专利名称：波长转换器件、激光器和稳定波长转换效率的方法
技术领域：
本发明涉及一种波长转换器件，其包括具有周期性极化区域的非线性光学晶 体，所述周期性极化区域具有交变的极性。而且，本发明涉及包括这样的波长转换器件 的激光器。另外，本发明涉及稳定这样的器件的转换效率的方法。
背景技术：
根据US5787102已知前面提到的这类激光器和波长转换器件的实施例。该文件 公开了一种应用了周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体的非线性光学器件，所述周期性极化 铌酸锂(PPLN)晶体具有极性交变的区域，即反转非线性光学系数的符号。非线性光学 材料中的色散意味着基波看到的折射率Ii1不同于二次谐波生成的光看到的折射率n3。结 果，与二次谐波相比，基波(波长为λ)在所述材料内以另一个速度行进。由于这个不 同的速度，在所谓的相干长度L。= λ/4* Cn3-Ii1)处存在所生成光和基波之间的相移π， 这导致相消干涉。这个周期性极化(也称为准相位匹配)通过在每个相干长度处引入附 加的相移η来防止相消干涉。因此这使得能够增加(buildup)生成的二次谐波功率的能 量。为了使效果最大，极化区域的周期的一半等于相干波长。因此，如果这两个波在 第一相干长度/区域的起始处同相，则它们将正好在第二相干长度/区域的起始处处于异 相。然而，在第二区域中反转材料的极性再次同步了两个波的相位，这有效地允许了从 一个波到另一个波的累积的能量传递。然而，非线性光学材料的温度敏感性形成了对US5787102中所描述的解决方 案的清楚限制。波长转换器件温度的变化显著改变了晶体材料中的折射率，进而改变 了相干长度。这导致了转换效率的明显下降。传统地，已经通过将非线性晶体放在温 度稳定的环境中来解决温度敏感性问题，所述温度稳定的环境例如通过应用电阻加热炉 (resistively heated oven)来实现。这个解决方案表现出有限的有效性，并且/或者对于小 尺寸固态半导体激光器而言难以实施。因此，存在对表现出低温度敏感性的波长转换器件(和应用这种器件的激光器) 的明确需求。而且，存在对能够通过补偿温度变化允许稳定转换效率的这种器件(和激 光器)的明确需求。
发明内容
本发明具有的目的是提供一种上述类型的波长转换器件，其至少部分满足上述 需求之一。根据第一方面，本发明用一种波长转换器件来实现其目的，该波长转换器件 包括具有周期性极化区域的非线性光学晶体，所述周期性极化区域具有交变的极性，所 述波长转换器件的特征在于，沿着器件的轴(X)的极化区域的周期在垂直于该轴的方向 (Y)上变化。本发明基于极化周期对应于给 定温度这一见解。因此，在波长转换设备中沿着 某方向提供不同的极化周期有利地允许将设备沿着那个方向的位置与温度相关联。
根据US6726763已知具有变化极化周期的波长转换器件。该文件公开了具有多 个具有交变极性的畴的非线性晶体。然而，与本发明相比，所述畴的极化周期被设置为 沿着轴(X)(限定了光通过晶体传播的方向)变化，以致提供了聚焦光学信号的相位匹配 的非均衡线性调频(chirping)。沿着非线性晶体长度对极化周期进行线性调频允许不同的 输入-输出波长集合在晶体不同部分中变得准相位匹配，因此提高了其光谱接受(spectral acceptance).相反，沿着晶体的宽度对极化周期进行线性调频允许通过在垂直于晶体的 轴(X)的方向(Y)上调整晶体来在不同的温度处相位匹配输入-输出波长集合。 在一个实施例中，所述非线性光学晶体包括从由铌酸锂(LN)、钽酸锂(LT)、 三硼酸锂(LBO)、磷酸氧钛钾(KTP)、铌酸钾(KN)、偏硼酸钡(BBO)、砷酸钛氧铷 (RTA)构成的组中选择的材料。这些材料表现出高非线性极化性并经济地制作为单晶。根据第二方面，本发明提供了包括具有创造性的波长转换器件的激光器。在该激光器的一个实施例中，激光器中波长转换器件相对于光束的位置被设置 为可以沿着垂直于轴(X)的方向(Y)调整。有利地，这允许补偿器件的温度变化并进而 允许稳定转换效率。在一个实施例中，所述激光器进一步包括在其上组装波长转换器件以允许调整 波长转换器件的位置的支座。在一个实施例中，所述支座被设置成具有校准的热膨胀， 从而允许通过自动补偿波长转换器件的温度变化来稳定转换效率，所述自动补偿通过沿 着方向(Y)移动波长转换器件来完成。在一个实施例中，所述支座包括长度可控的电气 元件，从而允许最大化转换效率。在一个实施例中，激光器被设置为扩展腔激光器，并且波长转换器件被设置在 扩展腔内部。在可替换实施例中，波长转换器件被设置为腔内元件。在一个实施例中，波长转换器件被设置成生成基础激光波长的二次谐波。在可 替换实施例中，波长转换器件被设置成参量地(parametrically)生成信号和空闲输出。根据第三方面，本发明提供了稳定波长转换器件的转换效率的方法，所述波长 转换器件包括具有周期性极化区域的非线性光学晶体，周期性极化区域具有交变的极 性，所述方法包括步骤ω提供沿着所述器件的轴(χ)的极化区域的周期以在垂直于该 轴的方向(Y)上变化，和(ii)沿着垂直于该轴(χ)的方向(Y)调整波长转换器件的位置。在一个实施例中，所述方法还包括步骤(iii)将波长转换器件组装在支座上， 和Gv)设置该支座，使其具有校准的热膨胀，从而允许通过自动补偿波长转换器件的温 度变化来最大化转换效率，所述自动补偿通过沿着方向(Y)移动波长转换器件来完成。本发明的这些和其他方面将根据下面描述的实施例而变得清楚明白，并将参照 这些实施例来阐述。
在下面的结合附图对示例性和优选实施例的描述中公开了本发明的其他细节、 特征和优点。图1示意性地示出了根据本发明的波长转换器件。图2示意性地示出了包括根据本发明的波长转换器件的激光器的实施例。
具体实施例方式二阶非线性效应通常相对较弱，然后可能的是，使用它们来在适合于实际应用 的功率级处产生频率转换过程。在和和差频率混合(SFM、DFM)中，穿过非线性介质行 进的两个输入光子被加为或减为一个更高或更低能量的光子ω3 = ωι± ω2。当Co1 = ω2=ω时，ω3 = 2ω，该非线性极化率(susceptibility)引起了 二次谐波生成(SHG)。 其他类型的非线性过程，下转换或光学参量发生(OPG)，以一个输入光子开始并得到两 个较低能量的光子。这两个生成的波长被称为信号和空闲(idler)，其信号是最短的一 个。当使用腔来通过谐振所生成的场的一个或两个提高效率时，所述器件被称为光学参 量振荡器(OPO)。 在三-波非线性过程中，当相互作用的波之间的相位失配等于零时，获得了最 大的输出功率级。考虑二次谐波生成，基础光波以相位速度c/n(u)行进，而所生成的 波，即二次谐波以相位速度c/n(2u)传播。因此，驱动极化和所生成的场将相对于彼此同 相地或异相地漂移。因此，无需相位匹配，在波穿过非线性介质传播时所生成场的积累 的能量振荡。在其上发生基波和所生成波之间的最大能量传递的距离被称为相互作用的 相干长度 Lc= π/Δ k，其中 Ak = Ic3Ik1 = (n3/X3Jn1Z^1) = 4 31 Cn3-Ii1)/λ lt)当 Ak = O时，所述相互作用是相位匹配的，并且在沿着非线性介质的每个点处生成的对所 述二次谐波的贡献与沿着晶体每隔一个点处生成的贡献同相地加在一起。因此，二次谐 波场随着晶体中的距离线性地生长，并且其强度二次方地增长。通过空间地调制晶体的非线性极化性质来准相位匹配相互作用的光束(即周期 性地极化)是公知的技术，其中光束可以积极地相互作用。倒转晶体的第二畴/区域中的 极性更正了在经过第一畴/区域的长度时积累的相互作用的波之间的相位失配。然而， 非线性极化性质的温度相关性通过周期性极化严重限制了准相位匹配的效果。因为晶体 温度改变了通过时积累的相互作用的波之间的相位失配，所以畴没有被波在跨过下一个 畴期间看到的1/2波相移(完全)补偿。因此，温度变化导致了由所生成波增加的次优 功率。本发明提供了缓和与周期性极化的非线性光学晶体的温度变化相关联的相位匹 配问题的方法和器件。图1示意性地示出了根据本发明的波长转换器件100。该器件包 括非线性光学晶体10，该晶体10被设置成(在操作中)具有沿着该晶体的轴(X)穿过 它的光束1。该晶体在该晶体的长度上具有周期性极化的区域20，30，周期性极化的区 域20，30具有交变的极性(分别由“向上”的箭头和“向下”的箭头指示)。尽管传 统的方法将极化的区域20，30定向为垂直于晶体10的轴(X)，本发明的构思使波长转换 器件100中的区域20，30关于轴(X)歪斜。结果，沿着器件的轴(X)的极化区域的周 期41，42在垂直于该轴的方向(Y)上变化。因此，横越晶体10的宽度，在一侧极化周 期41长于另一侧上的周期42。归因于非线性光学参量对晶体材料温度的高敏感性，特 定的极化周期41，42分别对应于预定的温度T1, T20因此，当晶体10具有温度T1时， 光束1应当优选地在宽度位置Y1处穿过该晶体以保证相位匹配并进而保证累积的相互作 用的光波之间的能量传递。类似地，在温度T2时，光束1应当优选地在宽度位置Y2处 沿着轴(X)穿过该晶体10。因此，在一个实施例中，激光器200(参见图2)包括波长 转换器件100的位置。在另一个实施例中，激光器200中的波长转换器件100相对于光束1的位置被设置为可沿着垂直于轴(X)的方向(Y)调整。为了实现这个相对位置改变 (repositioning),光束1可以在平移波长转换器件100时保持固定。可替换地，在光学地 重定向光束1时固定晶体10的位置达到了同样的结果。存在若干通过 周期性地极化(也称为铁电畴工程)诸如铌酸锂(LN，LiNbO3)、 钽酸锂(LT，LiTaO3)和磷酸氧钛钾(KTP，KTiOPO4)之类的铁电非线性材料来生成准相 位匹配的晶体10的技术。由于晶体晶胞内部的电荷分离，这些铁电材料在低于它们的居 里温度时展现出自发的电极化P。这个电荷分离限定了晶体10的极轴(Z)。在铁电畴工 程中，将微结构电极定位在晶体10的至少一个侧面上(相对的侧面通常获得均勻电极) 允许沿着极轴(Z)选择性地施加强电场。因此电极的结构限定最后得到的极化畴或极化 区域20，30的位置和形态。典型地，极化周期具有5 μ m和50 μ m之间的值。制造铁电畴的可替换技术包括(i)电子束引起的空间调制的电荷沉积，(ii)空间 调制的离子实现(例如LN中的Ti)，和(iii)空间调制的成分外扩散或交换(例如LiO外 扩散形式LN和KTP中的Rb/K离子交换)。尽管第一个技术相对费时而且展现出比电 场引起的极化低的再现性，后面的两个技术导致非常适合于周期性极化的波导结构的相 对较浅的畴反转区域。这些化学图案化技术和均勻电场应用的结合甚至可以改善弥散场 引起的畴不规则性，这是从图案化电极技术公知的。转到图2，其示意性地示出了包括根据本发明的波长转换器件100的激光器200 的实施例。激光器200包括增益介质210，背反射器220和输出耦合器230。增益介质 210可以包括诸如Nd: YAG或Ti:蓝宝石之类的固态材料。可替换地，它可以包括诸如 He、Ne、Ar、CO2或准分子之类的气体。还可替换地，它可以包括诸如InGaN、AlInGaP 或GaAs之类的III-V半导体材料。在一个实施例中，波长转换器件100是腔内元件， 在这个情况下，背反射器210和输出耦合器230形成激光腔或谐振器。在可替换实施例 中，激光器200被设置为扩展腔激光器，波长转换器件100被设置在扩展腔的内部。举 个例子，激光器200可以包括基于表面发射半导体增益芯片的垂直外部腔表面发射激光 器(VECSEL)，其具有布拉格背反射器和部分反射的前镜。在这个实施例中，定位在所 述半导体增益芯片外部的输出耦合器230使所述谐振器完整。图2A、B&C示出了激光器200，其中波长转换器件100的位置被调整为分别使 温度T1, T2和T3处的转换效率最优。在一个实施例中，为了在垂直于轴(X)的方向(Y) 上调整激光器200中波长转换器件100相对于光束1的位置，波长转换器件组装在支座 300 上。在一个实施例中，所述支座包括长度可控的电气元件，例如压电元件。有利 地，这允许积极地控制激光器以稳定波长转换器件100的转换效率。为此目的，该激光 器进一步包括合适的反馈装置，反馈装置基于例如波长转换器件100的温度测量或经转 换的光波(即二次谐波或信号波)的功率测量。在另一个实施例中，所述支座被设置成具有校准的热膨胀。有利地，这允许通 过自动补偿波长转换器件(100)的温度变化来稳定转换效率，所述自动补偿通过沿着所 述方向(Y)移动波长转换器件来完成。尽管已经参考上述实施例阐述了本发明，但明显的是，这些可替换实施例可以 用于实现相同的目的。因此，本发明的范围不限于上述实施例。从而，本发明的精神和范围仅由权利要求书及其等同物限定。
权利要求
1.一种波长转换器件(100)，其包括具有周期性极化区域(20，30)的非线性光学晶 体(10)，所述周期性极化区域具有交变的极性，所述波长转换器件的特征在于，沿着该 器件的轴(X)的极化区域的周期(41，42)在垂直于该轴的方向(Y)上变化。
2.根据权利要求1的波长转换器件(100)，其中所述非线性光学晶体包括从由铌酸锂 (LN)、钽酸锂(LT)、三硼酸锂(LBO)、磷酸氧钛钾(KTP)、铌酸钾(KN)、偏硼酸钡 (BBO)、砷酸钛氧铷(RTA)构成的组中选择的材料。
3.—种激光器(200)，其包括根据权利要求1或2的波长转换器件(100)。
4.根据权利要求3的激光器(200)，其中所述激光器中的波长转换器件(100)相对于 光束1的位置被设置为可沿着垂直于轴(X)的方向(Y)调整。
5.根据权利要求4的激光器(200)，其中所述激光器进一步包括在其上组装波长转换 器件(100)以允许调整波长转换器件的位置的支座(300)。
6.根据权利要求5的激光器(200)，其中所述支座(300)被设置成具有校准的热膨 胀，从而允许通过自动补偿波长转换器件(100)的温度变化来最大化转换效率，所述自 动补偿通过沿着所述方向(Y)移动波长转换器件来完成。
7.根据权利要求5的激光器(200)，其中所述支座(300)包括长度可控的电气元件， 从而允许最大化转换效率。
8.根据权利要求4的激光器(200)，其中所述激光器被设置为扩展腔激光器，并且所 述波长转换器件(100)被设置在扩展腔内部。
9.根据权利要求4的激光器(200)，其中所述波长转换器件(100)被设置为腔内元件。
10.根据权利要求4的激光器(200)，其中所述波长转换器件(100)被设置成生成基础 激光波长的二次谐波。
11.根据权利要求4的激光器，其中所述波长转换器件(100)被设置成参量地生成信 号和空闲输出。
12.一种稳定波长转换器件(100)的转换效率的方法，所述波长转换器件包括具有周 期性极化区域(20，30)的非线性光学晶体(10)，周期性极化区域具有交变的极性，所述 方法包括步骤-提供沿着所述器件的轴(X)的极化区域的周期(41，42)以在垂直于该轴的方向(Y) 上变化，-沿着垂直于该轴(X)的方向(Y)调整所述波长转换器件(100)的位置。
13.根据权利要求12的方法，进一步包括步骤_将所述波长转换器件(100)组装在支座(300)上，和-设置所述支座，使其具有校准的热膨胀，从而允许通过自动补偿波长转换器件 (100)的温度变化来最大化转换效率，所述自动补偿通过沿着方向(Y)移动波长转换器件来完成。
全文摘要
提出的是一种波长转换器件(100)，其包括具有周期性极化区域(20，30)的非线性光学晶体(10)，所述周期性极化区域具有交变的极性，所述器件(100)的特征在于，沿着该器件的轴(X)的极化区域的周期(41，42)在垂直于该轴的方向(Y)上变化。本发明基于极化周期对应于给定温度这一见解。因此，在波长转换器件中沿着某方向提供不同的极化周期有利地允许将器件沿着那个方向的位置与温度相关联。
文档编号G02F1/37GK102016707SQ200980116207
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月29日 优先权日2008年5月6日
发明者R·A·M·希克梅特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司