一体化环形激光倍频装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种一体化环形激光倍频装置，该一体化环形激光倍频装置包括PPKTP(周期性极化KTP)倍频晶体和环形倍频腔；其中，所述环形腔包括平面反射镜M1、M2和凹面反射镜M3、M4；所述PPKTP晶体两端面均镀有对基频光和二次谐波的增透膜。本发明利用1064nm稳频激光器和PPKTP倍频晶体，结合准相位匹配及环形外腔倍频技术，实现了波长具有严格倍数关系的1064nm、532nm稳定激光输出，具有波长、功率稳定性好、线宽窄等优点，可对光栅型光谱仪的波长线性度进行校准；实现了1064nm稳频激光波长标准装置的小型化，性能稳定、结构紧凑、抗干扰能力强。
【专利说明】一体化环形激光倍频装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光倍频【技术领域】，具体涉及一种一体化环形激光倍频装置。
【背景技术】
[0002]常用的激光器输出波长通常为近红外单一频率的激光，随着科技的发展，各行各业对激光器的需求大大增加，对激光器输出波长提出了更高要求，需要将激光器输出波长向红外和紫外波段扩展。通过非线性频率变换技术可以获得普通激光器达不到的激光输出波长，如紫外、中红外和远红外激光等，其中蓝光激光器在高密度光学数据存储、激光医学、光谱学、吸收成像和激光冷却等领域应用广泛，红外相干激光器在光谱研宄、激光制导、激光定向红外干扰、大气监测等领域应用广泛。
[0003]非线性频率转换技术是一种扩大激光器应用范围的有效技术，它利用光学介质在强福射场下的非线性光学效应产生新的频率，对现有激光源的频率进行扩展，在科研和生产中有着广泛的应用。光波的倍频产生，又叫二次谐波产生(Second HarmonicGenerat1n，SHG)是一种典型的非线性光学过程，它源自介质对光场的二阶非线性响应或极化。近年来，倍频技术发展的方向是产生更短波长的激光，以更高的倍频效率获得更稳定的输出。
[0004]常用的激光倍频技术包括双折射相位匹配倍频技术和准相位匹配倍频技术。传统的双折射相位匹配倍频技术是利用单轴或双轴晶体的双折射效应和色散特性，通过选择光波的波矢方向和偏振方向实现相位匹配，从而获得高的倍频转换效率，但是该技术受到材料本身的限制，并不是所有晶体都能实现双折射相位匹配，只有某些具有特殊结构的晶体才能实现双折射相位匹配，而且双折射晶体还需沿特殊方向切割，或特定的工作温度，此外该技术还不能应用晶体的最大非线性系数，致使该技术的使用受到极大限制。
[0005]准相位匹配倍频技术是利用周期极化晶体实现相位匹配，通过晶体非线性极化率的周期性调制，来补偿光参量过程中折射率色散造成的泵浦光与参量光之间的相位失配，从而获得非线性光学效应的增强。准相位匹配倍频技术扩大了已有非线性光学材料的使用范围，并且可以利用晶体的最大非线性系数，且不存在走离效应。准相位匹配倍频技术具有独特的优越性，在非线性光学频率变换、光脉冲整形、全光开关、全光波长变换、电光调制、声光调制等方面应用广泛。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种一体化环形激光倍频装置，以实现对1064nm基频光的倍频，获得高效稳定、高功率输出的532nm倍频谐振激光，并同时实现激光倍频装置的小型化。
[0007]为达上述目的，本发明提供了一种一体化环形激光倍频装置，包括:
[0008]PPKTP (周期性极化KTP)倍频晶体和环形倍频腔；
[0009]其中，所述环形腔包括平面反射镜M1、M2和凹面反射镜M3、M4 ;所述PPKTP晶体两端面均镀有对基频光和二次谐波的增透膜。
[0010]其中，所述平面反射镜Ml为耦合镜，用于接收基频光，以实现基频光从腔外到腔内的耦合；根据所述平面反射镜Ml的透过率可以实现“阻抗匹配”。
[0011 ] 其中，所述平面反射镜M2、凹面反射镜M3及凹面反射镜M4对所述基频光具有高反射率；
[0012]其中所述凹面反射镜M4对倍频光具有高透过率。
[0013]进一步的，该装置还包括探测器1和探测器2，所述探测器1位于所述M4、M1的延长线上；所述探测器2位于所述Ml、M2的连线延长线上；该探测器1和探测器2用于监视所述环形倍频腔激光波长与谐振腔共振波长之间的失调情况。
[0014]进一步的，该装置还包括伺服控制电路系统，其输入端与所述探测器2相连，其输出端与所述环形倍频腔的压电陶瓷的驱动器相连；
[0015]该伺服控制电路系统用于处理该探测器1和探测器2监视到的监视所述环形倍频腔激光波长与谐振腔共振波长之间失调时产生的误差信号；并将处理结果反馈到所述环形倍频腔的压电陶瓷的驱动器。
[0016]进一步的，所述环形倍频腔的压电陶瓷的驱动器，用于控制所述环形倍频腔的压电陶瓷的伸缩，以调节所述环形倍频腔的腔长，进而实现所述环形倍频腔与1064nm稳频激光器之间的跟踪与锁定。
[0017]优选的，该装置还包括1064nm稳频激光器、λ/4波片、λ/2波片、模式匹配透镜Len和反射镜；
[0018]其中，所述1064nm稳频激光器用于产生所述基频光，并将该基频光发射至所述λ /4波片；
[0019]所述λ/4波片和λ/2波片用于先后接收并处理所述基频光，使该基频光由椭圆偏振光转换成线偏振光，实现空间偏振态匹配；
[0020]所述模式匹配透镜Len用于接收该处理过的基频光，并将其通过所述反射镜耦合到所述环形倍频腔的腔体内。
[0021]进一步的，该装置的光路部分的尺寸可设置为20X12X9cm3。
[0022]上述技术方案具有如下有益效果:
[0023]本发明利用1064nm稳频激光器和PPKTP倍频晶体，结合准相位匹配及环形外腔倍频技术，实现了波长具有严格倍数关系的1064nm、532nm稳定激光输出，具有波长、功率稳定性好、线宽窄等优点，可对光栅型光谱仪的波长线性度进行校准；实现了 1064nm稳频激光波长标准装置的小型化，性能稳定、结构紧凑、抗干扰能力强。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1是本发明实施例的环形倍频腔的结构示意图；
[0026]图2是本发明实施例一体化环形激光倍频装置的结构示意图；
[0027]图3是532nm功率稳定性测量曲线图。
【具体实施方式】
[0028]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]本发明利用1064nm稳频激光器，结合准相位匹配及环形外腔倍频技术，设计了一种一体化环形激光倍频装置。
[0030]激光倍频的基本原理:光在介质中传播，会与介质发生相互作用，如果介质对光的响应呈非线性关系，此时光在介质中传播会产生新的频率，这个过程称为非线性频率变换，入射光为泵浦光，产生的新频率的光称为参量光。在利用介质进行频率变换时，由于不同介质材料的折射率不同，同一材料对不同波长光的折射率不同，使光波在介质中的传播速度是频率(波长)的函数。泵浦光与参量光频率不同，相速度不同、相位也不同，只有在满足一定相位关系时才能获得高效的非线性频率转换，它们的这种相位关系是影响参量光增益与转换效率的重要物理量。
[0031]常用的激光倍频技术包括双折射相位匹配倍频技术和准相位匹配倍频技术。传统的双折射相位匹配倍频技术是利用单轴或双轴晶体的双折射效应和色散特性，通过选择光波的波矢方向和偏振方向实现相位匹配，从而获得高的倍频转换效率。实现双折射相位匹配有角度相位匹配和温度相位匹配两种方法。角度相位匹配是通过改变入射光至晶体的角度从而达到相位匹配的目的；温度相位匹配是利用折射率对温度敏感的晶体，通过改变晶体温度的方法使折射率发生变化，从而达到相位匹配的目的。常用于双折射相位匹配的晶体有KTP、BBO、LBO、CLBO等。KTP晶体的有效非线性系数比其他晶体大，在中小功率下被广泛使用，LBO晶体具有高的损伤阈值，可以实现非临界相位匹配，多用于高功率情况。但是双折射相位匹配倍频技术主要有以下缺点:①材料本身的限制。晶体的种类很多，并不是所有晶体都能实现双折射相位匹配，只有某些具有特殊结构的晶体才能实现双折射相位匹配。而且双折射晶体还需沿特殊方向切割，或特定的工作温度，使用受到极大限制。②由于混频光波的相互作用方向不一致，限制了相互作用长度，降低了转换效率。③不能应用晶体的最大非线性系数。
[0032]准相位匹配倍频技术是通过某种方法使在晶体中传播的光波波矢相位经过一个相干长度后改变π，即相位反转，使光波波矢相位反转的方法就是周期性改变晶体非线性系数的符号。准相位匹配倍频技术拓宽了非线性晶体的应用范围，极大提高了相互作用光波的频率转换效率，已成为非线性光学材料和固体激光器领域的研宄热点。
[0033]准相位匹配倍频技术(Quas1-Phase Matching，QPM)是另一种获得高效非线性频率变换的相位匹配倍频技术，它是利用周期极化晶体实现相位匹配，通过晶体非线性极化率的周期性调制，来补偿光参量过程中折射率色散造成的泵浦光与参量光之间的相位失配，从而获得非线性光学效应的增强。
[0034]准相位匹配技术通过将晶体设计成周期结构，来满足相位匹配条件。铁电材料是目前实现准相位匹配的最理想材料。所有的铁电晶体在居里温度以下都会表现出自发极化特性，并且能在外加电场的作用下，有效地实现铁电畴反转，改变晶体的自发极化方向。相邻两片铁电畴的自发极化矢量方向相反，因而与奇数阶张量相联系的铁电畴的物理性质，如非线性光学系数、电光系数、压电系数等都是同值而反号，因此此类晶体的物理性质不再是常数而是空间坐标的周期函数。到目前为止，已有相当多的晶体用于制作准相位匹配倍频元件，如PPLN、PPKTP、PPLT和PPRTA晶体等。例如，利用铁电晶体LiNb03的非线性系数d31能够实现双折射角度相位匹配，然而其最大的非线性系数d33却不能实现相位匹配，但可以通过准相位匹配对LiNb03的d33加以利用，把LiNb03制成周期性反转的铁电畴结构，即周期性改变非线性系数符号，使参量光强在本该衰减的区域沿通光方向继续加强，从而获得高效率的非线性频率转换。
[0035]从能量观点来看，参量产生过程的非线性频率转换中，泵浦光波的能量是通过介质的非线性极化不断耦合到参量光波中的，在一个相干长度内相互作用光波的相位符号相同，频率变换不断得到加强，但在另一个相干长度内相互作用光波的相位符号相反，能量通过非线性极化由参量光波返回泵浦光波。而准相位匹配技术则相当于对各部分产生的参量光波做了一个调制，能够使参量光波在一些本该减弱的区域得以继续加强，因此只需周期性改变非线性系数的符号，实现相位周期性的反转，从而使晶体不同位置产生的参量光波的相位一致，泵浦光波的能量不断耦合到参量光波中，实现高效率的非线性频率转换。
[0036]将环形倍频腔设计成一体化腔结构，增强了环形倍频腔的稳定性。因为腔体相对封闭，所以在对腔体控温、晶体控温和避免因外界环境温度变化而可能造成的腔镜镜架形变等方面，都有很好的改善效果。
[0037]PPKTP 倍频晶体(per1dically-poled KTP，周期性极化 KTP 晶体)对 1064nm 至532nm的激光频率倍频而言，其工作温度接近室温，可在室温下实现非临界相位匹配，有效非线性系数比较大，走离角为零，损伤阈值较高，并且它的综合的光学、物理和化学特性，使得它成为一种人们非常感兴趣采用的倍频晶体。
[0038]激光倍频分为腔外倍频和腔内倍频，腔内倍频可以获得较高的能量转换效率，但腔外倍频易于实现。腔外倍频又分单次通过倍频晶体倍频和外腔增强倍频，其中单次通过倍频的能量转换效率较低，而外腔增强倍频可以获得比较高的能量转换效率，然而它需要对外腔仔细地调整和一套电子学锁腔系统，并且在随时对频率有调谐要求，特别是对快速频率调谐响应方面，不如单次通过倍频途径使用方便。在外腔增强倍频中常用的倍频腔有两镜腔(驻波腔)和环形腔(行波腔)。两镜腔调整容易，并且因为只有两个腔镜，所以损耗较小，因此两镜腔可以获得比较高的转换效率，但是两镜腔具有固有的由镜面反射引起的光学反馈，必须加入光学隔离器以减小其影响。环形腔又可分为单块环形腔和分立元件环形腔。单块环形倍频腔加工困难，并且不易于大范围频率的连续调谐。相比之下，分离元件环形腔，尽管效率低于两镜腔和单块环形腔，但是它从根本上避免了直接光反馈，避免了加工困难，能够进行大范围调谐，又容易同时实现激光频率的锁定。一体化环形倍频腔虽然加工困难，但具有比分离元件环形腔更加稳定的特性，同时，与直腔相比，从根本上避免了直接光反馈，因此本发明采用一体化环形腔作为倍频腔。
[0039]为了改善光束质量，提高532nm波长的输出功率，本发明采用准相位匹配的PPKTP作为倍频晶体，利用1064nm稳频激光器，结合准相位匹配及环形外腔倍频技术，设计了一体化环形倍频腔，研制了小型化的1064nm倍频装置，其光路部分的尺寸为20 X 12 X 9cm3，获得了波长稳定、功率稳定的532nm绿谐振激光输出，其输出功率为450mW，其功率稳定度优于0.7% (4小时)，为532nm激光波长倍频到266nm紫外激光输出奠定基础，进而实现对光谱仪短波长波段波长指标的校准。
[0040]下面通过具体实例对本发明进行具体阐述。实施例一
[0041]图1是本发明实施例的环形倍频腔的结构示意图。如图1所示，
[0042]该一体化环形激光倍频装置，包括:
[0043]PPKTP (周期性极化KTP)倍频晶体和环形倍频腔；
[0044]其中，所述环形腔包括平面反射镜M1、M2和凹面反射镜M3、M4 ;所述PPKTP晶体两端面均镀有对基频光和二次谐波的增透膜。
[0045]其中，所述平面反射镜Ml为耦合镜，用于接收基频光，以实现基频光从腔外到腔内的耦合；根据所述平面反射镜Ml的透过率可以实现“阻抗匹配”。
[0046]其中，所述平面反射镜M2、凹面反射镜M3及凹面反射镜M4对所述基频光具有高反射率；
[0047]如图1所示，所述凹面反射镜M4对倍频光具有高透过率，用以通过所述532nm的光。
[0048]图2为本实施例一体化环形激光倍频装置的结构示意图，如图2所示:
[0049]该装置还包括探测器1和探测器2，所述探测器1位于所述M4、M1的延长线上；所述探测器2位于所述M1、M2的连线延长线上；该探测器1和探测器2用于监视所述环形倍频腔激光波长与谐振腔共振波长之间的失调情况。
[0050]进一步的，该装置还包括伺服控制电路系统，其输入端与所述探测器2相连，其输出端与所述环形倍频腔的压电陶瓷的驱动器相连；
[0051]该伺服控制电路系统用于处理该探测器1和探测器2监视到的监视所述环形倍频腔激光波长与谐振腔共振波长之间失调时产生的误差信号；并将处理结果反馈到所述环形倍频腔的压电陶瓷的驱动器。
[0052]进一步的，所述环形倍频腔的压电陶瓷的驱动器，用于控制所述环形倍频腔的压电陶瓷的伸缩，以调节所述环形倍频腔的腔长，进而实现所述环形倍频腔与1064nm稳频激光器之间的跟踪与锁定。
[0053]优选的，该装置还包括1064nm稳频激光器、λ /4波片、λ /2波片、模式匹配透镜Len和反射镜；
[0054]其中，所述1064nm稳频激光器用于产生所述基频光，并将该基频光发射至所述λ /4波片；
[0055]所述λ/4波片和λ/2波片用于先后接收并处理所述基频光，使该基频光由椭圆偏振光转换成线偏振光，实现空间偏振态匹配；
[0056]所述模式匹配透镜Len用于接收该处理过的基频光，并将其通过所述反射镜耦合到所述环形倍频腔的腔体内。
[0057]进一步的，该装置的光路部分的尺寸可设置为20X12X9cm3。
[0058]实施例二
[0059]本实施例提供一种使用上述装置产生倍频光的方法，如图2所示，1064nm基频椭圆偏振光经过λ/4波片和λ/2波片转换成线偏振光，实现空间偏振态匹配。匹配透镜将1064nm基频光耦合到环形倍频腔体内，实现空间模式匹配。环形腔由平面反射镜M1、M2和凹面反射镜M3、M4组成、其中Ml为耦合镜，用于实现基频光束从腔外到腔内的耦合，其透过率经过特殊选择，以实现“阻抗匹配”。反射镜M2、M3、M4对基频光具有高反射率，其中M4同时对倍频光具有高透过率，以便实现532nm倍频光的有效提取。PPKTP晶体两端面均镀有对基频光和二次谐波的增透膜。图中的探测器1和探测器2用于监视倍频腔激光波长与谐振腔共振波长之间的失调。失调时产生的误差信号经伺服控制电路系统处理，并反馈到倍频腔压电陶瓷的驱动器，通过压电陶瓷的伸缩调节腔长，实现倍频腔与激光器之间的跟踪与锁定。在激光频率与倍频腔共振频率梳中的某一频率一致时，腔内光功率由于谐振作用而获得增强，产生远大于单次通过倍频晶体时的532nm倍频光功率。
[0060]532nm环形倍频腔伺服环路锁定后，倍频激光的输出功率稳定性用Thorlabs公司光功率探测器S310C测量。光功率计的输出连接到keithley公司的数字万用表2700，由电脑记录其功率漂移值。测量时间为14578s，其中平均值、最大值与最小值分别为0.21026V、0.21087V、0.20937V，期间最大的光功率相对漂移为，其中最小值对应光功率为。532nm光功率稳定性测量曲线如图3所示。
[0061]该小型化1064nm激光倍频装置的光路部分的尺寸为20X 12X9cm3。
[0062]以上实施例可达到以下有益效果:
[0063]该装置利用1064nm稳频激光器和PPKTP倍频晶体，结合准相位匹配及环形外腔倍频技术，实现了波长具有严格倍数关系的1064nm、532nm稳定激光输出，具有波长、功率稳定性好、线宽窄等优点，可对光栅型光谱仪的波长线性度进行校准；实现了 1064nm稳频激光波长标准装置的小型化，性能稳定、结构紧凑、抗干扰能力强。
[0064]本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种说明性逻辑块(illustrative logical block)，单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性(interchangeability)，上述的各种说明性部件(illustrative components)，单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。
[0065]以上所述的【具体实施方式】，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的【具体实施方式】而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种一体化环形激光倍频装置，其特征在于，包括: PPKTP (周期性极化KTP)倍频晶体和环形倍频腔； 其中，所述环形腔包括平面反射镜M1、M2和凹面反射镜M3、M4 ;所述PPKTP晶体两端面均镀有对基频光和二次谐波的增透膜。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平面反射镜Ml为耦合镜，用于接收基频光，以实现基频光从腔外到腔内的耦合；根据所述平面反射镜Ml的透过率可以实现“阻抗匹配”。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平面反射镜M2、凹面反射镜M3及凹面反射镜M4对所述基频光具有高反射率； 其中所述凹面反射镜M4对倍频光具有高透过率。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括探测器I和探测器2，所述探测器I位于所述M4、M1的延长线上；所述探测器2位于所述M1、M2的连线延长线上；该探测器I和探测器2用于监视所述环形倍频腔激光波长与谐振腔共振波长之间的失调情况。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括伺服控制电路系统，其输入端与所述探测器2相连，其输出端与所述环形倍频腔的压电陶瓷的驱动器相连； 该伺服控制电路系统用于处理该探测器I和探测器2监视到的监视所述环形倍频腔激光波长与谐振腔共振波长之间失调时产生的误差信号；并将处理结果反馈到所述环形倍频腔的压电陶瓷的驱动器。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述环形倍频腔的压电陶瓷的驱动器，用于控制所述环形倍频腔的压电陶瓷的伸缩，以调节所述环形倍频腔的腔长，进而实现所述环形倍频腔与1064nm稳频激光器之间的跟踪与锁定。
7.根据权利要求1-5任一项所述的装置，其特征在于，还包括:1064nm稳频激光器、λ /4波片、λ /2波片、模式匹配透镜Len和反射镜； 其中，所述1064nm稳频激光器用于产生所述基频光，并将该基频光发射至所述λ /4波片; 所述λ/4波片和λ/2波片用于先后接收并处理所述基频光，使该基频光由椭圆偏振光转换成线偏振光，实现空间偏振态匹配； 所述模式匹配透镜Len用于接收该处理过的基频光，并将其通过所述反射镜耦合到所述环形倍频腔的腔体内。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，该装置的光路部分的尺寸为.20 X 12 X 9cm3。
【文档编号】H01S3/109GK104466651SQ201410722430
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】张洪喜, 郝晓剑, 朱兴邦 申请人:中国电子科技集团公司第四十一研究所, 中北大学