專利名稱：粘接的周期性極化的光學(xué)非線性晶體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于準(zhǔn)相位匹配(QPM)技術(shù)設(shè)計(jì)粘接的光學(xué)非線性晶體，它可以用來產(chǎn)生波長范圍從UV至中頂?shù)墓狻?br> 背景技術(shù)：
在開發(fā)基于QPM光學(xué)非線性晶體的二次諧波(second harmonic :SHG)激光器的過程，QPM晶體的優(yōu)化優(yōu)化封裝是必要的。在文獻(xiàn)(S. W. Chu等人，"High-Efficiency Inta-cavity Continuous—Wave Green-Light Generation by Quasiphase Matching in Bulk Periodically Poled MgOiLiNbO3Crystal", Advances in OptoElectronics，2008 卷 (2008))中披露了二極管泵浦固態(tài)(DPSS) SHG激光器的一個(gè)實(shí)例。在該文獻(xiàn)中，SHG激光由泵浦激光二極管1、激光晶體2、QPM晶體3以及光纖輸出耦合鏡4形成，如圖1所示。激光晶體和QPM晶體的晶面上適當(dāng)?shù)赝扛灿懈叻瓷?HR)或防反射(AR，增透)膜5、6、7、8，從而基頻光被限制在激光諧振腔內(nèi)，而SHG光被有效地耦合在激光諧振腔外。QPM晶體作為二次諧波發(fā)生器，在該發(fā)生器中，周期性疇反轉(zhuǎn)光柵沿著光柵方向上形成，以滿足QPM條件。通過利用激射波長為808nm的泵浦激光二極管泵浦激光晶體(即，摻Nd的YVO4)，在激光諧振腔內(nèi)生成波長為λ (g卩，1064nm)的基頻光。如果適當(dāng)?shù)剡x擇QPM晶體的周期使得非線性晶體的QPM波長與基頻光波長匹配，則可以有效地產(chǎn)生波長為λ/2(即，532nm)的二次諧波光。疇反轉(zhuǎn)光柵Λ的周期由QPM條件(即，2(η2ω-ηω) = λ / Λ，其中η2ω和ηω分別為在 SH光和基頻光處的折射率)決定。為實(shí)現(xiàn)高效的波長轉(zhuǎn)換，減小激光器的尺寸并降低激光器的封裝成本，通常采用粘接結(jié)構(gòu)，其中，激光晶體2和非線性晶體3粘接在一起，如圖2所示。為了將基頻光限制在激光諧振腔內(nèi)，降低泵功率的耦合損耗并從諧振腔高效地耦合SH光，激光晶體3涂覆有膜 1，該膜1在基頻光和SH光的波長(例如，1064nm和532nm)處具有HR，但在泵浦光的波長 (例如，808nm)處具有AR ；同時(shí)非線性晶體3涂覆有膜4，該膜4在基頻光(例如，1064nm) 處具有HR，而在SH光(例如，532nm)處具有AR。事實(shí)上，使用粘接非線性晶體的上述技術(shù)是眾所周知的，并且已經(jīng)在許多文獻(xiàn)中進(jìn)行了披露，諸如，Mooradian等人，美國專利第4,953, 166號(hào)，Microchip laser, 1989 年 2 月 9 日；J. J. Zayhowski 等人，‘‘Diode-pumped passively Q-switched picosecond microchip”，光學(xué)快報(bào)，第 19 卷，第 1427 頁(1994) ；R. Fluck 等人，‘‘Passively Q-switch 1. 34-micron Nd:YV04microchip laser with semiconductor saturable—absorber mirrors",光學(xué)快報(bào)，第22卷，第991頁(1997)；美國專利第5，295，146號(hào)，1994年3月 15 日，Gavrilovic 等人，Solid state gain mediums for optically pumed monolithic laser ；美國專利第 5，574，740 號(hào)，1994 年 8 月 23 日，Hargis 等人，De印 blue microlaser ； 美國專利第 5，802，086 號(hào)，1998 年 9 月 1 日，Hargis 等人，High-efficiency cavity doubling laser ；美國專利第 7，149，231 號(hào)，2006 年 12 月 12 日，Afzal 等人，Monolithic, side-pumped, passively Q-switched solid-state laser ；美國專利第 7，260，133 號(hào)，2007年 8 月 21 日，Lei 等人，Diode-pumped laser ；美國專利第 7，535，937 號(hào)，2009 年 5 月 19 El，Luo 等人，Monolithic microchip laser with intra-cavity bean combining and sum frequency or difference frequency mixing ；美國專利第 7，535，938 號(hào)，2009 年 5 月 19 El，Luo ^Α Low-noise monolithic microchip lasers capable of producing wavelengths ranging from IR to UV based on efficient and cost-effective frequency conversion ；美國專利第 7，570，676 號(hào)，2009 年 8 月 4 日，Essaian 等人， Compact efficient and robust ultraviolet solid-state laser sources based on nonlinear frequency conversion in periodically poled materials ；USPC ^ :37210, IPC8 類AH01S311FI，Essaian 等人；R. F. Wu 等人，“High-power diffusion-bonded walk-off-compensated KTP 0P0”，Proc. SPIE,第 4595 卷，115Q001) ；Y. J. Ma 等人， "Single-longitudinal mode NdYVO4 microchip laser with orthogonal-polarization bidirectional traveling-waves mode”，2008 年 11 月 10 日，第 16 卷，23 號(hào)，光學(xué)快報(bào) 18702 ;C. S. Jung 等人，"A Compact Diode-Pumped Microchip Green Light Source with a Built-in Thermoelectric Element”，應(yīng)用物理快報(bào) 1 (2008)062005?？梢酝ㄟ^使用粘性環(huán)氧樹脂或直接粘接技術(shù)來實(shí)現(xiàn)粘接。粘接的非線性晶體可以是傳統(tǒng)的非線性晶體(諸如KTP)或周期性極化晶體(諸如PPLN)。采用粘接的非線性晶體的激光器可以基于二次諧波發(fā)生(SHG)或和頻發(fā)生(sre)或差頻發(fā)生(Dre)。然而，采用KTP晶體的粘接結(jié)構(gòu)具有幾個(gè)缺點(diǎn)。首先，KTP的有效非線性系數(shù)相對(duì)較低( 3. 5pm/V)。結(jié)果，必須使用相對(duì)長的KTP晶體(例如，5 10mm)來實(shí)現(xiàn)SHG激光器的高輸出(例如> IOOmW),這增大了激光器的尺寸并增加了成本。其次，KTP的光損傷閾值相對(duì)較低，限制了 SHG激光器的輸出功率。第三，由于KTP不可能具有紫外線產(chǎn)生的相位匹配條件，所以KTP不適用于UV激光器。為了克服上述問題，已經(jīng)提出了使用周期性極化(PP)的晶體的粘接結(jié)構(gòu)。摻MgO 的周期性極化鈮酸鋰(Mg0:PPLN)被認(rèn)為是替代KTP的最佳選擇，這是因?yàn)樗c其他非線性晶體相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)首先，Mg0:PPLN具有更高的有效非線性系數(shù)( 17pm/V)。其次，Mg0:PPLN具有非常高的光損傷閾值。第三，Mg0:PPLN可以用來產(chǎn)生整個(gè)透明波長范圍 (350nm 4500nm)上的光。通過選擇Mg0:PPLN中疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的適當(dāng)周期，可以容易地滿足相位匹配條件。雖然已經(jīng)公開了在DPSS SHG激光器中使用粘接的非線性晶體的思想，但是關(guān)于非線性晶體設(shè)計(jì)的一些重要問題尚未得到解決，諸如，如果使用周期性極化的晶體，我們應(yīng)該使用多長的非線性晶體以及應(yīng)該設(shè)置什么周期。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種確定DPSS SHG激光器中具有粘接結(jié)構(gòu)的非線性晶體的長度的方法，這對(duì)激光器的性能有著重大影響。在該方法中，考慮非線性晶體在兩端處的往返損耗和溫差，從而確定最佳非線性晶體長度。本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)實(shí)際上用于SHG激光器的非常短的非線性晶體的方法。本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供實(shí)現(xiàn)具有寬的工作溫度范圍的高效激光器的方法。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，如圖4所示，將具有一個(gè)QPM區(qū)3(例如，MgO:PPLN)和兩個(gè)非極化區(qū)2、4(例如，摻MgO的LN)的非線性晶體與激光晶體1粘接。激光晶體和QPM晶體的晶面上適當(dāng)?shù)赝扛灿懈叻瓷?HR)或防反射(AR，增透)膜5、6，從而將基頻光限制在激光諧振腔內(nèi)，而SHG光被有效地耦合在激光諧振腔外。二次諧波發(fā)生僅發(fā)生在滿足QPM條件的QPM區(qū)3中。通過利用激射波長為808nm的泵浦激光二極管泵浦激光晶體(即，摻Nd 的YV04)，在激光諧振腔內(nèi)生成波長為λ (gp,1064nm)的基頻光。如果適當(dāng)?shù)剡x擇QPM晶體的周期使得非線性晶體的QPM波長與基頻光波長匹配，則可以有效地生成波長為λ /2(即 532nm)的二次諧波光。疇反轉(zhuǎn)光柵Λ的周期由QPM條件(即，2(η2ω-ηω) = λ/Λ，其中， η2ω和分別為在SH光和基頻光處的折射率)決定。


結(jié)合附圖，根據(jù)以下的詳細(xì)描述，將能夠更充分地理解本發(fā)明。在附圖中圖1為DPSS SHG激光器的現(xiàn)有技術(shù)的示意圖。圖2是用于DPSS SHG激光器的具有粘接結(jié)構(gòu)的非線性晶體的現(xiàn)有技術(shù)的示意圖。圖3是用于DPSS SHG激光器的具有粘接的Nd:YV04激光晶體的MgO:PPLN非線性晶體的現(xiàn)有技術(shù)的示意圖。圖4是用于說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)具有粘接結(jié)構(gòu)的短非線性晶體的方法的概念的示意圖。圖5是用于說明根據(jù)本發(fā)明的在第一優(yōu)選實(shí)施方式中描述的用來確定具有QPM結(jié)構(gòu)的粘接的非線性晶體的最佳長度的方法的概念的示意圖。圖6是用于說明根據(jù)本發(fā)明的在第二優(yōu)選實(shí)施方式中所描述的用來確定具有QPM 結(jié)構(gòu)的粘接的非線性晶體的周期的方法的概念的示意圖。圖7是用于說明根據(jù)本發(fā)明的在第三優(yōu)選實(shí)施方式中所描述的用來形成具有QPM 結(jié)構(gòu)的短非線性晶體的方法的概念的示意圖。圖8是用于說明根據(jù)本發(fā)明的在第四優(yōu)選實(shí)施方式中所描述的用來形成具有多 QPM結(jié)構(gòu)的有效非線性晶體的方法的概念的示意圖。圖9是用于說明根據(jù)本發(fā)明的在第四優(yōu)選實(shí)施方式中所描述的用來調(diào)整相位調(diào)節(jié)部的光學(xué)長度的方法的概念的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明通過以下所描述的方法解決了上述問題在第一優(yōu)選實(shí)施方式中，如圖5所示，示出了具有QPM結(jié)構(gòu)的粘接的非線性晶體的優(yōu)選長度。在具有內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的SHG激光器中，從激光器輸出的SH光由多種因素確定，諸如粘接的非線性晶體的長度、發(fā)射至激光晶體中的光功率、限制在激光諧振腔內(nèi)的基頻光的光束直徑。在理想條件下，即，非線性晶體沒有損耗且光束直徑在基波長處在非線性晶體內(nèi)保持恒定，非線性晶體越長，我們可以從SHG激光器獲取越高的SH光功率。然而，具有QPM 結(jié)構(gòu)的非線性晶體的長度受到以下因素的限制。第一，當(dāng)非線性晶體與激光晶體粘接時(shí)，由于激光晶體從泵浦激光二極管處吸收了光，從而增加了它的溫度，所以靠近激光晶體的非線性晶體具有較高的溫度，而遠(yuǎn)離激光晶體的非線性晶體具有較低的溫度。激光晶體的溫度取決于泵浦激光二極管的泵浦功率。另一方面，具有QPM結(jié)構(gòu)的非線性晶體的工作溫度范圍由非線性晶體的長度決定。例如對(duì)于5mm長的MgO:PPLN，半峰全寬(FWHM)工作溫度范圍大約為3°c。結(jié)果，如果粘接的非線性晶體兩端之間的溫差大于;TC，則必須將粘接的非線性晶體的長度設(shè)置為遠(yuǎn)低于5mm。第二，晶體內(nèi)的散射與吸收以及非線性晶體的端面處的反射損耗也限制了內(nèi)腔結(jié)構(gòu)中的粘接的非線性晶體的長度。第三，為了在整個(gè)非線性晶體內(nèi)保持均勻的光束直徑，光束直徑越小，非線性晶體必須越短。通常，對(duì)于有效的SHG，小的光束直徑是優(yōu)選的，這是因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)高的光強(qiáng)度，這對(duì)于SHG處理是很重要的。最后， 采用短的非線性晶體就意味著低成本。基于以上描述，容易理解的是，對(duì)于具有QPM結(jié)構(gòu)的粘接的非線性晶體存在最佳長度，如圖5所示。最佳長度取決于具有內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的SHG激光器中的泵浦激光二極管的泵浦功率。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于與Nd:YV04粘接的MgO:PPLN(具有在波長為808nm處500mW的泵浦功率)，MgO = PPLN的最佳長度為1. 0mm+/-0. 5mm。然而，如果由于激光晶體溫度的增加而導(dǎo)致使用808nm處3W的泵浦功率，MgO: PPLN的最佳長度會(huì)降低至0. 5mm+/-0. 3mm。在本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施方式中，如圖6所示，將MgO = PPLN的周期設(shè)定為某一周期，使得相應(yīng)的QPM溫度Tqpm等于平均溫度(I\+T2) /2，其中，T1和T2分別為MgO:PPLN晶體兩端的溫度。如第一優(yōu)選實(shí)施方式中所描述的，T1取決于808nm泵浦激光二極管的泵浦功率， 而T2與MgO:PPLN晶體的長度相關(guān)。例如，對(duì)于與Nd:YV04粘接的1. Omm長的MgO:PPLN(具有在808nm波長處500mW的泵浦功率)，MgO: PPLN的優(yōu)選QPM溫度Tqpm為30+/_5°C。在本發(fā)明的第三優(yōu)選實(shí)施方式中，提出了形成具有QPM結(jié)構(gòu)的短的非線性晶體的方法，如圖7所示。從晶面拋光和粘接的角度考慮，非線性晶體不能太短。另一方面，如在第一優(yōu)選實(shí)施方式中所描述的，在一些情況下，需要短的非線性晶體(例如，0.5mm)。具有周期性疇反轉(zhuǎn)的QPM結(jié)構(gòu)僅形成在非線性晶體的某一區(qū)域中，而非線性晶體的其他區(qū)域沒有被周期性極化。結(jié)果，SHG僅發(fā)生在具有QPM結(jié)構(gòu)的區(qū)域中。QPM結(jié)構(gòu)可以設(shè)在非線性晶體的中心處。非線性晶體的總長度可以設(shè)置為能夠在晶面拋光和粘接處理中容易處理的長度。在本發(fā)明的第四優(yōu)選實(shí)施方式中，提出了形成具有多重QPM結(jié)構(gòu)的有效非線性晶體的方法，如圖8所示。在圖8中，非線性晶體通過具有不同周期的多個(gè)MgO = PPLN部分 1-5(例如，5個(gè)部分)形成。根據(jù)所用部分的數(shù)量，每個(gè)部分的優(yōu)選長度為2 5mm。理想地，非線性晶體的總長度小于20mm，從而可以實(shí)現(xiàn)小型的SHG激光器，而同時(shí)可以保持簡單的激光諧振腔設(shè)計(jì)。每個(gè)部分的周期取決于每個(gè)部分的平均溫度或SHG調(diào)諧曲線，從而使得在每個(gè)部分中可以滿足QPM條件且兩個(gè)相鄰部分之間的QPM溫度(即，SHG達(dá)到最大值的SHG調(diào)諧曲線的峰值)差等于每個(gè)部分中的SHG調(diào)諧曲線的FWHM。在MgO = PPLN的情況下，如果每個(gè)部分的長度為2mm，則兩個(gè)相鄰SHG調(diào)諧曲線間的溫差大約為3°C，如圖8(b) 所示。具備了這樣的多重QPM結(jié)構(gòu)，可以顯著提高溫度允差(即，在優(yōu)選實(shí)施方式中為5 倍)，而同時(shí)可以大大提高SHG的效率(即，與第一優(yōu)選實(shí)施方式中示出的情況相比為2 4倍)。為確保每個(gè)部分產(chǎn)生的SHG能夠建設(shè)性地加在一起，需要相位調(diào)節(jié)部6-9，其可以插入在兩個(gè)相鄰部分之間，如圖8(a)所示。通過使得區(qū)域不受到晶體極化來簡單地形成相位調(diào)節(jié)部。相位調(diào)節(jié)部的優(yōu)選長度為不超過100 μ m，其取決于SHG處理中涉及的波長、QPM 部分的長度和SHG激光器的工作溫度。相位調(diào)節(jié)部的光學(xué)長度可以通過相位調(diào)節(jié)部兩端的電場(chǎng)來調(diào)節(jié)，通過電極10-14來施加該電場(chǎng)，如圖9所示。由于施加了電場(chǎng)，電極間晶體的折射率略有變化。結(jié)果，光學(xué)長度(即，折射率與長度的乘積)由施加的電場(chǎng)調(diào)諧。上述實(shí)施方式已經(jīng)對(duì)用于具有內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的綠色激光器的粘接MgO = PPLN非線性晶體進(jìn)行了描述。當(dāng)然，本發(fā)明中所描述的方法可以應(yīng)用至諸如MgO:PPLT，PH(TP等的其他粘接的非線性晶體。以上實(shí)施方式已經(jīng)對(duì)具有粘接的非線性晶體和內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的SHG綠色激光器進(jìn)行了描述。當(dāng)然，本發(fā)明中所描述的方法可以應(yīng)用至諸如SHG藍(lán)色激光器等的其他SHG激光
ο以上實(shí)施方式已經(jīng)利用粘接的非線性晶體對(duì)SHG激光器進(jìn)行了描述。當(dāng)然，本發(fā)明中所描述的方法也可以應(yīng)用至諸如光學(xué)參數(shù)振蕩。差頻發(fā)生等的其他光學(xué)非線性處理。以上實(shí)施方式已經(jīng)對(duì)具有粘接結(jié)構(gòu)的非線性晶體的設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述。當(dāng)然，本發(fā)明中所描述的方法也可以應(yīng)用至不具有粘接結(jié)構(gòu)的其他光學(xué)非線性晶體。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)計(jì)用在具有內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的SHG激光器中的具有粘接結(jié)構(gòu)的非線性晶體的最佳長度的方法，其中，激光晶體與非線性晶體直接粘接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述非線性晶體的所述最佳長度由泵浦激光二極管的泵浦功率以及所述非線性晶體的散射和吸收損耗決定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在MgO= PPLN非線性晶體與Nd:YV04激光晶體粘接用于具有內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的綠色SHG激光器的情況下，對(duì)于在808nm處的500mW的泵浦功率， MgOiPPLN非線性晶體的最佳長度為1. 0+/-0. 5mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，QPM非線性晶體的最佳周期由粘接的非線性晶體的兩端處的溫度決定，其中，相應(yīng)的QPM溫度等于QPM非線性晶體的中心處的溫度。
5.一種形成短的QPM晶體的方法，其中，所述短的QPM結(jié)構(gòu)由非極化的非線性晶體夾置，從而使得晶體的總長度足以在標(biāo)準(zhǔn)的拋光和粘接處理中操作。
6.一種設(shè)計(jì)具有大的溫度允差的多部分周期性極化的非線性晶體的方法，同時(shí)保持足夠長的晶體長度從而保持高的轉(zhuǎn)換效率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，對(duì)于每個(gè)部分，所述多部分周期性極化的非線性晶體具有不同的周期，所述周期由每個(gè)部分的SHG溫度調(diào)諧曲線的FWHM決定。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述多部分周期性極化的非線性晶體在兩個(gè)相鄰的QPM部分之間具有相位調(diào)節(jié)部。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，相位部分的光學(xué)長度由所述部分兩端的電場(chǎng)來調(diào)諧，所述電場(chǎng)通過電極來施加。
全文摘要
提供了一種用來設(shè)計(jì)具有粘接結(jié)構(gòu)的光學(xué)非線性晶體(3)的最佳長度的方法。還提供了一種用來形成由非線性晶體(2，4)夾置的短的準(zhǔn)相位匹配(QPM)晶體(3)的方法以及用來設(shè)計(jì)具有高溫的多部分周期性極化的非線性晶體的方法，同時(shí)保持足夠長的晶體長度和高的轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)H01S3/16GK102474066SQ201080025746
公開日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月7日
發(fā)明者梁萬國, 胡燁 申請(qǐng)人:C2C晶芯科技公司