一种周期性极化晶体及光参量放大器的制作方法

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种周期性极化晶体及光参量放大器。

背景技术：

光参量放大器(OPA，Optical Parametric Amplification)作为激光技术领域中一种重要的光学器件，被广泛应用于科研、医学、工业等领域。OPA的基本工作原理是将一束高频率激光ωp和一束低频率激光ωs同时射入非线性介质中，由于两者之间的差频效应，高频率激光ωp的能量转移到低频率激光ωs上，从而使输出的低频率激光得到加强而放大，同时得到第三种频率为ωi的闲频光，其中，ωp>ωs、ωp＝ωs+ωi，ωp一般为泵浦光，ωs一般为信号光。

但是，所有参量过程都会受制于能量的回流。回流是指当泵浦光强烈衰减，参量过程进入饱和放大的时候，能量会由信号光和闲频光重新流向泵浦光，因此，这种能量回流效应大大限制了光参量放大器的极限性能。

技术实现要素：

本发明提供了一种周期性极化晶体及光参量放大器，旨在解决现有的光参量放大器中的能量回流问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种周期性极化晶体：

所述周期性极化晶体包括第一非线性区域、线性区域及第二非线性区域，所述第一非线性区域、线性区域及第二非线性区域依次相连；其中，所述第一非线性区域与所述第二非线性区域均具有周期性畴反转结构。

进一步地，所述第一非线性区域的周期性畴反转方向与激光传输方向夹角为β，所述第二非线性区域的周期性畴反转方向与所述激光传输方向夹角为﹣β，以使所述第一非线性区域的畴结构与所述第二非线性区域的畴结构沿所述激光传输方向呈轴对称。

进一步地，所述夹角β基于预设的夹角β与周期性极化晶体的极化周期之间的映射关系、以及所述周期性极化晶体的极化周期进行设定。

本发明还提供了一种光参量放大器，所述光参量放大器包括上述的周期性极化晶体：

所述周期性极化晶体，用于基于入射的泵浦光对入射的信号光进行放大，并生成闲频光；及，用于将所述闲频光、与所述信号光和所述泵浦光进行分离，以抑制所述光参量放大器进入饱和放大后的能量回流，即抑制能量由信号光和闲频光重新流向泵浦光。

进一步地，所述泵浦光与所述信号光以共线正入射的方式，入射至所述周期性极化晶体。

进一步地，所述周期性极化晶体的第一非线性区域用于使生成的第一闲频光从所述信号光和泵浦光的一侧走离，第二非线性区域用于使生成的第二闲频光从所述信号光和泵浦光的另一侧走离。

进一步地，夹角α基于预设的夹角α与周期性极化晶体的极化周期之间的映射关系、以及所述周期性极化晶体的极化周期进行设定，其中，所述夹角α表示闲频光与信号光/泵浦光传输方向之间的夹角。

进一步地，所述光参量放大器还包括激光装置、光学耦合元件以及分光元件；

所述激光装置，用于输出所述泵浦光；

所述光学耦合元件，用于将所述泵浦光以及信号光空间耦合并入射至所述周期性极化晶体；

所述分光元件，用于对入射的放大后的信号光与残余的泵浦光进行分离。

进一步地，闲频光有效走离量基于预设的闲频光实际走离量与所述信号光的光斑大小及所述泵浦光的光斑大小三者之间的映射关系进行设定。

进一步地，所述周期性极化晶体的周期性畴反转结构具有使kp、ks、ki和kg四路波矢构成波矢四边形的能力，其中，ks表示所述信号光的波矢、kp表示所述泵浦光的波矢、ki表示所述闲频光的波矢，kg表示所述周期性极化晶体的倒格矢，ks与kp共线。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

本发明提供了一种周期性极化晶体，该周期性极化晶体包括第一非线性区域、线性区域及第二非线性区域，且所述第一非线性区域与所述第二非线性区域均具有周期性畴反转结构。采用所述周期性极化晶体的光参量放大器，在光参量放大的同时，作为“副产物”的闲频光、与入射的信号光和泵浦光沿不同方向传输，以此实现闲频光与信号光的分离，从而抑制光参量放大器进入饱和放大后的能量回流，显著提升该光参量放大器的性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的周期性极化晶体示意图；

图2是本发明实施例提供的光参量放大器示意图；

图3是本发明实施例提供的光参量放大器中的周期性极化晶体俯视图；

图4是本发明实施例提供的现有技术中参量放大器转换效率随泵浦光强的变化曲线示意图；

图5是本发明实施例提供的基于周期性极化晶体的光参量放大器转换效率随泵浦光强的变化曲线示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

作为本发明的第一个实施例，如图1所示，本发明提供了一种周期性极化晶体：

该周期性极化晶体包括第一非线性区域、线性区域及第二非线性区域，第一非线性区域、线性区域及第二非线性区域依次相连；其中，第一非线性区域与第二非线性区域均具有周期性畴反转结构。

进一步地，第一非线性区域的周期性畴反转方向与激光传输方向夹角为β，第二非线性区域的周期性畴反转方向与所述激光传输方向夹角为﹣β，以使该第一非线性区域的畴结构与该第二非线性区域的畴结构沿激光传输方向呈轴对称。

进一步地，其中夹角β基于预设的夹角β与周期性极化晶体的极化周期之间的映射关系、以及所述周期性极化晶体的极化周期进行设定。

如图1所示，图中黑白相间的区域分别表示第一非线性区域和第二非线性区域，白色区域表示线性区域；ks表示信号光的波矢、kp表示泵浦光的波矢、ki表示生成的闲频光的波矢，由于信号光与泵浦光以共线正入射的方式，入射至所述周期性极化晶体，ks与kp共线，kg表示该周期性极化晶体的倒格矢，是该周期性极化晶体的结构所附加的一种波矢，其大小与该周期性极化晶体的极化周期有关，即kg的大小因非线性区域的周期性畴反转的周期而定：kg＝2π/Λ；Λ表示周期性极化晶体的极化周期，即畴周期、或畴长，α表示闲频光与信号光/泵浦光传输方向之间的夹角。

需要说明的是，具有周期性畴反转结构的周期性极化晶体的ks、kp、ki和kg四路波矢需构成波矢四边形，从而实现准相位匹配，从而进一步具有能量转换的能力。其中，由于ks与kp共线，即需要kp/ks、ki和kg能构成波矢三角形。当ks、kp和ki确定的前提下，即参与参量放大的泵浦光、信号光以及闲频光的激光波长已知的前提下，α、β、kg三个参数之间互相具有映射关系，其中一个参数确定了，另外两个参数也随之确定。

该周期性极化晶体可以由以下两种方法制备而成：

方法一：基于预设晶体极化方法对晶体进行极化处理，以使所述晶体的两端生成具有周期性畴反转结构的极化区域、中间生成不具有所述周期性畴反转结构的非极化区域；其中，两端所述极化区域分别为所述第一非线性区域和所述第二非线性区域，所述非极化区域为所述线性区域。

方法二：所述周期性极化晶体由具有所述周期性畴反转结构的第一非线性晶体及具有所述周期性畴反转结构的第二非线性晶体依次放置组成，其中，所述第一非线性晶体为所述第一非线性区域、所述第二非线性晶体为所述第二非线性区域，所述第一非线性晶体与所述第二非线性晶体间的空间间隔为所述线性区域。

综上所述，本发明第一个实施例所提供的周期性极化晶体，其内部的周期性畴反转结构可以根据需要进行相应的极化处理而得到，制作方法简单；将其应用于光参量放大器中，可以将生成的闲频光与信号光分离，从而避免了闲频光对信号光的影响，抑制了光参量放大器进入饱和放大后的能量回流。

作为本发明的第二个实施例，如图2、图3所示，本发明提供了一种光参量放大器，该光参量放大器包括本发明第一个实施例提供的周期性极化晶体11、激光装置22、光学耦合元件33以及分光元件44。

激光装置22，用于输出泵浦光ωp；在本实施例中，该激光装置22为脉冲激光器。在光参量放大器中，泵浦光是指提供能量的光，即频率较高的激光。

光学耦合元件33，用于将泵浦光ωp以及入射的信号光ωs空间耦合并入射至周期性极化晶体11；在本实施例中，该光学耦合元件33为光学耦合镜。

周期性极化晶体11，用于利用入射的泵浦光ωp对入射的信号光ωs进行放大，并生成闲频光ωi；及，用于将闲频光ωi、与信号光ωs和泵浦光ωp进行分离，以抑制所述光参量放大器进入饱和放大后的能量回流，即抑制能量由信号光和闲频光重新流向泵浦光。

分光元件44，用于对入射的放大后的信号光ωs’与残余的泵浦光ωp’进行分离。该分光元件44可以是分光棱镜，也可以是双色镜等可以将不同波长的混合光相互分离的光学元件。

其中，泵浦光ωp与信号光ωs以共线正入射的方式，入射至周期性极化晶体11。因此，泵浦光ωp与信号光ωs具有相同的传输方向。

其中，周期性极化晶体11的周期性畴反转结构具有使ks、kp、ki和kg四路波矢构成波矢四边形的能力，其中，ks表示所述信号光的波矢、kp表示所述泵浦光的波矢、ki表示所述闲频光的波矢，kg表示所述周期性极化晶体的倒格矢，ks与kp共线。

进一步地，周期性极化晶体11的第一非线性区域用于使生成的第一闲频光ωi1从信号光和泵浦光的一侧走离，第二非线性区域用于使生成的第二闲频光ωi2从信号光和泵浦光的另一侧走离。其中，当信号光和泵浦光经过第一非线性区域时，会生成第一闲频光ωi1，当信号光和泵浦光经过第二非线性区域时，会生成第二闲频光ωi2。如图3所示，由于第一非线性区域的周期性畴反转结构，第一闲频光ωi1会以偏离信号光/泵浦光α角的方向传输；线性区域内没有任何周期性畴反转结构，仅是用于分离闲频光，确保仅有信号光与泵浦光进入第二非线性区域；由于第二非线性区域的周期性畴反转结构，第二闲频光ωi2会以偏离信号光/泵浦光-α角的方向传输。第一闲频光与第二闲频光的走离方向位于周期性极化晶体11的左右两侧，可以是先左后右，也可以是先右后左，由第一非线性区域和第二非线性区域的周期性畴反转结构决定。

进一步地，夹角α基于预设的夹角α与周期性极化晶体的极化周期之间的映射关系、以及所述周期性极化晶体的极化周期进行设定，其中，所述夹角α表示闲频光与信号光/泵浦光传输方向之间的夹角。由于α、β、kg三个参数之间互相具有映射关系，其中一个参数确定了，另外两个参数也随之确定。即可以基于所述周期性极化晶体的极化周期不同，调整所述闲频光、与所述信号光和所述泵浦光传输方向之间的角度。在本实施例中，α表示第一闲频光跟信号光/泵浦光传输方向的夹角，-α表示第二闲频光跟信号光/泵浦光传输方向的夹角，kg表示周期性极化晶体11的倒格矢，其大小与该周期性极化晶体11的极化周期有关，β表示周期性极化晶体11的第一非线性区域的周期性畴反转方向与激光传输方向的夹角，-β表示周期性极化晶体11的第二非线性区域的周期性畴反转方向与激光传输方向的夹角，0°<＝β<＝90°。

进一步地，闲频光有效走离量基于预设的闲频光实际走离量与所述信号光的光斑大小及所述泵浦光的光斑大小三者之间的映射关系进行设定，可以通过调整入射的所述信号光或所述泵浦光的光斑大小，调整所述闲频光的有效走离量。闲频光有效走离量越大，所述光参量放大器受能量回流的影响越小。

根据仿真实验可以得出，该光参量放大器能有效地抑制能量回流，从而使得能量转换的效率接近100％。而现有技术中，为了避免回流的发生，通常是借助各种优化设计，在回流发生之前尽量实现较高的能量转换，或者使用复杂的空时脉冲整形技术，使信号光、泵浦光的能量分布更为均匀，最高可实现接近65％的能量转换效率。

综上所述，本发明第二个实施例所提供的光参量放大器，在光参量放大的同时，作为“副产物”的闲频光、与入射的信号光和泵浦光沿不同方向传输，以此实现闲频光与信号光的分离，从而抑制光参量放大器进入饱和放大后的能量回流。显著提升该光参量放大器的性能。且，该光参量放大器的结构简单，无需复杂的光路，操作简便。

作为本发明的第三个实施例，本实施例中的光参量放大器由脉冲激光器、光学耦合镜、周期性极化晶体、以及分光镜构成。

信号光为800nm的钛宝石脉冲激光。脉冲激光器选用532nm脉冲激光器，其输出的532nm脉冲激光，经过光学耦合镜，与800nm的钛宝石脉冲激光一同进入周期性极化晶体，以波长为532nm的脉冲激光做为泵浦光，对800nm的钛宝石脉冲激光进行放大。

周期性极化晶体使光参量放大过程中新产生的闲频光以不同于信号光、泵浦光的传输方向传输。该周期性极化晶体包括第一非线性区域、线性区域及第二非线性区域，第一非线性区域、线性区域及第二非线性区域依次相连；其中，第一非线性区域与第二非线性区域均具有周期性畴反转结构。第一非线性区域的周期性畴反转方向与激光传输方向夹角为β，第二非线性区域的周期性畴反转方向与激光传输方向夹角为﹣β，以使该第一非线性区域的畴结构与该第二非线性区域的畴结构沿激光传输方向呈轴对称。一般该周期性极化晶体的线性区域的长度设定在10mm左右，该线性区域仅作为光的线性传输区域，没有任何周期性畴反转结构。β的大小根据实际需要确定，且β的大小与周期性极化晶体的极化周期Λ互为相关。在本实施例中，所述周期性极化晶体为满足0类准位相匹配的5％MgO掺杂周期性极化铌酸锂晶体(MgO:PPLN)。工作温度设定在24.5摄氏度。如图3所示，其周期性畴反转的方向与激光传输方向的夹角β为52度。在这种条件下，为了满足0类准相位匹配，周期性极化晶体的极化周期，即畴长Λ为4.25μm，此时对应闲频光传输方向与信号光/泵浦光传输方向间的夹角α约等于8度。需要说明的是，β不同，需要的畴长Λ也不同。具体的，假设800nm的钛宝石脉冲激光的光斑直径为0.5mm，MgO:PPLN晶体的非线性区域的总长度为10mm，其中第一非线性区域与第二非线性区域各5mm，此时，闲频光在第一非线性区域或者第二非线性区域的有效走离量(实际走离量/光斑直径)约等于1.4。

如图4、图5所示，图中分别给出了两种不同相位匹配条件下光参量放大器转换效率随泵浦光强的变化曲线以及对应的输出光斑，图4为现有技术的光参量放大器的输出结果，图5为采用本发明所提供的光参量放大器的输出结果。由两图对比可见，随着泵浦光强的增加，在达到一个相对高的量子效率点(一般趋近于45％)之后，基于现有共线相位匹配技术的光参量放大器会很快进入饱和区域，表现为转换效率会随泵浦光强的增加而减小。同时，由于空间光强分布的不均匀，信号光的光斑中心，会率先进入饱和放大。由于参量过程的逆过程，即和频的出现，其能量开始回流。而能量增长较慢的光斑外围部分，却仍未获得充分的放大，造成其输出信号光的光斑带有严重的畸变，形成环形光斑。相比之下，如图5所示的采用本发明所提供的光参量放大器的输出光斑在整个泵浦光强区间基本保持在可接受范围。而且，其最高的趋近于80％的量子转换效率几乎是前者的两倍。

作为本发明的第四个实施例，本实施例中的光参量放大器由脉冲激光器、光学耦合镜、周期性极化晶体、以及分光镜构成。本实施例以1064nm近红外脉冲激光对3.4μm中红外信号光进行光参量放大。

脉冲激光器选用1064nm脉冲激光器，其输出的1064nm脉冲激光，经光学耦合镜，与3.4μm的中红外脉冲激光一同进入本发明所提供的周期性极化晶体，以波长为1064nm的脉冲激光为泵浦光，对3.4μm的中红外脉冲激光进行放大。

在本实施例中，周期性极化晶体为满足0类准位相匹配的5％MgO掺杂周期性极化铌酸锂晶体(MgO:PPLN)。工作温度设定在24.5摄氏度。将其周期性畴反转的方向与激光传输方向的夹角β设定为77度。在这种条件下，为了满足0类准相位匹配，周期性极化晶体的畴长Λ为4.4μm，其对应的闲频光传输方向与信号光/泵浦光传输方向间的夹角α约等于9.3度。假设3.4μm的中红外脉冲激光的光斑直径为0.5mm，MgO:PPLN晶体的非线性区域的总长度为10mm，第一非线性区域与第二非线性区域各5mm，此时，闲频光在第一非线性区域或者第二非线性区域的有效走离量约等于1.6。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。