基于内腔自倍频的可调谐蓝光辐射源及实现方法与流程

本发明涉及属于非线性光学领域，具体讲,涉及基于内腔自倍频的可调谐蓝光辐射源及实现方法。

背景技术：

蓝光是指波长处于400-480nm之间的电磁波。蓝光凭借其独特物理性质，在诸多实用领域有着巨大的应用潜力。首先，蓝光作为三原色之一，高亮度蓝色激光可以有效提高彩色显示的色彩范围和亮度，具有提高彩色显示效果的能力；其次，与红光相比蓝光具有更短的波长，因此其具有衍射效应小、分辨率高、聚焦光斑尺寸小等特点，这些特点使得其在高密度光存储以及数字视频技术等领域中可以将信息容量提高近一个数量级；蓝色激光是海洋传输的窗口，衰减系数小、抗干扰能力强，适用于水下通信以及感知海洋信息；另外，蓝色激光可用于捕获和阻尼铯原子的热振动，消除热振动引起的多普勒展宽，为光谱线的精确测定提供保证；此外，蓝色激光在医学检测以及激光娱乐等领域也有重要应用。蓝色激光在以上领域具有巨大的应有优势，但是与成熟的532nm绿色激光技术相比，蓝色激光缺乏有效获得方式，应用成本较高。

目前，获得全固态蓝色激光的主要手段主要包括：(1)利用gan(氮化镓)等半导体材料直接实现蓝光波段激光输出的半导体激光器，该方式具有体积小，效率高等优势，但是光斑质量较差；(2)基于单频、高光束质量的红外半导体激光器倍频产生蓝光激光，但是输出功率较低；(3)基于上转换材料为增益介质的蓝光激光器，但是输出蓝光的稳定性较差；(4)基于固体激光器倍频和频以及三倍频等非线性光学频率变换方式产生蓝色激光，但是涉及的非线性过程较多，转换效率较低。此外，还有一种基于周期极化晶体的倍频蓝光产生理念。以上方案均可以获得单一波长的蓝光激光输出。上述各过程是目前蓝色激光领域内最高效使用的获取手段。中国发明专利201510923025.3公开了一种基于扇形周期极化晶体的可调谐蓝光辐射源，该光源包括一波长可调谐的红外半导体激光器；一准直聚焦系统以及一扇形周期极化晶体，扇形周期极化晶体作为红外泵浦光的倍频晶体可以针对不同红外波长调节晶体周期以实现可调谐蓝光输出。这个系统的缺点是，可调谐红光半导体激光器调谐范围较小，导致蓝光调谐范围受限，同时周期极化晶体制作难度大且损伤阈值低，限制了可调谐蓝光系统的实用性以及输出功率。当前实现可调谐蓝光的方法较少，且技术并不成熟。

激光自倍频晶体指晶体同时作为激光增益介质，同时作为非线性光学倍频晶体。基于自倍频晶体可以直接实现倍频激光输出，系统结构紧凑，但是基于激光自倍频晶体的激光器调谐特性有限且晶体种类较少。相较于激光晶体，非线性光学参量增益晶体应用更为灵活，且种类较多，若使非线性光学参量增益晶体同时作为倍频晶体工作，即可实现非线性光学自倍频晶体。

无机晶体，如ktp(磷酸钛氧钾)晶体、bbo(偏硼酸钡)晶体以及ppln(周期极化铌酸锂)晶体等，凭借其较大的非线性系数、较小的吸收系数以及相位配条件，是非线性频率变换中非常常用的晶体。其中ktp晶体是的典型晶体。ktp晶体为ktiopo4(磷酸钛氧钾)晶体的缩写，属于正交晶系，空间群pna21，点群mm2，其具有较大的非线性系数，较宽的允许温度与允许角度，较高的损伤阈值，较宽的透光范围，良好的物理、化学以及机械性能。由于ktp晶体的双折射特性，基于ktp晶体的角度相位匹配技术较为成熟，适用于倍频(shg)、和频(sfg)以及光学参量振荡(opo)等各种非线性光学频率变换方式。在ktp晶体合适的切割角度下，ktp晶体中可以同时满足多个相位匹配过程，多个非线性频率转化过程得以实现。如果可以通过设计晶体切角与激光波长，使一块ktp晶体同时满足opo过程、shg过程以及sfg过程，既使ktp晶体成为非线性自倍频晶体，便可以获得可调谐多波长的激光输出。实际上可以根据蓝色激光的波长要求设计晶体的参数，从而使得一块ktp晶体即作为opo晶体同时作为shg以及sfg晶体，实现opo腔内自倍频获取多波长可调谐蓝光输出。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种获得波长连续可调谐的蓝光辐射源的方法及装置，实现波长连续可调谐的蓝光输出。该蓝光获取方法具有转换效率高、结构简单、价格低廉、小型化等高技术性能，使之更具有实用价值和产业化价值。为此，本发明采用的技术方案是，基于内腔自倍频的可调谐蓝光辐射源实现方法，包括以下步骤：采用nd:yag(掺钕石榴石)调q激光器产生偏振方向沿竖直方向的1064nm线偏振光，经过聚焦透镜组缩束，经1064nm半波片条调整激光偏振态并入射到满足ⅱ类相位匹配条件的倍频ktp晶体当中，经倍频产生偏振态沿竖直方向的532nm激光，经45°高反镜反射进入opo系统，泵浦由电动振镜旋转平台控制的opo内腔ktp晶体，内腔ktp晶体作为参量增益晶体能够产生一束波长为1.3μm附近的偏振态沿竖直方向的可调谐闲频光以及一束与之对应的700-900nm的偏振态沿水平方向的可调谐信号光，opo系统的前后腔镜镀膜以保证信号光在腔内振荡以提高腔内信号光的功率密度，腔内振荡的高功率密度信号光在腔内参量增益ktp晶体当中同时满足倍频所需ⅰ类相位匹配条件，即腔内ktp晶体同时实现作为参量增益晶体以及倍频晶体的功能，最终获得由可调谐信号光倍频产生的可调谐蓝光输出，且蓝光偏振态为沿竖直方向的线偏振光，同时结合ktp晶体的角度相位匹配，通过计算机控制振镜旋转系统上的电压，改变腔内ktp晶体的角度，从而实现波长快速可调谐的蓝光输出。

在谐振腔中再放置一块参量增益ktp晶体，所有参数与之前放置的自倍频ktp晶体相同，通过振镜旋转系统10分别控制两块晶体的旋转角度，则同时获得三个波长可调谐的蓝色激光，其波长成分来源于腔内振荡的两个波长信号光各自的倍频过程以及两波长之间的和频过程。

自倍频ktp晶体切角满足光学参量振荡ⅱ类相位匹配条件，即：

ν532nm＝νsignal+νidler

其中，υ532nm、υsignal以及υidler表示532nm激光、参量振荡过程中的信号光以及闲频光的频率，n⁺532nm、n^-signal以及n⁺idler分别表示竖直偏振态的532nm激光、水平偏振态的信号光以及竖直偏振态的闲频光在ktp晶体当中的折射率。λsignal以及λidler分别表示信号光与闲频光的波长。

在532nm绿光泵浦下产生一束线偏振且偏振态与532nm绿光相同的800nm左右腔内振荡的信号光，以及偏振态与之正交的1300nm左右的闲频光，同时腔内振荡的信号光在自倍频ktp晶体8中还满足倍频的ⅰ类相位匹配条件，即：

2×νsignal＝νblue

其中，υblue分别表示信号光与蓝光的频率；n⁺blue表示竖直偏振态的蓝光在ktp晶体中的折射率；λblue表示蓝光波长。

产生一束偏振态与信号光正交的蓝色激光，这束蓝色激光与前一非线性过程产生闲频光共线传输，经过45°高反镜滤光，即可获得蓝色激光输出。

通过计算机改变施加在振镜旋转平台系统上的电压，控制自倍频ktp晶体的相位匹配角度，进而可以获得调谐的腔内振荡的信号光，不同波长的信号光均可以在自倍频ktp晶体中发生倍频过程，进而获得波长连续可调谐的蓝色激光输出；自倍频ktp晶体在光束传播方向上的厚度l取1～2mm。

基于内腔自倍频的可调谐蓝光辐射源，结构是：泵浦源采用nd:yag调q激光器；泵浦光倍频晶体采用ktp晶体，倍频晶体切角满足ⅱ类相位匹配条件；opo系统，该系统内部设置有ktp晶体，切角为θ＝65.2°，对侧面进行光学抛光并进行特殊镀膜，所述内腔ktp晶体置于可旋转振镜平台之上，可旋转振镜平台与计算机相连，采用计算机控制改变其外机电压，从而实现旋转角度。

具体地，所述的激光器为掺钕钇铝石榴石nd:yag调q激光器，输出波长为1064nm，脉宽为ns量级，偏振态为沿竖直方向偏振的线偏振光；还包括接收所述激光器出射光的由聚焦凸透镜和聚焦凹透镜组成的聚焦透镜组，1064nm半波片，设置在聚焦透镜组之后，用于调整1064nm激光的偏振态以满足倍频ktp晶体中的ⅱ类相位匹配条件；opo内腔自倍频ktp晶体尺寸10×10×2mm³，对侧面进行光学抛光并进行特殊镀膜满足400～532nm、700～900nm以及1300～1500nm波段高透，通过振镜旋转平台旋转晶体角度可以改变晶体的相位匹配条件，进而实现波长调谐；。

所述倍频ktp晶体，切角为θ＝90°，尺寸15×15×10mm³用于对1064nm激光倍频产生高能量532nm激光，产生的532nm激光为沿竖直方向偏振的线偏振光，经过45°高反镜反射进入opo系统，泵浦opo系统；45°高反镜6进行特殊镀膜满足532nm与1300～1500nm高反，400～500nm与1064nm高透剩余的1064nm基频光经吸收体吸收。

opo系统包括有依次设置并与所述内腔自倍频ktp晶体共同形成直腔光路的前腔镜、旋转振镜系统以及后腔镜，其中，前腔镜7作为532nm泵浦光输入镜以及可调谐蓝光输出镜，特殊镀膜要求为400～532nm以及1300-1500nm波段高透，700～900nm波段高反，后腔镜9作为全反镜，镀膜要求为全波段高反。

本发明的特点及有益效果是：

本发明利用ktp晶体的非线性光学特性以及opo的可调谐特性以及内腔高功率密度特性获取波长可调谐的蓝光，实现具有转换效率高、室温运转、调谐速度快、输出蓝光线偏振，可以在一定波长范围内获得波长任意的蓝光，同时通过优化可同时获得多波长可调谐蓝光。同时，该方法还为基于opo内腔自倍频获取任意波长输出提供了可行性方案。

附图说明：

图1为本发明基于内腔自倍频的快速可调谐蓝光辐射源装置。图中：

1为激光器，2为聚焦凸透镜，3为聚焦凹透镜，4为1064nm半波片，5为倍频ktp晶体，6为高反镜，7为前腔镜，8为内腔自倍频ktp晶体，9为后腔镜，10为旋转振镜系统，11为计算机，12为吸收体。

图2为本发明中内腔自倍频ktp晶体的参数图。

图3为本发明可以用作多波长可调谐蓝光辐射源装置结构示意图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种获得波长连续可调谐的蓝光辐射源的方法及装置，将opo中ktp晶体设计成为非线性光学自倍频晶体，即使其同时作为参量增益晶体以及倍频晶体，实现波长连续可调谐的蓝光输出。该蓝光获取方法具有转换效率高、结构简单、价格低廉、小型化等高技术性能，使之更具有实用价值和产业化价值。

下面结合实施例和附图对本发明的基于内腔自倍频的快速可调谐蓝光辐射源方法及装置做出详细说明。

本发明的基于内腔自倍频的快速可调谐蓝光辐射源方法及装置，可以高效获取波长可调谐的线偏振蓝色激光，且波长调谐速度快，具有室温条件运转的优势。本发明的基于内腔自倍频的快速可调谐蓝光辐射源装置，泵浦源采用nd:yag调q激光器；泵浦光倍频晶体采用ktp晶体，倍频晶体切角满足ⅱ类相位匹配条件。参量振荡器内腔自倍频晶体为ktp晶体，晶体切角为θ＝65.2°，对侧面进行光学抛光并进行特殊镀膜，晶体置于可旋转振镜平台之上，与计算机相连，采用计算机控制改变其外机电压，从而实现旋转角度。

如图1所示，本发明的基于内腔自倍频的快速可调谐蓝光辐射源源装置，具体包括有激光器1和接收激光器1出射光的由聚焦凸透镜2和聚焦凹透镜3组成的聚焦透镜组，所述的激光器1为掺钕钇铝石榴石nd:yag调q激光器，输出波长为1064nm，脉宽为ns量级，偏振态为沿竖直方向偏振的线偏振光。还设置有：

opo内腔自倍频ktp晶体8，如图2所示，同时作为光学参量振荡器中的参量增益晶体以及内腔倍频晶体。晶体切角为θ＝65.2°，尺寸10×10×2mm³，对侧面进行光学抛光并进行特殊镀膜满足400～532nm、700～900nm以及1300～1500nm波段高透，通过振镜旋转平台10旋转晶体角度可以改变晶体的相位匹配条件，进而实现波长调谐。

1064nm半波片4，设置在聚焦透镜组之后，用于调整1064nm激光的偏振态以满足倍频ktp晶体5中的ⅱ类相位匹配条件。

倍频ktp晶体5，切角为θ＝90°，尺寸15×15×10mm³用于对1064nm激光倍频产生高能量532nm激光，产生的532nm激光为沿竖直方向偏振的线偏振光，产生的绿光经过45°高反镜6反射进入opo系统，泵浦opo系统。45°高反镜6进行特殊镀膜满足532nm与1300～1500nm高反，400～500nm与1064nm高透剩余的1064nm基频光经吸收体12吸收。

opo自倍频系统，用于是内腔自倍频ktp晶体8输出波长可调谐线偏振的蓝光激光，包括有依次设置并与所述内腔自倍频ktp晶体8共同形成直腔光路的前腔镜7、旋转振镜系统10以及后腔镜9。其中前腔镜7以及后腔镜9需要分别进行特殊镀膜，前腔镜7作为532nm泵浦光输入镜以及可调谐蓝光输出镜，特殊镀膜要求为400～532nm以及1300-1500nm波段高透，700～900nm波段高反，后腔镜9作为全反镜，镀膜要求为全波段高反。

计算机11，通过数据采集卡连接振镜旋转平台，用于控制振镜旋转平台10上的电压，达到改变自倍频ktp晶体8旋转的角度，从而改变自倍频的腔内振荡信号光波长，最终实现蓝光波长的调谐。

本发明的用于基于内腔自倍频的快速可调谐蓝光辐射源装置的方法，是借助于单谐振opo参量增益晶体自倍频实现，包括以下过程：采用nd:yag调q激光器产生偏振方向沿竖直方向的1064nm线偏振光，经过聚焦透镜组缩束，经1064nm半波片条调整激光偏振态并入射到满足ⅱ类相位匹配条件的倍频ktp晶体当中，经倍频产生偏振态沿竖直方向的532nm激光，532nm激光经45°高反镜反射进入opo系统，泵浦腔内放置在电动振镜旋转平台上面的ktp晶体上，晶体作为参量增益晶体可以产生一束波长为1.3μm附近的偏振态沿竖直方向的可调谐闲频光以及一束与之对应的700-900nm附近的偏振态沿水平方向的可调谐信号光，opo系统的前后腔镜镀膜以保证信号光在腔内振荡以提高腔内信号光的功率密度。腔内振荡的高功率密度信号光在腔内参量增益ktp晶体当中同时满足倍频所需ⅰ类相位匹配条件，即腔内ktp晶体同时实现作为参量增益晶体以及倍频晶体的功能，最终获得由可调谐信号光倍频产生的可调谐蓝光输出，且蓝光偏振态为沿竖直方向的线偏振光。同时结合ktp晶体的角度相位匹配，通过计算机控制振镜旋转系统10上的电压，改变腔内ktp晶体的角度，从而实现波长快速可调谐的蓝光输出。

本发明的基于内腔自倍频的快速可调谐蓝光辐射源装置的具体实施方案体现在如图1所示的基于内腔自倍频的快速可调谐蓝光辐射源装置中。采用如图1所示的装置，对腔内参量增益晶体的切割角度进行特殊设计，并对opo腔镜进行特殊镀膜即可满足内腔自倍频条件，同时结合振镜旋转系统，可以实现快速可调谐的蓝光输出。

在本发明的另一个使用实施例中，请参阅图3所示，在谐振腔中再放置一块参量增益ktp晶体，所有参数与自倍频ktp晶体8相同，通过振镜旋转系统10分别控制两块晶体的旋转角度，则可以同时获得三个波长可调谐的蓝色激光，其波长成分来源于腔内振荡的两个波长信号光各自的倍频过程以及两波长之间的和频过程。

本发明利用非线性光学频率变换原理，将特殊切角的ktp晶体置于谐振腔内，使其同时满足opo过程ⅱ类相位匹配条件以及倍频过程ⅰ类相位匹配条件，进而对opo腔内振荡的高功率密度的信号光进行倍频过程，最终获得快速可调谐的蓝色激光。通过改变施加在高精度振镜上的电压可实现ktp晶体高精度旋转以实现蓝光的波长连续可调谐特性。本发明装置具有结构紧凑灵活，可调谐，光斑质量好等优点，可用于海洋通信以及海洋信息探测等领域。

本发明装置结构如图1所示，当线偏振的高能量532nm绿光经过45°高反镜6反射后，进入由分别特殊镀膜的前腔镜7、自倍频ktp晶体8以及后腔镜9构成的谐振腔，其中自倍频ktp晶体8放置在高精度振镜旋转平台10上，自倍频ktp晶体8切角满足光学参量振荡ⅱ类相位匹配条件，

即

ν532nm＝νsignal+νidler

在532nm绿光泵浦下产生一束线偏振且偏振态与532nm绿光相同的800nm左右腔内振荡的信号光，以及偏振态与之正交的1300nm左右的闲频光，同时腔内振荡的信号光在自倍频ktp晶体8中还满足倍频的ⅰ类相位匹配条件。

即

2×νsignal＝νblue

产生一束偏振态与信号光正交的蓝色激光，这束蓝色激光与前一非线性过程产生闲频光共线传输，经过45°高反镜滤光，即可获得蓝色激光输出。在此基础之上，通过计算机11改变施加在振镜旋转平台10系统上的电压v，可以精密控制自倍频ktp晶体8的相位匹配角度，进而可以获得调谐的腔内振荡的信号光，不同波长的信号光均可以在自倍频ktp晶体8中发生倍频过程，进而可以获得波长连续可调谐的蓝色激光输出。自倍频ktp晶体8在光束传播方向上的厚度l也需进行优化设计(本发明中l＝1～2mm)。

在本发明的另一个使用实施例利用了腔内的高功率密度实现腔内多非线性过程，同时获得多波长快速可调谐蓝光输出。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是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。