CN102474066B - 粘接的周期性极化的光学非线性晶体 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用来设计具有粘接结构的光学非线性晶体(3)的最佳长度的方法。还提供了一种用来形成由非线性晶体(2，4)夹置的短的准相位匹配(QPM)晶体(3)的方法以及用来设计具有高温的多部分周期性极化的非线性晶体的方法，同时保持足够长的晶体长度和高的转换效率。

Description

粘接的周期性极化的光学非线性晶体
技术领域
本发明涉及基于准相位匹配（QPM）技术设计粘接的光学非线性晶体，它可以用来产生波长范围从UV至中IR的光。
背景技术
在开发基于QPM光学非线性晶体的二次谐波（second harmonic:SHG）激光器的过程，QPM晶体的优化封装是必要的。在文献（S.W.Chu等人,“High-Efficiency Inta-cavity Continuous-Wave Green-Light Generation by Quasiphase Matching in Bulk Periodically Poled MgO:LiNbO3Crystal”,Advances in OptoElectronics，2008卷（2008））中披露了二极管泵浦固态（DPSS）SHG激光器的一个实例。在该文献中，SHG激光由泵浦激光二极管1、激光晶体2、QPM晶体3以及光纤输出耦合镜4形成，如图1所示。激光晶体和QPM晶体的晶面上适当地涂覆有高反射（HR）或防反射（AR，增透）膜5、6、7、8，从而基频光被限制在激光谐振腔内，而SHG光被有效地耦合在激光谐振腔外。QPM晶体作为二次谐波发生器，在该发生器中，周期性畴反转光栅沿着光栅方向上形成，以满足QPM条件。通过利用激射波长为808nm的泵浦激光二极管泵浦激光晶体（即，掺Nd的YVO4），在激光谐振腔内生成波长为λ（即，1064nm）的基频光。如果适当地选择QPM晶体的周期使得非线性晶体的QPM波长与基频光波长匹配，则可以有效地产生波长为λ/2（即，532nm）的二次谐波光。畴反转光栅Λ的周期由QPM条件（即，2(n2ω-nω)=λ/Λ，其中n2ω和nω分别为在SH光和基频光处的折射率）决定。
为实现高效的波长转换，减小激光器的尺寸并降低激光器的封装成本，通常采用粘接结构，其中，激光晶体2和非线性晶体3粘接在一起，如图2所示。为了将基频光限制在激光谐振腔内，降低泵功率的耦合损耗并从谐振腔高效地耦合SH光，激光晶体3涂覆有膜1，该膜1在基频光和SH光的波长(例如，1064nm和532nm)处具有HR，但在泵浦光的波长(例如，808nm)处具有AR；同时非线性晶体3涂覆有膜4，该膜4在基频光(例如，1064nm)处具有HR，而在SH光(例如，532nm)处具有AR。
事实上，使用粘接非线性晶体的上述技术是众所周知的，并且已经在许多文献中进行了披露，诸如，Mooradian等人，美国专利第4,953,166号，Microchip laser，1989年2月9日；J.J.Zayhowski等人，“Diode-pumped passively Q-switched picosecond microchip”，光学快报，第19卷，第1427页(1994)；R.Fluck等人，“Passively Q-switch 1.34-micron Nd:YVO4microchip laser with semiconductor saturable-absorber mirrors”，光学快报，第22卷，第991页(1997)；美国专利第5,295,146号，1994年3月15日，Gavrilovic等人，Solid state gain mediums for optically pumed monolithic laser；美国专利第5,574,740号，1994年8月23日，Hargis等人，Deep blue microlaser；美国专利第5,802,086号，1998年9月1日，Hargis等人，High-efficiency cavity doubling laser；美国专利第7,149,231号，2006年12月12日，Afzal等人，Monolithic，side-pumped，passively Q-switched solid-state laser；美国专利第7,260,133号，2007年8月21日，Lei等人，Diode-pumped laser；美国专利第7,535,937号，2009年5月19日，Luo等人，Monolithic microchip laser with intra-cavity bean combining and sum frequency or difference frequency mixing；美国专利第7,535,938号，2009年5月19日，Luo等人，Low-noise monolithic microchip lasers capable of producing wavelengths ranging from IR to UV based on efficient and cost-effective frequency conversion；美国专利第7,570,676号，2009年8月4日，Essaian等人，Compact efficient and robust ultraviolet solid-state laser  sources based on nonlinear frequency conversion in periodically poled materials；USPC类：37210，IPC8类：AH01S311FI，Essaian等人；R.F.Wu等人，“High-power diffusion-bonded walk-off-compensated KTP OPO”，Proc.SPIE，第4595卷，115(2001)；Y.J.Ma等人，“Single-longitudinal mode Nd:YVO4 microchip laser with orthogonal-polarization bidirectional traveling-waves mode”，2008年11月10日，第16卷，23号，光学快报18702；C.S.Jung等人，“A Compact Diode-Pumped Microchip Green Light Source with a Built-in Thermoelectric Element”，应用物理快报1(2008)062005。
可以通过使用粘性环氧树脂或直接粘接技术来实现粘接。粘接的非线性晶体可以是传统的非线性晶体(诸如KTP)或周期性极化晶体(诸如PPLN)。采用粘接的非线性晶体的激光器可以基于二次谐波发生(SHG)或和频发生(SFG)或差频发生(DFG)。
然而，采用KTP晶体的粘接结构具有几个缺点。首先，KTP的有效非线性系数相对较低(～3.5pm/V)。结果，必须使用相对长的KTP晶体(例如，5～10mm)来实现SHG激光器的高输出(例如＞100mW)，这增大了激光器的尺寸并增加了成本。其次，KTP的光损伤阈值相对较低，限制了SHG激光器的输出功率。第三，由于KTP不可能具有紫外线产生的相位匹配条件，所以KTP不适用于UV激光器。
为了克服上述问题，已经提出了使用周期性极化(PP)的晶体的粘接结构。掺MgO的周期性极化铌酸锂(MgO:PPLN)被认为是替代KTP的最佳选择，这是因为它与其他非线性晶体相比，具有如下优点：首先，MgO:PPLN具有更高的有效非线性系数(～17pm/V)。其次，MgO:PPLN具有非常高的光损伤阈值。第三，MgO:PPLN可以用来产生整个透明波长范围(350nm～4500nm)上的光。通过选择MgO:PPLN中畴反转结构的适当周期，可以容易地满足相位匹配条件。
虽然已经公开了在DPSS SHG激光器中使用粘接的非线性晶体的思想，但是关于非线性晶体设计的一些重要问题尚未得到解决，诸如，如果使用周期性极化的晶体，我们应该使用多长的非线性晶体以及应该设置什么周期。
发明内容
本发明的目的在于提供一种确定DPSS SHG激光器中具有粘接结构的非线性晶体的长度的方法，这对激光器的性能有着重大影响。在该方法中，考虑非线性晶体在两端处的往返损耗和温差，从而确定最佳非线性晶体长度。本发明的另一个目的在于提供一种实现实际上用于SHG激光器的非常短的非线性晶体的方法。本发明的再一个目的在于提供实现具有宽的工作温度范围的高效激光器的方法。
按照本发明的一个方面，如图4所示，将具有一个QPM区3(例如，MgO:PPLN)和两个非极化区2、4(例如，掺MgO的LN)的非线性晶体与激光晶体1粘接。激光晶体和QPM晶体的晶面上适当地涂覆有高反射(HR)或防反射(AR，增透)膜5、6，从而将基频光限制在激光谐振腔内，而SHG光被有效地耦合在激光谐振腔外。二次谐波发生仅发生在满足QPM条件的QPM区3中。通过利用激射波长为808nm的泵浦激光二极管泵浦激光晶体(即，掺Nd的YVO4)，在激光谐振腔内生成波长为λ(即，1064nm)的基频光。如果适当地选择QPM晶体的周期使得非线性晶体的QPM波长与基频光波长匹配，则可以有效地生成波长为λ/2(即532nm)的二次谐波光。畴反转光栅Λ的周期由QPM条件(即，2(n2ω-nω)＝λ/Λ，其中，n2ω和nω分别为在SH光和基频光处的折射率)决定。
附图说明
结合附图，根据以下的详细描述，将能够更充分地理解本发明。
在附图中：
图1为DPSS SHG激光器的现有技术的示意图。
图2是用于DPSS SHG激光器的具有粘接结构的非线性晶体的现有技术的示意图。
图3是用于DPSS SHG激光器的具有粘接的Nd:YVO4激光晶体的MgO:PPLN非线性晶体的现有技术的示意图。
图4是用于说明根据本发明的实现具有粘接结构的短非线性晶体的方法的概念的示意图。
图5是用于说明根据本发明的在第一优选实施方式中描述的用来确定具有QPM结构的粘接的非线性晶体的最佳长度的方法的概念的示意图。
图6是用于说明根据本发明的在第二优选实施方式中所描述的用来确定具有QPM结构的粘接的非线性晶体的周期的方法的概念的示意图。
图7是用于说明根据本发明的在第三优选实施方式中所描述的用来形成具有QPM结构的短非线性晶体的方法的概念的示意图。
图8是用于说明根据本发明的在第四优选实施方式中所描述的用来形成具有多QPM结构的有效非线性晶体的方法的概念的示意图。
图9是用于说明根据本发明的在第四优选实施方式中所描述的用来调整相位调节部的光学长度的方法的概念的示意图。
具体实施方式
本发明通过以下所描述的方法解决了上述问题：
在第一优选实施方式中，如图5所示，示出了具有QPM结构的粘接的非线性晶体的优选长度。在具有内腔结构的SHG激光器中，从激光器输出的SH光由多种因素确定，诸如粘接的非线性晶体的长度、发射至激光晶体中的光功率、限制在激光谐振腔内的基频光的光束直径。在理想条件下，即，非线性晶体没有损耗且光束直径在基波长处在非线性晶体内保持恒定，非线性晶体越长，我们可以从SHG激光器获取越高的SH光功率。然而，具有QPM结构的非线性晶体的长度受到以下因素的限制。第一，当非线性晶体与激光晶体粘接时，由于激光晶体从泵浦激光二极管处吸收了光，从而增加了它的温度，所以靠近激光晶体的非线性晶体具有较高的温度，而远离激光晶体的非线性晶体具有较低的温度。激光晶体的温度取决于泵浦激光二极管的泵浦功率。另一方面，具有QPM结构的非线性晶体的工作温度范围由非线性晶体的长度决定。例如：对于5mm长的MgO:PPLN，半峰全宽(FWHM)工作温度范围大约为3℃。结果，如果粘接的非线性晶体两端之间的温差大于3℃，则必须将粘接的非线性晶体的长度设置为远低于5mm。第二，晶体内的散射与吸收以及非线性晶体的端面处的反射损耗也限制了内腔结构中的粘接的非线性晶体的长度。第三，为了在整个非线性晶体内保持均匀的光束直径，光束直径越小，非线性晶体必须越短。通常，对于有效的SHG，小的光束直径是优选的，这是因为可以实现高的光强度，这对于SHG处理是很重要的。最后，采用短的非线性晶体就意味着低成本。
基于以上描述，容易理解的是，对于具有QPM结构的粘接的非线性晶体存在最佳长度，如图5所示。最佳长度取决于具有内腔结构的SHG激光器中的泵浦激光二极管的泵浦功率。实验发现，对于与Nd:YVO4粘接的MgO:PPLN(具有在波长为808nm处500mW的泵浦功率)，MgO:PPLN的最佳长度为1.0mm+/-0.5mm。然而，如果由于激光晶体温度的增加而导致使用808nm处3W的泵浦功率，MgO:PPLN的最佳长度会降低至0.5mm+/-0.3mm。
在本发明的第二优选实施方式中，如图6所示，将MgO:PPLN的周期设定为某一周期，使得相应的QPM温度TQPM等于平均温度(T1+T2)/2，其中，T1和T2分别为MgO:PPLN晶体两端的温度。如第一优选实施方式中所描述的，T1取决于808nm泵浦激光二极管的泵浦功率，而T2与MgO:PPLN晶体的长度相关。例如，对于与Nd:YVO4粘接的1.0mm长的MgO:PPLN(具有在808nm波长处500mW的泵浦功率)，MgO:PPLN的优选QPM温度TQPM为30+/-5℃。
在本发明的第三优选实施方式中，提出了形成具有QPM结构的短的非线性晶体的方法，如图7所示。从晶面抛光和粘接的角度考虑，非线性晶体不能太短。另一方面，如在第一优选实施方式中所描述的，在一些情况下，需要短的非线性晶体(例如，0.5mm)。具有周期性畴反转的QPM结构仅形成在非线性晶体的某一区域中，而非线性晶体的其他区域没有被周期性极化。结果，SHG仅发生在具有QPM结构的区域中。QPM结构可以设在非线性晶体的中心处。非线性晶体的总长度可以设置为能够在晶面抛光和粘接处理中容易处理的长度。
在本发明的第四优选实施方式中，提出了形成具有多重QPM结构的有效非线性晶体的方法，如图8所示。在图8中，非线性晶体通过具有不同周期的多个MgO:PPLN部分1-5(例如，5个部分)形成。根据所用部分的数量，每个部分的优选长度为2～5mm。理想地，非线性晶体的总长度小于20mm，从而可以实现小型的SHG激光器，而同时可以保持简单的激光谐振腔设计。每个部分的周期取决于每个部分的平均温度或SHG调谐曲线，从而使得在每个部分中可以满足QPM条件且两个相邻部分之间的QPM温度(即，SHG达到最大值的SHG调谐曲线的峰值)差等于每个部分中的SHG调谐曲线的FWHM。在MgO:PPLN的情况下，如果每个部分的长度为2mm，则两个相邻SHG调谐曲线间的温差大约为3℃，如图8(b)所示。具备了这样的多重QPM结构，可以显著提高温度允差(即，在优选实施方式中为5倍)，而同时可以大大提高SHG的效率(即， 与第一优选实施方式中示出的情况相比为2～4倍)。为确保每个部分产生的SHG能够建设性地加在一起，需要相位调节部6-9，其可以插入在两个相邻部分之间，如图8(a)所示。通过使得区域不受到晶体极化来简单地形成相位调节部。相位调节部的优选长度为不超过100μm，其取决于SHG处理中涉及的波长、QPM部分的长度和SHG激光器的工作温度。相位调节部的光学长度可以通过相位调节部两端的电场来调节，通过电极10-14来施加该电场，如图9所示。由于施加了电场，电极间晶体的折射率略有变化。结果，光学长度(即，折射率与长度的乘积)由施加的电场调谐。
上述实施方式已经对用于具有内腔结构的绿色激光器的粘接MgO:PPLN非线性晶体进行了描述。当然，本发明中所描述的方法可以应用至诸如MgO:PPLT，PPKTP等的其他粘接的非线性晶体。
以上实施方式已经对具有粘接的非线性晶体和内腔结构的SHG绿色激光器进行了描述。当然，本发明中所描述的方法可以应用至诸如SHG蓝色激光器等的其他SHG激光器。
以上实施方式已经利用粘接的非线性晶体对SHG激光器进行了描述。当然，本发明中所描述的方法也可以应用至诸如光学参数振荡。差频发生等的其他光学非线性处理。
以上实施方式已经对具有粘接结构的非线性晶体的设计进行了描述。当然，本发明中所描述的方法也可以应用至不具有粘接结构的其他光学非线性晶体。

Claims (4)

1.一种设计用在具有内腔结构的SHG激光器中的具有粘接结构的非线性晶体的最佳长度的方法，其中，激光晶体与非线性晶体直接粘接，至少根据SH光功率与所述非线性晶体的工作温度范围或基频光和倍频光在所述腔内倍频结构中的损耗或光束在所述非线性晶体内的直径和均匀性之间的平衡来确定所述非线性晶体的最优化长度，其中，QPM非线性晶体的最佳周期由粘接的非线性晶体的两端处的温度决定，其中，所述最佳周期对应的QPM温度等于QPM非线性晶体的中心处的温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述非线性晶体的所述最佳长度由泵浦激光二极管的泵浦功率以及所述非线性晶体的散射和吸收损耗决定。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在MgO:PPLN非线性晶体与Nd:YVO4激光晶体粘接用于具有内腔结构的绿色SHG激光器的情况下，对于在808nm处的500mW的泵浦功率，MgO:PPLN非线性晶体的最佳长度为1.0+/－0.5mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，短的QPM结构由非极化的非线性晶体夹置，从而使得晶体的总长度足以在标准的抛光和粘接处理中操作。
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