专利名称：非线性光学晶体内基频激光相位调节方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光倍频方法及激光倍频器，特别是涉及一种非线性光学晶体内基频激光相位调节方法及装置。
背景技术：
光学二次谐波产生(SHG)——倍频，是激光出现后第一个被发现的非线性光学效应(J.A.Armstrong，N.Bloembergen，et al，Phys.Rev，127，1918(1962))。理论与实验研究证明，当基频激光的相速与倍频光的相速相等时，即所谓的相位匹配，晶体内各处产生的倍频光能够以相同的相位进行叠加，获得相长干涉，就能够获得有效的倍频转换。尽管光学二次谐波是最早发现的非线性光学效应，但是，迄今为止光倍频仍然是最有实际应用价值的一个非线性光学效应。高效二次谐波的产生不仅在产生可调谐光源、材料加工等方面有着重要作用，而且在产生高次谐波、频率上转换等方面具有重要意义。由于倍频技术在非常广泛的领域有着重要的应用价值，国内外对这一非线性效应进行了深入的研究。提高二次谐波转换效率一直是倍频技术研究的重要方向之一，众多学者均对此进行了大量的研究，如日本学者Hiromotsu Kiriyama等人在文献(Highlyefficient second harmonic generation by using four pass quadrature frequencyconversion，Proceedings of SPIE，Vol.3889(2000))中报道了利用KTP晶体II类相位匹配方案，采用正交倍频技术方案，其第一块非线性光学晶体和第二块非线性光学晶体相位匹配面正交，使得泵浦剩余光在第二块非线性光学晶体中得到有效倍频，实现了80％倍频效率，其实验方案如图1所示。然而，尽管KTP晶体具有很大的非线性系数，可以获得很高的倍频效率，但是，KTP晶体的物理本质决定了KTP晶体的损伤阈值很低，不适宜用于高平均功率、长寿命、高效率的谐波产生。在目前存在的具有较大的非线性系数的非线性光学晶体中，如LN，KTP晶体等，损伤阈值均很低；而损伤阈值较高的非线性倍频晶体，如LBO晶体等，有效非线性较小，很难获得高效率的谐波产生。因此，高平均功率、长寿命、高效率的倍频问题一直是大功率谐波产生没有得到很好解决的一个问题。本发明的目的在于采用具有较高损伤阈值的非线性光学晶体，采用新发明的多晶体倍频方案，获得高效的谐波产生。
利用半导体激光器(LD)泵浦固体激光介质的固体激光器与非线性光学倍频器构成的全固态激光器具有结构紧凑、寿命长、效率高、相位可控等优点，可应用于工业、科研、医疗、军事、显示等领域，近年来成为激光领域最为活跃且最具前景的方向之一。
发明内容
本发明的目的在于克服由于多个非线性光学晶体间基频光和倍频光间的相移导致的相干相消效应，而这一效应导致倍频效率显著下降的缺陷；目的之二在于为了解决平均功率低、寿命短、效率低的倍频问题；从而提供一种非线性光学晶体内基频激光相位调节方法及装置。
本发明的目的是这样实现的本发明提供的非线性光学晶体内基频激光相位调节方法，包括采用在两块非线性光学倍频晶体之间的光路上安置一偏振调制器，打开泵浦激光源，通过偏振调制器调节泵浦激光源通过非线性光学晶体倍频后基频光与倍频光电场矢量夹角，在满足基频光与倍频光电场矢量夹角差为90°角的奇数倍的情况下，即Δθ=θ2ω-θω=(2k-1)π2,]]>可以消除相干相消效应，实现高效率倍频，其实验原理如图1和2所示。
该方法解决了由于有效非线性系数小而导致的效率低的问题，可以实现高平均功率、长寿命、高效率的倍频。并且结构简单，采用多块非线性光学晶体串联倍频，其倍频效率可达理论极限。
本发明提供的一种非线性光学晶体内基频激光相位调节装置，包括非线性光学倍频晶体、泵浦激光源；其特征是还包括一偏振调制器；在两块非线性光学倍频晶体之间的光路上安置一偏振调制器，泵浦激光源安置在一块非线性光学倍频晶体的前面。或还包括在一块非线性倍频晶体输入的光路上设置一透镜，非线性倍频晶体与偏振调制器之间的光路上设置一准直镜，和在偏振调制器与另一块非线性倍频晶体输出光路上安置第二块透镜，泵浦激光源安置在谐振谐振腔镜的前面从端面泵浦激光晶体，如图2所示。
所述的偏振调制器由石英晶体或双折射旋光材料制成，其石英晶体或旋光材料的通光长度，达到可使不同波长的激光偏振面旋光角度差等于90°角的奇数倍，即满足Δθ=θ2ω-θω=(2k-1)π2),]]>偏振调制器的旋光角精度至少为3毫弧度，所述的双折射旋光材料包括钒酸钇或偏硼酸钡(BBO)等。
还包括在一块非线性倍频晶体外输入光路上安置一块或多块谐振谐振腔镜，并在非线性倍频晶体与谐振谐振腔镜之间的光路上设置一激光晶体；和在另一块非线性倍频晶体输出光路上安置一块或多块谐振谐振腔镜，泵浦激光源安置在谐振谐振腔镜的前面从端面泵浦激光晶体组成腔内倍频，如图4所示。
还包括在一块非线性倍频晶体前的输入光路上安置一块或多块谐振谐振腔镜，和在另一块非线性倍频晶体输出光路上安置一块或多块谐振谐振腔镜，泵浦激光源安置在谐振谐振腔镜的前面组成腔外倍频，如图5所示。
还包括在一块非线性倍频晶体输入的光路上设置一透镜，非线性倍频晶体与偏振调制器之间的光路上设置第二块透镜，和在偏振调制器与另一块非线性倍频晶体输出光路上安置第三块透镜，非线性倍频晶体输出光路上安置一块介质膜分色片，泵浦激光源安置在谐振谐振腔镜的前面组成外腔倍频，还包括第二块非线性光学晶体安置在一个具有旋转自由度的光学调制架上；如图6所示。
还包括非线性倍频晶体设置在一加热温控装置上，该加热温控装置由炉丝和测温电阻组成，非线性倍频晶体放在中空的紫铜或管块内，其紫铜外面绕上炉丝，通电对紫铜进行加温实现对非线性倍频晶体，并由测温电阻反馈回温度信号进行控温。调整温度满足相位匹配条件的温度。
所述的泵浦激光源包括固体激光器、液体激光器、气体激光器或半导体激光器及其频率变换激光。
所述的泵浦激光源的波长包括是1064nm、1342nm、1319nm、1030nm、946nm、914nm，还包括其它波长的激光。
所述的泵浦激光源包括连续波激光或准连续波激光。
所述的泵浦激光源在非线性光学晶体中实现的相位匹配方式包括共线、非共线、临界、非临界相位匹配。
所述的非线性光学倍频晶体包括三硼酸锂(LBO)、偏硼酸钡(BBO)、铌酸钾(KNO3)、钛氧磷酸钾(KTP)，也可以是其它非线性光学晶体；非线性光学倍频晶体内的相位匹配方式包括I类或II类相位匹配，其形状包括块状、棒状或任意形状，还包括是多块非线性光学晶体串联而成。
偏振调制器的工作原理表述如下具有旋光特性的物质分为左旋或右旋，即使光的偏振面发生左旋或右旋效应，如石英晶体，其旋光特性随着波长的不同而不同，图3给出了石英晶体的旋光本领随波长的变化，图3(a)给出了不同波长光通过相同长度的旋光介质后，其偏振面旋转角度不同的示意图；图3(b)则给出了不同波长光在石英晶体中的旋光因子。适当选取旋光材料的通光长度，即可使不同波长的激光偏振面旋光角度差等于90°角的奇数倍，消除第一次倍频产生的二次谐波和第二次产生的二次谐波间的相干性，获得高效倍频。
当激光泵浦非线性光学晶体产生I类或II类相位匹配倍频时，由于介质膜层、光学元件和空气的色散等原因，造成基频光和倍频光之间存在相位延迟，即相移。当采用多块非线性倍频晶体倍频时，第二块晶体内产生的谐波与第一块晶体产生的谐波之间由于相移而导致难以获得相干加强，严重时还将导致相干相消的效应，限制了进一步提高倍频效率的提高。从本质上来说，这一效应是相干光源相互作用的结果。因此，本发明采用偏振调制器进行偏振态调制，使得第一块非线性倍频晶体产生的谐波与第二块非线性倍频晶体产生的谐波偏振态互相垂直，消除了相干条件，进而可以提高倍频转换效率。
本发明的优越性本发明的具有偏振调制的二次谐波发生器由精密偏振调制器、一块或几块非线性光学晶体、泵浦光源组成的，其偏振调制器由石英晶体或其它双折射材料制成，通过设计偏振调制器的参数，即能调节基频光和倍频光的电场矢量夹角，进而消除相干相消效应，提高倍频效率，至少提高一倍以上。本发明还可以在光路上安置谐振谐振腔镜以实现腔内倍频(图5)偏振调节和外腔倍频(图6)偏振调节。
本发明提供的非线性光学晶体内基频激光相位调节方法及装置，采用精密偏振调制器对基频光和倍频光的电场矢量夹角进行调制，克服了相干相消效应，有效提高倍频效率，并且结构简单，其效率可达理论极限值，实现了高效的激光输出，为高效率的激光倍频技术实用化开辟了广阔的前景，可广泛应用于军事、科研、娱乐、医疗等领域。
图1、本发明的非线性光学晶体内基频激光相位调节方法原理示意2(a)本发明的偏振调制倍频方案示意2(b)基频光和倍频光的电场矢量调制前、后示意3给出了石英晶体的旋光本领随波长的变化，其中图3(a)给出了不同波长光通过相同长度的旋光介质后，其偏振面旋转角度不同的示意图；图3(b)则给出了不同波长光在石英晶体中的旋光因子。
图4、本发明的非线性光学晶体内基频激光相位调节装置组成的一种实施例，即偏振调制器在腔内倍频中的应用(连续波)图5、本发明的非线性光学晶体内基频激光相位调节装置组成的一种实施例，即偏振调制器在外腔倍频中的应用(连续波)图6、本发明的非线性光学晶体内基频激光相位调节装置组成的一种实施例，即偏振调制器在腔外倍频中的应用(准连续波、锁模)图面说明1-泵浦激光源； 2，6-谐振谐振腔镜； 3-激光晶体；4-非线性光学晶体； 5-偏振调制器；7-输出光；8-加热温控装置； 9-透镜； 10-介质膜分色片；11-基频光； 12-准直镜 13-第二透镜14-第三透镜；具体实施方式
参考图4，制作一台I类相位匹配偏振调制器腔内倍频输出连续波红光的本发明的装置，并结合调解方法对本发明进行详细说明如下激光晶体3采用Nd:YVO4，泵浦激光源1采用半导体激光器；激光晶体3被半导体激光器1从端面泵浦后，产生1342nm的荧光并在腔内振荡形成激光，此激光经过非线性倍频晶体4后被倍频产生671nm的红光。该激光晶体3选用Nd:YVO4，双面镀1342nm，671nm，和808nm的增透膜，安置在谐振谐振腔镜2的后面，其中8mm长为通光方向；非线性光学晶体4选用LBO晶体，LBO的切割角为θ＝58.9°，φ＝0.0°，双面镀671nm和1342nm的增透膜，放在激光晶体3和谐振谐振腔镜6之间，将1342nm波长的激光倍频成为671nm的红光；一块由石英或钒酸钇或偏硼酸钡制作的偏振调制器(5)，通光长度达到可使不同波长的激光偏振面旋光角度差等于90°角，即满足Δθ=θ2ω-θω=(2k-1)π2),]]>偏振调制器的旋光角精度为3毫弧度，双面镀671nm和1342nm的增透膜，放在两块非线性光学晶体4之间；加温控温装置8将非线性光学晶体4包装起来并加温控温；谐振腔镜2选用平面镜，靠近泵浦激光源1的一面镀808nm的增透膜，另一面镀808nm的增透膜和1342nm、671nm的高反膜；谐振腔镜6选用平凹镜，凹面镀1342nm的高反膜和671nm的增透膜。
其中加温控温装置由炉丝和测温电阻组成，晶体放在中空的紫铜里，紫铜外面绕上炉丝通电对紫铜进行加温，并由测温电阻反馈回温度信号进行控温。调整温度，将精密温控装置的温度设定在310K，满足相位匹配条件。
具体的调节方法如下1.在上述的装置中进行，首先打开半导体激光器；2.调节谐振谐振腔镜2和6使1342nm的荧光起振，调节非线性光学晶体4使1342nm的激光倍频，则在谐振谐振腔镜6后输出671nm的红光；3.同时打开加温控温装置电源通电对紫铜进行加温，并由测温电阻反馈回温度信号，进行调整温度，达到控温，将加温控温装置的温度设定在310K，以满足相位匹配条件。
参考图5，按光路图建造一台II类相位匹配偏振调制器外腔倍频输出连续波蓝光的装置，谐振腔镜2选用平镜，靠近泵浦激光源1的一面镀946nm的增透膜，另一面镀946nm的增透膜和473nm的高反膜；谐振腔镜6选用平凹镜，凹面镀946nm的高反膜和473nm的增透膜；非线性光学晶体4选用LBO晶体，双面镀946nm和473nm的增透膜，LBO的切割角为θ＝37.5°，φ＝90°，放在谐振谐振腔镜2和6之间，将946nm波长的激光倍频成为473nm的蓝光；一块石英晶体或双折射旋光材料钒酸钇或偏硼酸钡作成的偏振调制器5，双面镀473nm和946nm的增透膜，放在两块非线性光学晶体4之间；一个加温控温装置8将非线性光学晶体4包装起来并精密控温；选用946nm的激光作为泵光1安置在谐振谐振腔镜2的前面从端面泵浦非线性光学晶体4。
所述的加温控温装置8由炉丝和测温电阻组成，晶体放在中空的紫铜里，紫铜外面绕上炉丝通电对紫铜进行加温，并由测温电阻反馈回温度信号进行控温。调整温度，将精密温控装置的温度设定在300.7K，满足相位匹配条件。偏振调制器由石英晶体制成，使得基频激光偏振面与倍频激光偏振面旋转角差为90°，消除两块非线性倍频晶体产生的倍频激光间的相干相消作用(这将导致倍频效率下降)，即能实现高效外腔倍频。
调节谐振谐振腔镜2和6使946nm的荧光起振，调节非线性光学晶体4使946nm的激光倍频，则在谐振谐振腔镜6后输出473nm的蓝光。
参考图6，按光路建造一台I类非临界相位匹配偏振调制器腔外倍频，输出准连续波绿光的本发明的装置。选用泵浦激光源1为输出1064nm的准连续波激光，安置在第一透镜9的前面，非线性光学晶体4设置在透镜9的后面，泵浦激光源1从端面泵浦非线性光学晶体4，泵浦激光源安置在第一透镜9的后面，两块非线性光学4选用LBO，LBO的切割角为θ＝90°，φ＝0°，串联安置在第一透镜9的后面，该透镜9两面镀1064nm、532nm增透膜；两块非线性光学4的光路中间安置一块偏振调制器5，该偏振调制器5双面镀1064nm和532nm的增透膜；在非线性光学4与偏振调制器5之间均设置一透镜13、14，然后在一块非线性光学4输出光路上设置一介质膜分色片10；精密温控装置7将非线性光学晶体4包装起来并精密控温，调整温度至非临界相位匹配温度149℃；第二块非线性光学晶体4安置在一个具有旋转自由度的光学调制架上，旋转非线性光学晶体4，获得最大倍频激光输出；非线性倍频晶体与偏振调制器之间的光路上设置第二块透镜，和在偏振调制器与另一块非线性倍频晶体输出光路上安置第二块透镜，非线性倍频晶体输出光路上安置一块介质膜分色片，泵浦激光源安置在谐振谐振腔镜的前面从端面泵浦激光晶体组成外腔倍频，如图6所示。
精密温控装置由炉丝和测温电阻组成，晶体放在中空的紫铜架里，紫铜外面绕上炉丝通电对紫铜架进行加温，并由测温电阻反馈回温度信号进行控温。调整温度至非临界相位匹配温度149℃，满足相位匹配条件；偏振调制器由石英晶体制成，使得基频激光偏振面与倍频激光偏振面旋转角差为90°，消除两块非线性倍频晶体产生的倍频激光间的相干相消作用(这将导致倍频效率下降)；第二块非线性光学晶体LBO以光轴为轴沿偏振调制器旋光方向旋转15°角，使得基频光偏振面在第二块LBO晶体内满足相位匹配条件；倍频后出射光经准直透镜12准直输出；经介质膜分色片10将1064nm和532nm激光分开，输出532nm准连续绿光。实验中用4×4×40mm3，4×4×30mm3(40mm和30mm长为通光方向)的两块LBO晶体串接，已实现在43W基频光(1064nm)下获得倍频光(532nm)达30W，转换效率达70％。同时在无偏振调制器倍频状态下测得532nm输出功率16W，转换效率37％。显然，经采用偏振调制器后，倍频效率改善了接近1倍。
权利要求
1.一种非线性光学晶体内基频激光相位调节方法，其特征是包括采用在两块非线性光学倍频晶体之间的光路上安置一偏振调制器，打开泵浦激光源，通过偏振调制器调节泵浦激光源通过非线性光学晶体倍频后基频光与倍频光电场矢量夹角，在满足基频光与倍频光电场矢量夹角差为90°角的奇数倍的情况下，满足Δθ=θ2ω-θω=(2k-1)π2,]]>消除相干相消效应，实现倍频。
2.一种实施权利要求1所述的非线性光学晶体内基频激光相位调节方法的装置，包括非线性光学倍频晶体、泵浦激光源；其特征是还包括一偏振调制器；在两块非线性光学倍频晶体之间的光路上安置一偏振调制器，泵浦激光源安置在一块非线性光学倍频晶体的前面。
3.按权利要求2所述的非线性光学晶体内基频激光相位调节方法的装置，其特征是还包括在一块非线性倍频晶体输入的光路上设置一透镜，非线性倍频晶体与偏振调制器之间的光路上设置一准直镜，和在偏振调制器与另一块非线性倍频晶体输出光路上安置另一块透镜，泵浦激光源安置在谐振腔镜的前面。
4.按权利要求2所述的非线性光学晶体内基频激光相位调节方法的装置，其特征是还包括在一块非线性倍频晶体外输入光路上安置一块或多块谐振腔镜，并在非线性倍频晶体与谐振腔镜之间的光路上设置一激光晶体；和在另一块非线性倍频晶体输出光路上安置一块或多块谐振腔镜，泵浦激光源安置在谐振腔镜的前面从端面泵浦激光晶体组成腔内倍频。
5.按权利要求2所述的非线性光学晶体内基频激光相位调节方法的装置，其特征是还包括在一块非线性倍频晶体前的输入光路上安置一块或多块谐振腔镜，和在另一块非线性倍频晶体输出光路上安置一块或多块谐振腔镜，泵浦激光源安置在谐振腔镜的前面组成腔外倍频。
6.按权利要求2所述的非线性光学晶体内基频激光相位调节方法的装置，其特征是还包括在一块非线性倍频晶体输入的光路上设置一透镜，非线性倍频晶体与偏振调制器之间的光路上设置第二块透镜，和在偏振调制器与另一块非线性倍频晶体输出光路上安置第三块透镜，非线性倍频晶体输出光路上安置一块介质膜分色片，泵浦激光源安置在谐振腔镜的前面组成外腔倍频。
7.按权利要求2所述的非线性光学晶体内基频激光相位调节方法的装置，其特征是还包括非线性倍频晶体设置在一加热温控装置上，该加热温控装置由炉丝和测温电阻组成，非线性倍频晶体放在中空的紫铜块或管内，其紫铜外面绕上炉丝，通电对紫铜进行加温实现对非线性倍频晶体，并由测温电阻反馈回温度信号进行控温；调整温度，将精密温控装置的温度设定在满足相位匹配条件的温度。
8.按权利要求2、3、4、5、6或7所述的任一项非线性光学晶体内基频激光相位调节方法的装置，其特征是所述的偏振调制器由石英晶体或其它双折射材料制成，满足Δθ=θ2ω-θω=(2k-1)π2,]]>偏振调制器的旋光角精度至少为3毫弧度。
9.按权利要求2所述的非线性光学晶体内基频激光相位调节方法的装置，其特征是非线性光学晶体(2)材料包括三硼酸锂、偏硼酸钡、铌酸钾、钛氧磷酸钾或其它非线性光学晶体；其形状包括块状、棒状或任意形状；其非线性光学晶体内的相位匹配方式是I类或II类相位匹配。
10.按权利要求2所述的非线性光学晶体内基频激光相位调节方法的装置，其特征是所述的泵浦激光源包括固体激光器、液体激光器、气体激光器或半导体激光器及其频率变换激光；所述的泵浦激光源的波长包括1064nm、1342nm、1319nm、1030nm、946nm、914nm或其它波长的激光；所述的泵浦激光源包括连续波激光或准连续波激光。
11.按权利要求2所述的非线性光学晶体内基频激光相位调节方法的装置，其特征是所述的泵浦激光源在非线性光学晶体中实现的相位匹配方式包括共线、非共线、临界、非临界相位匹配。
12.权利要求2所述的非线性光学晶体内基频激光相位调节方法的装置，其特征是所述的非线性光学晶体(2)是一块非线性光学晶体，或多块非线性光学晶体串联。
全文摘要
本发明涉及一种非线性光学晶体内基频激光相位调节方法及装置，其特征是包括采用在两块非线性光学倍频晶体之间的光路上安置一偏振调制器，打开泵浦激光源，通过偏振调制器调节泵浦激光源通过非线性光学晶体倍频后基频光与倍频光电场矢量夹角，在满足基频光与倍频光电场矢量夹角差为90°角的奇数倍的情况下，满足△θ=θ
文档编号H01S3/109GK1610195SQ20031010160
公开日2005年4月27日 申请日期2003年10月22日 优先权日2003年10月22日
发明者许祖彦, 毕勇, 李瑞宁, 孙志培, 林学春 申请人:中国科学院物理研究所