專利名稱：快速調(diào)諧光參量振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子器件領(lǐng)域，尤其是涉及到固體調(diào)諧激光器。
光參量振蕩器(OPO)是目前世界上調(diào)諧范圍最寬的一種固體激光器，因其結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便以及功率高，波長(zhǎng)覆蓋范圍寬等諸多優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各科研領(lǐng)域(新材料，生物，化學(xué)，共振光譜等)，目前國(guó)際上光參量振蕩器(OPO)主要采用晶體角度調(diào)諧和溫度調(diào)諧兩種方法，它們的主要缺點(diǎn)是波長(zhǎng)改變的速度很慢，一般均在1Hz以下。國(guó)際上己開展電壓調(diào)諧的研究，這種方法調(diào)諧速度很快，但因受已有材料性能限制，實(shí)現(xiàn)的調(diào)諧寬度很窄，要比角度調(diào)諧和溫度調(diào)諧兩種方法的光參量振蕩器(OPO)小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。文獻(xiàn)“Stabilization and tuning of a doubly resonant optical parametericoscillator”(作者D.Lee and N.C.Wong，期刊Journal of OpticalSociety of America.(B)，Vol.10，No.10/Sept.1993)對(duì)這三種方法均作了研究。特別是采用連續(xù)鎖模激光器作為泵浦源的OPO，是目前國(guó)際上廣泛應(yīng)用的寬調(diào)諧皮秒(ps)和飛秒(fs)相干光源——皮秒和飛秒同步泵浦OPO，它具有脈寬窄，輸出覆蓋光譜范圍寬(從近紅外～紫外)，全固化的特點(diǎn)，目前國(guó)際上這種OPO的波長(zhǎng)調(diào)諧主要是靠角調(diào)諧(步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng))和泵浦光源波長(zhǎng)調(diào)諧實(shí)現(xiàn)，這兩種方法的調(diào)諧速度很低(1Hz以下)，無(wú)法充分發(fā)揮連續(xù)鎖模激光器重復(fù)頻率高的優(yōu)勢(shì)(如Tisapphire自鎖模飛秒激光器，重復(fù)頻率為～80MHz)。文獻(xiàn)“角調(diào)諧飛秒同步泵浦KTP紅外光參量振蕩器”(作者毛宏偉，期刊中國(guó)激光，Vol.A22，No.12，Dec.1995，P902.)和“同步泵浦腔內(nèi)倍頻飛秒KTP光參量振蕩器”(作者毛宏偉，期刊中國(guó)激光，Vol.16，No.4，April 1996，P465.)介紹了這兩種調(diào)諧方法。
本發(fā)明的目的在于制造一種新的光波長(zhǎng)快速調(diào)諧光參量振蕩器，在不使調(diào)諧寬度大幅度降低的前提下，實(shí)現(xiàn)光參量振蕩器光波長(zhǎng)快速調(diào)諧。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是，光參量振蕩器OPO的泵浦光束(1)，先經(jīng)過(guò)一角度可調(diào)光束偏轉(zhuǎn)器(2)，經(jīng)由透鏡(3)和(4)或球面反射鏡(9)和(10)組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后，透過(guò)OPO腔鏡(5)，投射于非線性光學(xué)晶體(6)上，OPO的調(diào)諧激光由腔鏡(7)輸出；或者泵浦光束(1)不經(jīng)過(guò)腔鏡(5)，而是經(jīng)過(guò)耦合反射鏡(8)投射到非線性光學(xué)晶體(6)上；或者將光參量振蕩器OPO振蕩腔鏡介質(zhì)膜，直接鍍?cè)诰w(6)的兩個(gè)通光面A和B上，這樣晶體(6)的兩個(gè)通光面就構(gòu)成了激光振蕩所需的諧振腔，泵浦光束(1)，先經(jīng)過(guò)一角度可調(diào)光束偏轉(zhuǎn)器(2)，經(jīng)由透鏡(3)，(4)或球面反射鏡(9)和(10)組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后，經(jīng)晶體(6)的通光面A，投射到非線性光學(xué)晶體(6)上。對(duì)同步泵浦光參量振蕩器OPO而言，它的腔型采用由平面鏡(5)和(7)、球面鏡(11)和(12)組成的四鏡折疊腔，光參量振蕩器OPO的泵浦光束(1)，先經(jīng)過(guò)一角度可調(diào)光束偏轉(zhuǎn)器(2)，經(jīng)由透鏡(3)和(4)或球面反射鏡(9)和(10)組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后，從由平面鏡(5)和(7)、球面鏡(11)和(12)組成的四鏡折疊腔中的球面鏡(11)或(12)腔外一側(cè)，投射到非線性光學(xué)晶體(6)上，平面鏡(5)和(7)之一可以作為輸出腔鏡，腔內(nèi)還可以用一對(duì)色散補(bǔ)償棱鏡(13)和(14)補(bǔ)償群速色散。
本方案的OPO配置為非共線匹配，光束偏轉(zhuǎn)器(2)，使泵浦光束與OPO中非線性光學(xué)晶體(6)光軸的夾角不同，則OPO輸出的相干光波長(zhǎng)不同，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧。換句話說(shuō)，本方案是靠光束偏轉(zhuǎn)器(2)，改變泵浦光與非線性光學(xué)晶體(6)光軸的夾角，來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)調(diào)諧的。由于光束偏轉(zhuǎn)器(2)可以快速改變泵浦光與非線性光學(xué)晶體(6)光軸的夾角，這樣，從輸出腔鏡(7)或晶體(6)的通光面B輸出的OPO光波長(zhǎng)就可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)諧。
角度可調(diào)的光束偏轉(zhuǎn)器(2)可以是聲光偏轉(zhuǎn)器，電光偏轉(zhuǎn)器，和壓電陶瓷(PZT)振鏡。聲光偏轉(zhuǎn)器是一種利用光學(xué)材料的光彈性效應(yīng)制造的光偏轉(zhuǎn)器件，在聲光晶體與光束透過(guò)相垂直的方向上加上一超聲波，聲光晶體體內(nèi)在與光束透過(guò)相垂直的方向就會(huì)產(chǎn)生一折射率光柵，從而引起光的布喇格衍射使光束傳播方向偏轉(zhuǎn)，所加的超聲波頻率不同，則光偏轉(zhuǎn)角度不同；電光偏轉(zhuǎn)器是一種利用電光晶體電光效應(yīng)制造的光偏轉(zhuǎn)器件，這種電光晶體被施加一電場(chǎng)時(shí)，晶體的非常光和尋常光的折射率會(huì)隨所加電場(chǎng)強(qiáng)度變化而變化，由一對(duì)或多對(duì)三角形的電光晶體制成的電光偏轉(zhuǎn)器，通過(guò)電光偏轉(zhuǎn)器的光束偏轉(zhuǎn)角度隨所加電場(chǎng)強(qiáng)度變化。(參考文獻(xiàn)fowler V.J.and J.Schlafer，”A survey of laser beam deflection techniques”，Proc.IEEE，54，1437(1966))。壓電陶瓷(PZT)振鏡是一種利用壓電陶瓷(PZT)具有場(chǎng)致伸縮效應(yīng)制造的光偏轉(zhuǎn)器件，將壓電陶瓷作為三個(gè)支撐腳之一，安裝在一平面反射鏡背面，當(dāng)壓電陶瓷上所加電壓變化時(shí)，壓電陶瓷支撐腳長(zhǎng)度發(fā)生變化，使鏡面傾斜變化，從而使經(jīng)該鏡面反射的光束偏轉(zhuǎn)角度隨所加電場(chǎng)強(qiáng)度變化。
采用聲光偏轉(zhuǎn)器，電光偏轉(zhuǎn)器，或振鏡作為泵浦光束偏轉(zhuǎn)器有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一可以精確控制泵浦光偏轉(zhuǎn)角度；二可快速改變泵浦光偏轉(zhuǎn)角度；從而實(shí)現(xiàn)光參量振蕩器(OPO)的波長(zhǎng)精確和快速調(diào)諧，調(diào)諧速度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。此外，調(diào)諧寬度比晶體角度調(diào)諧和溫度調(diào)諧兩種方法略小，但為同一量級(jí)。這種光波長(zhǎng)快速調(diào)諧激光器將為科研，國(guó)防和光通訊提供一種嶄新的工具。
下面對(duì)圖面作簡(jiǎn)要說(shuō)明，

圖1是泵浦光束經(jīng)過(guò)透射式望遠(yuǎn)鏡和腔鏡的快速調(diào)諧光參量振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是泵浦光束經(jīng)過(guò)透射式望遠(yuǎn)鏡，但不經(jīng)過(guò)腔鏡的快速調(diào)諧光參量振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是泵浦光束經(jīng)過(guò)反射式望遠(yuǎn)鏡和腔鏡的快速調(diào)諧光參量振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是將光參量振蕩器OPO振蕩腔鏡介質(zhì)膜，直接鍍?cè)诰w(6)的兩個(gè)通光面A和B上的快速調(diào)諧光參量振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是快速調(diào)諧同步泵浦振蕩器(OPO)結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是采用BBO晶體的快速調(diào)諧光參量振蕩器位相匹配曲線。
實(shí)施例1，如圖1所示，OPO的泵浦光束(1)經(jīng)光束偏轉(zhuǎn)器(2)后，進(jìn)入由正透鏡(3)和(4)組成一個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；經(jīng)光參量振蕩器(OPO)的后腔鏡(5)，投射于非線性光學(xué)晶體(6)上，(7)是OPO的輸出腔鏡；F1是透鏡(3)前面的一點(diǎn)，F(xiàn)2是透鏡(3)的后焦點(diǎn)和透鏡(4)的前焦點(diǎn)，F(xiàn)3是透鏡(4)后面的一點(diǎn)，F(xiàn)1和F3是正透鏡(3)和(4)所組成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的一對(duì)共軛像點(diǎn)；光束偏轉(zhuǎn)器(2)位于點(diǎn)F1處，非線性光學(xué)晶體BBO(6)與點(diǎn)F3重合；用光束偏轉(zhuǎn)器(2)快速和精確地改變泵浦光(1)的偏轉(zhuǎn)角度，從輸出腔鏡(7)輸出的OPO光波長(zhǎng)，就可以實(shí)現(xiàn)快速和精確地調(diào)諧。圖6給出了快速調(diào)諧光參量振蕩器位相匹配曲線，圖中θ1是晶體的切割角，θ3是泵浦光與晶體光軸的夾角，圓實(shí)點(diǎn)所示曲線是泵浦光為532納米，二階非線性光學(xué)晶體(6)是切割角為22.8°的BBO晶體時(shí)，OPO輸出光波長(zhǎng)隨泵浦光夾角變化的曲線；方實(shí)點(diǎn)所示曲線是泵浦光為354.7納米，二階非線性光學(xué)晶體(6)是切割角為28°的BBO晶體時(shí)，OPO輸出光波長(zhǎng)隨泵浦光夾角變化的曲線。
實(shí)施例2，如圖2所示，OPO的泵浦光束(1)經(jīng)光束偏轉(zhuǎn)器(2)后，進(jìn)入由正透鏡(3)和(4)組成的一個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，不經(jīng)光參量振蕩器(OPO)的后腔鏡(5)，而直接經(jīng)泵浦光束耦合反射鏡(8)，投射于非線性光學(xué)晶體(6)上，(7)是OPO的輸出腔鏡；F1是透鏡(3)前面的一點(diǎn)，F(xiàn)2是透鏡(3)的后焦點(diǎn)和透鏡(4)的前焦點(diǎn)，F(xiàn)3是透鏡(4)后面的一點(diǎn)，F(xiàn)1和F3是正透鏡(3)和(4)所組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的一對(duì)共軛像點(diǎn)；光束偏轉(zhuǎn)器(2)位于點(diǎn)F1處，非線性光學(xué)晶體BBO(6)與點(diǎn)F3重合；用光束偏轉(zhuǎn)器(2)快速和精確地改變泵浦光(1)的偏轉(zhuǎn)角度，從輸出腔鏡(7)輸出的OPO光波長(zhǎng)，就可以實(shí)現(xiàn)快速和精確地調(diào)諧。
實(shí)施例3，如圖3所示，OPO的泵浦光束(1)經(jīng)光束偏轉(zhuǎn)器(2)后，進(jìn)入由球面反射鏡(9)和(10)組成的一個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；經(jīng)光參量振蕩器(OPO)的后腔鏡(5)，投射于非線性光學(xué)晶體(6)上，(7)是OPO的輸出腔鏡；沿泵浦光傳播方向，F(xiàn)1是球面反射鏡(9)前面的一點(diǎn)，F(xiàn)2是球面反射鏡(9)的后焦點(diǎn)和球面反射鏡(10)的前焦點(diǎn)，F(xiàn)3是球面反射鏡(10)后面的一點(diǎn)；F1和F3是球面反射鏡(9)和(10)所組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的一對(duì)共軛像點(diǎn)；光束偏轉(zhuǎn)器(2)位于點(diǎn)F1處，非線性光學(xué)晶體BBO(6)與點(diǎn)F3重合；用光束偏轉(zhuǎn)器(2)快速和精確地改變泵浦光(1)的偏轉(zhuǎn)角度，從輸出腔鏡(7)輸出的OPO光波長(zhǎng)，就可以實(shí)現(xiàn)快速和精確地調(diào)諧。
實(shí)施例4，如圖4所示，OPO的泵浦光束(1)經(jīng)光束偏轉(zhuǎn)器(2)后，進(jìn)入由正透鏡(3)和(4)[或球面反射鏡(9)和(10)]組成的一個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；經(jīng)晶體(6)的通光面A，投射到非線性光學(xué)晶體(6)上，晶體(6)的通光面A鍍對(duì)泵浦光(1)增透和對(duì)振蕩光全反的介質(zhì)膜，作為光參量振蕩器的后腔鏡；晶體(6)的通光面B鍍對(duì)對(duì)振蕩光部分反射部分透過(guò)的介質(zhì)膜，作為光參量振蕩器的輸出鏡；F1是透鏡(3)[或球面反射鏡(9)]前面的一點(diǎn)，F(xiàn)2是透鏡(3)[或球面反射鏡(9)]的后焦點(diǎn)和透鏡(4)[或球面反射鏡(10)]的前焦點(diǎn)，F(xiàn)3是透鏡(4)[或球面反射鏡(10)]后面的一點(diǎn)，F(xiàn)1和F3是正透鏡(3)和(4)[或球面反射鏡(9)和(10)]所組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的一對(duì)共軛像點(diǎn)；光束偏轉(zhuǎn)器(2)位于點(diǎn)F1處，非線性光學(xué)晶體BBO(6)與點(diǎn)F3重合；用光束偏轉(zhuǎn)器(2)快速和精確地改變泵浦光(1)的偏轉(zhuǎn)角度，從輸出腔鏡，即非線性光學(xué)晶體(6)B面輸出的OPO光波長(zhǎng)，就可以實(shí)現(xiàn)快速和精確地調(diào)諧。這種OPO的振蕩閾值非常低，而且沒(méi)有腔鏡失配和縱模不穩(wěn)定的問(wèn)題，OPO的結(jié)構(gòu)非常緊湊小巧，同時(shí)對(duì)波長(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)快速和精確地調(diào)諧。
實(shí)施例5，如圖5所示，快速調(diào)諧同步泵浦光參量振蕩器(OPO)的泵浦光束(1)經(jīng)光束偏轉(zhuǎn)器(2)后，進(jìn)入由正透鏡(3)和(4)[或球面反射鏡(9)和(10)]組成的一個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，同步泵浦光參量振蕩器(OPO)的腔型采用由平面鏡(5)和(7)、球面鏡(11)和(12)組成的四鏡折疊腔，泵浦光束(1)從四鏡折疊腔中的球面鏡(11)或(12)腔外一側(cè)，投射到非線性光學(xué)晶體(6)上，球面鏡(11)或(12)要鍍對(duì)泵浦光增透和對(duì)振蕩光全反的介質(zhì)膜，平面鏡(5)或(7)作為輸出腔鏡。F1是透鏡(3)[或球面反射鏡(9)]前面的一點(diǎn)，F(xiàn)2是透鏡(3)[或球面反射鏡(9)]的后焦點(diǎn)和透鏡(4)[或球面反射鏡(10)]的前焦點(diǎn)，F(xiàn)3是透鏡(4)[或球面反射鏡(10)]后面的一點(diǎn)，F(xiàn)1和F3是正透鏡(3)和(4)[或球面反射鏡(9)和(10)]以及球面鏡(11)或(12)所組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的一對(duì)共軛像點(diǎn)；光束偏轉(zhuǎn)器(2)位于點(diǎn)F1處，非線性光學(xué)晶體BBO(6)與點(diǎn)F3重合；用光束偏轉(zhuǎn)器(2)快速和精確地改變泵浦光(1)的偏轉(zhuǎn)角度，從輸出腔鏡(5)或(7)輸出的OPO光波長(zhǎng)，就可以實(shí)現(xiàn)快速和精確地調(diào)諧，腔內(nèi)用一對(duì)色散補(bǔ)償棱鏡(13)和(14)補(bǔ)償群速色散。
權(quán)利要求
1.一種快速調(diào)諧光參量振蕩器，其特征在于，該光參量振蕩器由泵浦光光束偏轉(zhuǎn)器(2)，正透鏡(3)和(4)或球面反射鏡(9)和(10)，腔鏡(5)和(7)，非線性光學(xué)晶體(6)所組成。
2.一種快速調(diào)諧光參量振蕩器，其特征在于，該光參量振蕩器由泵浦光光束偏轉(zhuǎn)器(2)，正透鏡(3)和(4)或球面反射鏡(9)和(10)，腔鏡(5)和(7)，泵浦光耦合反射鏡(8)，非線性光學(xué)晶體(6)所組成。
3.一種快速調(diào)諧光參量振蕩器，其特征在于，該光參量振蕩器由泵浦光光束偏轉(zhuǎn)器(2)，正透鏡(3)和(4)或球面反射鏡(9)和(10)，通光表面A和B鍍光參量振蕩器諧振腔所需介質(zhì)膜的非線性光學(xué)晶體(6)所組成。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的快速調(diào)諧光參量振蕩器，其特征在于，所說(shuō)的光束偏轉(zhuǎn)器(2)位于正透鏡(3)或球面反射鏡(9)的前面一點(diǎn)F1，二階非線性光學(xué)晶體(6)位于正透鏡(4)或球面反射鏡(10)的后面一點(diǎn)F3，F(xiàn)1和F3是正透鏡(3)和(4)或球面反射鏡(9)和(10)所組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的一對(duì)共軛像點(diǎn)。
5.一種快速調(diào)諧光參量振蕩器，其特征在于，該光參量振蕩器由泵浦光光束偏轉(zhuǎn)器(2)，正透鏡(3)和(4)或球面反射鏡(9)和(10)，平面腔鏡(5)和(7)，球面腔鏡(11)和(12)，色散補(bǔ)償棱鏡(13)和(14)，非線性光學(xué)晶體(6)所組成。
6.如權(quán)利要求5所述的快速調(diào)諧光參量振蕩器，其特征在于，所說(shuō)的光束偏轉(zhuǎn)器(2)位于正透鏡(3)或球面反射鏡(9)的前面一點(diǎn)F1，二階非線性光學(xué)晶體(6)位于正透鏡(4)或球面反射鏡(10)的后面一點(diǎn)F3，F(xiàn)1和F3是正透鏡(3)和(4)或球面反射鏡(9)和(10)與球面腔鏡(11)或(12)所組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的一對(duì)共軛像點(diǎn)。
7.如權(quán)利要求1或2或3或5所述的快速調(diào)諧光參量振蕩器，其特征在于所說(shuō)的光束偏轉(zhuǎn)器(2)是一個(gè)聲光偏轉(zhuǎn)器。
8.如權(quán)利要求1或2或3或5所述的快速調(diào)諧光參量振蕩器，其特征在于，所說(shuō)的光束偏轉(zhuǎn)器(2)是一個(gè)電光偏轉(zhuǎn)器。
9.如權(quán)利要求1或2或3或5所述的快速調(diào)諧光參量振蕩器，其特征在于，所說(shuō)的光束偏轉(zhuǎn)器(2)一個(gè)壓電陶瓷(PZT)振鏡。
10.如權(quán)利要求1或2或3或5所述的快速調(diào)諧光參量振蕩器，其特征在于，所說(shuō)的正透鏡(3)和(4)或球面反射鏡(9)和(10)是一個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。
全文摘要
一種快速調(diào)諧光參量振蕩器,其泵浦光束(1),先經(jīng)過(guò)一角度可調(diào)光束偏轉(zhuǎn)器(2),經(jīng)由正透鏡(3)和(4)或球面反射鏡(9)和(10)組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后,透過(guò)OPO腔鏡(5),投射于非線性光學(xué)晶體(6)上,OPO的調(diào)諧激光由腔鏡(7)輸出。采用聲光偏轉(zhuǎn)器,電光偏轉(zhuǎn)器,或PZT振鏡作為泵浦光光束偏轉(zhuǎn)器,一可以精確控制泵浦光偏轉(zhuǎn)角度;二可快速改變泵浦光偏轉(zhuǎn)角度;從而實(shí)現(xiàn)光參量振蕩器(OPO)的波長(zhǎng)精確和快速調(diào)諧,調(diào)諧速度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
文檔編號(hào)H01S3/05GK1195213SQ9712336
公開日1998年10月7日 申請(qǐng)日期1997年12月8日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月21日
發(fā)明者張雨?yáng)|, 毛宏偉, 謝發(fā)利 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所