专利名称：以化学计量比钽酸锂超晶格为变频晶体的光参量振荡激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以化学计量比钽酸锂超晶格为变频晶体的光参量振荡激光器。该激光器以化学计量比钽酸锂光学超晶格为非线性变频晶体，采用532nm激光器为抽运光源，通过改变周期(在周期超晶格中)，或者使用准周期、非周期结构，并辅助以温度调节，能实现从可见光到中红外(3至4微米)范围宽调谐激光输出。
背景技术：
近十年，已经有以高功率二极管激光器为抽运光源，利用电场极化的方法制造周期铁电光学超晶格如周期极化同成份钽酸锂(PPLT)和周期极化同成份铌酸锂(PPLN)，以准位相匹配(QPM)方法制造有效的结构紧凑的全固态光参量振荡(OPO)激光器[1]。但是因为同成份钽酸锂和同成份铌酸锂矫顽场比较高(＞20KV/mm)，极化比较困难，特别是极化周期小于10μm的结构更加困难，另外受材料本身光折变损伤和可见光引起的红外吸收的影响，所以制造的OPO激光器只能工作在红外光区。目前也有一些报道用PPLT和PPLN作为增益介质产生近红外光，但是输出功率只能处于毫瓦量级[2-4]。具有高重复频率、高功率和可调范围从可见光到中红外的OPO激光器将会是一种新的激光光源，它可以替代目前的激光器应用在从可见光到中红外这一特殊波长范围，从事线性和非线性光谱学研究及一些其它应用。
化学计量比钽酸锂(U.S.patent 6211999)对光折变损伤和可见光引起的红外吸收有很强的抑制作用。在化学计量比钽酸锂中非化学计量比的缺陷数量大大减少，从而相对于同成份钽酸锂，其矫顽场降低了一个数量级以上，极化周期已经可以做到10μm以下，同时它的抗光损伤域值提高了两到三个数量级[5]。因此，周期极化化学计量比钽酸锂(PPSLT)已经开始在倍频和和频产生绿光和蓝光中有所应用[6-8]。在这些应用中绿光和蓝光的峰值功率密度都处在光折变损伤域值2-3MW/cm2之下。Takaaki Hatanaka等人制造出了应用PPSLT超晶格为频率转换介质以高平均功率近红外光(1064nm)作为抽运光源的OPO系统，重复频率为1KHz，样品尺寸是18mm×8mm×1mm(长×宽×厚)，利用28、29和30μm的周期在100到250℃可以实现1.43--1.457，1.471--1.51和1.533--1.589μm的信号光和相应波长的闲置光输出，转换效率为27％。在该系统正常工作时并没有出现光折变损伤或光折变损伤现象并不明显[9，10]。PPSLT光学器件在U.S.patent 6211999中也提到在可见光功率密度大于15MW/cm2仍然可以避免光折变损伤和可见光引起的红外吸收。所以PPSLT超晶格应该可以作为一个非常好的选择用来制造高功率可调范围从可见光到中红外的OPO激光器系统。(参见Topics Appl.Phys.89，141
周期结构的光学超晶格可以用于倍频，和频和差频等参量过程的频率转换。周期结构超晶格的倒格矢可以表示为G=m2πΛ]]>，其中Λ为周期，m为一整数，也就是说所有的倒格矢是一阶倒格矢的整数倍。
利用超晶格的参量过程是实现激光变频输出的重要手段。利用多通道的周期、准周期或非周期超晶格来实现以532nm激光为抽运光源的可调波长激光输出。为了利用最大的有效非线性系数，得到最高的转换效率，可以利用周期结构提供的一阶倒格矢来匹配参量过程中的位相失配，从而得到最高的转换效率(Appl.Phys.Lett.，85，188(2004).Ferroelectrics，273，199(2002).Opt.Lett.，29，1775(2004))。
周期结构正负电畴的宽度比取为1∶1，使用了周期结构提供的一阶倒格矢(即m＝1)来补偿抽运光和参量光的位相失配。对于用来实现参量转换周期结构，有2π[ne(λpump)λpump-ne(λsignal)λsignal-ne(λidler)λidler]-2πΛ=0]]>其中λpump、λsignal和λidler为抽运光、信号光和闲置光的波长，ne(λpump)、ne(λsignal)和ne(λidler)分别为它们的折射率，Λ为超晶格的周期。
利用如下的色散公式[1]来计算折射率ne2(λ,T)=A+B+b(T)λ2-[C+c(T)]2+Eλ2-F2+Gλ2-H2+Dλ2]]>其中的参数为A＝4.502483B＝7.294×10-3C＝0.185087D＝-2.357×10-2E＝7.3423×10-2F＝0.199595G＝0.001H＝7.99724b(T)＝3.483933×10-8(T+273.15)2c(T)＝1.607839×10-8(T+273.15)21.用一个PPSLT样品，经过仔细的研究和测量，发现光折变损伤在这种铁电材料应用在光参量放大和光参量振荡过程中仍然存在。但是在温度高于80℃时，光折变损伤已经降低到光参量过程正常工作可以接受的程度。而且在一个设定好的谐振腔中在参量振荡产生以后上述光折变损伤现象已经消失。上述色散方程中存在两个未知参量λ和T，λ为所计算波的波长，T为温度。实验中设计了多个通道的结构，这样做的原因是对于单个通道通过调节温度可以使参量光波长在一定范围内可调，通过多通道的设计就可以利用不同的周期结构并辅以温度调谐使参量光可以在比较大的范围内可调，以至于在较大范围内连续可调。从而构造出能实现高效参量光连续可调输出的小型固态激光器。根据以上公式的计算，可以设计一个多通道周期结构，周期分别为8μm，8.5μm，9μm，9.5μm，10μm，10.5μm，11μm。这样通过调整不同的周期，在工作温度从80℃到200℃的情况下，参量光的调谐范围如下表。
表一
这个PPSLT样品的尺寸是20mm×8mm×0.83mm(长×宽×厚)。以重复频率为3.5KHz的532nm抽运光为激发光源，经过透镜聚焦在谐振腔中的样品上，可以实现648-940nm信号光和1230-2980nm闲置光输出，光子转换效率达到40％--60％。图2为利用9.5μm周期，样品温度为170℃，输出信号光波长为713.6nm，闲置光波长为2095nm。在谐振腔腔长为40mm时，输入抽运光能量1W时，可以输出信号光318mW，闲置光121mW，能量转换效率44％，斜率效率可以达到63.6％。
典型的OPO系统是用周期极化的反转畴结构来实现可调波长输出。每个周期的可调范围受限于晶体的光散射性质随温度的变化程度。如表一中采用七个周期结构，在650nm到3μm的调谐范围内还是会有一些间断。对于SLT晶体，通过计算可以知道要想得到从650nm到3μm的连续可调，至少需要10个周期结构。为了用更少的通道数量，可以设计一个复合结构包含两个或两个以上周期结构的倒格失，这种复合结构可以利用准周期或非周期等结构[12]。设计这样的准周期或非周期结构来减少通道数，将会更加容易应用。如采用准周期结构，要实现从650nm到3μm的连续可调，用一个准周期结构来实现两个周期结构的作用。
二组元准周期光学超晶格结构由图2(a)中所示A、B两个基元排列而成，每个基元由一对正负畴构成。设定A、B基元中的正畴宽度相等，用l表示。理论计算准周期结构的倒格矢可以写作如下形式Gm,n=2πm+nτD,]]>
每个倒格矢对应的傅立叶系数为gm,n=2(1+τ)lDsinc(Gm,nl2)sinc(Xm,n)]]>其中参数D＝τDA+DB，DA和DB就是结构单元A和B的宽度。
如设计一个准周期结构通道替代8.1μm和7.8μm两个周期结构通道，它们所对应的倒格矢分别为dk1＝0.775702，dk2＝0.805536，我们可以设计一个准周期结构，使用准周期结构中的倒格矢G1，1匹配dk1，G1，2匹配dk2。计算结果τ＝0.039999，D＝8.423991，当g(G1，1)×g(G1，2)达到最大值时的结构参数此时g(G1，1)＝0.409311，g(G1，2)＝0.400089，DA＝11.970μm，DB＝7.945μm，l＝3.970μm。这样一个准周期通道即可实现两个周期通道的参量过程，但是要注意利用腔镜对不同波长的反射率来进行选择哪一个参量过程实现共振，而且参量共振的效率会因为傅立叶系数相对于周期结构的减小而有所降低。
1.本发明适用于以周期、准周期、非周期和双周期等光学超晶格结构为变频晶体的参量过程。
2.除了化学计量比钽酸锂晶体，也可以用掺镁化学计量比钽酸锂、化学计量比铌酸锂、掺镁化学计量比铌酸锂等其它非线性光学晶体，根据这些晶体的色散关系可以设计出特定结构和结构参数的光学超晶格，获得高效参量光输出。谐振腔的设计这个发明是由一个化学计量比钽酸锂超晶格和相应的光学谐振腔系统所组成的实现宽可调谐的激光光源。
图1是本发明OPO系统的输出特性图2是本发明采用的二组元准周期结构示意3是本发明采用的几种光学谐振腔的结构，3a-3d是四种结构。
图4是本发明两种谐振腔结构的输出线宽比较具体实施方式
本发明包括几种光学谐振腔，他们都可以实现宽可调范围、有效的高功率稳定输出。所用的抽运光是一个调Q二极管激光器抽运的532nm固态激光器，它的重复频率从100赫兹到100K赫兹可调。第一种光学谐振腔是用一个对抽运光高透射对参量光高反射的透镜作为入射腔镜，出射腔镜为对抽运光和闲置光高透射率，对信号光透射率在50％-80％左右，从而实现单共振，这样做的目的是通过最短的谐振腔腔长得到高的功率和高的转换效率。第二种光学谐振腔是用一个45°透镜置于谐振腔中，它对抽运光高反射而对参量光高透射从而将抽运光引入谐振腔，以一个镀银的平面反射镜作为一个腔镜，出射腔镜为对抽运光和闲置光高透射率，对信号光透射率在50％-80％左右，这样的组合有利于实现宽的可调谐范围。第三种光学谐振腔是在第二种组合的基础上在45°透镜和镀银平面反射镜之间加一个扩束镜或一个分光光栅，这样做的好处是可以得到比较窄的线宽，从而使整个OPO系统更好应用在光谱分析中。第四种光学谐振腔是在第二种组合基础上，用一个分光光栅代替出射腔镜，使入射光线掠入射到分光光栅上，用一个镀银的平面镜将部分信号光再反射回腔内，使之形成共振。这样做的好处与第三种谐振腔相似，可以得到比较窄的线宽。图3中给出了上述四种谐振腔结构的示意图，引文13中给出了更详细的说明和实验结果，证明本发明可以提供高功率有效的可调谐激光光源。图4是实验中测量到的第一种谐振腔结构和第四种谐振腔结构条件下信号光的线宽比较，可以很明显的看到在增加光栅的情况下线宽有明显的变窄。
现在一般现在应用的OPO激光器基本都是以1064nm红外光作为抽运光源，得到近红外参量光。可以应用在各种激光光谱技术研究的主要技术设备，也是光学、光电子学、医学、生物学等研究重要光源。在军事上可调谐激光器是光电子对抗的重要激光光源之一，如激光雷达、激光通讯、激光水下探测和通讯、激光遥感、激光致盲等。355nm的光也可以作为抽运光源。
本发明具有轻便、环保、耐用、成本低和调节简便等优点。它可以代替现在市场上的染料激光器和钛蓝宝石激光器作为可调谐激光光源。应用在激光光谱学、物理化学、生物科学研究和生物显微成像等方面。其高功率可以激发非线性光学效应，替代皮秒及飞秒激光器成为生物及材料(纳米和半导体等)显微成像设备的光源。
权利要求
1.以化学计量比钽酸锂超晶格为变频晶体的光参量振荡激光器的设置方法激光器以化学计量比钽酸锂光学超晶格为非线性变频晶体，采用激光器为抽运光源，通过在周期超晶格中改变周期、使用准周期或非周期结构，并辅助以温度调节，实现从可见光到中红外范围宽调谐激光输出。
2.根据权利要求1所述的以化学计量比钽酸锂超晶格为变频晶体的光参量振荡激光器的设置方法其特征是所述激光器为532nm激光器。
3.根据权利要求1所述的以化学计量比钽酸锂超晶格为变频晶体的光参量振荡激光器的设置方法其特征是所述化学计量比钽酸锂超晶格包括以周期极化化学剂量比钽酸锂、周期极化掺镁化学计量比钽酸锂或周期极化掺镁化学计量比铌酸锂等光学超晶格为非线性变频介质的光学参量振荡激光光源。
4.根据权利要求1所述的以化学计量比钽酸锂超晶格为变频晶体的光参量振荡激光器的设置方法其特征是周期结构正负电畴的宽度比取为1∶1，使用周期结构提供的一阶倒格矢来补偿抽运光和参量光的位相失配；实现参量转换周期结构有2π[ne(λpump)λpump-ne(λsignal)λsignal-ne(λidler)λidler]-2πΛ=0]]>其中λpump、λsignal和λidler为抽运光、信号光和闲置光的波长，ne(λpump)、ne(λsignal)和ne(λidler)分别为它们的折射率，Λ为超晶格的周期；利用如下的色散公式来计算折射率nc2(λ,T)=A+B+b(T)λ2-[C+c(T)]2+Eλ2-F2+Gλ2-H2+Dλ2]]>A＝4.502483B＝7.294×10-3C＝0.185087D＝-2.357×10-2E＝7.3423×10-2其中的参数为F＝0.199595G＝0.001H＝7.99724b(T)＝3.483933×10-8(T+273.15)2c(T)＝1.607839×10-8(T+273.15)2
5.根据权利要求1所述的以化学计量比钽酸锂超晶格为变频晶体的光参量振荡激光器的设置方法其特征是通过多通道的设计，利用不同的周期结构并辅以温度调谐使参量光可以在比较大的范围内可调，构造出实现高效参量光连续可调输出的小型固态激光器。
6.根据权利要求1所述的以化学计量比钽酸锂超晶格为变频晶体的光参量振荡激光器的设置方法其特征是设计一个多通道周期或准周期结构，周期分别为8μm，8.5μm，9μm，9.5μm，10μm，10.5μm，11μm；通过调整不同的周期，在工作温度从80℃到200℃的情况下，参量光的大的调谐范围；所述准周期结构，要实现从650nm到3μm的连续可调，用一个准周期结构来实现两个周期结构的作用二组元准周期光学超晶格结构由A、B两个基元排列而成，每个基元由一对正负畴构成；设定A、B基元中的正畴宽度相等，用l表示；计算准周期结构的倒格矢可以写作如下形式Gm,n=2πm+nτD,]]>每个倒格矢对应的傅立叶系数为gm,n=2(1+τ)lDsinc(Gm,nl2)sinc(Xm,n)]]>其中参数D＝τDA+DB，DA和DB就是结构单元A和B的宽度。
7.以化学计量比钽酸锂超晶格为变频晶体的光参量振荡激光器，包括抽运光源，谐振腔及谐振腔端部的反射透射镜，谐振腔内设有非线性变频晶体，超晶格位置设有加温装置，并设有加温装置的温度控制装置，所述非线性变频晶体是化学计量比钽酸锂光学超晶格周期、使用准周期或非周期结构，抽运光是一个调Q二极管激光器抽运的532nm固态激光器，其重复频率从100赫兹到100K赫兹；所述谐振腔结构是用一个对抽运光高透射对参量光高反射的透镜作为入射腔镜，出射腔镜为对抽运光和闲置光高透射率，对信号光透射率在50％-80％；
8.以化学计量比钽酸锂超晶格为变频晶体的光参量振荡激光器，包括抽运光源，谐振腔及谐振腔端部的反射透射镜，谐振腔内设有非线性变频晶体，超晶格位置设有加温装置，并设有加温装置的温度控制装置，所述非线性变频晶体是化学计量比钽酸锂光学超晶格周期、使用准周期或非周期结构，抽运光是一个调Q二极管激光器抽运的532nm固态激光器，其重复频率从100赫兹到100K赫兹；所述光学谐振腔是用一个45°透镜置于谐振腔中，它对抽运光高反射而对参量光高透射从而将抽运光引入谐振腔，以一个镀银的平面反射镜作为一个腔镜，出射腔镜为对抽运光和闲置光高透射率，对信号光透射率在50％-80％。
9.由权利要求8所述的以化学计量比钽酸锂超晶格为变频晶体的光参量振荡激光器，其特征是在45°透镜和镀银平面反射镜之间加一个扩束镜或一个分光光栅。
10.由权利要求8所述的以化学计量比钽酸锂超晶格为变频晶体的光参量振荡激光器，其特征是用一个分光光栅代替出射腔镜，使入射光线掠入射到分光光栅上，用一个镀银的平面镜将部分信号光再反射回腔内，使之形成共振。
全文摘要
本发明涉及一种以化学计量比钽酸锂超晶格为变频晶体的光参量振荡激光器。该激光器以化学计量比钽酸锂光学超晶格为非线性变频晶体，采用532nm激光器为抽运光源，通过改变周期(在周期超晶格中)，或者使用准周期、非周期结构，并辅助以温度调节，能实现从可见光到中红外(3至4微米)范围宽调谐激光输出。输出的激光可以是连续的，也可以是脉冲的，可以是高重复频率，也可以是低重复频率，取决于抽运光源的工作特性。并且可以通过设计不同的谐振腔来满足不同的应用需求。由于化学计量比钽酸锂晶体存在比较弱的光折变效应，调节温度范围为80℃－250℃。
文档编号H01S3/16GK1845405SQ20061003880
公开日2006年10月11日 申请日期2006年3月14日 优先权日2006年3月14日
发明者祝世宁, 高志达, 章晨, 孔庆昌, 塗时雨 申请人:南京大学