非线性频率转换(nlfc)装置和光源的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及包括频率转换处理的发光装置。本发明涉及所述装置的设计。
【背景技术】
[0002] 在光子器件的现有技术中存在许多示例使用材料的非线性光学性质将具有至少 一个频率的输入光转换为具有与输入频率不同的至少一个频率的产生光。在一类器件中， 第一频率（f\)的光通过具有非零二阶非线性磁化率的材料，并且输入光的一部分或全部 被转换为具有第二频率（f 2)的产生光，其中f2 = 2f\。这种过程通常称作"二次谐波产 生"（SHG)，并且有时称作"倍频"。在另一类器件中，包括具有两种不同频率的光在内的输 入光通过具有非零二阶非线性磁化率的材料，并且输入光的一部分或全部可被转换为具有 第三频率的产生光。这一过程通常称作和频产生（SFG)或者差频产生（DFG)。SHG、SFG和 DFG都是非线性频率转换（NLFC)过程的示例。
[0003] 已知存在各种各样的具有较大二阶非线性磁化率的材料。其中的示例包括铌酸锂 (LiNbO 3)、磷酸钛氧钾（KTiOPO4)、三硼酸锂（LiB3O5)、β -硼酸钡（β -BaB2O4)和磷酸二氢钾 (KH2PO4)。可以表现出NLFC的部件可以由这些材料制造，并且这里称作NLFC部件。
[0004] 在使用NLFC部件的光子器件中，通常重要的是高效率发生NLFC过程。NLFC的效 率是产生光的功率除以输入光的功率之比。在SHG的情况下，SHG的效率是倍频光的功率 除以输入光的功率之比。
[0005] NLFC的效率可以强烈地依赖于当输入光束在通过NLFC部件时的性质。在NLFC的 许多示例中，使输入光束在至少一个束平面中聚焦（束平面是光束的传播方向所处的任意 平面）。这在图1中说明，图1是通过NLFC部件2的聚焦输入光束1的图示，其中该附图所 在的平面是光束被聚焦的束平面。当聚焦输入光束1传播通过NLFC部件2时，束宽度3首 先降低，然后达到最小值，且然后增加。给定束平面中的束宽度3是沿位于所述平面内并且 与光束的传播方向4垂直的方向的宽度。束半径定义为等于束宽度的一半。将沿着光束的 传播方向在束平面中束宽度最小处的位置描述为所述束平面中的束腰，并且将该位置处所 述平面中的束半径描述为所述平面中的束腰半径5。通常，光束可能并非关于其传播方向呈 圆对称。在这种情况下，在沿光束传播方向的任意位置处，在两个不同的束平面中测量的束 宽度可能不相等。
[0006] 例如，可以使用一个或多个透镜来聚焦输入光束，使得当光束朝着NLFC部件传播 时光束在至少一个束平面中会聚（也就是说，当光束朝着NFLC部件传播时，至少一个束平 面中的束宽度减小），从而至少一个束平面中的束腰形成于NLFC部件中。在这种情况下， 在给定束平面中输入光束的聚焦强度可以用光束进入NLFC部件之前在空气中测量的光 束会聚半角来量化。这也在图1中进行了说明。光束的会聚半角Φ。定义为tan(ct。）= IT^W(Z1)-W(Z2)Viz2-Zj，其中W(Z1)和W(Z 1)是在沿光束传播方向4的两个位置Z1和Z2 处测量的光束宽度，Z1和Z2均是光束传播进入NLFC部件2之前的位置。
[0007] 在给定束平面中输入光束的聚焦强度也可以通过在光束已经从NLFC部件出 射之后在空气中测量的光束发散半角来量化。光束的发散半角^定义为tan(ctd)= 1/2 {w (z4)-w (z3) }/{z4_z3}，其中w(z3)和w(z4)是在沿光束传播方向4的两个位置Z 3和Z4 处测量的光束宽度，Z3和Z4均是光束传播离开NLFC部件2之后的位置。
[0008] NLFC的效率可以强烈地依赖于输入光束在传播通过NLFC部件时的宽度。Boyd和 Kleinman[Journal of Applied Physics 39,3597(1968)]描述了识别 NLFC 部件内输入光 束的合适宽度的方法，以针对在NLFC部件内部具有圆形"高斯光束"形式的输入光束的特 定情况高效率地获得SHG。高斯光束是光强度随着相距中心的径向距离按照高斯方式改变 的光束。高斯光束在沿光束传播方向的一位置处的宽度通常定义为沿与光束的传播方向垂 直的方向测量的如下两点之间的距离：在所述点处，光束的强度等于沿光束传播方向的该 位置处光束的最大强度的Ι/e 2。圆形高斯光束在沿光束传播方向的具体位置处在所有束平 面内具有相等的束宽度。对于在折射率为η的介质中传播的波长（在真空中测量）为λ 的高斯光束，束腰半径rw和远场会聚角或发散半角Φ通过等式1相关。
【主权项】
1. 一种非线性频率转换NLFC装置（13)，包括： NLFC部件（26)，所述NLFC部件表现出走离；以及 光学部件（25)，配置为将非衍射受限输入光束（33)会聚到NLFC部件中； 其中，NFLC部件输出的输出光束（34)的至少一部分的频率与输入光束的频率不同。
2. 根据权利要求1所述的NLFC装置（13)，其中输入光束（33)在至少一个平面中的光 束质量因子大于2 (M2 >2)，并且与NLFC部件（26)的非走离平面平行的平面中的光束质量 因子大于2 (Mg〉2)。
3. 根据权利要求1至2中任一项所述的NLFC装置（13)，其中输入光束（33)在与NLFC 部件（26)的走离平面平行的平面中的光束质量因子小于输入光束在与NLFC部件的非走离 平面平行的平面中的光束质量因子（Mx2 < M^)。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的NLFC装置（13)，其中在NLFC部件（26)的非 走离平面中空气中的会聚半角大于针对衍射受限光的会聚半角，其中衍射受限光的光束质 量因子M 2等于1。
5. 根据权利要求4所述的NLFC装置（13)，其中在NLFC部件（26)的非走离平面中空 气中的会聚半角是My乘以针对衍射受限光的会聚半角，其中My是非衍射受限光在非走离 平面中的光束质量因子的平方根。
6. 根据权利要求4所述的NLFC装置（13)，其中在NLFC部件（26)的非走离平面中空 气中的会聚半角是乘积ε XMy乘以针对衍射受限光的会聚半角值，其中ε的值在等于0.4 顿絲白勺繼购鶴it 5力旬，瓶My纖Λ棘(33)獅越5F神白勺 光束质量因子的平方根。
7. 一种光源（20)，包括： 发光元件（21)，发射非衍射受限的输入光束；以及 非线性频率转换NLFC部件（26)，所述NLFC部件表现出走离并且执行二次谐波产生，从 而NLFC部件（26)输出的输出光束（34)的至少一部分具有输入光束的两倍频率；以及 光学部件，配置为将非衍射受限输入光束会聚到NLFC部件中。
8. 根据权利要求7所述的光源（20)，其中在NLFC部件（26)的非走离平面中空气中的 会聚半角大于针对衍射受限光的会聚半角，其中衍射受限光的光束质量因子M 2等于1。
9. 根据权利要求8所述的光源（20)，其中在NLFC部件（26)的非走离平面中空气中的 会聚半角是乘积ε XMy乘以针对衍射受限光的会聚半角值，其中ε的值在等于0.4与€ 二者中较大者的较低值与较高值5之间，并且My是输入光束在非走离平面中的光束质量因 子的平方根。
10. 根据权利要求7至9中任一项所述的光源（20)，其中所述发光元件是包括 AlyInxGa1^N半导体材料的激光二极管，并且激光二极管的发光区域的一个维度是至少 5. m，并且在与NLFC部件的非走离表面平行的平面中的光束质量因子大于3 ( Μ#> 3 )，并 且所述光学部件配置为将输入光束会聚为具有在0.9°和10. 5°之间的会聚半角。
11. 根据权利要求7至10中任一项所述的光源（20)，其中确定会聚半角，使得在传播 通过非平面或者表面法向不与输入光束的传播方向平行的NLFC部件（26)的输入表面（35) 之后输入光束的束腰半径近似等于在NLFC部件的输入表面（35)是平坦表面并且所述表面 的法向与输入光束的传播方向平行的情况下具有空气中一会聚半角的输入光束传播进入 所述输入表面（35)之后将会在NLFC部件中形成的输入光束的束腰半径。
【专利摘要】将非线性频率转换(NLFC)部件(26)结合到光源(20)中。光源包括：发光元件(21)，其发射非衍射受限的输入光束；以及NLFC部件，其表现出走离并且执行NLFC处理，例如二次谐波产生。光学部件(25)配置为将非衍射受限输入光束以确定的会聚半角会聚到NLFC部件中。在NLFC部件的非走离平面中在空气中的会聚半角大于针对衍射受限光的会聚半角。所述会聚半角可以是乘积ε×M乘以针对衍射受限光的会聚半角值，其中ε的值在等于0.4与二者中较大者的较低值与较高值5.0之间，其中M是非衍射受限光的光束质量因子的平方根。
【IPC分类】G02F1-35
【公开号】CN104730799
【申请号】CN201410803329
【发明人】蒂姆·迈克尔·斯密顿, 爱德华·安德鲁·伯尔德曼, 卡尔·彼得·韦尔纳
【申请人】夏普株式会社
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2014年12月19日
【公告号】EP2887136A1, US20150177593