CN102893213A - 多波长光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供可操作以发出多个频率转换光谱波峰的光学系统。在一实施例中，光学系统（100）包括光源（110）和波长转换装置（130）。光源（110）可包括构造成发出具有至少两个基础光谱波峰（125，127）的泵浦光束（120）的激光器。波长转换装置（130）可包括非线性光学介质，该非线性光学介质构造成相位匹配至少两个基础光谱波峰（125，127）中每个的第二谐波生成和至少两个基础光谱波峰（125，127）的总和频率生成，使得当光源（110）的泵浦光束（120）入射在波长转换装置（130）的输入小平面（131）上时，从波长转换装置（130）的输出小平面（138）发出包括具有大约相等功率的至少三个频率转换光谱波峰（142，144，146）的输出光束（140）。

Description

多波长光学系统

背景技术

本申请要求2010年5月18日提交的美国申请序列号第12/782,205号的优先权。

领域

本发明的实施例总体涉及诸如激光系统的光学系统。更具体地，各具体实施例涉及能够产生具有多频转换光谱波峰的一个或多个输出光束的光学系统，用于缩小激光投影图像内光斑的外观。

技术背景

尽管蓝光和红光半导体激光器目前是容易得到的，但氮化物半导体技术的发展尚未致使形成具有足够输出功率、效率和成本效益的本绿色激光器。有吸引力的替代方式是使用近红外（1060nm）激光器二极管并通过在诸如周期性极化铌酸锂（PPLN）晶体的非线性光学介质中通过频率翻倍产生绿光。这允许小的封装尺寸和合理的效率，但由于激光源的高光谱和空间相干性产生投影图像中的高水平散斑。

只要相干光源用来照亮粗糙表面，例如屏幕、墙壁或产生漫反射或传输的任何其它对象时就观察到光斑。尤其是，屏幕的大量小区域的或其它反射物体将光散射成大量具有不同始发点和不同传播方向的反射光束。在观察点，例如在观察者的眼睛里或者在照相机的传感器处，这些光束相长地干涉来形成亮点，或者相消地干涉来形成暗点，产生随机的粒状的强度图案，称作光斑。光斑造成投影图像中高空间频率噪声。光斑可以由颗粒大小和对比度来表征，对比度通常定义为在观测平面内标准差与平均光强度的比率。对于一个足够大的照亮区域和一个足够小的表面粗糙度，光斑将被“充分地显影”，其具有标准差为100％的亮度。如果用诸如激光束的相干光源在屏幕上形成图像，例如粒状结构将代表导致的图像质量严重变差的噪声。这种噪声提出了重要的问题，尤其是当使用投影机来显示高空间频率的图像内容，如文本时。

因而，需要这样的光学系统，其缩小光斑的外观以提高激光投影图像的图像质量。

发明内容

在一实施例中，光学系统包括光源和波长转换装置。光源可包括构造成发出具有至少两个基础光谱波峰的泵浦光束的激光器。波长转换装置可包括非线性光学介质，该非线性光学介质构造成相位匹配至少两个基础光谱波峰中每个的第二谐波生成和至少两个基础光谱波峰的总和频率生成，使得当光源的泵浦光束入射在波长转换装置的输入小平面上时，从波长转换装置的输出小平面发出包括具有大约相等功率的至少三个频率转换光谱波峰的输出光束。

在另一实施例中，光学系统包括光源和波长转换装置。该光源可包括至少一个激光器，该至少一个激光器构造成发射具有波长分开至少0.5纳米的至少两个基础光谱波峰的泵浦光束。波长转换装置包括非线性光学介质，该非线性光学介质由相位调制函数表征，该相位调制函数提供具有产生所述三种频率转换光谱波峰的响应比，当泵浦光束入射到波长转换装置的输入小平面上时三个频率转换光谱波峰具有大致相等的功率且波长分开大于0.25纳米。输出光束的频率转换光谱波峰的数量大于泵浦光束的基础光谱波峰的数量。

附图说明

图1是根据本文所示和所述一个或多个实施例的光学系统的示意图；

图2是示出由本文所示和所述的一个或多个实施例产生的频率转换输出光束的光谱的图表；

图3A是示出从根据本文所示和描述的一个或多个实施例的光源发出的输出光束的光谱的图表；

图3B是根据本文所示和所述一个或多个实施例的DBR激光器的示意图；

图4是根据本文所示和所述一个或多个实施例的离散相位调制函数的图表；

图5是根据本文所示和所述一个或多个实施例具有部分由图4所示的离散相位调制函数定义的相位调制周期的波长转换装置的示意图；

图6是根据本文所示和所述一个或多个实施例具有部分由图4所示的离散相位调制函数定义的相位调制周期的波长转换装置的波-矢量空间内的光谱响应图表；

图7是根据本文所示和所述一个或多个实施例的矩形相位调制函数的图表；

图8是根据本文所示和所述一个或多个实施例具有部分由图7所示的矩形相位调制函数定义的相位调制周期的波长转换装置的波-矢量空间内的光谱响应图表；

图9是根据本文所示和所述一个或多个实施例的梯形相位调制函数的图表；

图10是根据本文所示和所述一个或多个实施例具有部分由图9所示的梯形相位调制函数定义的相位调制周期的波长转换装置的波-矢量空间内的光谱响应图表；

图11是根据本文所示和所述一个或多个实施例的具有两段波长转换装置的光学系统的示意图；

图12是根据本文所示和所述一个或多个实施例的连续正弦相位调制函数的图表；

图13是根据本文所示和所述一个或多个实施例具有部分由图12所示的正弦函数定义的相位调制周期的波长转换装置的示意图；

图14A是根据本文所示和所述一个或多个实施例具有部分由图12所示的正弦函数定义的相位调制周期的波长转换装置的波-矢量空间内的光谱响应图表；以及

图14B是根据本文所示和所述一个或多个实施例具有部分由图12所示的正弦函数定义的相位调制周期的波长转换装置的波长空间内的光谱响应图表。

具体实施方式

本文所述的各实施例总体涉及包含在激光投影系统中时可缩小图像中光斑外观的光学系统。尽管本文所述实施例可在激光投影系统的情境进行描述，但各实施例并不限于此。本文所述的各实施例可包含在除了激光投影系统中的其它系统中。

现将参照附图中所示的实例详细描述本发明的实施例。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。图1示出光学系统的一实施例。光学系统通常包括至少一个半导体激光器、选配耦合光学器件、以及波长转换装置。可包括封装控制器来操作半导体激光器和/或耦合光学器件。半导体激光器的输出直接地或通过使用光学耦合器件光学耦合到波长转换装置的输出。半导体激光器产生具有分离Δλ_IR的至少两个基础光谱波峰的泵浦光束。波长转换装置将由半导体激光器发出的泵浦光束的能量转换成具有至少三个频率转换光谱波峰的输出光束。本文将进一步描述光学系统的各种部件和构造。

图1总体示出本文描述的光学系统100。由半导体激光器110发出的泵浦光束120可具有红外波长带内的两个同时发出的基础光谱波峰。泵浦光束120可直接耦合到波长转换装置130的波导部分137内或可使用示出为第一和第二耦合光学器件121（例如透镜122a和122b）的适配光学器件耦合到波长转换装置130的波导部分内。波长转换装置130将泵浦光束120的输出波长转换成更高的谐波，并产生具有三个频率转换光谱波峰142、144和146的可见输出光束140（图2）。此种类型的光学封装尤其可用于从较长波长的半导体激光器生成较短波长的激光束时，并且可用作例如激光器投影系统的可见光源。

光源110可包括一个或多个激光器，诸如分布反馈（DFB）激光器、分布布拉格反射（DBR）激光器、垂直腔面发射激光器（VCSEL）、垂直外腔面发射激光器（VECSEL）或法布里-珀罗激光器。此外，如果激光增益介质是半导体介质，则它可能涉及在量子阱、量子线、量子点中约束载流子的使用。在激光投射系统应用中，光源可包括三个半导体激光器：第一半导体激光器用来发射红色光谱范围内的光束、第二半导体激光器用来发射在蓝色光谱范围内的光束、以及第三半导体激光器用来发射在红外光谱范围内的光束，该光束然后频率向上转换成频率向上转换范围（例如绿色或黄色的光谱范围）内的一个或多个频率转换光谱波峰。光源110和光学系统100可以编程并与扫描或者图像形成光学器件（图中未示出）一起操作来生成整个投影图像，该整个投影图像包括跨越投影表面的多个像素。

这里所描述的各实施例利用导致光斑对比度降低的绿色或黄色频率转换输出光束的光谱展宽。光斑源自通过投影表面上随机粗糙度特征反射的光的随机干涉。该干涉可能是相长或相消的，导致亮的和暗的运动出现在图像中。本发明描述的各实施例的光源发出具有多个频率转换光谱波峰的输出光束以拓宽入射到投影表面上的频率转换光的光谱。如果不同波长的光存在于照亮屏幕的输出光束中，则该干涉会对一个波长是相长的和而对另一个波长是相消的，抵消净影响。分离Δλ的两个波长产生的两个光斑图案通过小于1/e²相关，如果：

$\left|\mathrm{\Δ\λ}\right|\≥\frac{1}{2\sqrt{2\mathrm{\π}}}\frac{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}^2}{{\mathrm{\σ}}_h},$ 方程(1)

其中，σ_h是屏幕表面局部高度（粗糙度的度量）的标准偏差。如果光学强度在生产两个不相关的光斑图案的两个不同波长之间均匀地分布，则可将光斑对比度减小约

假设约530nm的平均波长和投影表面处约100μm的粗糙度，则频率转换光谱波峰的波长分离应大于或等于约0.5nm。然而，较小的波长分离仍可能产生一些光斑减小，一般小于由两个不相关的光斑图案可实现的因子

如果激光束中存在三个波长，且其间的分离满足方程（1），则预期的光斑对比度可减小约因子

因此，波长分离应足够大以实现所要求的光斑对比度减小。

为了实现具有在绿色光谱范围内分离Δλ的三个频率转换光谱波峰142、144、146的可见光束140，光源110产生具有分离Δλ_IR的两个基础光谱波峰的泵浦光束120。如下文更详细描述的，波长转换装置130将泵浦光束的基础光谱波峰进行频率转换以产生可见输出光束中的三个频率转换光谱波峰。尽管本文在DBR半导体激光器的情境中描述了各实施例，但应当理解，也可利用其它半导体激光器构造。此外，尽管本文在具有两个基础光谱波峰的泵浦光束和产生具有三个频率转换光谱波峰的输出光束的具有至少三个匹配波峰的波长转换装置的语境中描述了各实施例，但各实施例可利用产生具有N个基础光谱波峰的泵浦光束的半导体激光器和产生2N-1至(N+1)N/2之间频率转换光谱波峰的波长转换装置，如下文将更详细描述的。

通常难以强制半导体激光器同时输出两个波长，因为它们为增益竞争，且即使是轻微的阈值差也会使激光器偏好基础光谱波峰之一。本发明人已经认识到，如果激光二极管以诸如Q-切换或增益切换的脉冲模式运行，用包含集成频率选择元件（DFB和DBR）或以外部频率选择反射器供给的法布里－帕罗（Fabry-Perot）激光器的激光二极管，可能更容易实现多光谱波峰输出。为Q-切换设计的激光器通常包含空腔内的可饱和吸收体（SA）部分。主动地（通过施加周期性调制偏置）或被动地（通过允许激光器空腔内放大的自发辐射以建立在SA部分的损耗饱和时的点）来调制该部分的损耗，并且每次SA部分的损耗变低激光器就发射短的强脉冲光。在增益切换中，主放大（增益）部分由周期性（例如，正弦波）信号驱动，并在每个正半周期的正弦周期发射短脉冲（基本上是第一松弛振荡峰）。

本发明人发现，在短脉冲操作（例如，脉冲长度＜500ps）中，二极管激光器在为其提供足够强光反馈的每个波长的增益带宽内的每个波长处基本上同时发射（空腔的损耗小于当载流子密度达到其最大值时的可用增益），输出光谱形状紧密跟随空腔镜反射的光谱形状，或在空腔中的任何额外的光谱选择性元件的反射的光谱形状。

例如而非限制，将2.25mm长1060nm的法布里－帕罗（Fabry-Perot）激光器（1.75mm长的增益部分和0.5mm长的SA部分）放置在具有由布拉格体光栅（VBG）提供的外部反射的外部空腔。VBG设计成具有两个反射波峰，在1060.5和1062.4nm处约10%的幅值且0.2nm宽。在增益切换中激光器通过供给约5mA的DC电流到SA部分（保持SA轻微吸收）和在923MHz下叠加的200毫安DC和400mA波峰到波峰正弦驱动电流至增益部来运行，并产生一系列具有65mW的平均功率和～1.8W的波峰功率的约30-ps的长脉冲。图3A所示的输出频谱由两个相等强度的主波峰和两个额外的弱得多的波峰（由二极管激光器内的四波混合产生）组成。图3A的图表示出具有中心在约1060.5nm波长的第一基础光谱波峰125和中心在约1062.4nm波长的第二基础光谱波峰的泵浦光束。因此两个基础光谱波峰分开约1.9nm。第一和第二基础光谱波峰分别具有与其相关的ω₁和ω₂的光学频率。两个主波峰的位置和宽度接近精确地再现VBG的反射光谱。因此，脉冲（Q-或增益切换）DBR二极管激光器的输出光谱可由其DBR镜的反射光谱限定。

图3B中示意性地示出构造为三部分DBR半导体激光器的一实施例的光源110。半导体激光器110通常可包括波长选择部分112、相位调节部分114和增益部分116。还可称为分布式布拉格反射器或激光器110的DBR部分的波长选择部分112通常包括定位在激光器空腔的有源区外部的第一阶或第二阶布拉格光栅。此部分提供波长选择，因为光栅起到其反射系数取决于波长的反射镜的作用。半导体激光器110的增益部分116提供激光器的光学增益，而相位匹配部分114可在增益部分116的增益材料与波长选择部分112的反射结构之间产生可调整的光学路径长度或相移。如下文更详细描述的，相位部分可构造成可饱和吸收体以执行增益和损耗调制的功能。波长选择部分112可以设置成可采用或可不采用布拉格光栅的多种适当可替换配置。

相应的控制电极113、115、117包含在波长选择部分112、相位匹配部分114、增益部分116、或其组合中，在图3B中仅示意性地示出。考虑到，电极113、115、117可采用各种形式。例如，电极113可包括两个单独的电极，两个单独的电极独立地控制DBR部分的第一和第二半部的温度以同时产生两个波长。电极113可表示单一部分或多部分微加热器。控制电极113、115、117也可用于将电流注入半导体激光器110的相应部分112、114、116。此外，三部分DBR半导体激光器可构造成各种形式。例如，DBR部分可由具有两个不同光栅周期的两个部分组成，且相位部分可在两个DBR部分之间，使得相位部分可用于平衡两个选择的波长的增益/损耗。

半导体激光器110的DBR部分112提供1060nm附近两个波长处几乎相等并分开至少0.5nm（Δλ_IR）的反射。可采用在两个波长处实现反射的任何数量的设计方法，诸如采样光栅、超结构光栅、具有节距和/或深度的周期调制的光栅、具有周期性相移的光栅、或使用双光栅DBR。当以增益/Q-切换模式运行时，这种DBR激光器可产生在两个光谱波峰内具有几乎相等功率的稳定短脉冲输出。

通常，在为连续波（CW）操作设计的DBR激光器中，激光器的层结构在波长选择、相位调节和增益部分上相同。但是，相位调节和波长选择部分通常经受称为量子阱混杂（QWI）的过程，该过程致使带隙增加，使得两部分对于未更改的增益部分发射的光是透明的，从而使腔内损耗最小。增益部分是有源的，并将施加到其接触端子的注入电流转换成激光。施加到相位调节部分的注入电流不会导致光的发射或放大（即，无源部分），而是改变有源层的折射率，允许空腔模式进行微调。波长选择部分也是无源的，且不供应注入电流。为了调整DBR反射的基础光谱波峰位置，电阻式加热器可设置在波长选择部分的顶部或侧面上，以允许通过改变温度调节其折射率（以及共振波长）。

本文描述的各实施例的半导体激光器可采用上述DBR激光器设计的改型。在一实施例中，相位匹配部分114不经受QWI过程。于是，相位匹配部分114可作为放大器（当施加正的上阈值偏置时）或可饱和吸收体（通过施加下阈值、零或负偏置）运行。在该实施例中，相位匹配部分114运行不是为了进行相位调谐（空腔模式切换）而是为了进行额外的损耗/增益调制。在这方面，图3所示实施例的相位匹配部分称为可饱和吸收体部分114。波长选择部分112可保持无源或变得有源（没有QWI）并提供额外的可饱和吸收。波长调谐可通过使用电阻式加热器来实现，或者在有源波长选择部分112的情况下通过将电流注入波长选择部分112来实现。

半导体激光器110的脉冲运行可使两个基础光谱波峰处的两个所需泵浦波长之间的输出功率相等，以及在多波长频率转换的情况下补偿降低的波长转换效率，如下文更详细描述的。在如上所述的增益-切换脉冲模式，正弦（或其它周期性）驱动信号可施加到增益部分116，每个正半周期产生发出的短脉冲。除了周期性驱动之外，可将DC偏置施加到增益部分。DC偏置也可施加到可饱和吸收体114并可调节成产生最佳用于发射具有最大波峰功率的高品质脉冲的可饱和吸收水平。在Q-切换脉冲模式，增益部分116可用DC信号驱动，并可对可饱和吸收体部分114施加周期性偏置，强制其用作“关闭器”，在每个正半周期（当吸收是低或负时）仍发射短脉冲。在某些实施例中，在增益和可饱和吸收体部分116、114都接收同相周期性驱动电流的情况下可利用混合驱动方法，如2010年3月24日提交的美国专利申请第12/730,482号所揭示的，该申请全文以参见的方式纳入本文。混合驱动方法可导致用于驱动半导体激光器110所需最少量的RF功率的最好可能的脉冲质量。上述三个驱动方法中的任何方法可施加到DBR半导体激光器以产生两波长脉冲输出。驱动方法所要利用的选择取决于激光器设计和应用要求的细节。

此外，泵浦激光器可依赖于非均匀的光谱展宽而不是短脉动来产生由两个或更多个同时发射的基本光谱波峰组成的基本输出光谱。例如，各实施例可利用DBR或DFB量子点激光器、或具有用一些多波长选择光学元件非均匀展宽的光学泵浦固态激光器，诸如具有双波长或多波长反射的布拉格体光栅。这种具有自发发射的非均匀展宽光谱的激光器也可以使用在发射的连续波或准连续波（长脉冲）的条件。

再次参照图1，具有两个基础光谱波峰的泵浦光束120可通过耦合光学元件121被朝向波长转换装置130聚焦和引导。在图1所示的实施例中，耦合光学元件121通常包括第一透镜122a和第二透镜122b，该第一透镜准直由半导体激光器110发射的泵浦光束120，第二透镜将泵浦光束120聚焦到波长转换装置130的波导部分。但是，应当理解，也可使用其它耦合方法和装置。此外，波导转换装置可包括大块非线性光学材料，或者作为腔内波长转换装置包含在激光器110内。透镜122a、122b可耦合到致动器（未示出）以调节透镜122a、122b沿x方向和y方向的位置，从而透镜的位置是可调节的。调节透镜沿x方向和y方向的位置可便于沿波长转换装置130的输入小平面、且更具体地在波长转换装置的波导部分上定位泵浦光束120，使得泵浦光束120与波导部分对准，并优化波长转换装置130的频率转换输出。尽管图1所示的光学系统100具有大致线性定向，但也可能由其它定向和构造。例如，半导体激光器和波长转换装置可定向成使得泵浦光束和频率转换输出光束的光学路径是折叠光学路径。

波长转换装置130通常包括输入小平面131和输出小平面138。波长转换装置可包括具有相位调制的相位匹配的非线性光学介质，使得其非线性光学响应的光谱包含适当波长间隔开的多个相位匹配波峰，以为两个或更多个基础光谱波峰之间各种可能的光学频率混合过程提供相位匹配。相位匹配的相位调制可通过调制用于频率混合的非线性光学介质的非线性、线性、或两种光学特性来实现。

波长转换装置130的波导部分（未示出）从输入小平面131向输出小平面138延伸。波长转换装置130可包括具有非线性光学响应的符号交替的多个域132的非线性光学材料形成的晶体。适合于波长转换装置的非线性光学材料可包括但不限于例如极化掺杂或不掺杂的铌酸锂、极化掺杂或不掺杂的钽酸锂、以及极化掺杂或不掺杂的磷酸氧钛钾。

波长转换装置130中的光传播可以是自由空间或光学波导传播。波长转换装置130可包括利用相位匹配方法的晶体，包括但不限于双折射、模间、或准相位匹配。相位匹配的作用是在由基础光场沿光学路径产生的非线性极化生成的频率转换光学频率处产生相长的电磁波干涉。相位匹配的相位调制用于将相位匹配分布到对应于不同光学频率的几个相位匹配光谱波峰内，使得每个相位匹配波峰产生部分相位匹配。这里术语部分是指，对于对应于这种部分相位匹配波峰的特定光学频率，由沿晶体的一些区域而不一定是所有区域产生的频率向上转换的光波相长地干涉以在输出上产生基本上非零的向上转换的信号。因此，相位调制减少基本的、未调制的设计中频率转换过程相位匹配的光学频率处的最大相位匹配以进行部分相位匹配或没有相位匹配，而同时在未调制设计不提供相位匹配的其它光学频率下允许部分相位匹配。在低转换限值，响应于调谐单色输入信号的相位调制的相位匹配的光谱是与相位调制函数（PMF）的傅立叶变换成比例，与用于相位匹配的物理机制无关。在高级别的能量转换成上变频的频率范围时，上变频信号的光谱偏离PMF的傅立叶变换。在很多情况下，这种偏离可致使光斑对比度降低的轻微变差。如果这种变差变得重要，可以通过改变PMF来调节相位匹配波峰的幅值比，使得高转换下的光谱响应导致光斑对比度的更好降低，而在较低转换时的光斑对比度可稍高，例如当在更高光功率下最大光斑减弱可能重要时。

PMF部分地赋予频率上转换光场以变化相位。这通过调制非线性计划的相位或空间位置（例如通过调制准相位匹配晶体的极化）和/或通过调制它们经过的介质的（有效）折射率或光学路径长度而沿晶体在不同位置产生的上转换波的相位延迟来实现。某些用于相位调制的技术，诸如准周期性极化的倒域的位置的纵向移位可以解释为调制的非线性或线性路径的实施例。

通常，非线性介质设计成包括用于三个非线性光学过程的相位匹配：1)泵浦光束的第一光学频率ω₁的第二谐波产生（SHG），2)泵浦光束的第一和第二光学频率ω₁和ω₂的总和频率产生（SFG），以及3）泵浦光束的第二光学频率的SHG。因此，频率转换输出光束可包括具有频率2ω₁、(ω₁+ω₂)和2ω₂（图2中分别示出为142、144和146）的三个频率转换光谱波峰。例如而非限制，图3A中所示和上文关于法布里－帕罗激光器描述的约42mW的红外光光学耦合到波长转换装置内，该波长转换装置包括根据图12-14B示出的连续相位调制的函数设计（在下文详细描述）的准周期极化波导铌酸锂装置，并产生具有图2中所示的输出光谱的绿色光，具有三个几乎相等的频率转换的光谱波峰142、144、146（两个弱得多的伴随波峰是由于放大的自发发射背景变换成波导的更高阶绿色光模式，或一方面主泵浦IR光谱波峰之间的总和频率混合，以及另一方面由非线性波导的未使用准相位调节（QPM）侧波峰促进的FWM分量）。

通过引入非线性光学响应的周期性或准周期性的符号反变、例如通过非线性光学材料内（例如在晶体的波导区域内）准周期性反变的铁电域132可实现准相位匹配。准周期性极化提供波长转换装置130的非线性系数的符号的准周期性反变，从而确保沿装置长度产生的关注频率处的非线性光学响应的相长增加。如图1所示，域132可具有与其相关的正的或负的非线性极化。各域的非线性响应的符号可沿晶体的纵向长度大约周期性地交替。如下文更详细描述的，多个极化域的周期性可相位调制成使得各域准周期性地极化。应指出，为了说明目的，准周期性域132的尺寸在图1中被放大。此外，图1中仅部分地示出波长转换装置130。

2ω₁、(ω₁+ω₂)和2ω₂的频率转换光谱波峰可产生随机添加的三个同时的光斑图案以减弱光斑的外观。为了通过密集增加几个独立的光斑图案来最大程度减弱光斑对比度，光学功率应当在输出光束的频率转换波长中大致均匀分布。对于三个独立光斑图案由频率转换输出的三个频率转换光谱波峰产生的情况来说，每个频率转换光谱波峰中的光学功率应当大致相同。但是，当频率转换的光谱波峰不相等时，可实现一些光斑减弱，使得与具有功率比其余频率转换光谱波峰大的频率转换光谱波峰相关的光斑图案可能对观察者来说更明显。通过由半导体激光器在二阶非线性相互作用的光学频率ω₁和ω₂处发射的两个基础光谱波峰的光学频率混合产生三个频率转换的光谱波峰。通过以下方程可描述该频率转换过程：

$E_1\left({\mathrm{\ω}}_1\right)=E_{1A}{e}^{\left({\mathrm{i\ω}}_{1}t\right)},$ 方程(2),

$E_2\left({\mathrm{\ω}}_2\right)=E_{2A}{e}^{\left({\mathrm{i\ω}}_{2}t\right)},$ 方程(3),以及

${E_{\mathrm{out}}}^{\mathrm{nl}}\∝d_{\mathrm{eff}}{(E_1\left({\mathrm{\ω}}_1\right)+E_2\left({\mathrm{\ω}}_2\right))}^2\∝d_{\mathrm{eff}}{E_{1A}}^2{e}^{\left({i2\mathrm{\ω}}_{1}t\right)}+d_{\mathrm{eff}}{E_{2A}}^2{e}^{\left({i2\mathrm{\ω}}_{2}t\right)}+{2d}_{\mathrm{eff}}{E}_{1A}{E}_{2A}{e}^{\left(i({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2)t\right)},$ 方程(4)。

以上方程表明频率转换（非线性）输出可包含频率2ω₁、(ω₁+ω₂)和2ω₂下的光学功率。2ω₁和2ω₂下的输出分别是ω₁和ω₂下输入光束的光学频率的第二谐波（SH），而（ω₁+ω₂）下的输出是两个基础光学频率的总和频率（SF）。可以看出，对于相同的非线性系数d_eff，总和频率输出的幅值是每个第二谐波输出的幅值的两倍强度。因为光学功率与电场幅值的平方成比例，所以（ω₁+ω₂）下的总和频率光谱波峰会包含每个第二谐波光谱波峰2ω₁和2ω₂的功率的四倍。

但是，三个频率转换光谱波峰的光学功率应当大致相等，使得一个或多个光谱图案在投射表面处并不更显著。例如，如果总和频率输出的光学功率比第二谐波输出大四倍，则由总和频率输出产生的光斑图案对于观察者来说会更显著。但在某些实施例中，与总和频率生成相关的频率转换光谱波峰可具有比与第二谐波生成相关的频率转换光谱波峰大的功率，从而增加总体转换效率。在该情况下，可牺牲某些光斑对比度降低来增加波长转换装置的转换效率。

本文所述的各实施例可通过操纵非线性光学介质的相位匹配属性使波长转换装置的所有三个频率转换的光谱波峰的光功率大致相等。用于第二谐波生成的波长转换装置在相位匹配周期性极化以与沿传播方向在不同位置产生的频率上转换光相位匹配。为了说明，具有固定相位匹配周期Λ的具有周期性地反变铌酸锂中的铁电域的QPM结构的光谱强度响应在波-矢量空间内m2π/Λ处具有准相位匹配波峰，其中m=1，2，3…由m=1表征的准相位匹配波峰具有每个准相位匹配波峰的最高幅值。对应于不同阶m的准相位匹配波峰的强度的相对幅值减小为1/m²。因此，对于最有效的准相位匹配，m=1时的准相位匹配波峰应该是在由半导体激光器射出的泵浦光束的红外波长处以产生频率转换的输出光束。应当理解，下文描述的相位匹配概念也可应用于相位匹配技术而非准相位匹配（例如通过使用大块双折射晶体进行的相位匹配）。

为了说明目的，可在波-矢量（k-矢量）空间中描述准相位匹配。在第二谐波生成和总和频率生成的情况下，频率上转换光的源是方程4的右侧所描述的非线性极化。在特定时刻，该源波沿传播方向在示例频率2ω处的相位分布可用波-矢量2k_ω=2ωn_ω/c=4πn_ω/λ_ω描述，其中c是光的速度，λ_ω是频率ω的光波在真空中的波长，且n_ω是在产生非线性极化的泵浦波在光学频率ω下的非线性光学介质的折射率。在波导传播和相互作用的情况下，n_ω是用于描述造成非线性极化的基础频率（泵浦）波的传播的波导模式的有效折射率。同时，沿传播方向的任何位置产生的频率2ω的自由传播的频率上转换光可以通过用波矢量k_2ω=2ωn_2ω/c=2πn_2ω/λ_2ω=4πn_2ω/λ_ω描述的平面波描述，其中n_2ω是第二谐波频率2ω处介质的（有效）折射率，且λ_2ω=λ_ω/2是第二谐波的真空中的波长。应当理解，自由传播的频率上转换光也包括其中光波限于横向维度的波导传播情况。如果源波的波矢量与自由传播的波的波矢量相同，则沿装置长度观察到生成的第二谐波的相长干涉，且第二谐波功率增大。否则，第二谐波功率沿长度振荡，仅实现由波矢量错配规定的小最大值：

Δk=k_2ω-2k_ω,(方程5).

在Δk非零的情况下，允许第二谐波功率增大的一种方式是使用上述准相位匹配。具有周期Λ和相关k-矢量K_g=2π/Δ的非线性系数的符号的周期性反变致使周期性补偿Δk造成的相位错配。当

k_2ω-2k_ω±mK_g＝0,(方程6),

时实现准相位匹配，由此补偿波-矢量错配。这里m可以是任何整数并表示准相位匹配阶数。相同类型的准相位匹配可应用于总和频率生成的情况，但在该情况下，方程5由以下方程代替：

$\mathrm{\Δk}=k_{{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2}-k_{{\mathrm{\ω}}_1}-k_{{\mathrm{\ω}}_2},$ (方程7),

且QPM条件（方程6）由以下方程代替：

$k_{{\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_2}-k_{{\mathrm{\ω}}_1}-k_{{\mathrm{\ω}}_2}\±{\mathrm{mK}}_g=0,$ (方程8).

如方程5所定义的，与每个基本光波长λ_ω关联的是用于相关光场的频率翻倍的波-矢量错配Δk。类似地，与两个基础波长λ₁和λ₂中的每个相关联的是用于生成其光学频率的总和的波矢量错配Δk_1，2。在用于利用铌酸锂的d₃₃非线性系数的I-型准相位匹配的情况下，当基础波长为1060nm量级时，Δk在9000cm^-1的量级上是显著的。在相位匹配的其它情况下，诸如双折射相位匹配情况下，Δk为0。当根据载波周期和相位调制描述QPM装置设计时，它可能便于通过以下方程在k-矢量空间中定义的偏差k-矢量：

δk=Δk±K_c,(方程9),

其中K_c是描述QPM的载波周期的波矢量。方程9右侧的加/减号选择成使得相位匹配未被调制时δk=0。这样，与每个基础波长和每个非线性过程（SHG，SFG）相关的是δk的特定值。因为对于非线性装置的特定设计，从中央（设计）光学频率的去谐确定相关联的相位错配，所以非线性光学装置的光谱响应可设计和绘制成δk的函数。

δk与基础波长之间的绘制可通过以下关系给出：

$\frac{\mathrm{d\Δk}}{{\mathrm{d\λ}}_{\mathrm{\ω}}}\≡\frac{\mathrm{d\δk}}{d{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ω}}}=-\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\ω}}^2}(n_{2\mathrm{\ω}}^g-n_{\mathrm{\ω}}^g),$ (方程10),

其中n^g _ω和n^g _2ω代表基础和第二谐波频率下的分组折射率。频率ω或波长λ下的分组折射率定义为：

$n^g=n+\mathrm{\ω}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\ω}}=n-\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\λ}},$ (方程11).

长度L的真正周期性极化装置将具有根据δk的光谱响应曲线，δk用sinc²函数描述，具有等于1.772π/L的半最大值全宽（FWHM）。根据基础波长，则FWHM为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{FWHM}}=\frac{0.443}{n_{2\mathrm{\ω}}^g-n_{\mathrm{\ω}}^g}\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{L},$ (方程12).

使用上述方程，本发明的波长转换装置将具有至少两个基础光谱波峰的泵浦光束的频率转换成具有至少三个频率转换光谱波峰的输出光束。因此，波长转换装置应当提供三个或多个相位匹配波峰，三个或多个相位匹配波峰产生具有频率2ω₁、(ω₁+ω₂)和2ω₂的频率转换光谱波峰和大致相等的光学功率的输出光束。通过准相位匹配（使用例如QPM阶m=1）相对于第二谐波生成聚焦上述相位匹配光谱波峰之一，其形状可通过将QPM晶体域结构的特性从相位匹配周期Λ处的严格周期性变为准周期性结构而从单个波峰变化成具有多个光谱分量的分裂波峰。可利用操纵QPM波峰的形状的几种技术，包括但不限于具有频率短促、周期性或非周期性的QPM光栅，准周期超晶格，非周期超晶格，和相位调制。此外，各技术可通过利用光谱响应与物理空间内非线性易感性分布之间的傅立叶变换关系利用计算机优化来获得具有所要求光谱响应的QPM结构。

通常参照图6，示出根据一实施例考虑δk的波长转换装置的光谱响应。光谱响应通过至少三个相位匹配波峰（例如准相位匹配波峰）来表征：第一准相位匹配波峰162、第二准相位匹配波峰163以及第三准相位匹配波峰164。第一准相位匹配波峰162对应于具有由第二谐波生成产生的频率2ω₁的第一频率变换光谱波峰142（图2），第二准相位匹配波峰163对应于具有由总和频率生成产生的频率(ω₁+ω₂)的第二频率转换光谱波峰144，而第三准相位匹配波峰164对应于具有由第二谐波生成产生的频率2ω₂的第三频率转换光谱波峰146。

对于通过混合两个基础光谱波峰以产生三个频率转换光谱波峰142、144和146的频率上转换的特定情况，可能有基于泵浦光学频谱的纵向模式结构区分的三种情况-单模、多模、以及宽泛的连续频谱。例如由于频率过度短促，后一种情况包括泵浦光学频谱未被一个或多个良好定义的光谱线表示的情形。

这里首先描述单模基础光谱波峰，接着讨论多模实施例。在单模中，两个基础波峰中的每个由具有窄光谱线宽的单个纵向激光模组成。由于泵浦模的线宽通常比波长转换装置的光谱响应特征窄得多，所以光谱波峰的宽度可能不是最重要的。因此，优化可涉及使三个准相位匹配波峰162、163和164的波峰强度幅值最大，同时保持幅值响应比约为1:0.25:1以使三个频率转换波长的输出功率相等，使得光斑对比度显著减弱。应指出，应当注意确保准相位匹配波峰精确定位在Δk-空间内。虽然总和频率ω₁+ω₂精确地在第二谐波频率2ω₁与2ω₂之间的中间，但由于材料和波导色散，用于总和频率生成过程的波矢量错配可能相对于用于两个第二谐波生成过程的平均波矢量过程稍微移位。该移位随着两基础波峰之间频率间隔的增加而增加。该移位在变得与对应于总和频率生成非线性过程的第二光谱波峰163的宽度相当时可能是不可忽略的。

相位匹配周期的调制可用于获得具有在δk内等距间隔开的三个光谱波峰并具有所需要的响应比的波长转换装置以产生具有大致相等光学功率的三个频率转换光谱波峰。红外（基础）与转换（第二谐波）光之间的波矢量错配Δk是几千cm^-1。为了补偿该错配，可能需要具有短准相位匹配周期Λ和几千cm^-1匹配Δk的波矢量K_c来消除相位错配。该结果会是上文关于第二谐波生成所述的中心在δk＝0处的单光谱波峰。准相位匹配周期Λ可称为基本载体周期。

为了获得三个准相位匹配波峰，可将相位调制函数（PMF）应用于载体周期以实现相位调制周期。相位调制周期在应用于准周期极化域形式的非线性光学材料时具有将中心在δk＝0的单光谱波峰分成多个光谱波峰的效果，由此产生与中心光谱波峰163等距间隔开的侧带（162，164）（图6）。倒置域称为准周期性的，因为作为整体的多个域在由PMF调制时不是真正周期性的。PMF具有与QPM周期Λ（即载体周期）相比非常大的周期且因此具有小得多的k-矢量。PMF在极化域的相对位置上引入小的扰动。例如，如果要求第一和第三侧光谱波峰162和164距离中心第二准相位匹配波峰163为28cm^-1，则可应用具有28cm^-1的k-矢量的调制。为了将相位调制函数应用于周期性极化，所有倒置域沿传播方向的位置可移位与PMF的局部值成比例的距离。该比例常数使得由PMF规定的π的相移对应于用于倒置域的0.5Δ的纵向位移。如果相位调制函数为f(x)，则倒置域在沿传播方向位置x处的位置的纵向移位为Λf(x)/(2π)。应理解，可根据频率（周期）调制给出同一装置实施方式的描述。

如果泵浦光谱波峰关于中心波长λ对称定位并在（真空）波长上间隔开Δλ，则可将相位匹配波峰分裂成将允许在波长0.5(λ-0.5Δλ)、0.5λ以及0.5(λ+0.5Δλ)处上转换辐射生成的分量的周期性PMF，则应当具有周期：

${\mathrm{\Λ}}_{\mathrm{PM}}=\frac{2\mathrm{\π}}{K_{\mathrm{PM}}}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{\mathrm{\Δ\λ}(n_{2\mathrm{\ω}}^g-n_{\mathrm{\ω}}^g)},$ 方程(13).

应当理解，周期性相位调制是可用于有效光斑减弱的多个相位调制函数中的仅一个。尽管周期相位调制可以提供关于光斑减弱与转换效率之间的近最佳响应，但非周期性的PMF也可用于产生多波峰上转换光谱响应，其中准相位匹配波峰的位置和幅值与周期性调制情况相比可稍微改变，同时仍提供用于显著光斑减弱的足够性能。足够的波长间距和准相位匹配波峰的幅值分布可提供最佳光斑减弱和转换效率。

在替代实施例中，可将相位调制函数应用于有效折射率而不干扰周期极化。例如，通过慢慢改变波导（波导相互作用的情况）的宽度、厚度或折射率色散，δk可周期性地变化，由此形成光谱响应中的多个准相位匹配波峰而不改变真正的周期性极化。该技术也可应用于依赖于除了非线性系数的周期性符号反变外的其它方式的相位匹配相互作用，诸如双折射相位匹配或模内相位匹配（其中波导色散用于补偿材料色散）。

在具有双折射相位匹配或QPM的大块晶体的情况下，折射率随温度、应力或电场的周期性变化也可应用于连续的相位调制。线性光学特性的调制可通过材料成分、温度、电场、机械应力或其它应力因素产生。在波导传播的情况下，诸如波导宽度、厚度或材料成分的波导特性周期性调制可经由在光学模式的有效折射率的影响来影响相位匹配的周期性调制。

在另一实施例中，可沿光传播方向将多个晶体堆叠成一个序列，通过光学可透材料的薄层分开。分隔层的厚度选择成对于离散相位调制提供基础和上转换光学频率之间的(2l+1)π相位差，其中l=0,1,2,3…。或者，可将具有不同非线性或线性光学特性的成块不同介质堆叠在一起，致使相位匹配的调制。

现参照4和5，示出相位调制函数的一实施例和形成的具有相位调制周期的多个极化域。图4示出由矩形波组成的离散PMF150。离散PMF150实现大周期的符号反变序列。每个符号反变相当于π的离散相位跳变。对于经由周期性极化QPM的情况，该周期性符号反变叠加到具有相变匹配周期Λ的周期性极化上。如图5所示，非线性系数的符号反变相当于如铌酸锂中的铁电晶体中的电介质极化反变。通过相对于由相位匹配周期Λ表征的其标称定向翻转一个或多个域的定向来实现周期性符号翻转。

图4-6示出和表征的波长转换装置是8mm长的准周期性极化铌酸锂晶体。离散PMF150具有约2.67mm的符号反变周期，该周期是装置全长的1/3。在8mm长区域外不提供相位匹配。数学上，可假设相位匹配区域外的非线性光学系数为0，即使非线性介质延伸到该区域外。离散PMF150的工作循环可改变为实现准相位匹配波峰的所需间距和幅值以及对应的三个频率转换光谱波峰。图4的实施例的离散PMF150的工作循环约为0.354以实现图6所示三个准相位匹配波峰162、163和164的4:1:4的响应比。

图5示出波长转换装置130的多个域的一部分。应理解，图5不是按比例绘制的且仅用于说明目的。具有第一晶体定向132a（例如，正符号）的域由向上箭头↑表示，而具有第二晶体定向132b（例如，负符号）的域由向下箭头↓表示。参照图4，x轴线上的x=-0.4对应于波长转换装置的相位匹配区域的起点，而x=0.4是波长转换装置130的相位匹配区域的终点。离散相位调制函数150的部分151由值“1”表征。在该区域，域132a、132b根据相位匹配周期Λ周期性地交替。但是，在从区域151到部分152的过渡处，各域的符号或定向翻转。如图5所示，域133具有第二晶体定向而不是第一晶体定向，使得部分152内的其余域相对于相位匹配周期Λ（即载体周期）定义的标称位置相移π。各域沿x纵向移位0.5Λ（在该情况下相当于各域在所要相移的区域翻转定向（符号反变））。在部分152与153之间的过渡处，域134的定向翻转，使得部分153内的各域根据相位匹配周期Λ周期性地交替。类似的，域135的符号或定向在153与154的过渡处翻转。因此，各域在离散相位调制函数150的部分151、153和155处由载体周期定义的标称位置处极化，且各域相对于离散相位调制函数150的部分152、154和156处相对于标称位置移位0.5Λ。

图6示出在由相位匹配周期Λ限定的相位调制周期处极化并通过周期性域符号序列乘以图5所示PMF更改的波长转换装置的光谱响应160。每个域的域宽度约为3.2μm。波长转换装置包含MgO掺杂的合适铌酸锂波导，且准相位匹配用于允许使用二阶非线性极化易感性的分量d₃₃进行I型相位匹配。图6示出光谱响应160为δk的函数。三个主准相位匹配波峰162、163和164的幅值分别为0.343、0.0849和0.343。两个外部准相位匹配波峰161和165对频率转换输出没有贡献。第一和第三准相位匹配波峰162和164在Δk-空间内分开45cm^-1。这些准相位匹配波峰162和164会准相位匹配波长分开约1.59nm的约1060nm的两个相应红外波长的频率翻倍。第二准相位匹配波峰163会准相位匹配两个红外波长的总和频率混合。假设激光器功率P在两个泵浦模式之间均等分布，则同时的两个谐波生成和总和频率生成过程的总效率由下式给出：

P_out＝0.343η₀*(P/2)²+4*0.0849*η₀*(P/2)²+0.343η₀*(P/2)²＝0.256η₀P²，方程(13),

其中η₀是具有单准相位匹配波峰的相同长度均匀周期性极化准相位匹配光栅的第二谐波生成效率。如果因子0.256致使转换效率太低，则该效率可通过增加脉冲操作中的波峰功率来恢复。定义为频率上转换输出信号的平均功率与平均基础（泵浦）输入功率的比值的、非线性光学装置的外部转换效率可能是描述作为总体光学系统的一部分的非线性装置的性能的最重要参数。外部转换效率与低转换区域内的泵浦功率成比例，并在高转换率下饱和。外部效率降低的为4的因子可通过将波峰基础功率增加4或更大的因子来补偿。此外，当脉冲形状不是矩形时应应用1.4-2的附加因子，而不是诸如高斯、双曲正割、洛伦兹的更多典型激光器脉冲形状。

由周期为Λ_PM的周期性符号反变和50%的工作循环表示的PMF致使QPM光谱波峰分成两个分量，每个分量具有与相同长度的真实周期性QPM结构相比约0.41的相对幅值。在QPM结构的长度等于PMF的仅几个周期的情况下，可观察相对幅值从0.41的偏离，该偏离取决于PMF怎样在QPM结构的端点处截断。当PMF相对于QPM结构的中点对称时发生有利的截断，QPM结构的长度L等于约(m+0.3)Λ_PM,，其中m是正整数。例如，当L=(m+0.3)Λ_PM时，对于m=1,2,3,和4的情况，两个波峰的相对相应幅值分别为0.474、0.442、0.431以及0.424。如果使用仅有两个准相位匹配波峰的符号反变QPM结构来对每个泵浦模式进行频率翻倍，而不提供用于总和频率生成的相位匹配，则，即使两个第二谐波生成过程中每个的标称效率会更高（约0.41±0.06比约0.343），总体频率转换输出也会是：

P_out＝2*0.41η₀*(P/2)²=0.205η₀P²,方程(14).

方程（13）和（14）的比较说明利用具有三个准相位匹配波峰的优化QPM结构不仅有助于将光斑减弱因子从约1/1.41增加到约1/1.73，而且与仅具有两个准相位匹配波峰的结构相比将总体非线性转换效率平均增长约25%。即使总和频率生成波矢量错配的频率位移Δk_SFG限制准相位匹配波峰的间距，使得不能得到全光斑减弱因子，在两个光谱分离的泵浦激光器模式同时生成的情况下仅转换效率的增长也可提供优点。例如而非限制，对于PMF周期或非线性装置长度的最佳选择，L=(m+0.3)Λ_PM，具有39%工作循环的周期性符号反变PMF相对于非调制相位匹配装置产生幅值为约0.342、0.071、以及0.0342的三个中心波峰。如果工作循环为28%，则相对波峰幅值约等于0.247。因此，27%至29%之间的工作循环范围对应于能够提供显著光斑减弱的响应波峰比的范围。在中心相位匹配波峰的幅值类似于两侧波峰的幅值的情况下，中心频率转换输出波峰可包含比第一和第三（SHG）输出波峰稍高的光学功率，致使总体频率转换效率的改进。如果中心波峰的功率在两个其它波峰的两个功率的因子内，则仅将观察到光斑减弱的中等变差，这可能牺牲掉可能的效益增长（当需要这种牺牲时）。

在另一实施例中，离散PMF150可经由离散相位调制的深度而非工作循环来控制多相位匹配波峰的幅值比。PMF可由具有幅值Ф₀ ^PM的矩形波形组成。由PMF赋予相位匹配的相位由下式给出：

方程(15),

其中

是允许PMF波形沿QPM结构相对于中点恒定相移（如果需要）的参数。例如，对于图7所示L＝3.3Λ_PM波峰比为4:1:4情况的PMF，图8上示出光谱响应。由于符号函数在其自变量为正时值为+1，当其自变量为负时为-1，且当其自变量为0时为0，由PMF定义的相位基本上在值Ф⁰ _PM与-Ф⁰ _PM之间周期性地跳跃。相位调制深度（DPM）ε等于相位调制幅值的两倍：

ε=2Ф⁰ _PM,方程(16).

对具有相位匹配长度L=0.7706cm的波长转换装置使用且Λ_PM=0.2335cm的方程（15）定义的PMF，通过将幅值Ф₀ ^PM从0.316π改变到0.403π，相位调制的QPM光谱响应中的三个主波峰比值范围从1:1:1至4:1:4。此外，当Ф₀ ^PM=0.372π时波峰比为4:1.75:4，且当Ф₀ ^PM=0.364π时为2:1:2。如下文解释的，这些后者QPM波峰比对于泵浦的多模光谱波峰是重要的。如果应用于PPMgLN波导，上述PMF会为中心在1061nm周围且波长间隔开约1.9nm的泵浦光谱波峰的频率混合提供QPM。对于更长的QPM结构（例如0.9948cm）和相同的波峰比，相位调制的相应深度基本上相同（在0.002π内）。此外，由于晶体长度不等于偶数或整数个PMF周期，波形截断的影响对于相位匹配光谱波峰的一定所需幅值比对相位调制的必要深度有微小影响。在表1中总结出跨越实际重要范围的离散矩形PMF的某些实例（Λ_PM=0.2335cm,

表1.相位匹配光谱响应中的矩形波PMF参数和波峰的幅值。M_SHG和M_SFG相位匹配响应中的波峰的幅值分配给相位匹配第二谐波生成和总和频率生成，标准化成相同长度的真正周期性相位匹配结构的单模SHG响应的幅值。

在另一替代实施例中，PMF150是x的梯形函数。该函数具有周期Λ_PM的周期性。图9示出波峰比为4:1:4的L=3.3Λ_PM的情况的梯形PMF函数的实例，且图10中示出相应的光谱响应。在每个半周期内，不是采用单个恒定值，而是赋予的相位跟随斜坡段和平台段。在对称梯形PMF的情况下，后者可由相位幅值Ф⁰ _PM、周期Λ_PM、相移

以及平台工作循环（PDC）定义。PDC等于作为半周期一部分的平台段的长度。斜坡段的长度L_ramp是半周期的其余部分，且斜率为1/L_ramp，乘以幅值Ф⁰ _PM。由于附加的自由参数（斜坡），可通过参数的不同组合，且因此通过不同的梯形PMF波形获得某些所需的相位匹配波峰比。梯形PMF因此可提供灵活的方法来调制相位匹配来获得考虑光斑减弱和转换效率的最佳性能。表2中包括PMF参数组的实例和相位匹配波峰的相应优良标准化幅值。表2中总结出跨越实践中重要的光谱相应范围的对称梯形PMF(Λ_PM=0.2335cm,

的某些具体实例。

表2.相位匹配光谱响应中的梯形波PMF参数和波峰的幅值。M_SHG和M_SFG相位匹配响应中的波峰的幅值分配给相位匹配第二谐波生成和总和频率生成，标准化成相同长度的真正周期性相位匹配结构的单模SHG响应的幅值。

所赋予的相位的线性斜坡代表沿传播方向恒定增加或减小的相移。在准相位匹配的情况下，从不同的角度还可看出为作为QPM结构的局部周期的变化。因此，可以看出对称连续梯形相位调制函数代表包含三个不同QPM周期的结构。沿装置长度在PMF由所赋予相位的平台表示的区域内观察未受扰动设计的周期。在PMF由斜坡表示的区域内，该周期固定到两个值之一，一个比载体周期小，一个比载体周期大。

对于相对平滑的突出表面，可能理想的是具有比产生等距分开的相位匹配波峰的上述方案可容许的可见频率转换光谱波峰更大的光谱分离。在该情况下，Δk_SFG会从具有三个等距间隔开的准相位匹配波峰的中间相位匹配波峰的中点显著移位，其中两个外部波峰对准以匹配用于两个第二谐波生成过程的波矢量错配。在该情况下，应当采取措施来确保所有三个频率转换过程适当地相位匹配。实现这的一种方式是使用上述具有较短晶体三个等距分隔的准相位匹配波峰的波长转换装置。对准相位匹配波峰较大波长分离的需要导致离散PMF周期缩短，而同时每个准相位匹配波峰的宽度将随着晶体长度的减小而增加。

在具有更细粗糙度的屏幕上需要光斑减弱的地方，具有准相位匹配波峰的较宽间距的QPM结构可能是必要的。在该情况下，中心准相位匹配波峰可能需要稍微移位以将波峰与用于第二谐波生成和总和频率生成过程的非均匀间隔开的Δk-矢量对准。图11示出一实施例，其中波长转换装置230包括第一极化铌酸锂晶体部分280和第二极化铌酸锂晶体部分282。该实施例的波长转换装置230将根据上述离散PMF具有相位调制周期以产生两准相位匹配波峰来用于第二谐波生成的QPM结构（第一晶体部分280）与具有稍微不同基本QPM周期以产生较低准相位匹配波峰来用于总和频率生成的较短均匀QPM结构（第二晶体部分282）组合。较短QPM结构的周期使得总和频率生成准相位匹配波峰可适当地移位以补偿错配Δk_SFG。此外，准相位匹配波峰的光谱分离应当基本上大于每个准相位匹配波峰的宽度以避免会造成其扭曲的准相位匹配波峰之间的干涉。在相关实施例中，部分280和282的顺序可沿具有类似结果性能的光路径相反。在关注泵浦消耗的情况下，可根据其外观沿光路径的顺序稍微改变部分280和282的长度的最佳比。

产生外部第二谐波生成QPM波峰的第一晶体部分280可基于上述符号反变（π-相移）或用于将准相位匹配波峰有效分成两个准相位匹配波峰的其它技术。例如，如果波长转换装置230的第一部分280包括长度L₁的通过符号反变的相位调制周期，且对应于第二谐波生成的外部准相位匹配波峰需要比对应于总和频率生成过程的中心准相位匹配波峰高四倍，则未受扰（即真实周期性）中心准相位匹配波峰的第二晶体部分的长度L₂通过下式与L₁相关：

4(L₂)²=0.41*(L₁)²,方程(17),

考虑第一晶体部分的准相位匹配波峰通过与具有均匀QPM光栅相比约0.41的因子减小。因子0.41是近似的，因为实际值取决于PMF怎样在相位匹配结构的端部被截断，这可能导致在相位匹配函数的仅几个周期符合相位匹配结构长度的情况下百分之几的变化。从方程17，得出L₂=0.32*L₁，且根据该实施例的总波长转换装置长度为L=L₁+L₂=1.32*L₁。如上所述，相位调制部分的长度L₁可选择成大致等于(m+0.3)Λ_PM，m为整数，以提供PMF的有利截断，从而获得比0.41稍好的两个光谱波峰的标准化幅值。然后长度L₁和L₂的比值可能需要稍微调整，以重新平衡三个输出波峰的光功率。分配给总和频率生成的短QPM部分也可沿光路径先于分配给第二谐波生成的相位调制部分。

例如而非限制，由6.05mm长第一极化铌酸锂晶体或具有QPM光栅的波导部分组成的波长转换装置会产生基本波长分开约4nm的两个准相位匹配波峰，QPM光栅具有离散相位调制函数，该离散相位调制函数具有1mm的周期和应用于基础QPM周期Λ₁的50%的工作循环。光谱波峰在半最大值处的全宽（FWHM）是Δk空间中的

或者0.3nm的基础波长。适当选择成补偿Δk_SFG的长度L₂=1.95mm且QPM周期Λ₂的第二极化铌酸锂晶体部分具有的光谱宽度为Δk空间中的

或1nm的基础波长。

应指出，两段波长转换装置可能未完全优化，因为中间准相位匹配可比外部准相位匹配波峰显著宽，这对于光斑减弱是不必要的。

在两个基础光谱波峰中的每个由半导体激光器的多纵向模组成的情况下，相位匹配波峰的光谱响应幅值的最佳比变化。波长转换装置的输出上三个频率上转换的光谱波峰将包括由对应于构成的两个基础光谱波峰的各种纵向泵浦激光器模式的窄线的频率翻倍或总和频率混合所产生的多光谱线。

例如，让泵浦光束的两个基础光谱波峰中的每个由M个纵向模式组成。让具有标准化幅值1的光谱波峰内的单纵向模的频率翻倍效率为η₀，且三个相位匹配或QPM光谱波峰中的每个具有标准化幅值1。假设波长转换装置的相位匹配或QPM光谱波峰的带宽并不限制各种模式之间频率混合的效率，则保持以下关系：

1)对于属于不同光谱波峰的频率分量（模式）之间的总和频率生成混合效率，η_SFG=4η₀；以及

2)对于由波长转换装置的仅一个对应的SHG相位匹配或QPM光谱波峰产生的基础光谱波峰之一的分量（模式）的总频率上转换来说，排除与来自其它基础光谱波峰的模式的混合：η_SHG=(2-1/M)η₀。通过考虑相对权重为1的每个泵浦纵向模的频率翻倍和相对权重为4的不同纵向模（包含在同一基础光谱波峰）的总和频率混合的贡献推导出该关系。

当频率转换输出的光学功率在三个频率转换光谱波峰之间均匀分布时，将再观察到光斑对比度的最大减弱。这可通过如下调整三个准相位匹配波峰的标准化波峰效率来得到：η_SHG1:η_SFG:_SHG2=4:(2-1/M):4。当M>>1时，最佳比变为2:1:2。应指出，对于相同的波长转换装置长度，与每个基础光谱波峰包含单模的情况相比，多模实施例可实际上产生更高的总体转换效率。这是因为多模第二谐波生成准相位匹配波峰的总体转换效率增加高达2的因子。为了获得光斑对比度的最大减弱，中心总和频率准相位匹配波峰的效率应当增加约相同的因子，由此提高总体效率。如果基础光谱波峰的光谱宽度与准相位匹配响应的准相位匹配波峰的可接受带宽相当或更宽，则效率的提高可能减小。

图12-14B在多模实施例中示出可用于产生波长转换装置的三个频率转换光谱波峰的相位调制的另一实施例。图12中示出的PMF是正弦函数170，该正弦函数170在应用于载体周期Λ时，提供具有相位调制周期的多个域。应当理解，尽管在具有多纵向模的基础光谱波峰的语境中描述正弦函数170，但该正弦函数也可用于基础光谱波峰具有单纵向模的实施例。可调节（即稍微增加）相位调制的深度来提供对于具有单模基础光谱波峰的最佳光斑减弱适当的波峰比。

不是上文参照图4-6所述那样离散地调制多个域的相位，而是正弦函数具有将铁电域的位置相对于相位调制周期Λ限定的标称周期位置连续移位的效果。如上文参照离散PMF所述的，相位调制周期在应用于准周期极化域形式的非线性光学材料时具有将中心在δk的单准相位匹配波峰分成三个准相位匹配波峰的效果，产生与中心准相位匹配波峰183相邻等距间隔开的侧带（182，184）（图14A）。正弦PMF170具有与相位匹配周期Λ相比非常大的周期，且因此具有非常小的k-矢量。因此，正弦函数在极化域的相对位置上引入非常小的扰动。

具体参照12和13，示出PMF的一实施例和形成的具有相位调制周期的多个极化域。图12示出正弦函数170，该正弦函数170在应用于相位调制周期Λ时，将极化域的位置连续移位Δx(x_l)，可表达为：

$\mathrm{\Δx}\left(x_l\right)=\frac{\mathrm{\Λ}{\mathrm{\Φ}}_0^{\mathrm{PM}}}{2\mathrm{\π}}\cos (k_x{x}_l+{\mathrm{\φ}}_0)=\frac{\mathrm{\ϵ\Λ}}{4\mathrm{\π}}\cos (k_x{x}_l+{\mathrm{\φ}}_0),$ 方程(18),

其中ε是相位调制深度等于相位调制幅值Ф₀ ^PM的两倍。调制深度ε影响产生的准相位匹配波峰182、183和184的相对幅值。

图12-14B示出和表征的准周期性极化波长转换装置330是7.706mm长的极化铌酸锂波导，该波导由具有约0.25nm宽且中心分别在1060.5和1062.4的两个基础光谱波峰125，127的泵浦光束注入。每个基础光谱波峰可包括三至五个模。因此，最佳光谱响应比会在4:1.67:4与4:1.8:4之间。为了实现具有4:1.75:4的光谱响应比的波长转换装置130，由正弦函数170提供的相位调制深度ε约为1.066π且正弦函数170的周期约为2.335mm。波长转换装置130具有应用到载体周期的正弦相位调制函数170的约3.3个周期。波长转换装置330的长度可由正弦函数170提供的相位调制的最佳截断确定。当极化域的相位调制周期的长度与正弦函数170的周期之间的关系为：

L＝(m+0.3)*Λ_S,方程(19),

时，可获得相位调制的最佳截断。其中Λ_S为正弦函数170的周期，且m=1,2,3等。适当值的范围在m+0.2至约m+0.45之间，最佳中心在m+0.3周围。当在这些范围中选择波长转换装置330的长度时，且相对于波长转换装置的中心对称地应用该正弦函数时，大部分效率*的带宽区域被保留在三个所需的准相位匹配波峰182、183和184内，且较少的进入到所关注的中心补偿区域外的未使用的准相位匹配波峰（例如181，185）。

当以这种方式选择波长转换装置的长度时，就在正弦函数的波峰或波谷之后而不是在或就在陡坡上发生波长转换装置的两个边缘上的截断。相位的余弦值的波峰和波谷是极化周期具有由相位调制QPM光栅覆盖的周期范围中心附近的值的区域。其中在正弦函数的斜坡部分快速变化的区域是局部周期比平均周期显著短或显著长的区域。这样周期相位匹配远离中心波长的波长的二次谐波生成，由此扩展所关注的中心区域之外的效率。

图13示意性地示出波长转换装置330的一部分。波长转换装置330包括晶体方向交替由向上箭头↑和向下箭头↓指示的多个极化域132。极化域132的相应位置相对于载体周期限定的标称周期位置纵向移位（由竖直虚线136表示）。该移位根据正弦PMF是连续的。例如，域139已根据正弦函数170的波峰移位，且因此相对于其标称周期位置移位最大值，其由调制幅值Ф₀ ^PM表征。如图13所示，倒置域132的相对位置纵向连续移位。

如图14A和14B所示，三个准相位匹配波峰182、183和184的响应比180约为4:1.75:4。图14A示出δk空间内的准相位匹配波峰182、183和184，而图14B示出对于周期性极化MgO掺杂铌酸锂波导的情况波长空间内的准相位匹配波峰182、183和184。用半导体激光器发出的泵浦光束的两个多模基础波峰125、127（图3A），总体转换效率会是使用图4-6描述的结构具有单模基础光谱波峰的泵浦光束效率的几乎两倍高。对于图14B的情况（与方程（5）相比），转换效率可由下式描述：

P_out＝0.365*2*η₀(P/2)²+0.160*4*η₀(P/2)²+0.365*2*η₀(P/2)²＝0.525η₀P²，方程(20).

通常，如果每个基础光谱波峰包含N个模，则使用多模基础波峰与单模基础波峰之间的效率增加接近(2-1/N)。从方程20计算出的改进较高，是因为与上文结合单模泵浦光谱波峰的情况描述的符号翻转结构相比有更好的调谐曲线优化。在某些情况下，例如当光学脉冲的光谱带宽与准相位匹配波峰的QPM可接受带宽相当或更大时，由于每个准相位匹配波峰的有限QPM带宽的影响，效率增加可能更小。此外，由于不完美的装置构造，准相位匹配波峰幅值的实验比与理论比相比可能稍有变化。在基于波导的波长转换装置的情况下，这种缺陷可能包括但不限于低到中度极化保真度和沿长度的某些波导非均匀性。准相位匹配波峰比的小幅变化通常会对光斑减弱特性有很小的影响。

当使用具有多模基础光谱波峰的泵浦光束来注入波长转换装置时的另一个考虑因素是每个基础波峰的总体光谱带宽可能与相应准相位匹配波峰（对于SHG或SFG）的QPM带宽（在泵浦波长方面）相当。当准相位匹配波峰部分地过滤基础光学频率时，这可限制转换效率或对准相位匹配波峰的最佳比值施加微小变化。例如，如果每个基础光谱波峰具有波长空间内0.3nm的光谱线宽，则小于或相当于0.3nm的任何准相位匹配波峰的准相位匹配FWHM带宽可显著改变该QPM波峰提供的转换效率。为了保持在前述多模分析的限值内，波长转换装置应具有至少与波长空间内多模基础光谱波峰的光谱带宽一样宽的相位匹配波峰。这可对波长转换装置的长度或用于产生多准相位匹配波峰的超级结构的复杂度施加限制。更窄的准相位匹配波峰产生用于光斑减弱的最佳波峰比的微小变化，但与相同最大响应幅值的充分宽的准相位匹配波峰相比呈现更低的总体上转换效率。另一方面，当较窄准相位匹配波峰是由于较长QPM波长转换装置时，这些准相位匹配波峰的最大幅值较高，且在多种情况下会增加总体效率。

波长转换装置的长度限制可致使对总体转换效率的限制。例如，如果每个基础光谱波峰为0.3nm宽，则每个准相位匹配波峰应当也至少0.3nm宽，致使总装置长度不长于6mm，除非除了光谱分裂之外采取其它措施来设计允许光谱扩宽的更复杂超级结构。在该情况下，也可以利用上文描述且图11中所示的两段式波长转换装置，两段式波长转换装置具有通过特定极化域的符号翻转（例如通过应用离散符号翻转PMF150）实现的两个准相位匹配波峰的第一晶体部分280接着具有移位成匹配Δk_SFG的一个准相位匹配波峰的较短均匀极化第二晶体部分282。需要增加中心波峰幅值致使总长度的其相对部分的增加和其带宽的缩短。因为中心准相位匹配波峰的带宽与外部准相位匹配波峰相比可能不必要地大，所以该实施例可能减弱光斑并有效地利用带宽。假设足够的带宽，用于高多模泵浦光谱波峰的长度比可由下式确定：

2(L₂)²=0.41(L₁)²∴L₂＝0.45L₁,方程(21).

例如而非限制，具有8mm总长的波长转换装置将具有长度L₁约5.52mm的相位翻转第一晶体部分280和长度L₂约2.48mm的用于中心总和频率准相位匹配波峰的均匀极化第二晶体部分282。波长空间内两个第二谐波生成准相位匹配波峰的QPM带宽将约为0.36nm。总和频率生成准相位匹配波峰的QPM带宽将为约0.83nm。如果第二谐波准相位匹配波峰通过其不充分带宽降低转换效率，则产生总和频率生成准相位匹配波峰的附加QPM部分的长度应当稍微缩短以强制用于总和频率生成准相位匹配波峰效率的相应降低，从而使光斑对比度最小。

关于相对于Δk_SHG1和Δk_SFH2的平均值的移位Δk_SFG的上述限制也可应用于多模应用。因此，当光斑减弱需要准相位匹配波峰的更大频率间距时，可使用具有用于充分带宽的有限长度的极化机构的波长转换装置或具有移位的中心准相位匹配波峰的极化结构的波长转换装置。对于最佳光斑减弱，输出准相位匹配波峰与非均匀波长间距之比仍选择成大致匹配比值4:(2-1/N):4。

当设计波长转换装置的极化结构时可能需要考虑的另一因素是由DBR激光器发出的各个模式可能不具有完全相同的功率。因此，用于多模应用的波长转换装置的QPM设计可能需要稍微调整以使三个输出光谱波峰的强度相等。

另一考虑因素是两个泵浦光谱波峰可能在光学功率上稍有不同的情况。在该情况下，可打破QPM波峰幅值相对于中心波峰的位置的对称性以补偿泵浦光谱波峰的不相等功率。这可通过将适当的非零相移

应用于任何所述的周期性PMF或通过向相位调制函数增加二次线性调频来实现。或者，可通过改变现行波导特性利用非均一波导设计来提供该调频。PMF相对于QPM结构中心的移位产生相移，该相移根据需要呈现用于幅值不相等的SHG的侧准相位匹配波峰。

应指出，本文所述的实施例并不限于发出两个基础光谱波峰的半导体激光器和发出具有三个频率转换光谱波峰的输出光束的波长转换装置。例如，上述方法也可用于设计发出五个或六个分开>0.5nm的几乎相等强度频率转换光谱波峰，致使

或

的光斑减弱。

在该情况下，半导体激光器发出三个等距间隔开或不等距间隔开的基础光谱波峰，且波长转换装置设计成具有至少五个或六个（准）相位匹配波峰，三个用于二次谐波生成，而两个或三个用于总和频率生成。当基础光谱波峰波长均匀间隔开时，三个SFG波长之一将与“中间”SHG波长重合。可设计发出七个、八个、九个或更多频率转换光谱波峰的激光器，在每种情况下，激光器发出N个等距间隔开基础光谱波峰，且波长转换装置具有2N-1或更多个准相位匹配波峰：对于SHG或SHG+SFG为N个，而对于SFG过程排他地为(N-1)个。对于非均匀间隔开的N个基础光谱波峰，可一整组高达(N+1)N/2个的输出光谱波峰，对于SHG是N个，而对于SFG是(N-1)N/2个。与相同长度的未受扰相位匹配结构的单个波峰相比，由于脉冲操作的转换效率增益（比平均功率高的波峰功率）可用于补偿多波峰相位匹配设计的每个（准）相位匹配波峰的较低转换效率。

在其它实施例中，非线性装置的光学强度可通过内腔波长转换而增加，其中非线性光学介质插入泵浦激光器的谐振器内部，或者通过在包含非线性介质的分开空腔内谐振基础或上转换光学信号而增加。此外，转换效率可通过非线性介质内的双通波长转换来增加，其中当泵浦光沿远离泵浦增益介质的方向和朝向泵浦增益介质的相反方向在非线性介质内行进时产生频率上转换信号。

可以理解，以上详细描述旨在提供用于理解所要求保护的主题的本质和特性的概观或框架。对本领域的技术人员显而易见的是，可在不背离本发明的精神和范围的情况下对本文所述的实施例作出各种修改和变化。因此，意味着本发明涵盖本发明的各种修改和变型，只要它们在所附权利要求及其等同范围内即可。

注意，类似“较佳地”、“通常”和“典型地”之类的术语在本文中采用时不是旨在限制要求保护的本发明的范围或者暗示某些特征是关键性的、必要的、或甚至比要求保护的本发明的结构或功能更重要。相反，这些术语仅旨在突出可或可不在本发明的具体实施例中采用的替换的或附加的特征。更进一步地，应注意提及值、参数、或变量“因变于”另一值、参数、或变量时，不应当视作意味着值、参数、或变量因变于一个且仅一个值、参数、或变量。

为了描述和限定本发明，注意在本文中利用术语“基本上”、“大约”和“约”来表示可归因于任何数量比较、值、测量或其它表示的固有不确定程度。在此还使用术语“明显”来表示例如“明显在零之上”的定量表示不同于例如“零”的指定参考值的程度，并且应解释为要求该定量表示以可容易辨别的量不同于所指定参考值。

Claims (24)

1.一种光学系统，包括光源和波长转换装置，其中：

所述光源包括激光器，所述激光器构造成发出具有至少两个基础光谱波峰的泵浦光束；以及

所述波长转换装置包括非线性光学介质，所述非线性光学介质构造成相位匹配所述至少两个基础光谱波峰的频率翻倍和至少两个基础光谱波峰中每个的总和频率混合，使得当所述光源的泵浦光束入射在所述波长转换装置的输入小平面上时，从所述波长转换装置的输出小平面发出包括具有大约相等功率的至少三个频率转换光谱波峰的输出光束。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述波长转换装置位于所述激光器的光学空腔内。

3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述激光器以脉冲模式运行，使得所述两个基础光谱波峰具有大致相等的功率。

4.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述输出光束的频率转换光谱波峰的数量大于所述泵浦光束的基础光谱波峰的数量。

5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：

所述激光器构造成发出具有N个基础光谱波峰的泵浦光束；以及

当所述光源的所述泵浦光束入射在所述波长转换装置的所述输入小平面上时，从所述波长转换装置的所述输出小平面发出具有大约相等功率的2N-1至(N+1)N/2个频率转换光谱波峰的输出光束。

6.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：

所述波长转换装置由第一、第二和第三相位匹配波峰表征；

所述第一和第三相位匹配波峰用于第二谐波生成，而所述第二相位匹配波峰用于总和频率生成；以及

当所述泵浦光束入射在所述波长转换装置的所述输入小平面上时，所述第一、第二和第三相位匹配波峰具有产生具有大约相等功率的所述三个频率转换光谱波峰的响应比。

7.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述波长转换装置的对应于所述第一和第三频率转换光谱波峰的相位匹配波峰具有的幅值大于所述波长转换装置的对应于所述第二频率转换光谱波峰的相位匹配波峰的幅值。

8.如权利要求6所述的光学系统，其特征在于：

所述两个基础光谱波峰中的每个包括大约M个纵向激光模式；以及

所述第一相位匹配波峰、所述第二相位匹配波峰以及所述第三相位匹配波峰之间的响应比约为4:(2-1/M):4。

9.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述三个频率转换光谱波峰波长分开大于约0.25纳米。

10.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于：

所述非线性光学介质是准周期性极化的，并包括根据相位调制周期沿所述波长转换装置的纵向光学轴线定位的多个极化域，所述相位调制周期由相位调制函数叠加在载体周期上来表征，使得所述极化域中至少某些的相应位置相对于由所述载体周期定义的标称周期位置纵向移位；以及

当具有至少两个基础光谱波峰的泵浦光束入射到所述波长转换装置的所述输入小平面上时，所述多个极化域的所述相位调制周期使得至少三个频率转换光谱波峰具有大致相等的功率。

11.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，所述相位调制函数是矩形波相位调制函数，使得所述多个域通过所选域的周期性符号反变进行相位调制。

12.如权利要求11所述的光学系统，其特征在于，所述周期性符号反变具有约0.27至约0.39范围内的工作循环。

13.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，所述相位调制函数是周期性梯形函数。

14.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，所述相位调制函数是周期性矩形函数。

15.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，所述相位调制函数是正弦函数，使得所述多个域连续进行相位调制。

16.如权利要求15所述的光学系统，其特征在于，所述正弦函数由范围从约0.88π至约1.22π的总相位调制深度表征。

17.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于：

所述相位调制周期使得所述波长转换装置的特征是三个准相位匹配波峰包括第一、第二和第三准相位匹配波峰，所述三个准相位匹配波峰具有产生所述三个频率转换光谱波峰的响应比，当所述光源的所述泵浦光束入射到所述波长转换装置的所述输入小平面上时，所述三个频率转换光谱波峰具有大致相等的功率；以及

所述第一和第三准相位匹配波峰用于所述基础光谱波峰中至少两个的频率翻倍，且所述第二准相位匹配波峰用于所述基础光谱波峰中至少两个的总和频率生成。

18.如权利要求17所述的光学系统，其特征在于，所述波长转换装置的对应于所述第一和第三频率转换光谱波峰的准相位匹配波峰具有的幅值大于所述波长转换装置的对应于所述第二频率转换光谱波峰的准相位匹配波峰的幅值。

19.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于，所述波长转换装置的长度在约(m+0.1)*Λ_S至约(m+0.5)*Λ_S范围内，其中Λ_S是相位调制函数的周期，且m是非负整数。

20.如权利要求10所述的光学系统，其特征在于：

所述三个准相位匹配光谱波峰包括对应于所述第一频率转换光谱波峰的第一准相位匹配波峰、对应于所述第二频率转换光谱束的第二准相位匹配波峰、以及对应于所述第三频率转换光谱波峰的第三相位匹配波峰；

所述波长转换装置包括第一部分和第二部分；

所述第一部分被极化以产生所述第一和第三准相位匹配波峰；以及

所述第二部分被周期性极化以产生所述第二准相位匹配波峰。

21.如权利要求20所述的光学系统，其特征在于，所述第一部分的长度大于所述第二部分的长度。

22.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述非线性光学介质由用于第二谐波生成和总和频率生成的至少三个相位匹配波峰表征，第二谐波生成和总和频率生成至少部分基于沿所述波长转换装置的纵向光学轴线的所述非线性光学介质的有效折射率的调制。

23.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述非线性光学介质包括由透明介质分开的多个对准的双折射相位匹配介质。

24.一种光学系统，包括光源和波长转换装置，其中：

所述光源包括至少一个激光器，所述至少一个激光器构造成发射具有波长分开至少0.5纳米的至少两个基础光谱波峰的泵浦光束；以及

所述波长转换装置包括准周期性极化非线性光学介质，所述准周期性极化非线性光学介质包括根据相位调制周期沿所述波长转换装置的纵向光学轴线定位的多个域，所述相位调制周期由相位调制函数叠加在载体周期上来表征，使得所述域中至少某些的相应位置相对于由所述载体周期定义的标称周期位置纵向移位；

所述多个极化域的所述相位调制周期使得当所述光源的泵浦光束入射到所述波长转换装置的输入小平面上时，从所述波长转换装置的输出小平面发出包括具有大致相等功率且波长分开至少0.25纳米的至少三个频率转换光谱波峰的输出光束；以及

所述输出光束的频率转换光谱波峰的数量大于所述泵浦光束的基础光谱波峰的数量。

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