP: periodic poling) 描述這種QPM制造。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有PP QPM技術(shù)局限于厚度在l-5mm范圍內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu)。該限 制源于鐵電晶體的基本介質(zhì)擊穿強(qiáng)度。該厚度限制造成了將PPQPM結(jié) 構(gòu)用于OPO或者其他非線性頻率轉(zhuǎn)換器的潛在嚴(yán)重限制，所述轉(zhuǎn)換器用 于產(chǎn)生高脈沖能量輸出。該限制基于事實(shí)，即QPM器件受限橫截面積 A (大約0.1-0.3 cm2)限制了最大泵浦脈沖能量和輸出脈沖能量為橫截 面積A和典型QPM器件光學(xué)損傷極限F的乘積(FxA)，極限F可能在 例如F=3-10 J/cm2的范圍內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
按照公開(kāi)的技術(shù)，高能量泵浦束分割成低能量泵浦束組分，每個(gè)組分分別用于泵浦光學(xué)參量振蕩器的多個(gè)OPA晶體中的不同晶體。例如可
以通過(guò)"波前分割"實(shí)現(xiàn)，采用漸變反射率鏡(GRMs)，反射整個(gè)波前的 有限子孔徑。另一種方法是通過(guò)減小幅度/強(qiáng)度分割泵浦束，例如使用偏 振分束器或分色鏡，稱作幅度分割。在不超過(guò)單個(gè)OPA晶體光學(xué)損傷極 限的情況下實(shí)現(xiàn)高功率。
特別地是，公開(kāi)的是光學(xué)參量振蕩器，包括一套相干高能泵浦光信 號(hào)(energetic pump optical signal)源和一個(gè)光學(xué)諧振腔，后者包括設(shè)置在光 路上的一套光學(xué)參量放大(OPA)晶體和一套對(duì)應(yīng)的光學(xué)元件。所述光 學(xué)元件，例如可以包括漸變反射率鏡或者其他鏡，配置使其(1)沿光路 引導(dǎo)由OPA晶體產(chǎn)生的振蕩光信號(hào)，(2)提供高能泵浦光信號(hào)的輸入耦 合，使得每個(gè)高能泵浦光信號(hào)僅穿過(guò)一個(gè)OPA晶體，產(chǎn)生相應(yīng)的耗盡泵 浦光信號(hào)(depleted pump optical signal),以及(3)提供耗盡泵浦光信 號(hào)的輸出耦合，防止耗盡泵浦光信號(hào)穿過(guò)多于一個(gè)OPA晶體。
光學(xué)參量振蕩器的特殊實(shí)施例采用具有多叉(multiple-leg)結(jié)構(gòu)的 諧振腔，每個(gè)分叉包括相應(yīng)的OPA晶體。示出了"L"形和"U"形腔。同 時(shí)，示出了線性(或者駐波)結(jié)構(gòu)和環(huán)形結(jié)構(gòu)。公開(kāi)的采用波前分割的 泵浦源利用了一套反射鏡，反射鏡穿過(guò)單個(gè)高功率光學(xué)泵浦束的波前彼 此抵消，而替代的泵浦源釆用幅度分割，從激光諧振腔的不同點(diǎn)提取泵 浦光信號(hào)。


結(jié)合附圖，通過(guò)下面本發(fā)明具體實(shí)施例的描述可以理解前述和其他 目標(biāo)、特性和優(yōu)點(diǎn)，其中相同的參考符號(hào)表示不同視圖中的相同部件。 附圖不一定按比例繪制，重點(diǎn)在于說(shuō)明本發(fā)明不同實(shí)施例的原理。 圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的多端口光學(xué)參量振蕩器的方框圖； 圖2-3是圖1所示光學(xué)參量振蕩器中光學(xué)諧振腔實(shí)施例的示意圖； 圖4是圖1所示光學(xué)參量振蕩器的實(shí)施例的示意圖； 圖5-6是圖l所示光學(xué)參量振蕩器中光學(xué)腔的其他實(shí)施例的示意圖;
以及
圖7是圖1所示光學(xué)參量振蕩器中泵浦源實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1以廣義的形式示出了光學(xué)參量振蕩器。泵浦源10產(chǎn)生了多個(gè) 相干高能泵浦光信號(hào)12 (ENER PUMP OPT SIGNALS),提供給光學(xué)腔 14，所述光學(xué)諧振腔使用高能泵浦光信號(hào)12產(chǎn)生振蕩器光信號(hào)16(OSC OPTSIGNAL)，信號(hào)16是光學(xué)振蕩器的所需輸出。振蕩器光信號(hào)16是 在參量放大過(guò)程中產(chǎn)生的"信號(hào)"波或者"閑置"波，下面將更為詳細(xì) 地描述。
通常，圖1所示光學(xué)參量振蕩器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠產(chǎn)生振蕩器光信 號(hào)16，所述信號(hào)的功率大于僅使用單個(gè)泵浦光信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的功率。為了 防止破壞光學(xué)諧振腔14中的光學(xué)參量放大(OPA)晶體，每個(gè)晶體的光 功率密度都保持在損傷極限以下。光學(xué)諧振腔14采用多個(gè)由獨(dú)立泵浦光 信號(hào)泵浦的OPA晶體，因此每個(gè)晶體僅接收泵浦源10提供的全部泵浦 能量的一小部分。通過(guò)利用相應(yīng)的高泵浦功率但是在多個(gè)晶體中分配這 一功率獲得高功率輸出，以便每個(gè)晶體中的功率密度維持在損傷極限以 下。
圖2示出了光學(xué)諧振腔14的實(shí)施例14-1。光學(xué)諧振腔14-1是"L" 形結(jié)構(gòu)，有兩條沿不同幾何軸線的分離叉(separate legs)。每個(gè)分叉包 括各自的OPA晶體20 (分別用晶體20a和20b表示分叉"a"和分叉"b")。 同時(shí)還包括端面反射鏡22、 24和內(nèi)反射鏡26。在所示實(shí)施例中，端反 射鏡22、24是球面，以至于全部諧振腔形成了不穩(wěn)定共振器，該術(shù)語(yǔ)在 本領(lǐng)域中是已知的。當(dāng)處于振蕩器光信號(hào)16的頻率時(shí)，端面反射鏡22 和內(nèi)反射鏡26是全反射的，而端面反射鏡24僅為部分反射的。如本領(lǐng) 域通常所知，這樣提供了所需振蕩器光信號(hào)16的輸出耦合，并且反饋了 在諧振腔中產(chǎn)生的一部分光學(xué)能量以維持振蕩(用參考數(shù)字28表示)。 振蕩器光信號(hào)16可以是在光學(xué)參量放大過(guò)程中產(chǎn)生的所謂"信號(hào)"波或 者"閑置"波，同時(shí)在此也可以指"諧振波"。優(yōu)選地，在所給OPA晶體20 中產(chǎn)生的非共振波(例如，如果信號(hào)波共振的閑置波)在光學(xué)諧振腔14 外耦合且不進(jìn)入振蕩器的其他OPA晶體20。盡管非諧振波沒(méi)有明確地 表示出來(lái)，在圖2所示的實(shí)施例中，在OPA晶體20a內(nèi)產(chǎn)生的非諧振波通過(guò)反射鏡26出射，而在OPA晶體20b內(nèi)產(chǎn)生的非諧振波通過(guò)反射鏡 24出射。用這種方法提取非諧振波保證了所有三個(gè)波之間所需的相位同 步。在下面的描述中，可以理解為從諧振腔14中提取非諧振波。
從每個(gè)晶體20中穿過(guò)對(duì)應(yīng)的高能泵浦光信號(hào)12 (12a、 12b)。這可 以通過(guò)振蕩器的幾何尺寸以及反射鏡22、 24和26的特征部分完成。每 個(gè)高能泵浦光信號(hào)12均沿軸線被引導(dǎo)，沿所述軸線上有相應(yīng)的晶體20， 反射鏡22、24和26既提供高能泵浦光信號(hào)12的輸入耦合又提供耗盡泵 浦光信號(hào)18的輸出耦合，使得每個(gè)高能泵浦光信號(hào)12僅用于泵浦一個(gè) 晶體20。因此，例如高能泵浦光信號(hào)12a穿過(guò)端反射鏡22和晶體20a 從晶體20a出射，而耗盡泵浦光信號(hào)18a通過(guò)內(nèi)反射鏡26從諧振腔14 出射。類似地，高能泵浦光信號(hào)12b穿過(guò)內(nèi)反射鏡26和晶體20b從晶體 20b出射，而耗盡泵浦光信號(hào)18b穿過(guò)端反射鏡24從諧振腔14出射。
許多OPA晶體20都可以使用。 一般等級(jí)包括相位匹配材料和所謂 的"準(zhǔn)相位匹配"或者QPM材料。QPM晶體可以是"周期性極化"類型和/ 或利用多種OPA材料，例如鈮酸鋰晶體。
圖3示出了光學(xué)諧振腔14的實(shí)施例14-2，該實(shí)施例是帶有三個(gè)分 叉(a、 b、 c)的具有"U"形結(jié)構(gòu)?？梢岳斫?，該方法可以擴(kuò)展到任意數(shù) 目的分叉，每個(gè)分叉都具有獨(dú)立的泵浦晶體20。該排列可以是如圖2和 圖3所示的二維結(jié)構(gòu)，也可以是在替代實(shí)施例中的三維結(jié)構(gòu)。
圖4示出了圖1所示振蕩器的一個(gè)實(shí)施例，該實(shí)施例采用了稱作"波 前分割"的技術(shù)，產(chǎn)生高能泵浦光信號(hào)12。單個(gè)高功率泵浦光信號(hào)30撞 擊在一套反射鏡32上(表示為32a-32c)，所述反射鏡穿過(guò)泵浦光信號(hào) 30的寬度彼此抵消。每個(gè)連續(xù)的反射鏡32都反射該泵浦光信號(hào)30波前 的相應(yīng)部分，產(chǎn)生相應(yīng)的高能泵浦光信號(hào)12(例如信號(hào)12a由反射鏡32a 產(chǎn)生)。反射鏡34 (表示為34a-34c)在反射泵浦束12和18的同時(shí)傳輸 諧振腔內(nèi)的光學(xué)能量28，使得每個(gè)高能泵浦光信號(hào)12被引導(dǎo)穿過(guò)相應(yīng) 的光學(xué)參量器件36，耗盡泵浦光信號(hào)18a、 18b在從相應(yīng)的器件36中出
射之后被引導(dǎo)出諧振腔。
圖4還示出了整個(gè)振蕩器的結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)分叉(圖4中最左邊的 分叉"a")包括作為光學(xué)參量振蕩器的光學(xué)參量器件36a,同時(shí)在后續(xù)的分叉(圖4中的"b"和"c")中光學(xué)參量器件36僅作為光學(xué)參量放大器(如 同圖2-3中所示的實(shí)施例)。可以理解，每個(gè)光學(xué)參量器件36包括一個(gè) 或者多個(gè)諸如晶體20之類的OPA晶體(未示出)，以及用作光學(xué)參量振 蕩器的光學(xué)參量器件36a包括反射鏡和/或維持振蕩的其他元件(未示 出)。
圖5禾B圖6分別示出了替代振蕩器14-3和14-4，所述振蕩器采用 環(huán)形結(jié)構(gòu)，相對(duì)于振蕩器14-1和14-2中的線性或者"駐波"結(jié)構(gòu)。所需 振蕩光學(xué)能量28沿順時(shí)針?lè)较騻鞑?，振蕩器光信?hào)16通過(guò)反射鏡26 中的一個(gè)出射。在每個(gè)振蕩器14-3和14-4中，準(zhǔn)直射光束擴(kuò)張器38用 在非泵浦分叉中。
圖7示出了泵浦源10的一個(gè)實(shí)施例10-1，具體是環(huán)形不穩(wěn)定諧振 腔激光器。對(duì)比圖4中的波前分割方法，所示泵浦源10-1采用"幅度分 割"，即產(chǎn)生高能泵浦光信號(hào)12作為單個(gè)泵浦束的分離幅度組分。NdYAG 晶體(NdYAG) 40在其中的一個(gè)分叉中用作激光元件。Q開(kāi)關(guān)、偏振器 和波片(全部使用參考數(shù)字42表示)設(shè)置在另一個(gè)分叉中，準(zhǔn)直射光束 擴(kuò)展器44在第三個(gè)分叉中。通過(guò)各自部分透鏡46 (46a-46c)提取三個(gè) 相干高能波片光信號(hào)12 (12a-12c)。
盡管已經(jīng)部分表示和描述了本發(fā)明的許多實(shí)施例，但是本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員應(yīng)該理解可以在不背離所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明精神和范 圍的情況下，在形式和細(xì)節(jié)上做出許多變化。
例如，盡管上述實(shí)施例采用諸如反射鏡26和34用于內(nèi)部光束控制， 但是可以理解替代實(shí)施例可以采用替代類型的光學(xué)元件，所述元件可以 包括例如棱鏡、衍射元件等。還有可能有其他變化。
權(quán)利要求
1. 一種光學(xué)參量振蕩器，包括多個(gè)相干高能泵浦光信號(hào)的源；以及光學(xué)諧振腔，包括多個(gè)沿光路設(shè)置的光學(xué)參量放大(OPA)晶體；以及多個(gè)沿光路設(shè)置的光學(xué)元件，所述光學(xué)元件配置用于(1)沿光路引導(dǎo)由OPA晶體產(chǎn)生的振蕩光信號(hào)，(2)提供高能泵浦光信號(hào)的輸入耦合，使得每個(gè)高能泵浦光信號(hào)穿過(guò)相應(yīng)的一個(gè)OPA晶體，產(chǎn)生相應(yīng)的耗盡泵浦光信號(hào)，以及(3)提供耗盡泵浦光信號(hào)的輸出耦合，防止每個(gè)耗盡泵浦光信號(hào)穿過(guò)多于一個(gè)OPA晶體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的光學(xué)參量振蕩器，其中所述源采用相對(duì)高功率泵浦光信號(hào)的幅度分割，以產(chǎn)生所述多個(gè)高能泵浦光信號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2中所述的光學(xué)參量振蕩器，其中所述源包括多叉 光學(xué)腔，并且每個(gè)高能泵浦光信號(hào)包括在光學(xué)腔的相應(yīng)分叉中出現(xiàn)的光 信號(hào)的一部分。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的光學(xué)參量振蕩器，其中所述源采用相對(duì) 高功率泵浦光信號(hào)的波前分割，以產(chǎn)生多個(gè)高能泵浦光信號(hào)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的光學(xué)參量振蕩器，其中所述源包括多個(gè) 反射鏡，所述反射鏡穿過(guò)所述相對(duì)高功率泵浦光信號(hào)波前彼此抵消，使 得每個(gè)反射鏡反射所述相對(duì)高功率泵浦光信號(hào)的相應(yīng)部分，以產(chǎn)生所述 多個(gè)高能泵浦光信號(hào)中對(duì)應(yīng)的一個(gè)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的光學(xué)參量振蕩器，其中所述光學(xué)諧振腔 的光路具有互成角度設(shè)置的多個(gè)分叉，以及其中對(duì)應(yīng)的光學(xué)元件包括設(shè) 置于相鄰分叉對(duì)之間的反射鏡，所述反射鏡相對(duì)于振蕩器光信號(hào)是反射 的，但是相對(duì)于高能和耗盡泵浦光信號(hào)是透射的。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1中所述的光學(xué)參量振蕩器，其中所述OPA晶體 包括周期性極化的準(zhǔn)相位匹配晶體。
全文摘要
光學(xué)參量振蕩器包括相干高能泵浦光信號(hào)源和光學(xué)諧振腔，后者包括一套光學(xué)參量放大(OPA)晶體和一套光學(xué)元件，諸如設(shè)置在光路上的反射鏡。所述光學(xué)元件配置用于(1)沿光路引導(dǎo)由OPA晶體產(chǎn)生的振蕩光信號(hào)，(2)提供高能泵浦光信號(hào)的輸入耦合，使得每個(gè)高能泵浦光信號(hào)僅穿過(guò)一個(gè)OPA晶體，產(chǎn)生相應(yīng)的耗盡泵浦光信號(hào)，以及(3)提供耗盡泵浦光信號(hào)的輸出耦合，以防止每個(gè)耗盡泵浦光信號(hào)穿過(guò)多于一個(gè)OPA晶體。諧振腔是多叉形狀，包括“L”形和“U”形，線性(或者駐波)或者環(huán)形結(jié)構(gòu)。泵浦源可以采用單個(gè)高功率泵浦光束的波前分割或者替代的幅度分割。
文檔編號(hào)H01S3/08GK101416106SQ200780012578
公開(kāi)日2009年4月22日 申請(qǐng)日期2007年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者理查德·克瑞格·斯蘭特爾 申請(qǐng)人:特克斯特羅恩系統(tǒng)公司