CN102244354B - 基于光学超晶格的超量子转换极限中红外激光器及构造方法 - Google Patents

Abstract

基于光学超晶格的超量子转换极限的中红外激光器的构造方法，利用下述结构的光学超晶格，光学超晶格的结构同时提供两个倒格矢，其中一个倒格矢用来补偿由近红外到中红外的光参量振荡OPO过程的位相失配，另外一个倒格矢用来补偿由OPO过程的信号光泵浦光参量放大OPA过程的位相失配，该过程可将OPO过程中产生的中红外激光进一步放大，从而得到超量子转换极限的更高效的中红外激光输出；所述光学超晶格采用公度比双周期结构。得到超量子转换极限的更高效的中红外激光器。

Description

基于光学超晶格的超量子转换极限中红外激光器及构造方法

技术领域

本发明属于非线性频率转换和激光技术领域，具体是一种基于特殊结构设计光学超晶格的光参量振荡级联光参量放大从而获得超量子转换极限的中红外激光的产生方法，用以构建高转换效率、高功率的中红外激光器或者是多波长的近、中红外激光器。

背景技术

在光谱学中，波长范围在0.75μm至1000μm之间的称为红外线，通常人们将其划分为近、中、远红外三部分，近红外波长范围为0.75-3.0μm；中红外波长范围为3-20μm；远红外波长范围为20-1000μm。中红外光波在遥感、探测、医疗和生物成像中有着重要的应用，特别是中红外激光以其高亮度、良好的相干性和极高的空间分辨力有广泛的应用，如激光定向红外干扰、激光通讯、红外测距等。中红外光参量振荡器(Mid-IR-OPO)由于具有调谐范围广，结构紧凑，可全固化，可实现大功率、窄线宽输出等特点，一直是研究的热点[1]。在光参量振荡器中，为了得到较高的光-光转换效率，一般采用双折射位相匹(BPM)或准位相匹配(QPM)技术。实现准位相匹配技术的非线性晶体主要包括周期极化的铌酸锂(PPLN)、钽酸锂(PPLT)、掺镁铌酸锂(PPMgO:LN)和磷酸氧钛钾(PPKTP)等。传统的MIR-OPO，一般是采用1.0μm附近的近红外激光泵浦非线性晶体，通过OPO(ω_p＝ω_s+ω_i)过程产生4.0μm左右的中红外激光，一个泵浦光子ω_p劈裂为一个信号光子ω_s和一个闲置光子ω_i。理论上从泵浦光到闲置光的光子转换效率η_i最高为100％，能量转换效率最高为25％[2]。20世纪90年代，Karl Koch等人首次提出使用两块非线性晶体，一块用来实现OPO过程，另一块用来实现OPO过程中产生的信号光与闲频光的差频(DFG)过程，从而得到了更高效率的中红外激光输出[3]，理论上光子效率较单个OPO过程提高了一倍。自从该方案提出，一系列的理论与实验结果也相继被报道，相关的工作有：

1998年，M.E.Dearborn等人在Optics Letters上发表了“Greater than 100％photon-conversion efficiency from an optical parametric oscillator with intracavitydifference-frequency mixing”，作者采用脉宽为100皮秒的Nd:YAG激光器同步泵浦OPO-DFG振荡器，两块PPLN晶体分别置于两个控温炉中，其提供的倒格矢用来匹配OPO、DFG过程中的位相失陪，得到了高效的波长为3.5μμm的中红外输出，光子效率η_i达110％[4]。

2004年，G.Arisholm等人在Optics Express上发表了“Optical parametric masteroscillator and power amplifier for efficient conversion of high-energy pulses with high beamquality”，作者采用OPO级联多个光参量放大OPA过程，使用多块KTP晶体，实现信号光和闲置光的总转化效率为52％[5]。

2004年，H.C.Guo等人在J.Phys.Condens.Matter上发表了“Mid-infrared radiationin an aperiodically poled LiNbO3 superlattice induced by cascaded parametric processes”，为得到LN晶体吸收较大的4-5μm的中红外输出，作者采用一块非周期的LN晶体，同时补偿OPO-DFG两个过程的波矢失配，并从理论上预言了其结构优势与该方案的可行性[6]。

2008年，北京工业大学王丽等人申报了“全固态中红外光参量差频激光器”的专利，该专利利用全固态激光器输出的抽运光与由可调谐半导体激光器输出的信号光在满足相位匹配条件下共线入射到光参量放大器，由光参量放大器输出的信号光和闲频光在满足相位匹配条件下，再经过会聚透镜后，入射到光参量差频激光器，实现了中红激光波段的连续可调谐激光输出[7]。

2010年，G. Porat等人在Optics Letters上发表了“Simultaneous parametric oscillationand signal-to-idler conversion for efficient downconversion”，作者采用特殊方式排列的准周期MgO:LN晶体，构建了OPO-DFG的振荡器，相对于传统的单个OPO过程，泵浦光到中红外激光的转换效率提高了16.6％，斜率效率提高了52.8％[8]。

OPA辅助的OPO(OPO-OPA)过程用来增强泵浦光到中红外光转化效率的方案自提出至今，已得到了很好的发展。之前报道的工作基本上是使用两块非线性晶体实现，这增加了光路的复杂性和调节的难度。直到最近，才有在一块非线性晶体中同时实现两个非线性过程的实验报道，但报道中使用的是准周期极化的非线性晶体，由于准周期序列在生成时会产生最小畴，因此不利于极化大口径的光学超晶格，限制了其在大功率中红外激光器中的应用。

参考文献

1、张兴宝，王月珠，姚宝权，鞠有伦，陈德应，《激光杂志》，2005年第26卷第6期

2、J.M.Fraser and C.Ventalon，Appl.Opt.45，4109-4113(2006)

3、K.Koch，G.T.Moore，and E.C.Cheungy，J.Opt.Soc.Am.B 12，2268-2273(1995)

4、M.E.Dearborn，K.Koch，and G.T.Moore，Opt.Lett.23，759(1998)

5、G.Arisholm，O.Nordseth，and G.Rustad，“，”Opt.Exp.12，4189-4197(2004)

6、H.C.Guo，Y.Q.Qin，Z.X.Shen，and S.H.Tang，J.Phys.Condens.Matter 16，8465(2004)

7、王丽、李光、门艳彬、张新平，专利，公开号101272029(2008)

8、G.Porat，O.Gayer，and A.Arie，Opt.Lett.35，1401-1403(2010)

发明内容

本发明目的是，解决现有的利用OPO-OPA增加中红外激光输出的方案结构复杂，不利于调节和集成化，并且不易得到大口径、高光学质量的光学超晶格，因此不利于实现高转化效率、高功率的中红外激光输出，提出一种高转化效率、高功率的中红外激光器。

本发明的技术方案为：基于光学超晶格的超量子转换极限的中红外激光器，其特征是利用特殊结构设计的光学超晶格，同时提供两个倒格矢，其中一个倒格矢用来补偿由近红外到中红外的OPO过程的位相失配，另外一个倒格矢用来补偿由OPO过程产生的信号光泵浦的OPA过程的位相失配，该过程作用是把OPO过程中产生的中红外激光进一步放大，从而得到超量子转换极限的更高效的中红外激光输出。

用于实现OPO-OPA过程的光学超晶格可以是级联的周期结构、公度比双周期结构，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。

基波光源为脉冲或连续；控温炉的控制精度为±0.1℃；泵浦光源到OPO-OPA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1064nm激光高反射镜和只能通过3.8-4.0μm激光的滤波片。

可以设置不同的谐振腔，包括平平腔、平凹腔、双凹腔或环形腔，需要得到连续中红外输出时使用环形腔，另外还可以根据实验的具体要求选择不同的配置。

OPO-OPA过程的泵浦源可以是Nd:YAG、Nd:YVO₄、Nd:GdVO₄等产生的1μm或1.3μm激光，也可以是掺Tm、Ho的晶体产生的2μm左右的激光，或者是光纤激光器产生的1μm、1.3μm、1.5μm、2μm左右的激光。

以公度比双周期超晶格的设计为例，具体过程如下：

双周期结构是介于周期和准周期之间的一种结构，该结构受到两种周期的调制。定义这两种调制周期分别为l、L，不妨令l＜L，双周期结构就是用L为周期对原来周期为l的结构进行调制所得到的(图1)。双周期结构提供的倒格矢可以表示为：

G_m，n＝G_m+G_n＝mG_l+nG_L

其中G_l＝2π/l，G_L＝2π/L，它们分别是这两个周期的一阶倒格矢，m，n为整数。假设G_m，n和G_m′，n′是超晶格中的两个倒格矢，分别可用来补偿OPO和OPA过程中的波矢失配，Δk_OPO＝k_p-k_s-k_i和Δk_OPA＝k_s-k_i2-k_i。其中k_p，k_s，k_i，k_i2分别是泵浦光，OPO过程的信号和闲置光，OPA过程闲置光的波矢。

在双周期超晶格中的准相位匹配条件是

Δk_OPO＝k_p-k_s-k_i-G_m，n＝0

Δk_OPA＝k_s-k_i2-k_i-G_m′，n′＝0

从上述方程我们可以获得双周期结构的倒格矢与波矢失配的关系为

$G_{m,n}=m{G}_l+{\mathrm{nG}}_L=\mathrm{\Δ}{k}_{\mathrm{OPO}}=2\mathrm{\π}(\frac{n_p}{{\mathrm{\λ}}_p}-\frac{n_s}{{\mathrm{\λ}}_s}-\frac{n_i}{{\mathrm{\λ}}_i})=\frac{2\mathrm{\πm}}{l}+\frac{2\mathrm{\πn}}{L}$

$G_{m^{\′},n^{\′}}=m^{\′}{G}_l+{n^{\′}G}_L=\mathrm{\Δ}{k}_{\mathrm{OPA}}=2\mathrm{\π}(\frac{n_s}{{\mathrm{\λ}}_s}-\frac{n_i}{{\mathrm{\λ}}_i}-\frac{n_{s2}}{{\mathrm{\λ}}_{i2}})=\frac{2\mathrm{\π}{m}^{\′}}{l}+\frac{2\mathrm{\π}{n}^{\′}}{L}$

其中λ_p，λ_s，λ_i，λ_i2分别是泵浦光，OPO过程的信号和闲置光，OPA过程闲置光的波长，n_p，n_s，n_i，n_i2分别是其折射率。特别的选择泵浦光波长为1064nm，匹配温度为180℃，基质材料为同成分LiTaO₃，根据色散方程，并选择(1，1)和(1，-1)阶倒格矢来补偿两个过程的波矢失配，可以得到小周期l＝29.8μm和调制周期L＝625.8μm(L/l＝21)。该结构对应的傅里叶变换频谱如图2所示，(1，1)阶倒格矢用来补偿OPO过程的波矢失配，(1，-1)阶倒格矢用来补偿OPA过程的波矢失配，两者的傅里叶系数分别为0.38和0.425。超晶格基质材料也可以是同成分LiNbO₃、化学计量比LiTaO₃、化学计量比LiNbO₃、掺MgO的LiNbO₃、掺MgO的LiTaO₃、磷酸钛氧钾晶体(KTP)和磷酸钛氧铷晶体(RTP)等。一般小周期l为30μm左右，调制周期L为600μm左右。

更一般情况下，发生OPO(ω_p＝ω_s+ω_i)级联OPO(ω_s＝ω_s2+ω_i2)过程，只有在第一个OPO过程的闲置光频率与第二个OPO过程的信号光频率一致时(ω_i＝ω_s2)，第二个OPO过程就转变成OPA过程，对第一个OPO产生的闲置光进行放大。使用过程中最重要的是两个过程的对准问题，理论计算两个OPO过程的中红外光波长随温度的变化曲线如图3，在温度为180℃时，OPO和OPA过程同时满足相位匹配，处于中红外波段的光被放大。

本发明的有益效果是：与传统的单个OPO过程实现中红外输出相比，理论上OPO-OPA过程可获得200％，甚至300％的量子效率，此时能量转换效率可达100％。相比其它利用准周期的非线性晶体实现OPO-OPA过程，本发明的关键之处在于，采用公度比双周期结构，生成的序列中不会产生最小畴，且最小周期有近30μm，有利制备出更厚的光学超晶格，从而为制作适合大功率输出的高光学质量的大口径超晶格提供了切实可行的方案。相对于使用两块或多块非线性晶体的技术方案，使用一块超晶格更有利于光路调节，并且可实现小型化、集成化。

附图说明

图1为本发明双周期结构序列示意图。

图2为本发明双周期结构序列傅利叶变换频谱图。

图3为本发明理论计算两个过程中红外光波长随温度变化图。

图4为本发明构造的中红外激光器结构示意图。

图5为本发明OPA过程2.3μm激光的功率随温度的变化图。

图6为本发明实施例在相位匹配温度时输出谱线图。

图7为本发明中红外输出功率随泵浦功率变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

利用实验，对公度比双周期超晶格实现OPO-OPA过程进行了实验验证。

实验中使用的超晶格基底材料为同成分LiTaO₃，设计过程为1064nm的泵浦光经OPO过程产生1.5μm左右信号光和3.9μm左右的闲置光，3.9μm作为种子源，1.5μm信号光作为泵浦源泵浦OPA过程，放大3.9μm的中红外光。超晶格长度大约40mm，宽度大约10mm。为了方便对比，我们同时制作了均匀周期和双周期超晶格模板，最后通过制版、光刻、极化等工艺，制备获得所需的同成分钽酸锂样品(PPSLT)。

将制备的超晶格样品抛光镀膜后，进行光参量实验，实验光路如图4所示。以实现1064nm泵浦的OPO-OPA过程为例，图中：包括泵浦光源1，对泵浦光45度高反的平镜2，3；可连续调谐泵浦光功率的衰减器4，5为选模小孔；泵浦光经过透镜6聚焦到超晶格9上，超晶格置于控温炉10中，共同置于由两曲率均为100mm的凹镜组成的谐振腔中，超晶格两端镀有1064，1400-1500，和3800-4200nm增透膜，两腔镜镀1400-1500nm的高反膜，1064和3800-4200nm增透膜，因此采用的谐振腔是信号光单共振；11为滤波片，只允许中红外光通过，探测器12、13分别是功率计和光谱仪，用来测量中红外的功率和输出光谱。实验过程中由于没有中红外的光谱仪，不能直接观测到如图3所示的两个过程中红外光的谱线调谐，使用只有2.3μm左右的光能通过的滤波片，通过测量其功率随温度的调谐曲线(图5)，间接反映出OPO和OPA两个过程的对准温度为155℃，且有20℃左右的温度带宽。如图6所示，此温度下对应的输出谱线为1.46μm和1.165μm(对应2.330μm的倍频)，实际发生的过程为1.064μm→1.46μm+3.92μm和1.46μm→3.92μm+2.33μm，得到3.92μm中红外的增强输出。实验与理论计算的误差来源于色散方程的不精确，并且理论计算时未考虑热膨胀。最后，在温度匹配点，分别测量了单个OPO过程和OPO-OPA过程中中红外的输出功率与泵浦功率的调谐曲线，如图7，可以看到较单个来说，OPO-OPA过程的中红外光输出无论从转换效率还是斜率效率都有了较大提，转换效率提高了58.9％，从11.2％提高到17.8％，斜率效率提高了67.6％，从14.2％提高到23.8％。在最大泵浦功率为2.85W时，得到了508mW的中红外光输出。在实验过程中，入射到晶体的峰值功率密度为43MW/cm²，远小于我们以前工作报道的170MW/cm²，晶体没有出现任何损伤。如果使用更大功率的基波源，增大入射光斑面积，那么就可以得到更高功率的中红外光输出。

本发明可以参照下面所述的方式实现：本发明提供的基于光学超晶格的超量子转换极限的中红外激光器的构造方法，使用的光学元件与材料有：泵浦光源1，对泵浦光45度高反的平镜2，3；可连续调谐泵浦光功率的衰减器4，5为选模小孔；泵浦光经过透镜6聚焦到公度比双周期超晶格9上，超晶格置于控温炉10中，共同置于由两曲率均为100mm的凹镜组成的谐振腔中，超晶格两端镀有泵浦光、信号光和中红外光的增透膜，两腔镜镀信号光的高反膜，泵浦光和中红外光的增透膜，因此谐振腔是信号光单共振；11为滤波片，只允许中红外光通过，探测器12、13分别是功率计和光谱仪，用来测量中红外的功率和输出光谱。

实施例1：

按照图4制作一台基于光学超晶格的超量子转换极限的中红外激光器。用于泵浦OPO-OPA谐振腔的1064nm激光器1，对1064nm45度高反的平镜2，3；可连续调谐泵浦光功率的衰减器4，5为选模小孔；泵浦光经过透镜6聚焦到公度比双周期超晶格9上，超晶格置于控温炉10中，共同置于由两曲率均为100mm的凹镜组成的谐振腔中，腔长约为100mm；超晶格两端镀有1064，1400-1500，和3800-4200nm增透膜，两腔镜镀1400-1500nm高反膜，1064和3800-4200nm增透膜，因此谐振腔是信号光单共振；11为滤波片，只允许中红外光通过，探测器12、13分别是功率计和光谱仪，用来测量中红外的功率和输出光谱。也可根据腔模与泵浦光模式匹配情况选择不同的腔型、腔长和透镜的焦距。谐振腔可以是平平腔、平凹腔或双凹腔，当需要得到连续中红外输出时使用环形腔。

实施例2：

按照图4制作一台基于光学超晶格的超量子转换极限的中红外激光器。与实施例1不同的是用于泵浦OPO-OPA谐振腔激光器1波长为1.3μm，对1.3μm 45度高反的平镜2，3；可连续调谐泵浦光功率的衰减器4，5为选模小孔；泵浦光经过透镜6聚焦到公度双周期超晶格9上，超晶格置于控温炉10中，共同置于由两曲率均为100mm的凹镜组成的谐振腔中，腔长约为100mm；超晶格两端镀有1.3μm，2μm和3.9μm增透膜，两腔镜镀2μm高反膜，1.3μm和3.9μm增透膜，因此谐振腔是信号光单共振；11为滤波片，只允许中红外光通过，探测器12、13分别是功率计和光谱仪，用来测量中红外的功率和输出光谱。理论上光子效率可达300％，转换效率可达100％。可根据腔模与泵浦光模式匹配情况选择不同的腔型、腔长和透镜的焦距。

实施例3：

按照图4制作一台基于光学超晶格的超量子转换极限的中红外激光器。与实施例1、2不同的是用于非线性频率变换的超晶格为级联的周期结构，可根据具体匹配过程的需要，设计不同的匹配温度和周期，实现中红外光的增强输出。

实施例4：

按照图4制作一台基于光学超晶格的超量子转换极限的中红外激光器。与实施例1、2不同的是用于泵浦的激光器1是波长在1μm和1.5μm左右的光纤激光器，也可是掺Ho，Tm的2μm激光器，根据具体匹配过程设计不同的公度比双周期和级联周期结构的超晶格，实现高效、高功率的中红外输出。

Claims (5)

1.一种基于光学超晶格的超量子转换极限的中红外激光器的构造方法，其特征是利用下述结构的光学超晶格，光学超晶格的结构同时提供两个倒格矢，其中一个倒格矢用来补偿由近红外光产生中红外光的OPO过程的位相失配，另外一个倒格矢用来补偿由OPO过程的信号光作为泵浦光的OPA过程的位相失配，该过程能够可将OPO过程中产生的中红外激光进一步放大，从而得到超量子转换极限的中红外激光输出；所述光学超晶格采用两个调制周期的比值为整数的双周期结构；

两个调制周期的比值为整数的双周期的光学超晶格是两个调制周期的比值为整数的光学超晶格，双周期结构是介于周期和准周期之间的一种结构，该结构受到两种周期的调制；定义这两种调制周期分别为l、L，当l＜L，双周期结构就是用L为周期对原来周期为l的结构进行调制所得到的；双周期结构提供的倒格矢表示为：

G_m，n＝G_m+G_n＝mG_l+nG_L

其中G_l＝2π/l，G_L＝2π/L，它们分别是这两个周期的一阶倒格矢，m，n为整数；假设G_m，n和G_m′，n′是两个调制周期的比值为整数的双周期超晶格中的两个倒格矢，分别可用来补偿OPO和OPA过程中的波矢失配，Δk_OPO＝k_p-k_s-k_i和Δk_OPA＝k₃-k_i2-k_i；其中k_p，k_s，k_i，k_i2分别是泵浦光源，OPO过程的信号和闲置光，OPA过程闲置光的波矢；

在双周期超晶格中的准相位匹配条件是

Δk_OPO＝k_p-k_s-k_i-G_m，n＝0

Δk_OPA＝k_s-k_i2-k_i-G_m′，n′＝0

从上述方程获得双周期结构的倒格矢与波矢失配的关系为

$G_{m,n}={\mathrm{mG}}_l+{\mathrm{nG}}_L={\mathrm{\Δk}}_{\mathrm{OPO}}=2\mathrm{\π}(\frac{n_p}{{\mathrm{\λ}}_p}-\frac{n_s}{{\mathrm{\λ}}_s}-\frac{n_i}{{\mathrm{\λ}}_i})=\frac{2\mathrm{\πm}}{l}+\frac{2\mathrm{\πn}}{L}$

$G_{m^{\′},n^{\′}}=m^{\′}{G}_l+n^{\′}{G}_l+n^{\′}{G}_L={\mathrm{\Δk}}_{\mathrm{OPA}}=2\mathrm{\π}(\frac{n_s}{{\mathrm{\λ}}_s}-\frac{n_i}{{\mathrm{\λ}}_i}-\frac{n_{s2}}{{\mathrm{\λ}}_{s2}})=\frac{{2\mathrm{\πm}}^{\′}}{l}+\frac{{2\mathrm{\πn}}^{\′}}{L}$

其中λ_p，λ_s，λ_i，λ_i2分别是泵浦光源，OPO过程的信号和闲置光，OPA过程闲置光的波长；n_p，n_s，n_i，n_i2分别是泵浦光源，OPO过程的信号和闲置光，OPA过程闲置光的折射率。

2.根据权利要求1所述的基于光学超晶格的超量子转换极限的中红外激光器的构造方法，其特征是用于实现OPA辅助OPO过程的光学超晶格是单一周期结构或级联周期结构，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LiNbO₃、掺MgO的LiTaO₃、磷酸钛氧钾晶体（KTP）或磷酸钛氧铷晶体（RTP）。

3.根据权利要求1或2所述的基于光学超晶格的超量子转换极限的中红外激光器，其特征是包括泵浦光源、前腔镜和后腔镜构成的谐振腔、控温炉和一片公度比双周期的光学超晶格，两个调制周期的比值为整数的双周期结构的光学超晶格置于控温炉中，两者共同放置于由前后腔镜组成的谐振腔中，根据泵浦光源波长、所需输出的波长、位相匹配温度，利用非线性晶体的色散关系，选择合适的双周期结构参数；两个调制周期的比值为整数的双周期光学超晶格能提供一系列倒格矢，其中双周期光学超晶格的傅立叶系数最大的两个倒格矢G_1，1和G_1，-1分别用来补偿OPO和OPA过程中的位相失配；泵浦光源是Nd:YAG、Nd:YVO₄或Nd:GdVO₄产生的1μm至2μm的激光。

4.根据权利要求3基于光学超晶格的超量子转换极限的中红外激光器，其特征是设置的谐振腔包括平平腔、平凹腔或双凹腔，或需要得到连续中红外输出时使用环形腔。

5.根据权利要求3基于光学超晶格的超量子转换极限的中红外激光器，其特征是OPO与OPA过程的泵浦光源是Nd:YAG、Nd:YVO₄或Nd:GdVO₄产生的1μm或1.3μm激光，或是掺Tm、Ho的晶体产生的2μm激光，或者是光纤激光器产生的1μm、1.3μm、1.5μm或2μm的激光。

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