CN101093929A - 波长转换装置及波长转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波长转换装置。该波长转换装置包括至少一个基波光源和一个外部谐振器，其中，如式1和2所示地选择用于从基波光源向外部谐振器输入光的输入耦合元件的反射率R_in，其中，基波光源的频率抖动为Δf_jitter，外部谐振器的谐振器长度为L_cav，外部谐振器的频率线宽为Δv_cav，外部谐振器的总内部损耗为δ，光速为c。

Description

波长转换装置及波长转换方法

技术领域

本发明涉及一种包括基波光源和外部谐振器的波长转换装置，以及一种波长转换方法。

背景技术

包括基波光源和具有非线性光学晶体的外部谐振器的波长转换装置通常被用作振荡诸如紫外线激光这样的短波激光的激光光源。

图1为波长转换装置示例的示意性结构图。波长转换装置包括基波光源101和外部谐振器120。外部谐振器120包括：具有有着预定透射率的反射镜的输入耦合元件121、反射镜122-124和放置在输入耦合元件121与反射镜122之间的非线性光学晶体125。从基波光源101出射的用于激发的基波光Le从输入耦合元件121进入外部谐振器120，再以二次谐波光Lo出射，例如，通过具有预定透射率的反射镜122出射。

阻抗匹配是现有技术中用来确定输入耦合元件121的反射率(透射率)的主要方法。在这种方法中，首先计算出外部谐振器的内部损耗，然后确定输入耦合元件的损耗以匹配已得到的内部损耗。这种情况下，通过选择输入耦合元件的反射率使阻抗与内部损耗匹配，从而最大化波长转换效率。

相反，美国专利No.5027361公开的确定输入耦合元件反射率的方法不仅需要阻抗匹配，而且考虑非线性损耗。

发明内容

当使用通过前述波长转换装置获得的具有相对较短的波长的光时，可能必须减小激光的光强噪声。例如，当激光扫描成像时，激光的光强噪声会导致图像质量变差。例如，紫外波段的激光用在检测晶片缺陷的装置时，如果激光光强噪声只是在短时间内出现，则检测精度将受到影响。在这样的晶片检测装置中，激光以大约100千米/小时或更高的速度扫描晶片，根据反射的光强探测晶片上的缺陷。此时，每个点上的照射时间大约是0.3μs。因此，当由于光强噪声造成输出瞬间减弱时，可能在一个0.3μs时间段中反射光变暗，导致在扫描位置形成黑斑。由于将黑斑视为缺陷，检测装置的性能会受到严重的损害。

根据本发明的实施例，可以减小波长转换光的噪声。

根据本发明的实施例，提供一波长转换装置，其包括至少一个基波光源和一个外部谐振器。该波长转换装置中，如式1和2所示选择从基波光源向外部谐振器输入光的输入耦合元件的反射率R_in，其中，基波光源的频率抖动为Δf_jitter，外部谐振器的谐振器长度为L_cav，外部谐振器的频率线宽为Δv_cav，外部谐振器的总内部损耗为δ，光速为c，

${\mathrm{\Δv}}_{\mathrm{cav}}=\frac{c}{L_{\mathrm{cav}}}\×\frac{1-\sqrt{R_{\mathrm{in}}(1-\mathrm{\δ})}}{\mathrm{\π}{\left(R_{\mathrm{in}}(1-\mathrm{\δ})\right)}^{1/4}}---\left(1\right)$

Δv_cav≥Δf_jitter    (2)。

根据本申请的另一个实施例，提供了一种波长转换方法，其包括将从基波光源发出的光输入到外部谐振器以完成波长转换的步骤。该波长转换方法中，如式1和2所示选择从基波光源向外部谐振器输入光的输入耦合元件的反射率R_in，其中，基波光源的频率抖动为Δf_jitter，外部谐振器的谐振器长度为L_cav，外部谐振器的频率线宽为Δv_cav，外部谐振器的总内部损耗为δ，光速为c。

如上所述，在根据本发明实施例的波长转换装置或波长转换方法中，如式1和2所示选择外部谐振器中的输入耦合元件的反射率R_in。

在现有技术中，外部谐振器中的输入耦合元件的反射率选择为差不多等于外部谐振器的内部损耗以实现阻抗匹配。

相反，根据本发明的实施例，可以减小成为波长转换光噪声源的基波光源的频率抖动。此外，根据本发明的实施例，考虑谐振器的频率线宽Δv_cav，可以通过根据基波光源的特性确定输入耦合元件的反射率R_in，使得频率线宽Δv_cav如式2所示比基波光源的频率抖动f_jitter更显著，从而减小出现在波长转换光中的噪声。

因此，根据本发明的实施例，可以可靠地减小由基波光源的频率抖动引起的波长转换光的噪声。在现有技术中，由于频率抖动相对较高，所以半导体激光器，如分布式反馈半导体激光器或者外部谐振器激光二极管，可能难以用作波长转换装置中的基波光源。然而，这样相对便宜而且小的基波光源可以使用在根据本发明实施例的结构中。

根据本发明实施例中的波长转换装置或波长转换方法，可以减小波长转换光的噪声。

附图说明

图1是波长转换装置示例的结构示意图。

图2是根据本发明实施例的波长转换装置示例的结构示意图。

图3是分布式反馈(DFB)光纤激光器示例的结构示意图。

图4是示出波长转换光的光强噪声的示例的示图。

图5是示出外部谐振器频率容限(frequency tolerance)的示图。

图6是示出外部谐振器频率容限的示图。

图7是示出波长转换光的输出相对于输入耦合元件透射率的变化的示图。

图8是示出外部谐振器的频率线宽相对于输入耦合元件透射率变化的示图。

图9是示出波长转换光光强的对比例的示图。

图10是示出根据本发明实施例的波长转换装置中波长转换光光强示例的示图。

图11是外部谐振器激光二极管示例的结构示意图。

图12是根据本发明实施例的波长转换装置示例的结构示意图。

图13是根据本发明实施例的波长转换装置示例的结构示意图。

图14是根据本发明实施例的波长转换装置示例的结构示意图。

图15是根据本发明实施例的波长转换装置示例的结构示意图。

图16是根据本发明实施例的波长转换装置示例的结构示意图。

具体实施方式

以下将描述实施本发明的最佳实施方式，然而，本发明并不限于以下示例。

图2是根据本发明实施例的波长转换装置示例的结构示意图。在此示例中，波长转换装置包括基波光源11、用于获得频率误差信号的相位调制器12、电容透镜(capacitor lens)13、光电探测器14、控制电路15和外部谐振器20。外部谐振器20包括具有有着预定透射率的半透镜的输入耦合元件21、反射镜22-24和放置在输入耦合元件21与反射镜22之间的非线性光学元件17。

在该结构中，从基波光源11中出射的基波光通过相位调制器12由电容透镜13汇集于输入耦合元件21。从输入耦合元件21入射到外部谐振器20的激光在谐振器中通过多重干涉被放大，由非线性光学元件17进行波长转换后的输出光从例如半反射镜22输出到外部。光电探测器14探测由输入耦合元件21反射的光。电磁致动器16的位置由控制电路15利用光电探测器14产生的探测信号来控制，以振荡入射光，使得更有效的从非线性光学元件17获得谐波光。

在该波长转换装置中，例如，如图3所示，分布式反馈(DFB)光纤可以用作基波光源。图3是使用分布式反馈(DFB)光纤作为基波光源11的示例的结构示意图。当使用DFB光纤时，基波光源通常至少包括DFB光纤和激发激光器，并且根据输出光波长使用种子激光器(seed laser)。在该示例中，没有使用种子激光器(seed laser)。例如，如图3所示，该基波光源11包括波分复用(WDM)元件31；含有稀土元素如Er、Yb等类似元素的DFB光纤32，如掺Yb的DFB光纤32；波分复用元件33；和激发激光器34。

从激发激光器34输出的激发光在波分复用元件31和33之间循环往复以激发DFB光纤32。受激光通过波分复用元件33如箭头Lf所示输出到外部。

利用这样的DFB光纤激光器可以获得具有窄谱宽的光，特别是，单纵模的光。

图4示出当如图2所示的波长转换装置使用这样的DFB光纤激光器形成时波长转换光输出值的噪声示例。在该示例中，DFB光纤激光器的SHG(二次谐波发生)用作基波光源，振荡波长为532nm。β-BBO(β-BaB₂O₄，β-硼酸钡)用作使用在外部谐振器中的非线性光学元件，用于输出波长为266nm的波长转换光。如图4所示，在波长转换光中产生用Nc表示的稳态噪声。该噪声频率约为100kHz，峰峰值大约为2％。相反，当使用具有相对较高的频率抖动的基波光源，如DFB激光器时，在波长转换光的输出值中不稳定地产生噪声Ns。该噪声是相对较高的输出噪声，脉宽约10μs，峰峰值约4～8％。

根据本发明实施例，以下讨论中将集中关注该相对较高的噪声。

如上所述，在现有技术的波长转换装置中，选择外部谐振器中的输入耦合元件的透射率T_in(＝1-R_in)，使之差不多等于总内部损耗，以实现外部谐振器的阻抗匹配。美国专利No.5027361公开了选择输入耦合元件透射率的一个示例，该示例除考虑了总内部损耗外，还考虑了放置在外部谐振器中的非线性光学元件的波长转换效率。

相反，如上所述，本发明发现了减少噪声的更重要的因素。

典型的噪声源是基波光源的激发激光的光强噪声与干扰(disturbance)，图4所示噪声Nc对应于噪声源。光强噪声和干扰可以通过不断增加的伺服电路的环路增益(loop gain)除去。

另一方面，基波光源的激发激光的频率抖动引发噪声。即，当由于控制基波光源的频率而导致产生抖动时，在波长转换光中出现图4中Ns表示的非稳态噪声。

因此，提出如图5、6所示的物理模型。图5、6中所示的钟形曲线表示外部谐振器的频率接收(frequency acceptance)。频率线宽Δv_cav表示FWMH(半峰值全宽度)。图5、6中，实线fc表示基波光源的频率，其示出了频率fc如箭头s所示抖动的状态。

图5示出了现有技术中波长转换装置的频率接收，其中满足阻抗匹配。这种情况下，频率线宽Δv_cav为2.8MHz，外部谐振器中的输入耦合元件的透射率T_in为1.0％，输入耦合元件的反射率R_in为99.0％。当输入耦合元件的透射率(反射率)通过现有技术中的方法以这种方式选定时，如图5所示，实线B1表示的频率接收相对较窄。因此，当频率fc如箭头s所示抖动时，可能出现耦合减弱，从而如果频率超出外部谐振器中的容限，就会产生波长转换光噪声。

相反，当如图6所示通过特意减小锐度(finesse)来增大频率接收B2的宽度时，即使基波光源的频率fc如箭头s所示抖动，频率也不会超出外部谐振器的容限，从而波长转换光中不会出现噪声。图6示出了频率线宽Δv_cav为4.0MHz，输入耦合元件的透射率T_in为2.0％，输入耦合元件的反射率R_in为98.0％的情况。这种情况下，确定输入耦合元件的反射率时忽略了通过现有技术中的方法进行的匹配阻抗。

以下将分析具有如图2所示结构的波长转换装置中波长转变光的输出变化，其中外部谐振器20的内部损耗为1％，并且输入耦合元件21的透射率T_in改变了。该示例中，波长532nm的DFB光纤激光器的SHG用作基波光源，BBO用作非线性光学元件，用于输出波长266nm的紫外光。结果显示于图7。当输入耦合元件21的透射率T_in约为1％，差不多与内部损耗(由区域A2表示)相等时，阻抗匹配，紫外光输出最大，从而效率最高。

在如前所述的现有技术的方法中，输入耦合元件21的透射率设计成满足式(1)：

T_in≈δ    (1)

其中T_in表示透射率，δ表示总内部损耗。

在本发明的一个实施例中，输入耦合元件的反射率R_in基于式1选择，以确定外部谐振器的频率线宽，使得激发激光的最大频率抖动Δf_jitter满足式(2)：

Δv_cav≥Δf_jitter    (2)

如式(2)表示。

例如，当如图3所示的前述DFB半导体激光器作为基波光源11时，Δf_jitter约几MHz，基于Δf_jitter确定的输入耦合元件的透射率T_in约为3％，其落入图7中区域A1所示的范围。

图8示出频率线宽相对于输入耦合元件的透射率的变化。按照现有技术中的方法选择得到的透射率落入区域A4所示的范围，频率线宽Δv_cav相对较小，约2.8MHz，如图5所示的前述示例中一样。

相反，按照本发明实施例中的方法选择得到的透射率落入区域A3所示的范围，频率线宽Δv_cav相对较大，约4MHz，如图6所示的示例中一样。

例如，当NPRO(非平面环形振荡器)型激光器用做基波光源时，激光的频率线宽约1kHz到几KHz。相应的，即使使用了现有技术中的相同结构，在波长转换光中也几乎不出现噪声。

另一方面，当使用频率线宽大于100kHz的激光装置，即具有式(3)表示的频率线宽的激光装置，作为基波光源时：

Δv_cav＞100KHz    (3)，

可以优选使用根据本发明实施例的基波光源，以根据式(2)和式(1)选择外部谐振器中的输入耦合元件的反射率。

特别的，例如，振荡波长为532nm的DFB光纤激光器的SHG被用作基波光源，BBO用作外部谐振器的非线性光学晶体，内部损耗为0.2％。在这种情况下，测量对比例和本发明实施例中的波长转换光光强，对比例中，外部谐振器中的输入耦合元件的透射率T_in(即，反射率R_in)通过现有技术的方法选择，本发明实施例中，反射率R_in基于式1和式(2)选择。结果示于图9和图10中。从对比例与实施例的比较中可以清楚地看出，根据本发明实施例，波长转换光输出中的噪声明显减小。

随着频率线宽Δv_cav的变大，频率接收变大，从而可以减小频率噪声的影响。然而，当Δv_cav超过200MHz时，锐度(finesse)为2或更小。相应的，使用谐振器的好处，即，通过多次干涉产生的放大效果，可能不会出现，输出可能减少。因此，在根据本发明的实施例的波长转换装置或波长转换方法中，外部谐振器中的输入耦合元件的反射率优选选择为使频率线宽Δv_cav小于200MHz。实践中，频率线宽Δv_cav优选选择在约2MHz到几十MHz。

在前述示例中，DFB半导体激光器被用作基波光源；但是，本发明的实施例可以用于采用不同的其他激光器，如有相对较高频率抖动的半导体激光器的情况。例如，本发明的一实施例也可以用于采用如图11所示的外部谐振器激光二极管(ECDL)的情况。在这种情况下，基波光源11包括诸如半导体激光器的激发光源36、反射光栅37和反射镜38。从激发光源36发出的光在反射光栅37上反射，再由反射镜38，如反光镜，反射，从而输出激发激光Le(基波光)。在这种情况下，ECDL型半导体激光器作为基波光源，与前述实施例中一样，波长转换光的噪声可以明显减小。

如前所述，对于根据本发明实施例的波长转换装置，波长转换光的光强噪声可以明显减小。特别是，当采用具有高频率抖动的光源，如DFB光纤激光器、ECDL或DFG半导体激光器作为基波光源时，波长转换光的光强噪声可以可靠地减小。也就是说，相对便宜的激光光源如DFB光纤激光器可以用作基波光源，这样可以降低成本，简化装置，减小尺寸。

根据本发明实施例，波长转换光的噪声可以被减小。因此，当本发明实施例被使用在前述用于半导体装置、半导体晶片或类似物的检测仪器的照明光源(例如，波长：190-900nm)中时，可以完成优良的检测，而不会削弱检测精度。

另外，当根据本发明实施例的波长转换装置或波长转换方法用在作为成像装置的投影仪的照明光源(例如，波长：400-600nm)中时，可以减小照明光的噪声，并且可以显示优良的图像。此外，从根据本发明实施例的波长转换装置输出的波长转换光可以用于进行高速扫描的暗视场显微镜的照明光源。在这种情况下，噪声也可以减小，因此可以实现高质量的显微观察。另外，当本发明实施例被用于进行各种波长转换的光源，如PDT(光动力学治疗)中的激光器(例如，波长：500-700nm)，用于盘形铣刀的激光器(例如，波长：190-400nm)，用于激光显示的激光光源(例如，波长：450-680nm)以及荧光物质激发激光器(例如，波长：190-400nm)，则可以降低成本，简化装置，减小尺寸。

根据本发明实施例的波长转换装置可以具有前述如图2所示的结构，或者可以具有例如如图12-16所示的结构。图12-16中，与图2对应的那些部分用相同的标记表示，不再重复说明。图12-16中除了外部谐振器中的输入耦合元件之外的反射镜被省略。在图12所示的示例中，振荡波长例如为1560nm的来自基波光源11的光被输入例如具有周期性偏振倒置结构的LN(铌酸锂，LiNbO₃)非线性光学元件；转换到波长为780nm的二次谐波；并被输入外部谐振器20。在这种情况下，通过根据式1和2(即式(2))选择外部谐振器20中的输入耦合元件的反射率可以产生相同的效果。

图13所示的示例中，外部谐振器20A和20B串连设置。具体而言，在这种情况下，波长1064nm的光从基波光源11输入外部谐振器20A，输出波长532nm的光，该光进一步输入外部谐振器20B，输出波长266nm的光。在这种情况下，通过根据式1和2选择外部谐振器20A和20B中的输入耦合元件21A和21B的反射率，可以减小噪声，产生相同的效果。本发明的实施例可以用在只有其中一个输入耦合元件的情况。同样，在这种情况下，与现有技术相比，噪声也可以减小。

图14示出了外部谐振器40为总和频率混合(sum frequency mixing)型的情况。波长266nm的光从基波光源11A输入，波长780nm的光从基波光源11B输入，输出波长为198nm的光。同样在这种情况下，通过根据式1和2选择输入耦合元件41A和41B的反射率可以减小噪声，产生相同的效果。附图标记47指示非线性光学元件。

图15示出了使用两个基波光源11A和11B、两个外部谐振器20A和20B以及总和频率混合型外部谐振器40的情况。波长532nm的光从基波光源11A输入外部谐振器20A，波长1560nm的光从基波光源11B输入外部谐振器20B。波长266nm和780nm的光分别从外部谐振器20A和20B输入外部谐振器40，通过总和频率混合输出波长198nm的光。在这种情况下，通过根据式1和2分别选择外部谐振器20A和20B中的输入耦合元件21A和21B，以及外部谐振器40中的两个输入耦合元件41A和41B的反射率，可以减小噪声，产生相同的效果。本发明的实施例可以用于至少一个输入耦合元件。同样在这种情况下，与现有技术相比，噪声也可以减小。图15中的附图标记17A，17B和47分别指示非线性光学元件。

另外，如图16所示，本发明实施例可以用于以下情况，其中使用基波光源11A和11B，并且只有来自基波光源11B的光才在外部谐振器20中受到多次干涉。在这种情况下，来自基波光源11A的波长244nm的光穿过外部谐振器20中的非线性光学元件17，来自基波光源11B的波长1064nm的光从输入耦合元件21输入外部谐振器20，以输出波长198nm的光。同样在这种情况下，通过根据式1和2选择输入耦合元件21的反射率，可以减小噪声，产生相同的效果。

如上所述，本发明实施例也可以用于以下情况，其中基波光源包括波长转换部分，例如，输出SHG光的外部谐振器式波长转换部分。在这种情况下，基波光源包括外部谐振器，并且根据式1和2选择输入耦合元件的反射率，以便减小噪声。

当基波光源包括两个或两个以上外部谐振器时，如果根据式1和2选择至少一个外部谐振器中的输入耦合元件的反射率，则与现有技术相比，噪声可以减小。

本发明实施例不限于具有前述各个实施例所示结构的波长转换装置。在不脱离本发明范围的情况下，可以有各种变型和修改，例如，基波光源通过光纤或类似物与外部谐振器连接。

本领域技术人员应该认识到，在本发明所附权利要求及其等同物的范围内，根据设计要求和其他因素可能出现各种修改、组合、次组合和替换。

本发明包括与2006年6月22日在日本专利局提交的日本专利申请JP2006-172822相关的主题，该在先申请的全部内容引入本文作为参考。

Claims (6)

1.一种波长转换装置，包括：

至少一个基波光源和一个外部谐振器，

其中，用于从基波光源向外部谐振器输入光的输入耦合元件的反射率R_in如式1和2所示来选择，其中，基波光源的频率抖动为Δf_jitter，外部谐振器的谐振器长度为L_cav，外部谐振器的频率线宽为Δv_cav，外部谐振器的总内部损耗为δ，光速为c，

$\mathrm{\Δ}{v}_{\mathrm{cav}}=\frac{c}{L_{\mathrm{cav}}}\×\frac{1-\sqrt{R_m(1-\mathrm{\δ})}}{\mathrm{\π}{\left(R_m(1-\mathrm{\δ})\right)}^{1/4}}---\left(1\right)$

Δv_cav≥Δf_jitter    (2)。

2.如权利要求1所述的波长转换装置，其中，基波光源的频率抖动Δf_jitter大于100KHz。

3.如权利要求1所述的波长转换装置，其中，基波光源包括分布式反馈半导体激光器、外部谐振器激光二极管、或分布式反馈光纤激光器。

4.如权利要求3所述的波长转换装置，其中，基波光源包括波长转换部分。

5．如权利要求1所述的波长转换装置，其中，波长转换装置包括两个或更多外部谐振器，至少一个所述外部谐振器中的输入耦合元件的反射率R_in如式1和2所示来选择。

6.一种波长转换方法，包括以下步骤：

将从基波光源发出的光输入到外部谐振器以实现波长转换，

其中，用于从基波光源向外部谐振器输入光的输入耦合元件的反射率R_in如式1和2所示来选择，其中，基波光源的频率抖动为Δf_jitter，外部谐振器的谐振器长度为L_cav，外部谐振器的频率线宽为Δv_cav，外部谐振器的总内部损耗为δ，光速为c，

$\mathrm{\Δ}{v}_{\mathrm{cav}}=\frac{c}{L_{\mathrm{cav}}}\×\frac{1-\sqrt{R_m(1-\mathrm{\δ})}}{\mathrm{\π}{\left(R_m(1-\mathrm{\δ})\right)}^{1/4}}---\left(1\right)$

Δv_cav≥Δf_jitter    (2)。

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