CN102338966A - 偏振无关的准位相匹配倍频器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振无关的准位相匹配倍频器的实现方案。根据室温下的位相匹配条件计算出周期；根据此周期，选择两块相同的晶体进行室温极化；泵浦基频光源选择出射光为随机偏振的光纤激光器；光路中，第一块晶体的c轴沿z方向，第二块晶体的c轴沿y向，在第一块晶体前放置消偏器；通光后用功率计测量倍频光的光强，即可实现偏振无关的准位相匹配倍频器。本发明简单可行，能克服倍频过程对基频光偏振方向依赖的弊端，同时可以适用于和频、差频、参量振荡、级联等其他非线性过程。

Description

偏振无关的准位相匹配倍频器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种激光倍频装置，尤其涉及一种偏振无关的准位相匹配倍频器及其制作方法。

背景技术

自从激光诞生以来，激光的非线性频率转换技术一直就是人们研究的热点，基于周期极化非线性晶体的准相位匹配技术是拓宽激光可调谐波长的最常用、最有效的方法之一。常用的周期性极化非线性晶体有：LiNbO₃(PPLN)、LiTaO₃(PPLT)、及KTP(PPKTP)等。在频率转换技术中，倍频(SHG)技术应用最为广泛，也是研究的热点。现有的准位相匹配倍频技术要求入射的基频光是某一偏振方向的线偏光，这是由于非线性光学晶体都是单轴或双轴晶体，因此偏振的本征模式是线偏振的，为了满足位相匹配关系，基频光的偏振方向需要与晶体的晶轴成一定的方向。根据入射基频光的偏振态，可分为EEE型和OOE型倍频。EEE型倍频是指参与倍频过程的基频光和倍频光都是在晶体里以非寻常光，即E光(Extraordinary)，入射或传播的。OOE型倍频是指参与倍频过程的基频光以寻常光，即O光(Ordinary)，倍频光以非寻常光，入射或传播的。由于EEE型和OOE型匹配方式对晶体的周期要求不同，所利用的非线性系数不同，因此得到的倍频光光强也不同。所以传统的准位相匹配倍频都是跟基频光的偏振态相关。然而在很多实际应用中需要偏振无关的倍频器，如在光纤激光器中，或者与光纤相关的系统中，基频光的偏振方是任意的，如果能够使倍频光的强度不随基频光偏振态的变化而变化，那这种偏振无关准位相匹配倍频器将在激光技术中发挥重要作用。

经对现有技术文献的检索发现，1990年，G.A.Magel等人在《Applied PhysicsLetters》上发表了“Quasi-phase-matched second harmonic generation of blue light inperiodically poled LiNbO₃(基于周期性极化铌酸锂晶体的准位相匹配二次谐波绿光的产生)”一文，该文利用一块室温极化技术制作的周期性极化铌酸锂晶体，分别基于单通的EEE型和OOE型准位相匹配倍频，需要外加波片将基频光的偏振态旋转90°，而且由于两种匹配方式利用的非线性系数的不同，得到的倍频光功率也不同。至今，准位相匹配倍频仍然存在对基频光偏振态依赖的弊端。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种不依赖基频光偏振态的准位相匹配倍频器。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种偏振无关的准位相匹配倍频器。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明选用铌酸锂晶体材料，首先根据计算得到室温下所需要的周期；再对晶片进行室温电场极化，在该晶片+Z面上负畴区域改变电畴极化方向；将得到的两块晶体垂直摆放，即第一块晶体的c轴沿z方向，第二块晶体的c轴沿y方向；基频光从1064nm光纤激光器中出射，经过消偏器，再分别经过两块晶体，出射的倍频光强度通过功率计来测量，实现室温下，偏振无关的准位相倍频。

本发明包括以下步骤：

(1)在室温下，计算满足位相匹配条件下所需要的极化周期Λ；

所述的计算满足为相匹配条件下所需要的极化周期Λ，是指：

$\mathrm{\Λ}=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n_{\mathrm{SH}}-n_{\mathrm{FW}})}$

式中：λ--------基频光的波长

n_SH--------倍频光的折射率

n_FW--------基频光的折射率

(2)选择两块相同的铌酸锂晶体，用现有的室温极化技术根据得到的周期实现周期性畴反转，得到两块相同的周期性极化铌酸锂晶体(简称PPLN)；

(3)泵浦光源选择1064nm光纤激光器，通光方向为x方向；

(4)在光路中，第一块PPLN的c轴沿z向，第二块PPLN的c轴沿y向，在第一块晶体前放置消偏器；

(5)用光功率计来检测倍频光的功率；

(6)忽略非线性系数随温度变化的因素，并忽略基频光波到倍频光波的转换损耗，由倍频的耦合波方程可导出倍频光波输出功率理论计算公式为：

$P_{\mathrm{SH}}=\frac{{8\mathrm{\π}}^2{L}^2{d}_{\mathrm{eff}}^2{P}_{\mathrm{FW}}}{n_{\mathrm{FW}}^2{n}_{\mathrm{SH}}{\mathrm{\λ}}^2{\mathrm{c\ϵ}}_0}$

式中：P_SH------倍频光功率

      L------有效作用长度

      d_eff------非线性系数

      P_FW------基频光功率

      c------真空中光速

      ε₀------真空中介电常数

(9)保证激光器的出射功率稳定，两个非线性过程的有效作用长度一致，都为EEE型匹配，y分量的基频光功率与z分量的基频光功率一样，根据(8)中的公式，理论上两个过程得到的总的倍频光功率将不变。

本发明利用一消偏器和两片完全相同的PPLN，利用相同的非线性系数d₃₃，分别倍频基频光中的z偏成分和y偏成分，从而使得到的倍频光强度不依赖于基频光的偏振态。其有益效果是：

1、在基频泵浦光为非偏振光时，用消偏器将基频光消偏，可使基频光呈现自然光的特点，即两个偏振分量强度一致。第一块PPLN可以使基频光的z偏振分量产生EEE倍频，第二块PPLN使基频光的y偏振分量同样产生EEE倍频，两个过程所利用的非线性系数都是d₃₃，基频光功率相同，因此转换效率相同，得到的总得倍频光功率保持恒定，从而克服倍频过程对基频光偏振态的依赖。

2、可以提高非偏振光的倍频效率的稳定性。

3、可以将非偏振光倍频推广到非偏振光和频、差频、参量振荡、级联等非线性过程。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明实现偏振无关的准位相匹配倍频器的原型器件的结构示意图；

图2为图1所示器件的工作原理框图；

图中：输入的基频光是一非偏振光(入射光FW)，沿x方向传播，经过消偏器后通过第一周期性极化铌酸锂晶体片(PPLN1)时可以使基频光的z偏振分量产生EEE型的倍频，通过第二周期性极化铌酸锂晶体片(PPLN2)时可以使y偏振分量产生EEE型的倍频，两个过程所利用的非线性系数相同，所经过的有效作用长度相同，基频光功率相同，因此得到的倍频光功率相同，从而达到提高非偏振光的倍频效率稳定性的效果。

具体实施方式

根据设计，采用消偏器和两块完全相同的PPLN晶体，其c轴分别沿z方向和y方向。泵浦基频光光源选择光纤激光器，输出偏振态变化的激光，沿x方向入射，经过消偏器后，可以使基频光的偏振度降到1％(自然光的偏振度为0)。此时，基频光的z方向偏振分量的强度和y方向偏振分量的强度大致相等。而后z向偏振的光在第一块PPLN中发生EEE型的倍频，y向偏振的光在第二块PPLN中也发生EEE型的倍频，两个非线性过程的有效作用长度相等，非线性系数相等且为晶体的最大非线性系数d₃₃，基频光的强度相等，因此可以获得稳定输出的倍频光。

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明。

(1)选取两片大小为20×10×1mm，即厚度为1mm的Z切割铌酸锂晶体，+/-Z面均抛光，其中+Z面与水平面平行并面向Z轴正方向，-Z面与水平面平行并面向Z轴负方向；

(2)在室温下，计算满足位相匹配条件下所需要的极化周期Λ；

$\mathrm{\Λ}=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n_{\mathrm{SH}}-n_{\mathrm{FW}})}$

式中：λ-------1064nm

      n_FW-------2.156

      n_SH-------2.234

得到：Λ＝6.81μm

(3)根据得到的周期对晶体进行室温极化，改变电畴的极化方向，形成PPLN，具体如下：

根据正负畴的周期性排列顺序，用光刻技术在铌酸锂晶片的+Z面制作金属格栅作为电极，每个格栅的宽度为电畴宽度为半个周期。高压脉冲施加于上下电极间，在有电极的畴区域，利用高压电场克服晶体内部的矫顽场从而使该电畴的自发极化方向发生反转。在无电极的畴区域，其电畴的极化方向仍保持原来的方向。因此正畴的晶体晶轴方向与负畴的晶轴方向相反。这样就在铌酸锂晶体中实现了周期光学超晶格。

(4)正电极与高压电源间的连接是由限制在O圈内的氯化锂电解液来接触导通的。高压电源的负电极连接在一块接地的，表面抛光的金属板上，直接与样品的-Z面接触。要保证外电场和金属电极之间有良好的欧姆接触，且要防止高压击穿。所用外电场为脉冲高压电场，由于铌酸锂晶体的矫顽场为21kv/mm，所以施加在厚度为1mm的铌酸锂晶片上脉冲峰值电压要大于21kv/mm，脉冲周期的长短与次数与电极的实际表面积有关，可通过下面公式计算得到：

$I_{\mathrm{pol}}=\frac{V_1-V_c}{R_S}-\frac{V_c}{R_{\mathrm{vm}}},$ Q＝2P_sA， $t_{\mathrm{pol}}=\frac{Q}{I_{\mathrm{pol}}}$

式中I_pol为极化电流，Q是晶体表面的输运电荷，t_pol是极化时间。

(5)如图1所示，PPLN1的c轴沿z向，PPLN2的c轴沿y向；两片PPLN依次设置在光路中；

(6)如图2所示，在PPLN1前放置消偏器；

(7)选择1064nm光纤激光器出射的光作为基频光；

(8)在PPLN2的出射端用光功率计测量倍频光的功率；

(9)取相同的时间段记录功率计的数值，可实现倍频光功率稳定的倍频器。

在其他实施例中，也可以选用其他波长的基频光，计算出适当的极化周期Λ，制成合适的PPLN或其他周期性极化非线性晶体，将两块周期性极化非线性晶体正交配置在光路中，亦可实现本发明的目的。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种偏振无关的准位相匹配倍频器，其特征在于，包括在光路中依次摆放的消偏器和第一周期性极化铌酸锂晶体片和第二周期性极化铌酸锂晶体片；其中，所述第一周期性极化铌酸锂晶体片和所述第二周期性极化铌酸锂晶体片光学性能相同，分别为Z向切割的铌酸锂晶体经过室温电场极化制成，所述室温电场极化为在铌酸锂晶体片的+Z面上负畴区域改变电畴极化方向；所述光路的方向为x-y-z坐标系中的x方向；所述第一周期性极化铌酸锂晶体片的c轴沿z方向，所述第二周期性极化铌酸锂晶体片的c轴沿y方向。

2.如权利要求1所述的准位相匹配倍频器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，选取两片大小为20×10×1mm，即厚度为1mm的Z向切割的铌酸锂晶体；

步骤二，计算室温下满足位相匹配条件下所需要的极化周期Λ：

$\mathrm{\Λ}=\frac{\mathrm{\λ}}{2(n_{\mathrm{SH}}-n_{\mathrm{FW}})}$

式中，λ为入射的基频光的波长，n_FW为铌酸锂晶体对基频光的折射率，n_SH为铌酸锂晶体对基频光的折射率；

步骤三，根据得到的周期对晶体进行室温极化，改变电畴的极化方向，形成所述第一周期性极化铌酸锂晶体片和所述第二周期性极化铌酸锂晶体片；

步骤四，光路中，在所述第一周期性铌酸锂晶体片的前方放置所述消偏器，在所述第一周期性铌酸锂晶体片的后方放置所述第二周期性极化铌酸锂晶体片；其中，所述第一周期性极化铌酸锂晶体片的c轴沿z向，所述第二周期性极化铌酸锂晶体片的c轴沿y向；

步骤五，选择一束非偏振激光作为基频光，即可实现所述偏振无关的准位相匹配倍频器。

3.如权利要求2所述的制作方法，其特征在于，步骤二中入射的基频光的波长为1064nm，n_FW为2.156，n_SH为2.234，极化周期Λ为6.81μm。

4.如权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述改变电畴的极化方向，是指：根据计算得到的正负电畴的排列顺序，用光刻方式在晶片的+Z面制作金属格栅，所述金属格栅与高压电源的一极相连，其中每个格栅的宽度为电畴宽度；所述高压电源的另一极与一块接地的、表面抛光的金属板相连，所述金属板直接与所述晶片的-Z面接触；由高压电源产生高压脉冲施加于+Z面的所述金属格栅与-Z面的所述金属板之间，在有电极的畴区域，利用高压电场克服晶体内部的矫顽场使该畴区域的电畴的自发极化方向反转；在无电极的畴区域，电畴的极化方向仍保持原来的方向，其中，+Z面与水平面平行并面向z轴正方向。

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