專利名稱：基于光學(xué)超晶格的超量子轉(zhuǎn)換極限中紅外激光器及構(gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于非線性頻率轉(zhuǎn)換和激光技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計光學(xué)超晶格的光參量振蕩級聯(lián)光參量放大從而獲得超量子轉(zhuǎn)換極限的中紅外激光的產(chǎn)生方法， 用以構(gòu)建高轉(zhuǎn)換效率、高功率的中紅外激光器或者是多波長的近、中紅外激光器。
背景技術(shù)：
在光譜學(xué)中，波長范圍在0.75μπι至ΙΟΟΟμπι之間的稱為紅外線，通常人們將其劃分為近、中、遠(yuǎn)紅外三部分，近紅外波長范圍為0. 75-3. ομπι ；中紅外波長范圍為3-20μπι ； 遠(yuǎn)紅外波長范圍為20-1000μπι。中紅外光波在遙感、探測、醫(yī)療和生物成像中有著重要的應(yīng)用，特別是中紅外激光以其高亮度、良好的相干性和極高的空間分辨力有廣泛的應(yīng)用，如激光定向紅外干擾、激光通訊、紅外測距等。中紅外光參量振蕩器(Mid-IR-OPO)由于具有調(diào)諧范圍廣，結(jié)構(gòu)緊湊，可全固化，可實現(xiàn)大功率、窄線寬輸出等特點，一直是研究的熱點 [1]。在光參量振蕩器中，為了得到較高的光-光轉(zhuǎn)換效率，一般采用雙折射位相匹(BPM) 或準(zhǔn)位相匹配(QPM)技術(shù)。實現(xiàn)準(zhǔn)位相匹配技術(shù)的非線性晶體主要包括周期極化的鈮酸鋰(PPLN)、鉭酸鋰(PPLT)、摻鎂鈮酸鋰(PPMgOLN)和磷酸氧鈦鉀(PPKTP)等。傳統(tǒng)的 MIR-0P0，一般是采用1. Ομπι附近的近紅外激光泵浦非線性晶體，通過ΟΡΟ (ωρ = ω Jcoi) 過程產(chǎn)生4. Ομπι左右的中紅外激光，一個泵浦光子ωρ劈裂為一個信號光子0^和一個閑置光子ω。理論上從泵浦光到閑置光的光子轉(zhuǎn)換效率Jli最高為100%，能量轉(zhuǎn)換效率最高為25% [2]。20世紀(jì)90年代，Karl Koch等人首次提出使用兩塊非線性晶體，一塊用來實現(xiàn)opo過程，另一塊用來實現(xiàn)opo過程中產(chǎn)生的信號光與閑頻光的差頻(Dre)過程，從而得到了更高效率的中紅外激光輸出[3]，理論上光子效率較單個0P0過程提高了一倍。自從該方案提出，一系列的理論與實驗結(jié)果也相繼被報道，相關(guān)的工作有1998 年，Μ· E. Dearborn 等人在 Optics Letters 上發(fā)表了 “Greater than 100% photon-conversion efficiency from an optical parametric oscillator with intracavity difference-frequency mixing”，作者采用脈寬為 100 皮秒的 Nd: YAG 激光器同步泵浦OPCHFG振蕩器，兩塊PPLN晶體分別置于兩個控溫爐中，其提供的倒格矢用來匹配0P0、Dre過程中的位相失陪，得到了高效的波長為3.5μ ym的中紅外輸出，光子效率ι 達(dá) 110% [4]。2004 ^Ξ, G. Arisholm^Ai Optics Express"Optical parametric master oscillator and power amplifier for efficient conversion of high-energy pulses with high beam quality”，作者采用0P0級聯(lián)多個光參量放大OPA過程，使用多塊 KTP晶體，實現(xiàn)信號光和閑置光的總轉(zhuǎn)化效率為52% [5]。2004 年，H. C. Guo 等人在 J. Phys. Condens. Matter 上發(fā)表了 “Mid-infrared radiation in an ^periodically poled LiNb03 superlattice induced by cascaded parametric processes”，為得到LN晶體吸收較大的4-5 μ m的中紅外輸出，作者采用一塊CN 102244354 A
說明書
2/6
非周期的LN晶體，同時補償OPCHFG兩個過程的波矢失配，并從理論上預(yù)言了其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢與該方案的可行性W]。2008年，北京工業(yè)大學(xué)王麗等人申報了 “全固態(tài)中紅外光參量差頻激光器”的專利，該專利利用全固態(tài)激光器輸出的抽運光與由可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器輸出的信號光在滿足相位匹配條件下共線入射到光參量放大器，由光參量放大器輸出的信號光和閑頻光在滿足相位匹配條件下，再經(jīng)過會聚透鏡后，入射到光參量差頻激光器，實現(xiàn)了中紅激光波段的連續(xù)可調(diào)諧激光輸出[7]。2010Porat ^Λ Optics Letters"Simultaneous parametric oscillation and signal-to-idler conversion for efficient downconversion，，，作者采用特殊方式排列的準(zhǔn)周期Mg0:LN晶體，構(gòu)建了 OPCHFG的振蕩器，相對于傳統(tǒng)的單個0P0 過程，泵浦光到中紅外激光的轉(zhuǎn)換效率提高了 16.6%，斜率效率提高了 52. 8% [8]。OPA輔助的OPO(OPO-OPA)過程用來增強(qiáng)泵浦光到中紅外光轉(zhuǎn)化效率的方案自提出至今，已得到了很好的發(fā)展。之前報道的工作基本上是使用兩塊非線性晶體實現(xiàn)，這增加了光路的復(fù)雜性和調(diào)節(jié)的難度。直到最近，才有在一塊非線性晶體中同時實現(xiàn)兩個非線性過程的實驗報道，但報道中使用的是準(zhǔn)周期極化的非線性晶體，由于準(zhǔn)周期序列在生成時會產(chǎn)生最小疇，因此不利于極化大口徑的光學(xué)超晶格，限制了其在大功率中紅外激光器中的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1、張興寶，王月珠，姚寶權(quán)，鞠有倫，陳德應(yīng)，《激光雜志》，2005年第沈卷第6期2, J. M. Fraser and C. Ventalon, Appl. Opt. 45,4109-4113(2006)3、K.Koch，G.T.Moore，and E. C. Cheungy, J. Opt. Soc. Am. B 12,2268-2273(1995)4、Μ. E. Dearborn, K. Koch, and G. T. Moore, Opt. Lett. 23，759 (1998)5、G. Arisholm，0. Nordseth，and G. Rustad，“，” Opt. Exp. 12,4189-4197(2004)6、H. C. Guo, Y. Q. Qin, Ζ. X. Shen, and S. H. Tang, J. Phys. Condens. Matter 16, 8465(2004)7、王麗、李光、門艷彬、張新平，專利，公開號101272029(2008)8>G. Porat, 0. Gayer, and A. Arie, Opt. Lett. 35,1401-1403 (2010)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是，解決現(xiàn)有的利用0Ρ0-0ΡΑ增加中紅外激光輸出的方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 不利于調(diào)節(jié)和集成化，并且不易得到大口徑、高光學(xué)質(zhì)量的光學(xué)超晶格，因此不利于實現(xiàn)高轉(zhuǎn)化效率、高功率的中紅外激光輸出，提出一種高轉(zhuǎn)化效率、高功率的中紅外激光器。本發(fā)明的技術(shù)方案為基于光學(xué)超晶格的超量子轉(zhuǎn)換極限的中紅外激光器，其特征是利用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計的光學(xué)超晶格，同時提供兩個倒格矢，其中一個倒格矢用來補償由近紅外到中紅外的0P0過程的位相失配，另外一個倒格矢用來補償由0P0過程產(chǎn)生的信號光泵浦的OPA過程的位相失配，該過程作用是把0P0過程中產(chǎn)生的中紅外激光進(jìn)一步放大， 從而得到超量子轉(zhuǎn)換極限的更高效的中紅外激光輸出。用于實現(xiàn)0Ρ0-0ΡΑ過程的光學(xué)超晶格可以是級聯(lián)的周期結(jié)構(gòu)、公度比雙周期結(jié)構(gòu)，光學(xué)超晶格的基質(zhì)材料包括同成分LiTaO3、同成分LiNbO3、化學(xué)計量比LiTaO3、化學(xué)計量比LiNbO3、摻MgO的鈮酸鋰、摻MgO的鉭酸鋰、磷酸鈦氧鉀晶體KTP和磷酸鈦氧銣晶體 RTP?；ü庠礊槊}沖或連續(xù)；控溫爐的控制精度為士0. 1°C;泵浦光源到0Ρ0-0ΡΑ諧振腔的光路上依次設(shè)有衰減器、小孔和聚焦透鏡，諧振腔的輸出光路上依次設(shè)有1064nm激光高反射鏡和只能通過3. 8-4. 0 μ m激光的濾波片?？梢栽O(shè)置不同的諧振腔，包括平平腔、平凹腔、雙凹腔或環(huán)形腔，需要得到連續(xù)中紅外輸出時使用環(huán)形腔，另外還可以根據(jù)實驗的具體要求選擇不同的配置。0Ρ0-0ΡΑ 過程的泵浦源可以是 Nd:YAG、Nd:YV04、Nd:GdV04 等產(chǎn)生的 Ιμπι 或 1. 3μπι 激光，也可以是摻Tm、Ho的晶體產(chǎn)生的2μπι左右的激光，或者是光纖激光器產(chǎn)生的1 μ m、 1. 3μπι、1. 5μπι、2μπι 左右的激光。以公度比雙周期超晶格的設(shè)計為例，具體過程如下雙周期結(jié)構(gòu)是介于周期和準(zhǔn)周期之間的一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)受到兩種周期的調(diào)制。 定義這兩種調(diào)制周期分別為1、L，不妨令1 < L，雙周期結(jié)構(gòu)就是用L為周期對原來周期為 1的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)制所得到的(

圖1)。雙周期結(jié)構(gòu)提供的倒格矢可以表示為Gm n = Gm+Gn = mGl+nGL其中G1 = 2 π /1，Q = 2 π /L，它們分別是這兩個周期的一階倒格矢，m, η為整數(shù)。 假設(shè)Gm, ^PGm, ,η,是超晶格中的兩個倒格矢，分別可用來補償OPO和OPA過程中的波矢失配，Δ k0P0 = kp-ks-ki 和 Δ k0PA = ks-ki2-ki。其中 kp，ks，ki; ki2 分別是泵浦光，OPO 過程的信號和閑置光，OPA過程閑置光的波矢。在雙周期超晶格中的準(zhǔn)相位匹配條件是Akopo = Wki-Gffljn = OAk0PA = Vki2-VGfflijn, =0從上述方程我們可以獲得雙周期結(jié)構(gòu)的倒格矢與波矢失配的關(guān)系為
權(quán)利要求
1.一種基于光學(xué)超晶格的超量子轉(zhuǎn)換極限的中紅外激光器的構(gòu)造方法，其特征是利用下述結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格，光學(xué)超晶格的結(jié)構(gòu)同時提供兩個倒格矢，其中一個倒格矢用來補償由近紅外到中紅外的光參量振蕩OPO過程的位相失配，另外一個倒格矢用來補償由OPO 過程的信號光泵浦光參量放大OPA過程的位相失配，該過程可將OPO過程中產(chǎn)生的中紅外激光進(jìn)一步放大，從而得到超量子轉(zhuǎn)換極限的更高效的中紅外激光輸出；所述光學(xué)超晶格采用公度比雙周期結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)超晶格的超量子轉(zhuǎn)換極限中紅外激光器的構(gòu)造方法，其特征是公度比雙周期的光學(xué)超晶格是兩個調(diào)制周期的比值為整數(shù)的光學(xué)超晶格，雙周期結(jié)構(gòu)是介于周期和準(zhǔn)周期之間的一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)受到兩種周期的調(diào)制；定義這兩種調(diào)制周期分別為1、L，不妨令1 < L，雙周期結(jié)構(gòu)就是用L為周期對原來周期為1的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)制所得到的；雙周期結(jié)構(gòu)提供的倒格矢表示為Gm, n = Gm+Gn = mGi+nGL其中G1 = 2 π /!，& = 2 π /L，它們分別是這兩個周期的一階倒格矢，m，n為整數(shù)；假設(shè) ，n,是公度比雙周期超晶格中的兩個倒格矢，分別可用來補償OPO和OPA過程中的波矢失配，Δ k0P0 = kp-ks-ki 和 Δ k0PA = ks-ki2-ki ；其中 kp，ks，ki; ki2 分別是泵浦光，OPO 過程的信號和閑置光，OPA過程閑置光的波矢；在雙周期超晶格中的準(zhǔn)相位匹配條件是Akopo = Wki-Gnbn = 0Ak0PA = ^-k^-ki-G,,, = 0從上述方程獲得雙周期結(jié)構(gòu)的倒格矢與波矢失配的關(guān)系為
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于光學(xué)超晶格的超量子轉(zhuǎn)換極限的中紅外激光器的構(gòu)造方法，其特征是用于實現(xiàn)光參量放大OPA輔助光參量振蕩0P0過程的光學(xué)超晶格是單一周期結(jié)構(gòu)或級聯(lián)周期結(jié)構(gòu)，光學(xué)超晶格的基質(zhì)材料包括同成分LiTaO3、同成分LiNbO3、化學(xué)計量比LiI^aO3、化學(xué)計量比LiNbO3、摻MgO的LiNbO3、摻MgO的LihO3、磷酸鈦氧鉀晶體 (KTP)和磷酸鈦氧銣晶體(RTP)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的基于光學(xué)超晶格的超量子轉(zhuǎn)換極限的中紅外激光器，其特征是包括泵浦光源、前腔鏡和后腔鏡構(gòu)成的諧振腔、控溫爐和一片公度比雙周期的光學(xué)超晶格，公度比雙周期結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格置于控溫爐中，兩者共同放置于由前后腔鏡組成的諧振腔中，根據(jù)泵浦波長、所需輸出的波長、位相匹配溫度，利用非線性晶體的色散關(guān)系，選擇合適的雙周期結(jié)構(gòu)參數(shù)；公度比雙周期光學(xué)超晶格可提供一系列倒格矢，其中雙周期光學(xué)超晶格的傅立葉系數(shù)最大的兩個倒格矢Glil和G^在實驗過程中分別用來補償光參量振蕩0P0和光參量放大OPA過程中的位相失配；泵浦源是Nd:YAG、NdiYVO4, NdiGdVO4 產(chǎn)生的1 μ m至2 μ m左右的激光。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光學(xué)超晶格的超量子轉(zhuǎn)換極限的中紅外激光器，其特征是，基波光源為脈沖或連續(xù)的近紅外光源；控溫爐的控制精度為士ο. rc ；泵浦光源到諧振腔的光路上依次設(shè)有衰減器、小孔和聚焦透鏡，諧振腔的輸出光路上依次設(shè)有基波光高反射鏡和只能通過中紅外激光的濾波片。
6.根據(jù)權(quán)利要求4基于光學(xué)超晶格的超量子轉(zhuǎn)換極限的中紅外激光器，其特征是設(shè)置不同的諧振腔，包括平平腔、平凹腔或雙凹腔，或需要得到連續(xù)中紅外輸出時使用環(huán)形腔。
7.根據(jù)權(quán)利要求4基于光學(xué)超晶格的超量子轉(zhuǎn)換極限的中紅外激光器，其特征是 0Ρ0-0ΡΑ過程的泵浦源可以是Nd:YAG、Nd: YVO4、NdiGdVO4等產(chǎn)生的1 μ m或1. 3 μ m激光， 也可以是摻Tm、Ho的晶體產(chǎn)生的2 μ m的激光，或者是光纖激光器產(chǎn)生的1 μ m、1. 3 μ m、 1. 5μπι、2μπι左右的激光。
全文摘要
基于光學(xué)超晶格的超量子轉(zhuǎn)換極限的中紅外激光器的構(gòu)造方法，利用下述結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格，光學(xué)超晶格的結(jié)構(gòu)同時提供兩個倒格矢，其中一個倒格矢用來補償由近紅外到中紅外的光參量振蕩OPO過程的位相失配，另外一個倒格矢用來補償由OPO過程的信號光泵浦光參量放大OPA過程的位相失配，該過程可將OPO過程中產(chǎn)生的中紅外激光進(jìn)一步放大，從而得到超量子轉(zhuǎn)換極限的更高效的中紅外激光輸出；所述光學(xué)超晶格采用公度比雙周期結(jié)構(gòu)。得到超量子轉(zhuǎn)換極限的更高效的中紅外激光器。
文檔編號H01S3/108GK102244354SQ20111015221
公開日2011年11月16日 申請日期2011年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月8日
發(fā)明者劉艷花, 呂新杰, 祝世寧, 胡小鵬, 謝臻達(dá), 趙剛 申請人:南京大學(xué)