CN101741000B

CN101741000B - 以级联超晶格为变频晶体的黄光激光器

Info

Publication number: CN101741000B
Application number: CN2009102628550A
Authority: CN
Inventors: 赵丽娜; 祝世宁; 胡小鹏; 赵刚; 徐平
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2029-12-11
Also published as: CN101741000A

Abstract

以级联超晶格为变频晶体的黄光激光器，包括泵浦光源、前腔镜和后腔镜构成的谐振腔、控温炉和一片两段级联的光学超晶格，级联的光学超晶格作为非线性变频晶体，泵浦光源发出的光入射谐振腔，经级联的光学超晶格后由后腔镜端输出590nm黄光。本发明级联超晶格第一段结构用来实现光参量振荡过程，第二段结构用来产生倍频黄光，具有灵活的设计，不仅可以使用级联周期结构，还可以使用准周期、非周期、双周期结构来同时实现两个非线性过程的位相匹配，并且多个结构可以集成在一块晶片上，结构紧凑，提高了系统的集成性；可以实现宽调谐的黄光输出；能够得到稳定的激光输出，实现了高效稳定的全固态黄光激光器。

Description

以级联超晶格为变频晶体的黄光激光器

技术领域

本发明涉及一种用级联结构光学超晶格来实现光参量振荡级联倍频过程，获得可见光波段激光输出的装置，特别是以钽酸锂等超晶格为变频晶体的全固态黄光激光器，为一种以级联超晶格为变频晶体的黄光激光器。

背景技术

黄光光谱波段的激光在激光显示、化学、生物医学、空间目标探测和识别等领域有着广泛的应用，例如，在生物医学中，由于血色素对黄光具有较强吸收，黄光激光可以应用于眼科学和皮肤学中；天文学上可以代替传统的钠导信号光源应用在天文望远镜中；军事上可以应用于空间目标的探测与识别。早期，在全固态激光领域，由于黄光激光缺少基频光而无法通过倍频方式产生，随着全固态激光技术的发展，尤其是20世纪90年代，一些研究者提出利用掺Nd³⁺激光增益介质可以实现多波长振荡，通过多波长激光和频产生黄光，因此，高功率的全固态黄光激光器成为激光领域的一个研究热点。目前，黄光主要通过激光和频和受激拉曼散射效应产生。和频产生黄光的方案有两种：一种是通过Nd:YAG晶体的1064nm和1319nm两条谱线同时运转来和频产生589nm的黄光；一种是通过Nd:YVO₄晶体的1064nm和1342nm同时运转来和频产生593nm的黄光。相关工作有：

2004年，贾富强等人在《激光技术》上发表了“LD泵浦腔内和频连续589nm黄光激光器”，在这篇文章中，利用LD端面泵浦Nd:YAG激光晶体，得到1064nm和1319nm连续的双波长振荡，在腔内加入I类临界相位匹配切割的LBO晶体进行内腔和频，通过优化腔镜的透过率输出一定功率的黄光，实验得到：当LD泵浦功率为2W时，输出黄光激光的波长为589nm，功率为20mW。

2005年，吕彦飞等人在《中国激光》上发表了“全固态593nm复合腔连续波和频激光器”，其中，报道了一种新型复合结构的和频激光器。用两个激光二极管阵列经过光纤耦合分别对Nd:YVO4晶体进行端面抽运，其中两激光晶体所选择的能级跃迁分别为⁴F_3/2→⁴I_11/2和⁴F_3/2→⁴I_13/2，对应激光跃迁波长分别为1064nm和1342nm，两基频激光束分别在两个子谐振腔中振荡，在交叠区利用KTP晶体II类临界相位匹配进行内腔和频，获得了593nm的和频激光。通过对激光晶体热效应的分析，设计了热不敏感腔，获得了520mW连续波(CW)TEM₀₀模式的黄光输出。光束质量因子M²＜1.2。

2005年，丹麦的JiríJanousek等人在OPTICS EXPRESS上发表了“Efficient allsolid-state continuous-wave yellow-orange light source”，这篇文章中，作者采用两个LD泵浦两个Nd:YVO₄激光晶体，分别产生1064nm和1342nm的连续光，两束光经过周期极化的KTP晶体，晶体工作在51℃，经由和频产生的黄光波长为593.5nm，当输入泵浦功率3.2W时，得到黄光功率为750mW。

2005年，陈慧挺等人在《强激光与粒子束》上发表了“532nm激光泵浦硝酸钡晶体产生外腔拉曼激光”，在这篇文章中，利用硝酸钡晶体产生拉曼激光，采用单端泵浦的外置拉曼振荡腔与双棱镜分光装置进行了硝酸钡晶体拉曼激光实验，泵浦源波长532nm，由Nd:YAG产生的1064nm经过倍频得到，硝酸钡晶体通过水溶液降温法生长。当泵浦源达到65mJ时，获得21mJ一阶斯托克斯光，输出波长为563nm，以及16mJ的二阶斯托克斯光，输出波长为599nm，受激拉曼散射SRS最大的整体转换效率(包含一阶、二阶斯托克斯光之和)为56.3％。

2007年，山东大学陈晓寒等人申报了“LD端泵Nd:YAG/SrWO*/KTP黄光激光器”的专利，该专利利用LD端面泵浦掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)产生基频光，经过拉曼晶体钨酸锶后产生拉曼光，拉曼光经过倍频晶体磷酸氧钛钾(KTP)进行腔内倍频，最终产生黄色激光输出。

上面提到的用一台1319nm或1342nm激光器和一台1064nm激光器，经过非线性晶体和频产生黄光的方法，可以获得较高功率的输出，但是要求两束基波光需要在空间和时间上具有很好的交叠，且整个系统结构较为复杂，不利于器件的集成化。而用双共振和频实现黄光输出的方法，由于两条谱线之间存在增益竞争，导致基波的功率不稳定，模式较差，因而输出的和频黄光功率不稳定，效率较低，且产生的黄光波长调谐范围小。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有的黄光激光器结构复杂，不利于集成化，工作条件要求高，黄光输出不稳定，效率较低，且产生的黄光波长调谐范围小。

本发明的技术方案为：以级联超晶格为变频晶体的黄光激光器，包括泵浦光源、前腔镜和后腔镜构成的谐振腔、控温炉和一片两段级联的光学超晶格，泵浦光源为532nm绿光激光器，级联的光学超晶格置于控温炉中，级联的光学超晶格和控温炉均位于谐振腔内，级联的光学超晶格作为非线性变频晶体，第一段结构的周期为7.584μm，用以实现532nm激光频率下转换至968.8nm和1180nm，第二段结构的周期为10.18μm，用以实现1180nm闲置光倍频产生590nm黄光；泵浦光源发出的光入射到谐振腔，经级联的光学超晶格后由后腔镜端输出590nm黄光。

两段级联的光学超晶格的结构包括准周期、非周期、双周期和周期，光学超晶格的基质材料包括同成分LiTaO₃、同成分LiNbO₃、化学计量比LiTaO₃、化学计量比LiNbO₃、掺MgO的铌酸锂、掺MgO的钽酸锂、磷酸钛氧钾晶体KTP和磷酸钛氧铷晶体RTP。

进一步的，级联的光学超晶格结构的第二段为扇形结构或者啁啾结构，用于拓展倍频过程的温度带宽，实现高效的宽带黄光输出。

532nm绿光激光器重复频率从1Hz到150KHz调谐，基波光源为脉冲或准连续；控温炉的控制精度为0.1℃；泵浦光源到谐振腔的光路上依次设有衰减器、小孔和聚焦透镜，谐振腔的输出光路上依次设有532nm激光高反射镜和只能通过590nm激光的滤光片。

再进一步的，设置不同的谐振腔，包括平平腔、平凹腔和双凹腔，需要提高参量光功率时缩短谐振腔长度，需要窄线宽的参量光输出时在谐振腔中加入分光光栅或扩束透镜组。

传统产生黄光激光的方法是用一台1319nm或1342nm激光器和一台1064nm激光器，经过非线性晶体和频产生黄光，可以获得较高功率的输出，其前提条件是，两束激光需要在空间上具有很好的交叠，如果是脉冲激光器，则需要同时在空间和时间上具有很好的交叠。另外，这种方法结构不够紧凑，不利于集成化设计。另一种方法是1319nm和1064nm，或1342nm和1064nm双波长共振和频实现黄光输出，但由于双波长共振引起两个激光模式的增益竞争，和频过程不稳定，因此导致输出黄光不稳定；由于基波光不可以调谐，产生的黄光波长调谐范围小。

相比于传统方法，利用光学超晶格作为非线性晶体，本发明提出了一种基于参量下转换级联倍频产生黄光的方案，这种方案结构上具有灵活的设计，不仅可以使用级联周期结构，还可以使用准周期、非周期、双周期结构来同时实现两个非线性过程的位相匹配，并且多个结构可以集成在一块晶片上，使结构更加紧凑，提高了系统的集成性。由于不存在双波长和频方案中的激光模式竞争问题，还可以将参量下转换过程和倍频过程设计成多个通道，从而实现宽调谐的黄光输出；由于不存在双波长和频方案中的激光模式竞争问题，能够得到稳定的激光输出，从而实现了高效稳定的全固态黄光激光器。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图3为本发明黄光功率随温度的变化图。

图4为本发明黄光功率随泵浦光功率的变化图。

图2为本发明黄光波长随温度的变化图。

图5为本发明实施例获得的黄光光斑图。

图6为本发明级联超晶格第二段为扇形结构，其黄光波长随温度变化关系图。

图7为本发明级联超晶格第二段的扇形结构示意图。

图8为本发明级联超晶格第二段的啁啾结构示意图。

图9为本发明级联超晶格第二段为啁啾结构，其波长变化引起的相位失配及归一化强度图。

具体实施方式

本发明采用高重复频率532nm绿光激光器为泵浦光源，采用一片两段级联的光学超晶格作为非线性晶体产生黄光激光输出，级联结构的光学超晶格置于控温炉中，第一段结构的周期为7.584μm，其非线性光学过程的频率变换为参量下转换过程，532nm激光下转换至968.8nm和1180nm，这一周期用来补偿参量下转换过程中的位相失配，第二段结构的周期为10.18μm，其非线性光学过程的频率变换为倍频过程，1180nm激光倍频产生590nm黄光，这一周期用来补偿倍频过程中的位相失配，其中，1180nm的参量光在腔中单共振，通过调节控温炉的温度，得到黄光倍频带宽，从而得到确定温度下黄光的最高输出功率。

本发明具体通过如下方式来实现：

本发明采用的泵浦光源为532nm绿光，重复频率可以从1Hz到150KHz调谐，因此，基波光源可以是脉冲的，也可以是准连续的，基波光经过聚焦后进入光参量系统中，光参量系统包括前腔镜、非线性变频晶体和后腔镜，晶体置于控温炉中，前腔镜和后腔镜对泵浦光为高透过率，对其中一支参量光1180nm均为高反射率。通过调节控温炉的温度实现对晶体温度的控制，从而输出具有一定温度带宽的黄光。

本发明适用于泵浦光源为532nm的激光器，泵浦激光可以是连续的，脉冲的，低重复频率或者高重复频率。通过设置不同的谐振腔来满足不同的应用要求，包括平平腔、平凹腔和双凹腔，如果需要提高参量光功率，可以采用比较短的谐振腔。如果需要窄线宽的参量光输出，则可以在谐振腔中加入分光光栅或扩束透镜组。

本发明使用光学超晶格材料的基质材料，包括同成分LiTaO₃(CLT)、同成分LiNbO₃(CLN)、化学计量比LiTaO₃(SLT)、化学计量比LiNbO₃(SLN)，掺MgO的铌酸锂、掺MgO的钽酸锂、KTP、RTP等非线性光学晶体。其中，SLT、SLN晶体相对CLT、CLN晶体具有更高的抗光损伤阈值；掺MgO的铌酸锂、掺MgO的钽酸锂晶体能够工作在室温下，且无光折变效应。根据不同晶体材料的折射率色散关系以及不同的激光晶体的发射波长可以计算出特定光学超晶格的结构参数，从而实现高效稳定黄光输出。

本发明所涉及的两段级联的光学超晶格可以使用不同的结构，包括准周期、双周期、非周期，级联周期等。级联结构的第二段可以设计多通道或者啁啾结构来拓展倍频过程的温度带宽，从而实现高效的宽带黄光输出。

以下将以高重复频率532nm激光器为抽运光源，以两段周期结构级联的光学超晶格为变频晶体，举例说明如何实现稳定高效的黄光输出。

激光器如图1所示，基波光源1由泵浦光源发出，泵浦光源为重复频率1Hz～150KHz可调的532nm脉冲激光器，激光脉冲宽度为纳秒量级。

基波光源经过衰减器2和小孔3，经聚焦透镜4聚焦到谐振腔，进入级联结构的光学超晶格内部，级联的光学超晶格10置于控温炉6中，控温炉6的控制精度为0.1℃，前腔镜5镀有多层膜，对532nm具有高透过率，对1180nm具有高反射率，后腔镜7镀有多层膜，对532nm具有高透过率，对1180nm具有高反射率，前腔镜5和后腔镜7组成对1180nm波长共振的谐振腔，532nm激光高反射镜8将剩余532nm激光反射，经过滤光片9滤掉除590nm激光以外的激光后，得到稳定高效的黄光输出。

下面介绍一下超晶格的结构设计。所谓超晶格，就是在铁电晶体中通过对非线性系数的周期性调制，从而提供倒格矢来补偿非线性相互作用中因色散带来的波矢失配，获得非线性光学效应的有效增强。光学超晶格的常见结构有周期、准周期、非周期、双周期等。

简单的周期结构只能提供一个独立的倒格矢，实现单个光参量过程的位相匹配，如倍频、和频、差频等。周期结构的倒格矢可以表述如下：

G = m \frac{2 π}{Λ},

其中Λ为周期，m为整数，代表位相匹配的阶数。

对于多个参量过程，比如参量下转换然后倍频，必须提供两个以上倒格矢分别来补偿参量下转换和倍频过程中的位相失配，这里我们使用级联周期结构来实现。

第一段结构用来实现光参量振荡过程，k_p、k_s、k_i分别代表泵浦光、信号光、闲置光的波矢，G₁代表光参量振荡过程中因色散引起的波矢失配，Λ₁为第一段结构的周期。

动量守恒公式为：

k_{p} - k_{s} - k_{i} = G_{1} = \frac{2 π}{Λ_{1}}

第二段结构用来产生倍频黄光，k_SHG代表倍频过程中黄光的波矢，G₂代表倍频过程中因色散引起的波矢失配，Λ₂为第二段结构的周期。

动量守恒公式为：

k_{SHG} - {2 k}_{i} = G_{2} = \frac{2 π}{Λ_{2}}

参量下转换和倍频过程中的相位匹配温度都设计在190℃，利用钽酸锂晶体的色散公式来计算折射率：

n_{e}^{2} (λ, T) = A + \frac{B + b (T)}{λ^{2} - {[C + c (T)]}^{2}} + \frac{E}{λ^{2} - F^{2}} + D λ^{2}

其中的参数为：

A＝4.5284

B＝7.2449×10^-3

C＝0.2453

D＝-2.3670×10^-2

E＝7.7690×10^-2

F＝0.1838

b(T)＝2.6794×10^-8(T+273.15)²

c(T)＝1.6234×10^-8(T+273.15)²

由上面的公式可以得到532nm绿光参量下转换至1180nm和968.8nm激光对应的周期为7.584μm，1180nm激光倍频至590nm黄光对应的周期为10.18μm。

上述具体实施例中聚焦透镜4将泵浦光聚焦在光学超晶格10内，前腔镜5和后腔镜7均为平行平面镜，镀膜参数为：对泵浦光高透过率，对闲置光高反射率，整个谐振腔长70mm，前腔镜5和后腔镜7还可以采用其它的腔型，例如，平凹腔，双凹腔等。

晶体采用同成分LiTaO₃(CLT)，厚度0.5mm，长4cm，采用级联周期结构，前一段结构长2cm，参与过程为532nm绿光参量下转换至1180nm和968.8nm激光，后一段结构长2cm，参与过程为1180nm激光倍频至590nm黄光。

结果如图2-4所示，图2中，当控温炉控制温度由181℃到185℃调节时，黄光波长由592.77nm到587.44nm连续可调，波长调谐范围覆盖到591nm钠黄光定标波长，这一波长可以用于天文观测自适应光学中；控制温度设定在183.4℃，泵浦光功率为2.13W时，得到信号光功率404mW，黄光功率104mW，由泵浦光到信号光的转换效率为19％，由泵浦光到黄光的转换效率为5％；黄光光斑如图5所示，在实施过程中，三个小时之内测试了黄光的稳定性，其功率变化在±5％。

由图3可以看出，黄光功率随温度变化存在最大倍频点，当温度偏离最大倍频点时，黄光功率就会降低，为了使黄光功率在很大温度范围内都能保持不变，本发明进一步设计了优化方案，设计了周期级联扇形结构的超晶格和周期级联啁啾结构的超晶格，如图7、8所示，具体实施例如下：

两段级联的光学超晶格前段用于参量过程的结构仍采用周期结构，后段用于倍频的结构采用扇形结构，采用扇形结构是为了当温度由185℃到195℃变化时，倍频黄光的功率保持不变。具体设计为：前段结构的周期7.584um，当温度由185℃到195℃变化时，闲置光波长由1.167um到1.192um变化，相应的倍频波长为583.5nm到596nm，如图6所示，周期为9.901um到10.486um，扇形结构如图7所示，因此，当温度变化时，由于扇形结构的周期是可变的，通过调节放置扇形结构超晶格的平移台，沿垂直入射光方向移动扇形结构的光学超晶格，便可以找到某一位置对应的周期满足位相匹配条件，这样通过调节光学超晶格不同位置就可以使黄光功率在很大温度范围内保持不变。

另外一种拓展倍频温度带宽的方法是将倍频过程设计成啁啾结构，如图8所示，当温度由185℃到195℃变化时，最小周期为9.901um，最大周期为10.486um，设计啁啾结构的啁啾量为0.057，啁啾结构可以拓宽黄光的调谐范围，温度变化10℃可以使黄光波长变化约12nm，图9为波长变化引起的倍频波矢失配，以及对应的黄光归一化强度。

由图3可知，实验中测量到周期结构的倍频带宽大约为3℃，黄光波长变化范围约5nm，扇形结构和啁啾结构的倍频带宽为10℃，黄光波长变化范围约12nm，由此可见，扇形结构和啁啾结构能够大大拓宽倍频温度带宽。

本发明的优化方案还包括以下几个方面：

1)、光学超晶格采用抗损伤阈值较高的SLT、SLN、MgO:LiNbO₃、MgO:LiTaO₃等晶体，由于晶体的抗损伤阈值大大提高，晶体所承受的最大泵浦光功率也相应提高，因此可以获得更高功率的黄光；

2)、本发明采用两段不同结构级联的光学超晶格，级联的光学超晶格的结构包括准周期、非周期、双周期和周期，可以采用准周期、非周期、双周期结构代替周期结构；准周期、非周期、双周期结构使两个非线性过程在空间上重合，从而大大提高了转换效率。

3)、谐振腔还可采用平凹腔、双凹腔结构，若获得窄线宽黄光，则在腔中加入FP标准具或光栅等元件。

由以上分析可以看出，从硬件上优化谐振腔及光学超晶格的质量，可以达到更高效的黄光输出。

Claims

1.以级联超晶格为变频晶体的黄光激光器，其特征是包括泵浦光源、前腔镜和后腔镜构成的谐振腔、控温炉和一片两段级联的光学超晶格，泵浦光源为532nm绿光激光器，级联的光学超晶格置于控温炉中，级联的光学超晶格和控温炉均位于谐振腔内，级联的光学超晶格作为非线性变频晶体，第一段结构的周期为7.584μm，用以实现532nm激光频率下转换至968.8nm和1180nm，第二段结构的周期为10.18μm，用以实现1180nm闲置光倍频产生590nm黄光；泵浦光源发出的光入射到谐振腔，经级联的光学超晶格后由后腔镜端输出590nm黄光。

2.根据权利要求1所述的以级联超晶格为变频晶体的黄光激光器，其特征是两段级联的光学超晶格的结构包括准周期、双周期和周期，光学超晶格的基质材料包括同成分LiTaO₃、同成分LiNbO₃、化学计量比LiTaO₃、化学计量比LiNbO₃、掺MgO的铌酸锂、掺MgO的钽酸锂、磷酸钛氧钾晶体KTP和磷酸钛氧铷晶体RTP。

3.根据权利要求1或2所述的以级联超晶格为变频晶体的黄光激光器，其特征是级联的光学超晶格结构的第二段为扇形结构或者啁啾结构，用于拓展倍频过程的温度带宽，实现高效的宽带黄光输出。

4.根据权利要求1或2所述的以级联超晶格为变频晶体的黄光激光器，其特征是532nm绿光激光器重复频率从1Hz到150KHz调谐，基波光源为脉冲或准连续；控温炉的控制精度为0.1℃；泵浦光源到谐振腔的光路上依次设有衰减器、小孔和聚焦透镜，谐振腔的输出光路上依次设有532nm激光高反射镜和只能通过590nm激光的滤光片。

5.根据权利要求3所述的以级联超晶格为变频晶体的黄光激光器，其特征是532nm绿光激光器重复频率从1Hz到150KHz调谐，基波光源为脉冲或准连续；控温炉的控制精度为0.1℃；泵浦光源到谐振腔的光路上依次设有衰减器、小孔和聚焦透镜，谐振腔的输出光路上依次设有532nm激光高反射镜和只能通过590nm激光的滤光片。

6.根据权利要求1或2所述的以级联超晶格为变频晶体的黄光激光器，其特征是设置不同的谐振腔，包括平平腔、平凹腔和双凹腔，需要提高参量光功率时缩短谐振腔长度，需要窄线宽的参量光输出时在谐振腔中加入分光光栅或扩束透镜组。

7.根据权利要求3所述的以级联超晶格为变频晶体的黄光激光器，其特征是设置不同的谐振腔，包括平平腔、平凹腔和双凹腔，需要提高参量光功率时缩短谐振腔长度，需要窄线宽的参量光输出时在谐振腔中加入分光光栅或扩束透镜组。

8.根据权利要求4所述的以级联超晶格为变频晶体的黄光激光器，其特征是设置不同的谐振腔，包括平平腔、平凹腔和双凹腔，需要提高参量光功率时缩短谐振腔长度，需要窄线宽的参量光输出时在谐振腔中加入分光光栅或扩束透镜组。

9.根据权利要求5所述的以级联超晶格为变频晶体的黄光激光器，其特征是设置不同的谐振腔，包括平平腔、平凹腔和双凹腔，需要提高参量光功率时缩短谐振腔长度，需要窄线宽的参量光输出时在谐振腔中加入分光光栅或扩束透镜组。