专利名称：一种级联光参量转化系统及光参量转化方法
技术领域：
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种级联光参量转化系统及光参量转化方 法。
背景技术：
光参量振荡技术是激光技术领域中进行频率变化的常用手段。常用的光参量转化 过程包括利用光参量发生器(OPG)进行的光参量发生过程，利用的光参量振荡器(OPO)进 行的光参量振荡过程，利用光参量放大器(OPA)进行的光参量放大过程。晶体通过不同设 置可以同时构成光参量发生器(OPG)、光参量振荡器(OPO)和光参量放大器(OPA)及其任意 组合，如通过将晶体与腔镜连接设置振荡腔构成光参量振荡器(OPO)，在晶体中同时输入参 量光与泵浦光使晶体构成光参量振荡器(OPO)。上述光参量转化过程如果注入一个泵浦光，将产生一个信号光和一个闲频光，信 号光和闲频光必须在非线性晶体的透光范围内，并且满足相位匹配条件，即参量光(信号 光+闲频光)的频率之和等于泵浦光的频率、参量光(信号光+闲频光)的波矢量之和等 于泵浦光的波矢量。3 5μπι波长处于大气的通光范围之内，因此这个波长的激光光源在激光探测、 激光通信以及激光对抗等领域具有重要的应用。目前这个波段的激光输出主要是通过对 Iym波长激光进行光参量转化过程得到。实现途径有很多种，例如可以通过周期性畴反转 铌酸锂晶体PPLN(periodically poled congruent Lithium niobate、PPKTP(periodically poled Potassium titanyl phosphate)、PPKTA(periodically poled Potassium titanyl arsenate)等准相位匹配得到，这中匹配方式的限制因素是晶体很难做成大尺寸应用，限制 了制作成本和晶体的增益；也可以通过LN化物晶体或S化物晶体的0P0得到，这种实现方 式的缺点是晶体损伤阈值太低，不适于得到大能量密度的激光输出。另外也可以通过两级 光参量过程得到，有代表性的如两级KTA晶体(Potassium titanyl arsenate)(或两级KTP 晶体(Potassium titanyl phosphate)或两级 RTA 晶体(Rubidium titanyl arsenate)) 通过以光参量振荡器0P0形式串联(参见专利号为US6834063的美国专利申请)，由于KTA 晶体和RTA晶体价格贵、生长困难，KTP晶体通光波长范围小，限制了专利中的方案；KTP等 晶体与ZGP晶体(Zinc germanium phosphide)串联，KTP晶体输出的参量光作为ZGP晶体 的泵浦光进行参量转化的方法也在专利号为US6785041的美国专利申请中提到，这些方式 的缺点是ZGP等晶体生长困难，价格昂贵，晶体损伤域值低，不利于得到高能量密度高光束 质量的3 5μπι的参量光。常用泵浦源产生的泵浦光的波长为1 μ m，波长为1 μ m泵浦光输入KTP晶体接近非 临界匹配得到的参量光的波长一般小于3. 5 μ m，波长为1 μ m泵浦光输入KTA晶体接近非临 界匹配得到的参量光的波长一般小于3. 7 μ m，为了得到大于3. 7 μ m的参量光，需要对KTA 晶体的折射率和泵浦光进行调谐，因此比较麻烦。
发明内容
本发明的目的是提供一种级联光参量转化系统，可以有效的利用两块晶体的透过 率和有效非线性系数，得到更宽范围的参量光，它具有结构紧凑，效率高的优点。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种级联光参量转化系统，包括泵浦源、级联的KTP晶体和KTA晶体，其中，所述KTP晶体用于对泵浦源产生的泵浦光进行二类相位匹配参量转化过程，并输
出第一参量光；所述KTA晶体用于对所述KTP晶体的输出进行非临界相位匹配或90°的临界相位
匹配参量转化过程，并输出并第二参量光。优选地，所述KTP晶体构成光参量发生器，KTP晶体所进行的二类相位匹配参量转 化过程为参量发生过程；或所述KTP晶体构成光参量振荡器，KTP晶体所进行的二类相位匹配参量转化过 程为参量振荡过程；或所述KTP晶体构成光参量放大器，KTP晶体所进行的二类相位匹配参量转化过 程为参量放大过程；或所述KTP晶体构成差频器，KTP晶体所进行的二类相位匹配参量转化过程为参
量差频过程；或所述KTP晶体构成光参量发生器、光参量振荡器、光参量放大器和差频器的任 意组合，KTP晶体所进行的二类相位匹配参量转化过程为参量发生过程、参量振荡过程、参 量放大过程、参量差频过程的任意组合。优选地，所述KTA晶体构成光参量发生器，所述KTA晶体所进行的非临界相位匹配 或90°的临界相位匹配参量转化过程为参量发生过程；或所述KTA晶体构成光参量振荡器，KTA晶体所进行的非临界相位匹配或90°的 临界相位匹配参量转化过程为参量振荡过程；或所述KTA晶体构成光参量放大器，KTA晶体所进行的非临界相位匹配或90°的 临界相位匹配参量转化过程为参量放大过程；或所述KTA晶体构成差频器，KTA晶体所进行的第二级参量转化过程为参量差频 过程；或所述KTA晶体构成光参量发生器、光参量振荡器、光参量放大器和差频器的任 意组合，KTA晶体所进行的非临界相位匹配或90°的临界相位匹配参量转化过程为参量发 生过程、参量振荡过程、参量放大过程、参量差频过程的任意组合。优选地，所述泵浦源产生的泵浦光的波长为1 μ m，所述KTP晶体输出的第一参量 光的波长为1.3μπι 1.9μπι。优选地，所述泵浦源为产生连续激光或脉冲激光形式泵浦光的泵浦源。优选地，所述KTP晶体沿XZ平面或YZ平面被切割；所述KTA晶体沿X轴或Y轴被切割。本发明还提供了一种光参量转化方法，包括以下步骤利用KTP晶体对泵浦源产生的泵浦光进行二类相位匹配参量转化过程，并输出第
一参量光；
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利用KTA晶体对KTP晶体的输出进行非临界相位匹配或90°的临界相位匹配参量 转化过程，并输出并第二参量光。优选地，所述二类相位匹配参量转化过程为参量发生过程、参量振荡过程、参量放 大过程或差频过程，或为参量发生过程、参量振荡过程、参量放大过程、差频过程的任意组合。优选地，所述非临界相位匹配或90°的临界相位匹配参量转化过程为参量发生过 程、参量振荡过程、参量放大过程或差频过程，或为参量发生过程、参量振荡过程、参量放大 过程、差频过程的任意组合。利用本发明提供的级联光参量转化系统及光参量转化方法，具有以下有益效果1)避免了两级KTA晶体串联时由于KTP晶体通光波长范围小造成输出参量光波长 不能满足要求的问题；2)避免了两级KTP晶体、或两级RTA晶体串联或KTP晶体泵浦ZGP晶体由于KTA、 RTA, ZGP晶体价格贵、生长困难，造成制造成本高的问题；3)利用KTP晶体和KTA晶体的透过率和有效非线性系数，采用不同的参量转化过 程得到更宽范围的参量光，系统具有结构紧凑，效率高、成本低的优点。
图1为本发明级联光参量转化系统组合结构图；图2为本发明实施例中一种级联光参量转化系统组合结构图；图3为本发明实施例中另一种级联光参量转化系统组合结构图。
具体实施例方式本发明提出的级联光参量转化系统及光参量转化方法，结合附图和实施例说明如 下。KTP晶体和KTA晶体都属于双轴晶体，在同一折射率主平面内，非临界匹配拥有较 大的有效非线性系数、大的允许温度宽度和角度失谐量、并且没有走离效应，一般尽可能采 用接近90°相位匹配进行参量转换过程。如图1所示，本发明级联光参量转化系统包括泵浦源(未示出)、级联的KTP晶体 和KTA晶体，KTP晶体用于对泵浦源产生的泵浦光进行二类相位匹配参量转化过程，并输 出第一参量光；KTA晶体用于对KTP晶体的输出具体为所输出的短波长参量光进行非临界 相位匹配或90°的临界相位匹配参量转化过程，并输出并第二参量光。二类相位匹配参量 转化过程是指所输出的参量光(信号光Signal+闲频光Idler)满足二类相位匹配条件的 参量转化过程，非临界相位匹配或90°的临界相位匹配参量转化过程是指所输出的参量光 (信号光Signal+闲频光Idler)满足非临界相位匹配或90°的临界相位匹配条件的参量 转化过程。如前所述，KTP晶体可以作为光参量发生器(OPG)使用，也可以通过与腔镜连接 构成光参量振荡器(OPO)使用，同时还可以同时输入泵浦光和参量光作为光参量放大器 (OPA)使用，另外还可以构成差频器，光参量发生器(0PG)、光参量振荡器(0P0)、光参量放 大器(OPA)和差频器都可以实现二类相位匹配参量转化过程、及非临界相位匹配或90°的临界相位匹配参量转化过程。因此，优选地，KTP晶体构成光参量发生器(OPG)，KTP晶体所 进行的二类相位匹配参量转化过程为参量发生过程；或KTP晶体构成光参量振荡器(OPO)， KTP晶体所进行的二类相位匹配参量转化过程为参量振荡过程；或KTP晶体构成光参量放 大器(OPA)，KTP晶体所进行的二类相位匹配参量转化过程为参量放大过程；或KTP晶体构 成差频器，KTP晶体所进行的二类相位匹配参量转化过程为参量差频过程。同时，还可以利 用KTP晶体构成光参量发生器、光参量振荡器、光参量放大器和差频器的任意组合，KTP晶 体所进行的二类相位匹配参量转化过程为参量发生过程、参量振荡过程、参量放大过程、参 量差频过程的任意组合。同样，KTA晶体可以构成光参量发生器(OPG)，KTA晶体所进行的非临界相位匹 配或90°的临界相位匹配参量转化过程为参量发生过程；或KTA晶体构成光参量振荡器 (OPO)，KTA晶体所进行的非临界相位匹配或90°的临界相位匹配参量转化过程为参量振 荡过程；或KTA晶体构成光参量放大器(ΟΡΑ)，KTA晶体所进行的非临界相位匹配或90°的 临界相位匹配参量转化过程为参量放大过程；或KTA晶体构成差频器，第二级参量转化单 元所进行的第二级参量转化过程为参量差频过程；或KTA晶体构成光参量发生器、光参量 振荡器、光参量放大器和差频器的任意组合，第二级参量转化单元所进行的非临界相位匹 配或90°的临界相位匹配参量转化过程为参量发生过程、参量振荡过程、参量放大过程、参 量差频过程的任意组合。如图2所示，级联光参量转化系统中的KTP晶体构成光参量振荡器(0P0)，KTP 晶体所进行的二类相位匹配参量转化过程为参量振荡过程；KTA晶体构成光参量振荡器 (OPO)，KTA晶体所进行的非临界相位匹配或90°的临界相位匹配参量转化过程为参量振 荡过程，最终输出参量光。如图3所示，KTP晶体构成光参量振荡器(OPO)与光参量放大器(OPA)的组合，所 进行的二类相位匹配参量转化过程为参量振荡过程与参量放大过程的组合；或构成光参量 发生器(OPG)与光参量放大器(OPA)的组合，所进行的二类相位匹配参量转化过程为参量 发生过程与参量放大过程的组合；或构成差频器与光参量放大器(OPA)的组合，所进行的 二类相位匹配参量转化过程为差频过程与参量放大过程的组合。KTA晶体构成光参量振荡 器(OPO)与光参量放大器(OPA)的组合，所进行的非临界相位匹配或90°的临界相位匹配 参量转化过程为参量振荡过程与参量放大过程的组合；或构成光参量发生器(OPG)与光参 量放大器(OPA)的组合，所进行的非临界相位匹配或90°的临界相位匹配参量转化过程为 参量发生过程与参量放大过程的组合；或构成差频器与光参量放大器(OPA)的组合，所进 行的非临界相位匹配或90°的临界相位匹配参量转化过程为差频过程与参量放大过程的 组合，最终输出参量光。本实施例中泵浦源产生的泵浦光的波长为1 μ m。通过采用KTP晶体进行二类相 位匹配参量转化过程，输出的第一参量光的波长为1. 3 μ m 1. 9 μ m。该波长为1. 3 μ m 1. 9 μ m的第一参量光做泵浦光输入到KTA晶体，进行非临界相位匹配或90°的临界相位匹 配参量转化过程，可以得到波长大于3. 7 μ m的参量光。泵浦源为产生连续激光或脉冲激光 形式泵浦光的泵浦源。KTP晶体可以沿XZ平面被切割，也可以沿YZ平面切割(晶体的折射 率主轴有X轴、Y轴、Z轴，X、Z两坐标轴组成XZ平面，Y、Z两坐标轴组成YZ平面)；KTP晶 体可以采用临界相位匹配，也可以采用非临界相位匹配；KTA晶体可以沿X轴切割，也可以
7沿Y轴切割(X轴、Y轴对应晶体X、Y折射率主轴)。本发明的光参量转化方法包括以下步骤利用KTP晶体对泵浦源产生的泵浦光进 行二类相位匹配参量转化过程，并输出第一参量光；利用KTA晶体对KTP晶体的输出进行非 临界相位匹配或90°的临界相位匹配参量转化过程，并输出并第二参量光。所述二类相位 匹配参量转化过程为参量发生过程、参量振荡过程、参量放大过程或差频过程，或为参量发 生过程、参量振荡过程、参量放大过程、差频过程的任意组合。所述非临界相位匹配或90° 的临界相位匹配参量转化过程为参量发生过程、参量振荡过程、参量放大过程或差频过程， 或为参量发生过程、参量振荡过程、参量放大过程、差频过程的任意组合。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通 技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有 等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
一种级联光参量转化系统，其特征在于，包括泵浦源、级联的KTP晶体和KTA晶体，其中，所述KTP晶体用于对泵浦源产生的泵浦光进行二类相位匹配参量转化过程，并输出第一参量光；所述KTA晶体用于对所述KTP晶体的输出进行非临界相位匹配或90°的临界相位匹配参量转化过程，并输出并第二参量光。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述KTP晶体构成光参量发生器，KTP晶体所进行的二类相位匹配参量转化过程为参 量发生过程；或所述KTP晶体构成光参量振荡器，KTP晶体所进行的二类相位匹配参量转化过程为 参量振荡过程；或所述KTP晶体构成光参量放大器，KTP晶体所进行的二类相位匹配参量转化过程为 参量放大过程；或所述KTP晶体构成差频器，KTP晶体所进行的二类相位匹配参量转化过程为参量差 频过程；或所述KTP晶体构成光参量发生器、光参量振荡器、光参量放大器和差频器的任意组 合，KTP晶体所进行的二类相位匹配参量转化过程为参量发生过程、参量振荡过程、参量放 大过程、参量差频过程的任意组合。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述KTA晶体构成光参量发生器，KTA晶体所进行的非临界相位匹配或90°的临界相 位匹配参量转化过程为参量发生过程；或所述KTA晶体构成光参量振荡器，KTA晶体所进行的非临界相位匹配或90°的临界 相位匹配参量转化过程为参量振荡过程；或所述KTA晶体构成光参量放大器，KTA晶体所进行的非临界相位匹配或90°的临界 相位匹配参量转化过程为参量放大过程；或所述KTA晶体构成差频器，KTA晶体所进行的第二级参量转化过程为参量差频过程； 或所述KTA晶体构成光参量发生器、光参量振荡器、光参量放大器和差频器的任意组 合，KTA晶体所进行的非临界相位匹配或90°的临界相位匹配参量转化过程为参量发生过 程、参量振荡过程、参量放大过程、参量差频过程的任意组合。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述泵浦源产生的泵浦光的波长为1 μ m,所述KTP晶体输出的第一参量光的波长为 1. 3 μ m 1. 9 μ m。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述泵浦源为产生连续激光或脉冲激光 形式泵浦光的泵浦源。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于， 所述KTP晶体沿XZ平面或YZ平面被切割； 所述KTA晶体沿X轴或Y轴被切割。
7.一种光参量转化方法，其特征在于，包括以下步骤利用KTP晶体对泵浦源产生的泵浦光进行二类相位匹配参量转化过程，并输出第一参量光；利用KTA晶体对KTP晶体的输出进行非临界相位匹配或90°的临界相位匹配参量转化 过程，并输出并第二参量光。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述二类相位匹配参量转化过程为参量发生过程、参量振荡过程、参量放大过程或差 频过程，或为参量发生过程、参量振荡过程、参量放大过程、差频过程的任意组合。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述非临界相位匹配或90°的临界相位匹配参量转化过程为参量发生过程、参量振荡 过程、参量放大过程或差频过程，或为参量发生过程、参量振荡过程、参量放大过程、差频过 程的任意组合。
全文摘要
本发明涉及一种级联光参量转化系统及光参量转化方法，系统包括级联的KTP晶体和KTA晶体，KTP晶体用于对泵浦源产生的泵浦光进行二类相位匹配参量转化过程；KTA晶体用于对KTP晶体的输出进行非临界相位匹配或90°的临界相位匹配参量转化过程，该方法利用KTP晶体对泵浦源产生的泵浦光进行二类相位匹配参量转化过程，利用KTA晶体对KTP晶体的输出进行非临界相位匹配或90°的临界相位匹配参量转化过程。本发明可以有效的利用两块晶体的透过率和有效非线性系数，得到更宽范围的参量光，系统具有结构紧凑，效率高的优点。
文档编号G02F1/35GK101895053SQ20091008537
公开日2010年11月24日 申请日期2009年5月22日 优先权日2009年5月22日
发明者刘建辉, 巩马理, 张海涛, 柳强, 闫平, 黄磊 申请人:清华大学