一种中红外高阶庞加莱光束光参量振荡器

1.本发明涉及一种光参量振荡器，尤其涉及一种中红外高阶庞加莱光束光参量振荡器。


背景技术：

2.近年来，光参量振荡器(opo)因其结构简单，通过泵浦光与非线性晶体的相互作用，可以将泵浦光转换成两个频率较低(波长较长)的信号光和闲频光，成为产生中红外高阶庞加莱光束的首选。但目前，由于光参量转换具有线偏振依赖性，传统的光参量振荡器无法直接实现高阶庞加莱光束的参量振荡。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明目的是提出一种中红外高阶庞加莱光束光参量振荡器，以实现中红外高阶庞加莱光束的产生。
4.技术方案：本发明包括偏振分光镜，所述偏振分光镜将入射的光束分成p偏振光和s偏振光，其中p偏振光完全通过，s偏振光被反射后经反射镜反射形成与p偏振光平行的光束，以上光束分别经聚焦透镜聚焦到光参量谐振腔内，光束在光参量谐振腔内发生非线性作用，经非线性效应后的闲频光经偏振合束镜合束成高阶庞加莱光束，其中，与偏振合束镜出射方向垂直的光路上设有第一分色镜，与偏振合束镜出射方向相同的光路上设有第二分色镜。
5.所述偏振分光镜与光参量谐振腔之间的光路上分别增加第一半波片和第二半波片，在光参量谐振腔与偏振合束镜之间的光路上分别增加第三半波片和第四半波片。
6.所述光参量谐振腔为8字形光学谐振腔，包括第一输入腔镜、第一输出腔镜、第二输入腔镜和第二输出腔镜。
7.所述第一输入腔镜和第一输出腔镜之间设有第一温控炉，第一温控炉内放置有第一非线性晶体。
8.所述第二输入腔镜和第二输出腔镜之间设有第二温控炉，第二温控炉内放置有第二非线性晶体。
9.所述第一非线性晶体与第二非线性晶体呈正交放置。
10.所述第一非线性晶体与第二非线性晶体采用相同的周期极化晶体。
11.所述第一输入腔镜、第一输出腔镜、第二输入腔镜和第二输出腔镜均为凹面镜。
12.所述p偏振光经过第一聚焦透镜聚焦到第一非线性晶体中心，其传播方向为：第一输入腔镜
→
第一输出腔镜
→
第二输入腔镜
→
第二输出腔镜。
13.所述s偏振光经反射镜反射到第二聚焦透镜，并由其聚焦到第二非线性晶体中心，其传播方向为：第二输入腔镜
→
第二输出腔镜
→
第一输入腔镜
→
第一输出腔镜。
14.有益效果：本发明通过将高阶庞加莱光束分解为两束正交偏振的线偏振光，利用两个正交放置的非线性晶体分别对两束线偏振光进行光参量转换得到两束中红外线偏振
光，合束得到中红外高阶庞加莱光束，并通过温度调谐等方法实现中红外高阶庞加莱光束的波长调谐，对于中红外高阶庞加莱光束的产生具有重要的指导意义。
附图说明
15.图1为本发明实施例一的光路图；
16.图2为本发明实施例二的光路图；
17.图3为输入光束及经偏振分光镜分解及合束后产生的线偏振光束的光场强度分布：(a1),(b1)分别为输入的径向偏振光束、角向偏振光束；(a2-a3),(b2-b3)为经过偏振分光镜分解后的分量；(a4),(b4)分别为经过偏振合束镜合束后输出的径向偏振光束和角向偏振光束；
18.图4为本发明的非线性晶体极化周期调谐曲线图；
19.图5为本发明的非线性晶体工作温度调谐曲线图。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明作进一步说明。
21.如图1所示，本发明包括偏振分光镜11，偏振分光镜11包括且不限于偏振分束立方体、偏振分光平片，可以将入射的高阶庞加莱光束分成两束垂直的线偏振光：p偏振光和s偏振光，其中p偏振光完全通过，s偏振光以45
°
角被反射后经反射镜42反射形成与p偏振光平行的泵浦光。两束泵浦光分别经第一聚焦透镜21和第二聚焦透镜22聚焦到光参量谐振腔3内，实现高效地光参量转化，聚焦透镜焦距一般为100～200mm，镀膜参数为：ht@泵浦光。光束在光参量谐振腔3内发生非线性作用，产生信号光和闲频光，信号光在腔内振荡，而闲频光则透出谐振腔，经非线性效应后的两束闲频光经偏振合束镜12合束成中红外高阶庞加莱光束，其中，与偏振合束镜12出射方向垂直的光路上设有第一分色镜41，与偏振合束镜12出射方向相同的光路上设有第二分色镜43。第一分色镜41镀膜参数为：hr@闲频光(2.5-5um)，ht@信号光(1.4-2um)&泵浦光(1030nm)，用于反射光参量谐振腔出射的中红外线偏振光，反射镜42镀膜参数为：hr@泵浦光(1030nm)，反射偏振分光镜11输出的s波。第二分色镜43镀膜参数为ht@闲频光(2.5-5um)，hr@信号光(1.4-2um)&泵浦光(1030nm)，用于将从谐振腔出射的闲频光和信号光与泵浦光分离。
22.光参量谐振腔3为8字形光学谐振腔，包括第一输入腔镜31、第一输出腔镜32、第二输入腔镜33和第二输出腔镜34，其中，第一输入腔镜31和第一输出腔镜32之间设有第一温控炉37，第一温控炉37内放置有第一非线性晶体35，第二输入腔镜33和第二输出腔镜34之间设有第二温控炉38，第二温控炉38内放置有第二非线性晶体36，第一非线性晶体35与第二非线性晶体36呈正交放置在光参量谐振腔内，分别用于高阶庞加莱光束水平偏振和垂直偏振分量的光参量转换，以解决非线性晶体的光参量转换的线偏振依赖性问题。
23.四个腔镜均为镀膜腔镜，第一输入腔镜31和第二输入腔镜33镀膜参数为：hr@信号光(1.4-2um)，ht@泵浦光(1030nm)，hr@闲频光(2.5-5um)；第一输出腔镜32和第二输出腔镜34镀膜参数为：hr@信号光(1.4-2um)，ht@泵浦光(1030nm)，闲频光透射系数为10％-30％(2.5-5um)。四个腔镜均为凹面镜，其曲率半径取值应保证环形腔为稳定腔，一般要求谐振腔的菲涅尔数f≥2。
24.两个非线性晶体置于同一个谐振腔内，其中p偏振光经过第一聚焦透镜21聚焦到第一非线性晶体35中心，其环路为顺时针方向，传播方向为：第一输入腔镜31
→
第一输出腔镜32
→
第二输入腔镜33
→
第二输出腔镜34，s偏振光经过反射镜42反射到第二聚焦透镜22并由其聚焦到第二非线性晶体36中心，其环路为逆时针方向，传播方向为：第二输入腔镜33
→
第二输出腔镜34
→
第一输入腔镜31
→
第一输出腔镜32。经过同一个谐振腔发生非线性效应的光束可以在很大程度上减少两束光束经过不同的谐振腔导致的损耗以及光束强度不同而导致的经过合束之后输出较差模式的高阶庞加莱光束。
25.第一非线性晶体35与第二非线性晶体36采用两个相同的周期极化晶体，均采用5mol.％掺氧化镁周期性极化铌酸锂(mgo:ppln)，mgo:ppln晶体的极化周期由泵浦光、信号光和闲频光的准相位匹配条件确定，mgo:ppln晶体的极化周期通常在28～32.5um范围内，工作温度为0-200℃，厚度为1～10mm，且不超过聚焦后泵浦光的瑞利长度。为了获得最大的非线性效应，mgo:ppln非线性晶体的准相位匹配条件皆为e-》e+e匹配。
26.温控炉用于调控非线性晶体的工作温度，从而实现中红外庞加莱光束的波长调谐，其温控范围25℃-250℃，温度控制精度为
±
0.2℃。通过调节mgo:ppln晶体的极化周期和温度可以实现光参量振荡器的波长调谐，因此，将mgo:ppln晶体放在温控炉中，实现晶体工作温度的调控。如图4所示，当晶体工作温度在25℃、50℃、100℃、150℃和200℃时，信号光和闲频光的波长与极化周期的调谐曲线，温度恒定时，通过调谐mgo:ppln晶体的极化周期可以实现输出波长的调谐；如图5所示，当极化周期为28um、28.5um、29um、29.5um和30um时，信号光和闲频光的波长与晶体工作温度的调谐曲线，极化周期恒定时，通过调谐mgo:ppln晶体的工作温度也可以实现输出波长的调谐。
27.为了有效的利用非线性晶体进行光参量振荡过程，必须满足相位匹配条件，而周期极化晶体可以获得高效非线性光学混频过程的准相位匹配技术。opo过程要想有效的发生，要求三波频率中每一个频率产生的极化波与自由传播的电磁波具有相同的速度，即满足动量守恒条件：
28.ω
pnp
＝ω
sns
+ωiniꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
29.其中，角标s，i，p分别代表信号光、闲频光和泵浦光，ω代表其频率，n为折射率。准相位匹配光参量振荡器过程的稳态三波耦合方程为
[0030][0031]
其中，e代表庞加莱光束的光波电场强度；c代表真空光束；n代表对应光波在晶体内的折射率；d为有效非线性系数；δk为相位失配量。三波耦合方程组说明，在非线性介质内三波互作用过程中，某波长下的光波随传播距离的变化率为另两个波长光波场强的函数，也就是不同频率(或波长)的光波在非线性介质中可以发生能量的相互转换。
[0032]
在已知输入光场和期望光场下，根据空间任一点光波电场的矢量末端在不同时刻的轨迹不同，其偏振态可分为线偏振、圆偏振和椭圆偏振，假设初始入射光波沿z方向传播，
电场矢量为：
[0033][0034]
其中e0为其振幅，ω为角频率，k为波数，为初始相位，其复振幅分布可以表示为：
[0035][0036]
为表征该光波的偏振特性可将其表示为沿x、y方向振动的两个独立分量的线性组合，即
[0037]
e1＝ie
x
+jey.
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0038]
其中
[0039][0040]
偏振分光镜理想情况琼斯矩阵分别为透射j
npbt
和反射j
npbr
。
[0041]
聚焦透镜将偏振分光镜输出的p光和s光分别聚焦到对应的周期极化晶体上，聚焦透镜的焦距为f，其琼斯矩阵为jf，p光经过聚焦透镜传输后的琼斯矩阵为：
[0042][0043]
s波经过聚焦透镜传输后的琼斯矩阵为：
[0044][0045]
如图3所示(a1)，(b1)为输入的圆柱矢量光束，(a2)、(a3)，(b2)、(b3)为分解后的光束，(a4)，(b4)为合束后的光束。
[0046]
实施例二
[0047]
在实施例一的基础上，在偏振分光镜11与谐振腔之间的光路上分别增加第一半波片51和第二半波片52，在谐振腔与偏振合束镜12之间的光路上分别增加第三半波片53和第四半波片54。第一半波片51和第二半波片52工作波长为@泵浦光(1030nm)，第三半波片53和第四半波片54工作波长为@闲频光(2.5-5um)。考虑到非线性晶体存在线偏振依赖性，其对输入光束的偏振态具有较高的要求，在实施例一实行中通过移动晶体的位置来实现相位匹配执行起来较为复杂，有一定的难度，因此在实施例二中于谐振腔的前后两端分别加入了半波片来调控光束的偏振态从而能轻易地实现相位匹配并且利于光束的合束。本实施例中，通过旋转第一半波片51和第二半波片52的角度来调控聚焦到第一非线性晶体35和第二非线性晶体36的泵浦光偏振态，以更便捷的实现e-》e+e的匹配条件。当光束于第一非线性晶体35和第二非线性晶体36中发生非线性效应后，再通过第三半波片53和第四半波片54来调控其输出光束的偏振态，使其经过偏振合束镜12合束后获得高质量的中红外高阶庞加莱光束。