CN102044833A - 一种宽频连续可调谐激光的设置方法及其实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽频连续可调谐激光的设置方法，将激光光线依次透过输入镜、非线性变频晶体以及输出镜；所述激光光源采用抽运光源；所述非线性变频晶体采用MgSLN超晶格或者MgSLT超晶格。本发明还公开了一种装置包括激光光源、输入镜、非线性变频晶体以及输出镜构成的光学谐振腔；激光光源为调Q二极管激光器抽运的532nm固态激光器，其重复频率为100赫兹～100K赫兹；所述非线性变频晶体为MgSLN超晶格或者MgSLT超晶格。本发明大大提高了器件的温度调谐范围，即增大了单周期结构输出波长的可调谐范围，从而实现单周期调节范围即可覆盖1250～1700nm的通讯波段，有利于相关器件的实用化和市场化。

Description

一种宽频连续可调谐激光的设置方法及其实现装置

技术领域

本发明涉及一种特定激光的设置方法及其实现装置，特别是一种宽频连续可调谐激光的设置方法及其实现装置。

背景技术

近十几年，以高功率二极管激光器为抽运光源，利用电场极化的方法制造周期铁电光学超晶格如周期极化同成份铌酸锂和周期极化同成份钽酸锂为变频晶体，以准位相匹配方法制造出有效的结构紧凑的全固态光参量振荡激光器得到了很快发展(参见：K.Vodopyanov，Topics Appl.Phys.89，141(2003).)。但是因为同成份铌酸锂和同成份钽酸锂矫顽场比较高(＞20KV/mm)，厚样品极化困难，另外受材料本身光折变损伤和可见光引起的红外吸收影响，制造的光参量振荡激光器温度调谐范围只能在150-160℃以上才能得到稳定的输出。

化学计量比铌酸锂和化学计量比钽酸锂对光折变损伤和可见光引起的红外吸收有较强的抑制作用(U.S.patent 6211999)。在化学计量比铌酸锂和化学计量比钽酸锂中非化学计量比的缺陷数量大大减少，从而相对于同成份铌酸锂和同成份钽酸锂，其矫顽场降低了一个数量级以上，极化周期已经可以做10μm以下，同时抗光损伤阈值提高了两到三个数量级(参见：M.Nakamura，S.Takekawa，K.Terabe，K.Kitamura，T.Usami，K.Nakamura，H.ITO，and Y.Furukawa.，Ferroelectrics，273，199(2002).)。但其理想工作温度范围也只能在100～130℃以上(参见T.Hatanaka，K.Nakamura，and T.Taniuchi，Opt.Lett.，25，651(2000).以及N.E.Yu，S.Kurimura，Y.Nomura，M.Nakamura，and K.Kitamura.Appl.Phys.Lett.84，1662(2004).以及S.-Y.Tu，A.H.Kung，Z.D.Gao，and S.N.Zhu，Opt.Lett.30，2451(2005))，在100℃以下仍然存在光折变阈值低的问题，限制了单个周期的输出波长可调谐范围，如想实现大范围连续可调谐输出则需要多个周期结构，增加了制作难度和成本，也不利于实际应用。

在化学计量比铌酸锂和化学计量比钽酸锂晶体内掺入少量氧化镁，即可提高其光折变阈值。如在化学计量比铌酸锂中掺镁浓度2.0mol％，在检测光功率达到10⁷W/cm²时，仍然没有观测到光折变效应。与同成分样品相比，其光折变阈值至少提高了4个量级(参见：陈亚辉，姚江宏，颜博霞，邓浩亮，孔勇发，许京军，张光寅，中国激光，31，437(2004))。所以周期极化掺镁化学计量比铌酸锂和周期极化掺镁化学计量比钽酸锂超晶格可以作为一个非常好的选择用来制造宽调谐范围的光参量振荡激光器系统。

目前应用的高功率波长可调谐激光器多是染料激光器和钛蓝宝石激光器。染料激光器所用染料是一种化学物质，具有一定的污染性和对人体健康潜在的危害性。钛蓝宝石激光器的调谐范围比较窄而且只能工作在一个固定的波长范围内。所以他们在应用上都存在着一定的局限性。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种特定宽频连续可调谐激光的设置方法及其实现装置。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种宽频连续可调谐激光的设置方法，将激光光线依次透过输入镜、非线性变频晶体以及输出镜；

所述激光光源采用抽运光源；

所述非线性变频晶体采用MgSLN超晶格或者MgSLT超晶格，通过单周期结构的温度调节或扇形结构的周期调节，实现通讯波段宽频连续可调谐激光输出。

本发明中，抽运光源为532nm抽运激光器。

本发明中，所述MgSLN超晶格或者MgSLT超晶格采用周期性结构，所述周期结构正负铁电畴的宽度比为1∶1，使用周期结构提供的一阶倒格矢来补偿抽运光源和参量光的位相失配，以实现最大转换效率，实现参量转换周期结构为：

$2\mathrm{\π}[\frac{n_e\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{pump}}\right)}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{pump}}}-\frac{n_e\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{signal}}\right)}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{signal}}}-\frac{n_e\left({\mathrm{\λ}}_{\mathrm{idler}}\right)}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{idler}}}]-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}=0$

其中λ_pump、λ_signal以及λ_idler各自为抽运光、信号光以及闲置光的波长，n_e(λ_pump)、n_e(λ_signal)和n_e(λ_idler)分别为抽运光、信号光以及闲置光的折射率，Λ为超晶格的周期；

利用如下的色散公式来计算折射率：

$n_e^2(\mathrm{\λ},T)=A+\frac{B+b\left(T\right)}{{\mathrm{\λ}}^2-{[C+c\left(T\right)]}^2}+\frac{E}{{\mathrm{\λ}}^2-F^2}+\frac{G}{{\mathrm{\λ}}^2-H^2}+D{\mathrm{\λ}}^2$

                  A＝4.502483

                  B＝7.294×10^-3

                  C＝0.185087

                  D＝-2.357×10^-2

其中的参数分别为：E＝7.3423×10^-2            。

                  F＝0.199595

                  G＝0.001

                  H＝7.99724

                  b(T)＝3.483933×10^-8(T+273.15)²

                  c(T)＝1.607839×10^-8(T+273.15)²

本发明还公开了一种宽频连续可调谐激光的设置装置，包括激光光源、输入镜、非线性变频晶体以及输出镜构成的光学谐振腔；

激光光源为调Q二极管激光器抽运的532nm固态激光器，其重复频率为100赫兹～100K赫兹；

所述非线性变频晶体为MgSLN超晶格或者MgSLT超晶格。

本发明中，所述输入镜为对抽运光高透射对信号光高反射的透镜，其对抽运光的透射率＞99％，信号光的反射率＞99％；所述输出镜为对抽运光和闲置光高透射率的透镜，其对抽运光和闲置光的透射率＞99％，对信号光透射率为50％～80％。

本发明中，所述输入镜包括与入射光线呈45°放置的平面反射镜以及银镜，所述银镜的反射面对准所述非线性变频晶体；所述输出镜为对抽运光和闲置光高透射率的透镜，所述透镜对信号光透射率为50％～80％。

本发明中，所述平面反射镜与所述银镜之间设有一个扩束镜或一个分光光栅，用于获得较窄的输出线宽。本发明中对扩束镜以及分光光栅没有任何特定的性质要求，任何扩束镜以及分光光栅均能实现本发明的目的。

本发明中，所述输入镜包括与入射光线呈45°放置的平面反射镜以及银镜，所述银镜的反射面对准所述非线性变频晶体；所述输出镜包括一个分光光栅和一个银镜，从非线性变频晶体透过的光掠入射到分光光栅上，部分信号光折射到银镜上，再通过银镜将这部分信号光反射回光学谐振腔内形成共振。

本发明中，所述MgSLN超晶格或MgSLT超晶格为周期为6.95μm的极化MgSLN超晶格或者周期为8.2μm的MgSLT超晶格；所述非线性变频晶体放置在控温炉中，控制非线性变频晶体温度的范围为25℃～300℃，使闲置光覆盖1.27～1.68μm的光通讯波段。

本发明中，所述MgSLN超晶格或MgSLT超晶格为扇形周期结构，周期渐变范围为6.95～7.56μm的MgSLN超晶格或8.2～8.95μm的MgSLT超晶格，在温度为室温25℃时，通过机械调节周期实现输出波长的调谐范围为1.27～1.68μm。

有益效果：本发明具有轻便、环保、耐用、成本低和调节简便等优点。它可以代替现在市场上的染料激光器和钛：蓝宝石激光器作为可调谐激光光源。应用在光学通讯、激光光谱学、物理化学、生物科学研究和生物显微成像等方面；其高功率特性可以激发一些非线性光学效应，替代皮秒及飞秒激光器成为生物及材料(纳米和半导体等)显微成像设备的光源。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明8微米周期极化MgSLT光参量振荡激光器温度输出特性曲线图。

图2是不同温度下周期极化MgSLT光参量振荡激光器输出效率特性图。

图3是本发明中扇形周期结构示意图。

图44a～4d是本发明四种实施例的谐振腔结构示意图。

图5为图4a和图4d的实施例输出线宽比较。

具体实施方式

本发明以掺镁化学计量比铌酸锂(MgSLN)或掺镁化学计量比钽酸锂超晶格(MgSLT)为变频晶体的光参量振荡激光器的设置方法：采用绿光(532nm)等激光为抽运光源(基波光；用来实现频率变换的基频光)，以MgSLN或MgSLT超晶格为非线性变频晶体，通过周期超晶格的温度调节，或利用扇形周期结构超晶格横向移动(改变通光路径上的周期)实现大范围连续可调谐激光输出。根据抽运光源的工作特性输出的激光可以是连续的，也可以是脉冲的，可以是高重复频率，也可以是低重复频率。并且可以通过设计不同的谐振腔来满足不同的应用要求，如需要高功率参量光输出，可以采用比较紧凑的谐振腔，尽量缩短腔长，提高输出效率。如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实现压窄输出光线宽。

本发明周期结构的光学超晶格可以用于倍频，和频和差频等参量过程的频率转换。周期结构超晶格的倒格矢可以表示为：

其中Λ为周期，m为一整数，也就是说所有的倒格矢是一阶倒格矢的整数倍。

利用超晶格的参量过程是实现激光变频输出的重要手段。本发明周期结构的温度调节或扇形结构的周期调节来实现以532nm激光为抽运光源的可调波长激光输出。为了利用最大的有效非线性系数，得到最高的转换效率，利用周期结构提供的一阶倒格矢来匹配参量过程中的位相失配，从而得到最高的转换效率。

本发明中，以8.0μm周期极化MgSLT样品为变频晶体得到的输出波长与温度的关系如图1，30～200℃得到855nm-1410nm(包括信号光和闲置光)的连续可调谐输出。在四个温度点(36℃、70℃、135℃和200℃)测量得到泵浦光到信号光的转换效率，如图2所示。在光参量振荡过程中，很多因素都会影响到系统的转换效率，如出射腔镜(输出镜)的选择(腔镜的类型，对共振光的反射率等)、谐振腔的结构和信号光的波长等。在实验中，可调谐波长范围内效率都很高。从图2得到周期极化MgSLT-光参量振荡激光器的阈值大约7MW/cm²，温度36℃、70℃、135℃和200℃时对应信号光波长是1017、959、898和856nm，在1.6W的泵浦光输入条件下，信号光的斜率效率分别是38.2％、43.3％、48.4％和50.9％，相应的光子斜率效率73％、78％、。81.7％和81.9％，这是一个相当可观的转换效率。一致的高转换效率证明周期极化MgSLT光参量振荡激光器在整个温度区间可以稳定工作，而没有发生光折变损伤或绿光引起的红外吸收现象。单个周期具有更大的可调谐波长输出范围，而且对光折变损伤具有更好的抑制。在50MW/cm²的532nm泵浦光输入条件下，测量了出射光的光束质量，在1386nm波长时M²～1.25±0.1，在1116nm时M²～1.12±0.1，接近衍射极限。好的光束质量也归功于MgSLT对光折变的抑制和比较小的温度波动(绿光引起的红外吸收)。

经过以上的研究和实验测量，本发明中MgSLT的光折变损伤在应用于光参量放大和光参量振荡过程中已经降低到正常工作可以接受的程度。而且在一个设定好的谐振腔中参量振荡产生以后上述光折变损伤现象已基本消失。从而可以制造出能实现高效参量光转换的连续可调输出小型全固态激光器。

本发明装置包括以下部分(以MgSLT超晶格为例)：

一、非线性变频晶体的单周期结构设计：根据以上数据，使用一个周期为8.2μm的周期极化掺镁化学计量比钽酸锂光学超晶格(参见S.N.Zhu，Y.Y.Zhu，Z.Y.Zhang，H.Shu，H.F.Wang，J.F.Hong，and C.Z.Ge，J.Appl.Phys.77，5481(1995).)，以532nm激光为抽运光源，在工作温度从25℃到300℃的情况下，参量光的调谐范围如表1，闲置光部分可以覆盖1.27～1.68μm的光通讯波段。

表1

二、非线性变频晶体的扇型周期结构设计：本发明包括使用扇形周期结构如图3所示，周期渐变范围从8.2～8.95μm，在温度为室温(25℃)条件下，达到同样的调谐范围(1.27～1.68μm)。通过机械的调节实现输出波长的调谐，使调谐更快速，方便，克服了温度波动对输出的影响，同时提高了响应速度。

三、谐振腔的设计：本发明实施中包括几种光学谐振腔，都可以实现本发明宽可调范围、有效的稳定输出。

第一种光学谐振腔是由一个对抽运光高透射对参量光高反射的透镜作为入射腔镜(即输入镜)，如图4a所示，图中实线代表抽运光路径虚线代表信号光路径，出射腔镜(即输出镜)为抽运光和闲置光高透射率，对信号光透射率在50％～80％，从而实现单共振，这样做的目的是通过最短的谐振腔腔长得到最大转换效率，这种腔结构非常简单，易于实现。

第二种光学谐振腔，如图4b所示，图中实线代表抽运光路径虚线代表信号光路径，是用一个45°放置的平面镜置于谐振腔中，在45°条件下，对抽运光高反射而对参量光高透射从而将抽运光引入谐振腔，以镀银的平面反射镜作为一个腔镜，出射腔镜为对抽运光和闲置光高透射率，对信号光透射率在50％～80％，这样的组合有利于实现宽的可调谐范围。

第三种光学谐振腔，如图4c所示，图中实线代表抽运光路径虚线代表信号光路径，是在第二种组合的基础上在45°平面镜和镀银平面反射镜之间加入一个扩束镜或一个分光光栅，这样做的目的是可以得到比较窄的输出线宽，从而使整个光参量振荡系统更好应用在各种光谱分析中。

第四种光学谐振腔，如图4d所示，图中实线代表抽运光路径虚线代表信号光路径，是在第二种腔镜基础上，用一个分光光栅代替出射腔镜，使入射光线掠入射到分光光栅上，用一个镀银的平面镜将部分信号光再反射回腔内，使之形成共振。这样做的好处与第三种谐振腔相似，可以得到比较窄的线宽输出。图5是实验中测量到的第一种谐振腔结构和第四种谐振腔结构条件下信号光的线宽比较，可以很明显的看到在增加光栅的情况下线宽有明显的变窄。

以上实施例中的MgSLN或MgSLT可以由日本的Oxide公司购得，并且两者可以互换作为非线性变频晶体，MgSLN单周期结构参数为6.95μm，扇形周期结构为6.95～7.56μm，对其余不需要做任何的修改，同样可以实现本发明的目的。

本发明谐振腔结构包括上面内容所提到的多种谐振腔结构。不同谐振腔结构可以实现不同的特性输出，从而满足不同的应用需求。如需要高功率参量光，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。

本发明提供了一种宽频连续可调谐激光的设置方法及其实现装置的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种宽频连续可调谐激光的设置方法，其特征在于，将激光光线依次透过输入镜、非线性变频晶体以及输出镜；

所述激光光源采用抽运光源；

所述非线性变频晶体采用MgSLN超晶格或者MgSLT超晶格，通过单周期结构的温度调节或扇形结构的周期调节，实现通讯波段宽频连续可调谐激光输出。

2.根据权利要求1所述的一种宽频连续可调谐激光的设置方法，其特征在于，抽运光源为532nm抽运激光器。

3.根据权利要求1所述的一种宽频连续可调谐激光的设置方法，其特征在于，所述MgSLN超晶格或者MgSLT超晶格采用周期性结构，所述周期结构正负铁电畴的宽度比为1∶1，使用周期结构提供的一阶倒格矢来补偿抽运光源和参量光的位相失配，以实现最大转换效率，实现参量转换周期结构为：

其中λ_pump、λ_signal以及λ_idler各自为抽运光、信号光以及闲置光的波长，n_e(λ_pump)、n_e(λ_signal)和n_e(λ_idler)分别为抽运光、信号光以及闲置光的折射率，Λ为超晶格的周期；

利用如下的色散公式来计算折射率：

                  A＝4.502483

                  B＝7.294×10^-3

                  C＝0.185087

                  D＝-2.357×10^-2

其中的参数分别为：E＝7.3423×10^-2                    。

                  F＝0.199595

                  G＝0.001

                  H＝7.99724

                  b(T)＝3.483933×10^-8(T+273.15)²

                  c(T)＝1.607839×10^-8(T+273.15)²。

4.一种实现权利要求1所述的方法的装置，其特征在于，包括激光光源、输入镜、 非线性变频晶体以及输出镜构成的光学谐振腔；

激光光源为调Q二极管激光器抽运的532nm固态激光器，其重复频率为100赫兹～100K赫兹；

所述非线性变频晶体为MgSLN超晶格或MgSLT超晶格。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述输入镜为对抽运光高透射对信号光高反射的透镜，其对抽运光的透射率＞99％，信号光的反射率＞99％；所述输出镜为对抽运光和闲置光高透射率的透镜，其对抽运光和闲置光的透射率＞99％，对信号光透射率为50％～80％。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述输入镜包括与入射光线呈45°放置的平面反射镜以及银镜，所述银镜的反射面对准所述非线性变频晶体；所述输出镜为对抽运光和闲置光高透射率的透镜，所述透镜对信号光透射率为50％～80％。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述平面反射镜与所述银镜之间设有一个扩束镜或一个分光光栅，用于获得较窄的输出线宽。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述输入镜包括与入射光线呈45°放置的平面反射镜以及银镜，所述银镜的反射面对准所述非线性变频晶体；所述输出镜包括一个分光光栅和一个银镜，从非线性变频晶体透过的光掠入射到分光光栅上，部分信号光射向银镜，银镜将信号光反射回光学谐振腔内形成共振。

9.根据权利要求4至8中任意一项所述的装置，其特征在于，所述MgSLN超晶格或MgSLT超晶格为周期为6.95μm的极化MgSLN超晶格或者周期为8.2μm的MgSLT超晶格；所述非线性变频晶体放置在控温炉中，控制非线性变频晶体温度的范围为25℃～300℃，使闲置光覆盖1.27～1.68μm的光通讯波段。

10.根据权利要求4至8中任意一项所述的装置，其特征在于，所述MgSLN超晶格或MgSLT超晶格为扇形周期结构，周期渐变范围为6.95～7.56μm的MgSLN超晶格或8.2～8.95μm的MgSLT超晶格，在温度为室温25℃时，通过机械调节扇形结构在光路上的周期，实现输出波长的调谐范围为1.27～1.68μm。 

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