CN100430813C

CN100430813C - 高效激光倍频装置

Info

Publication number: CN100430813C
Application number: CNB2004100097836A
Authority: CN
Inventors: 王博; 彭钦军; 许祖彦
Original assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Optics and Electronics of CAS
Priority date: 2004-11-12
Filing date: 2004-11-12
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2024-11-12
Also published as: CN1773359A

Abstract

高效激光倍频装置包括：基频激光器、光束分束器、相干合束器和非线性晶体，基频激光器通过分束后再相干合成，将合成后的激光作为倍频激光器的泵浦源，泵浦非线性光学晶体，最后输出高转化效率倍频激光。本发明对基频激光器不需要作特定限定，即可以提高转换效率。不管是连续激光，还是脉冲激光都可以通过适当分束的方法相干合成提高功率密度，因此不一定局限短脉冲或超短脉冲激光，同时在不提高基频激光功率的情况下也可以提高转换效率，而且原理简单，它是一种腔外倍频方法，相应克服了其腔内倍频的一些缺点，以及通过一块晶体也可以获得高的转换效率从而可输出更高功率的倍频激光等优点。

Description

高效激光倍频装置

技术领域

本发明涉及一种非线性光学变频激光技术，特别是一种高效激光倍频装置。

背景技术

倍频是非线性光学混频中最典型、最重要、最基本的技术，也是应用最广泛的技术；可以说倍频是激光频率变换的基础，对激光高技术的发展和拓宽激光的应用领域具有十分重要的意义。通过激光倍频可以获得多种波长的激光，例如可产生红光、绿光、蓝光、紫外和深紫外激光等，它们在大屏幕激光显示、激光医疗、高密度存储、微电子、微机械、激光全息技术以及泵浦可调谐光参量激光等方面有着巨大的应用前景和广阔的市场。

为了获得更高功率的倍频激光输出、降低系统复杂性、提高电光转换效率，以适应各种应用需求，提高其倍频输出效率具有重要的意义。因此，一直以来提高倍频转换效率都是二次谐波产生问题的研究热点之一。目前，提高倍频转换效率的工作主要集中在以下几个研究方向：(1)采用短脉冲和超短脉冲激光，提高基频峰值功率获得高效二次谐波；(2)采用走离补偿方案克服走离效应来提高二次谐波转化效率；(3)利用激光谐振腔腔内功率密度高的特点进行腔内倍频，获得较高的二次谐波转换效率；(4)对于准连续运转的、脉冲宽度在100ns级的高平均功率的激光，由于峰值功率较低、需要大的非线性系数和高损伤阈值的非线性光学晶体，目前还没有同时满足这两个条件的非线性光学晶体，于是可采用两块非线性光学晶体变换方法同时采用偏振调制来提高谐波转换效率。

然而，上述方法都存在各自的缺点，主要是其局限的应用范围，例如采用短脉冲技术，将使输出的倍频激光也是相应的短脉冲，如果需要长脉冲倍频激光这种方法就没办法了；采用走离补偿的方法，当晶体采用II类相位匹配时，由于非线性光学晶体的双折射相位延迟导致偏振混乱，从而使其有效性受到极大的影响，也很难实现较好的补偿；腔内倍频方法要考虑其偏振特性、时间特性等因素，系统复杂，存在谐振腔的设计和调试困难等问题；采用偏振调制的方法需要采用两块和多块非线性光学晶体等。因此，发展高效激光倍频新技术和相应装置仍是目前非线性光学激光变频非常重要的课题，将对激光技术的进一步的发展和拓宽其应用范围具有十分重大的意义。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种对基频激光器不需要作特定限定的提高转换效率的高效激光倍频装置。

本发明的技术解决方案是：高效激光倍频装置，其特征在于包括：基频激光器、光束分束器、相干合束器、非线性晶体，基频激光器通过分束后再相干合成，将合成后的激光作为倍频激光器的泵浦源，泵浦非线性光学晶体，最后输出高转化效率倍频激光。

还包括在基频激光的输出光路上加一缩束器，可以对光束缩束后分束，分束后再相干合成。

还包括在基频激光的输出光路的分束器后对每一路光束分别加一缩束器，可以对每路光束缩束后再相干合成，以提高相干合束后的亮度。

还包括在分束器后加一位相调节器，调节每路光的位相关系，以改善其相干度和得到需要的相干合成光斑。

所述的基频激光器包括：连续或脉冲的化学激光器，连续或脉冲的灯泵固体激光器，连续或脉冲的半导体泵浦的固体激光器，连续或脉冲的光纤激光器，连续或脉冲的液体激光器，连续或脉冲的气体激光器，连续或脉冲的垂直腔面发射激光器。

所述的非线性光学晶体包括KBBF、SBBO、TBO、KABO、CLBO、CBO、KDP、ADP、LilO₃、BBO、LBO、LiNbO₃、MgO:LiNbO₃、KnbO₃、KTA、KTP、BNN、AgGaS₂、AgGaSe₂、CdGeAs₂、ZnGaP₂、AgGa_1-xIn_xSe₂、Ag₃AsS₃、CdSe、PPLN、PPTiLN、PPKN、OOMgLN、PPLT、PPKTP、PPRTA、PPKTA，其中x为从0-1的实数。

所述的分束器，包括N路分束器，N为正整数，N大于等于2。

所述的合束器，包括远场直接相干合束或用透镜在焦点处相干获得远场图样。

进一步的，所述的合束器，包括采用双折射干涉仪，缺角直角棱镜，小角度全反射棱镜、滤光片、棱镜偏振分光镜、平板偏振分光镜、多面反射镜、冰洲石双窗OE晶体等。

进一步的，所述的缩束器所用透镜，包括凸透镜和凹透镜，可以由凸透镜和凹透镜组成，也可以由凸透镜和凸透镜组成等。

进一步的，所述的相移器，包括各种透明光学材料制作的相位装置，或二元光学元件。

本发明提供的高效激光倍频装置原理是：利用入射到倍频的非线性光学晶体里的光功率密度越高，其倍频转换效率也越高的原理，将基频激光直接照射到非线性晶体上由于其功率密度不高所以很难提高其转换效率，如果将其缩束，缩束比太小，同样其光功率密度不能达到很高，如果缩束比太大，则其发散角将大大变大，由于其发散度严重影响其转换效率，所以也很难提高其效率。我们提出将基频激光通过分束后再相干合成，由于分束后的激光是来自同一激光源，它们具有相同的频率、固定的位相差和一致的偏振，因此它们是相干的。根据相干理论，如果基频激光被分成N束相干，其相干后的亮度可以比分束前的亮度提高近N倍，倍频的转换效率与其基频泵浦光的光功率密度成比例增长。因此，分束后相干合成虽然没有提高基频泵浦光的功率，但其亮度增加，从而增加了倍频转换效率，最后可得到更大的倍频光功率输出。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明的装置中采用激光相干合成的办法提高光功率密度来提高激光的倍频效率，这种方法对提高倍频效率提供了一种新途径，不管是连续激光，还是脉冲激光都可以通过适当分束的方法相干合成提高功率密度，因此不一定局限短脉冲或超短脉冲激光；同时在不提高基频激光功率的情况下也可以提高转换效率，而且原理简单；它是一种腔外倍频方法，相应克服了其腔内倍频的一些缺点，以及通过一块晶体也可以获得高的转换效率从而可输出更高功率的倍频激光等优点，这将对激光技术的进一步的发展和拓宽其应用范围具有十分重要的意义。

附图说明

图1为本发明的组成结构框图；

图2为本发明的远场直接相干泵浦输出532nm的激光倍频装置的实施例示意图；

图3为本发明的远场相干合束输出532nm的激光倍频装置的实施例示意图；

图4为本发明的缩束相干合成泵浦激光倍频装置实施例示意图；

图5为本发明的18束相干合成泵浦激光倍频装置实施例示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括基频激光器、光束分束器、相干合束器、非线性晶体，基频激光器通过分束后再相干合成，将合成后的激光作为倍频激光器的泵浦源，泵浦非线性光学晶体，最后输出高转化效率倍频激光。

实施例1

参考图2，制作一远场直接相干泵浦输出532nm的激光倍频装置。

图中：基频激光器采用闪光灯泵浦的Nd:YAG固体激光器输出1064nm波长的激光，该激光通过一分束器分成两束功率相同的激光，然后通过一个透镜使其两束远场相干，精密调节两束光的间距和选择合适的焦距，使其远场干涉图样的条纹最少，相干度最好，然后将相干合成后的激光作为一块短的非线性光学晶体KTP的泵浦源，最后可输出比直接泵浦效率更高的532nm绿光。

实施例2

参考图3，制作一远场相干合束输出532nm的激光倍频装置。

图中：基频激光器采用半导体激光泵浦的Nd:YVO₄固体激光器输出1064nm波长的激光，该激光通过一分束器分成两束功率相同的激光，然后通过一个透镜使其两束远场相干，精密调节两束光的间距和选择合适的焦距，使其远场干涉图样的条纹最少，相干度最好，可以达到3个左右的条纹，然后通过双折射干涉仪组成一合束器使其合束成一个能量主要集中在一个光斑上，这时光斑比基频激光分束前的光斑小(合束部分见OPTICSLETTERS/Vol.21(24)：1996，1996)，将其合成后的激光作为非线性晶体LBO的泵浦源，最后可输出比直接泵浦效率更高的532nm绿光。

实施例3

参考图4，制作一缩束相干合成泵浦激光倍频装置实施例示意图；

图中：基频激光器采用准分子激光器XeF输出351nm波长的激光，该激光通过一分束器分成两束功率相同的激光，然后通过两个凸透镜组成的缩束器先缩束两倍，缩束后的两束远场相干，精密调节两束光的间距和选择合适的焦距，使其远场干涉图样的条纹最少，相干度最好，可以达到3个左右的条纹，然后将相干合成后的激光作为一块短的非线性光学晶体KBBF的泵浦源，由于KBBF可以深紫外和真空紫外倍频，最后可输出比直接泵浦效率更高的真空紫外175nm绿光。

实施例4

参考图5，制作一18束相干合成泵浦激光倍频装置实施例示意图；

图中：基频激光器采用半导体泵浦的掺镱窄线宽光纤激光器输出1064nm波长的激光，该激光通过多路反射镜分成18束功率相同的激光，然后通过一个小角度全反射棱镜及反射镜使18束排列成中心对称并通过一个透镜使其远场相干，精密调节18束光的间距和选择合适焦距的透镜，并根据需要在某些路加上位相延迟器(如石英波片)调节各路的位相关系，使其远场干涉图样成环形图样，相干度最好，然后将相干合成后的激光作为一块短的非线性光学晶体BBO的泵浦源，最后可输出比直接泵浦效率更高的532nm绿光。

Claims

1、高效激光倍频装置，其特征在于包括：基频激光器、光束分束器、相干合束器和非线性晶体，基频激光器通过分束后再相干合成，将合成后的激光作为倍频激光器的泵浦源，泵浦非线性光学晶体，最后输出高转化效率倍频激光。

2、根据权利要求1所述的高效激光倍频装置，其特征在于：还包括在基频激光的输出光路上加一缩束器，对光束缩束后分束，分束后再相干合成。

3、根据权利要求1所述的高效激光倍频装置，其特征在于：还包括在基频激光的输出光路的分束器后对每一路光束分别加一缩束器，对每路光束缩束后再相干合成，以提高相干合束后的亮度。

4、根据权利要求1所述的高效激光倍频装置，其特征在于：还包括在分束器后加一位相调节器，调节每路光的位相关系，以改善其相干度和得到需要的相干合成光斑。

5、根据权利要求1所述的高效激光倍频装置，其特征在于：所述的基频激光器为连续或脉冲的化学激光器，连续或脉冲的灯泵固体激光器，连续或脉冲的半导体泵浦的固体激光器，连续或脉冲的光纤激光器，连续或脉冲的液体激光器，连续或脉冲的气体激光器、连续或脉冲的垂直腔面发射激光器。

6、根据权利要求1所述的高效激光倍频装置，其特征在于：所述的非线性光学晶体包括KBBF、SBBO、TBO、KABO、CLBO、CBO、KDP、ADP、LilO₃、BBO、LBO、LiNbO₃、MgO:LiNbO₃、KnbO₃、KTA、KTP、BNN、AgGaS₂、AgGaSe₂、CdGeAs₂、ZnGaP₂、AgGa_1-xIn_xSe₂、Ag₃AsS₃、CdSe、PPLN、PPTiLN、PPKN、OOMgLN、PPLT、PPKTP、PPRTA、PPKTA，其中x为从0-1的实数。

7、根据权利要求1所述的高效激光倍频装置，其特征在于：所述的分束器，包括N路分束器，N为正整数，N大于等于2。

8、根据权利要求1所述的高效激光倍频装置，其特征在于：所述的合束器，包括远场直接相干合束或用透镜在焦点处相干获得远场图样。

9、根据权利要求1所述的高效激光倍频装置，其特征在于：所述的合束器，包括采用双折射干涉仪，缺角直角棱镜，小角度全反射棱镜、滤光片、棱镜偏振分光镜、平板偏振分光镜、多面反射镜、冰洲石双窗OE晶体。

10、根据权利要求3所述的高效激光倍频装置，其特征在于：所述的缩束器所用透镜，包括凸透镜和凹透镜。

11、根据权利要求4所述的高效激光倍频装置，其特征在于：所述的相调节器，包括各种透明光学材料制作的相位装置，或二元光学元件。