CN103606813A

CN103606813A - 一种级联三次谐波的产生装置

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Publication number: CN103606813A
Application number: CN201310653747.2A
Authority: CN
Inventors: 张双根; 尤文超
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2033-12-09
Also published as: CN103606813B

Abstract

本发明公开了一种级联三次谐波的产生装置，属于非线性光学领域。包括基频光源系统、控温炉和一块多周期级联晶体；所述的基频光源系统连接半波片、格兰棱镜、小孔光阑和第一聚焦透镜，入射光束经多周期级联晶体产生的二次谐波和基波再进行和频作用，产生三次谐波输出；所输出光波经第二聚焦透镜、高反镜、带通滤光片，再被探测器接收。本发明将倍频与和频过程集成在一块多周期级联晶体上，通过改变多周期级联晶体与基波的作用区域，可以同时实现两个非线性过程的相位匹配，系统结构紧凑，设计灵活；可以实现稳定高效的宽带级联三次谐波输出。

Description

一种级联三次谐波的产生装置

技术领域

本发明属于非线性光学领域，特别涉及一种利用一块多周期结构非线性晶体实现级联三次谐波产生的装置。

背景技术

三次谐波广泛应用于非线性光学的各个领域中，例如：三阶非线性极化率的测量、非线性相移的累积研究、多色孤子的传播等。另外，三次谐波是产生高次谐波的中间手段。例如：三次谐波与基波混频产生的四次谐波可用于通讯光纤的光栅制造。三次谐波与倍频光波混频产生的五次谐波深紫外激光可以用于光阻材料刻蚀等。

三次谐波激光产生方式可分为两种，一种是直接利用晶体的三阶非线性，直接产生三次谐波。但是由于三阶非线性系数χ⁽³⁾很小，所以三次谐波产生过程的效率很低。另外一种方法是通过级联来产生三次谐波的方案。级联三次谐波的产生，指的是先通过倍频（SHG:

Figure 2013106537472100002DEST_PATH_IMAGE001

）得到二次谐波，再通过基波和二次谐波的和频（SFG:

）得到三次谐波。在整个级联过程中，使用的都是二阶非线性系数χ⁽²⁾，由于晶体的二阶非线性系数要比三阶非线性系数χ⁽³⁾大很多，所以级联三次谐波产生的效率要比直接三次谐波产生的效率高很多。

2001年，G. Z. Luo等人在《Simultaneously efficient blue and red light generations in a periodically poled LiTaO₃》一文中利用1342nm的调Q的Nd:YVO4激光器为基频光源，在周期极化的LiTaO₃晶体中，通过倍频和三倍频获得了447nm的蓝光和671nm的红光输出。2009年， Y. Sheng等人在《Cascaded third-harmonic generation in a single short-range-ordered nonlinear photonic crystal》一文中，利用一块SRO (short-range-ordered) LiNbO₃非线性光子晶体，实现了526.7nm的转换效率为12%的三次谐波输出。微纳器件也被尝试用来实现级联三次谐波的有效产生。2011年，Solntsev等人在《Cascaded third harmonic generation in lithium niobate nanowaveguides》一文中利用未周期极化的LiNbO₃纳米波导，有效地产生了级联三次谐波。

以上的研究都是针对连续光或者长脉冲，国内外的研究者们通过不同的方式实现了级联三次谐波的产生，比如：双周期的准相位匹配材料、非线性光子晶体等。对于超短脉冲，由于其高的峰值功率和非常窄的脉宽，必然引起很强的高阶非线性效应。频率转换过程变得十分复杂，需要考虑的因素很多。目前国内外的很多研究都是使用两块晶体分别实现倍频与和频过程的相位匹配，从而实现级联三次谐波的产生。但是两块晶体级联的结构会影响三次谐波的产生效率和光波质量。另外，这种方法结构不够紧凑，不利于集成化设计。

发明内容

本发明目的是解决现有的级联三次谐波产生装置通常由两块晶体组成，存在结构复杂，不利于结构集成化，调谐难度高，三次谐波输出不稳定，并且转换效率较低等问题，提供一种能获得稳定输出、光转换效率高、光束质量好的级联三次谐波激光的产生方法，以及结构更简单、调谐更方便的级联三次谐波频率转换装置。

本发明提供的级联三次谐波的产生装置，以非线性晶体为变频晶体的级联三次谐波激光产生装置，包括基频光源系统、控温炉和一块多周期级联晶体，所述的多周期级联晶体置于控温炉中，用于改变在某一极化周期下倍频与和频过程的相位失配量，以实现高效的宽带三次谐波转化输出；所述基频光源系统到多周期级联晶体的光路上依次设有半波片、格兰棱镜、小孔光阑和第一聚焦透镜，多周期级联晶体的输出光路上依次设有第二聚焦透镜、高反镜、带通滤光片和探测器。

所述的基频光源系统为光纤激光器或者固体激光器，激光器以脉冲运转、准连续运转或连续运转中的任意一种状态工作；基频光源为1550 nm波段的激光器，波长输出范围可调谐，用以实现在某一极化周期下倍频与和频过程相位失配量的调节，以获得高效率三次谐波输出。

所述的多周期级联晶体的畴结构具有多周期结构，包括均匀周期和非均匀周期，级联晶体的结构包括体结构和波导结构，级联晶体的基质材料包括同成分铌酸锂或钽酸锂晶体、近化学计量比铌酸锂晶体或钽酸锂晶体、掺镁铌酸锂晶体、掺镁钽酸锂晶体以及磷酸钛氧钾晶体。

所述的多周期级联晶体输入和输出端面上的介质膜根据三次谐波输出的要求进行设计，以提高三次谐波转化效率。

所述的控温炉的温度调节范围为25 ℃~200 ℃，温度调节精度为0.1 ℃。

通过半波片和格兰棱镜控制基频光的能量和偏振态，高反镜用以滤去剩余的基频光，带通滤光片用以采集倍频光或三次谐波，探测器用以监测三次谐波的光谱或能量。

本发明所述的基频光源系统连接半波片、第一聚焦透镜，入射光束经多周期的光学超晶格产生二次谐波，产生的二次谐波激光和基波再进行和频作用，产生级联三次谐波输出；所述光波由第二聚焦透镜聚焦，再被光电检测元件接收。通过改变多周期光学超晶格与基波的作用区域，可以同时实现两个非线性过程的相位匹配。采用半波片改变基频光波的偏振方向。多周期的级联晶体作为非线性变频晶体，包含周期为

Figure 2013106537472100002DEST_PATH_IMAGE003

的多周期畴结构，用以实现级联三次谐波的有效产生。

本发明制作的级联三次谐波产生装置的工作原理：

连续光运转时，三次谐波产生仅需考虑SHG或SFG的相位匹配问题，脉冲运转的频率转换与连续光最大的区别在于，不仅要考虑相位匹配问题，还需要考虑脉冲之间的群速度匹配问题。对于准相位匹配的波矢失配量为：

其中

Figure 2013106537472100002DEST_PATH_IMAGE005

是倍频过程的相位失配量，

是和频过程的相位失配量，

是基波角频率，

是群速度失配项，

是二阶群速度色散项。通过改变多周期级联晶体与基波的作用区域，可以改变

和，从而达到高转换效率的级联三次谐波输出。

本发明的优点和积极效果：

与传统的直接利用晶体的三阶非线性来产生三次谐波方案相比，本发明利用级联二阶非线性(χ(2):χ(2))来产生三次谐波，极大的提高了三次谐波转换效率。同时这种方案结构上具有灵活的设计，使用多周期的结构来同时实现两个非线性过程的相位匹配，将器件功能集成在一块晶体上，结构更加紧凑，提高了系统的集成性。多周期的级联晶体具有可调节性，通过改变基频光入射的位置来对其进行调整，可以改变SHG或SFG过程的相位失配量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中不同入射基频光波功率所对应的级联三次谐波转换效率变化曲线的实验结果；

图3是实验测得的级联三次谐波光场的二维和三维分布图。

图中：1. 基频光源系统，2. 半波片，3. 格兰棱镜，4. 小孔光阑，5. 第一聚焦透镜，6. 多周期级联晶体，7. 控温炉，8 第二聚焦透镜，9 高反镜，10 带通滤光片，11 探测器。

具体实施方式

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

在下面的实施例中，均以基频光中心波长为1550 nm的脉冲光为例，其他波段与该波段实施方法一致。

实施例1

请参阅图1，图1为本发明超短脉冲级联三次谐波激光产生装置的光路结构图。由图可见，本发明超短脉冲级联三次谐波激光产生装置包括，基频光源系统1，在该基频光源系统1的输出方向依次设有半波片2、格兰棱镜3、小孔光阑4、第一聚焦透镜5，该第一聚焦透镜5用来将基波耦合进多周期级联晶体6中，所述的基频光波在多周期级联晶体6中进行倍频与和频作用，通过控温炉7改变级联晶体温度，产生级联三次谐波，该三次谐波进入第二聚焦透镜8后输入高反镜9、带通滤光片10，再被探测器11接收。

具体应用实例：

基频光源系统1的波长输出范围是1160~2600 nm，在1550 nm的中心波长处，光谱宽度为60 nm，脉宽约为50 fs。本发明中，为了避免功率过高造成晶体损伤，聚焦长度为200 mm的第一聚焦透镜5的焦点位置设定在多周期级联晶体6后端15 mm处，光束的束腰为50 μm，在入射面和出射面光束的半径分别为203.6 μm和156.2 μm。具体连接参见以上实施例中的图1部分。

由于高功率引起的非线性所带来的折射率改变，准相位匹配条件可能会有一些变化。使用一块多周期级联晶体6，它包含从19.5 μm到21.3 μm的10个周期，相邻的周期之间间隔0.2 μm。通过调节多周期级联晶体（周期极化铌酸锂晶体，简称PPLN）与基波的作用区域，可以改变

和

，可以同时实现两个非线性过程的相位匹配，从而达到高转换效率的级联三次谐波输出。

实验结果：

根据上述技术方案，建立了超短脉冲激光级联三次谐波产生的实验装置。实验结果如图2和图3所示。图2为不同的入射基频光波功率所对应的级联三次谐波转换效率变化曲线的实验结果。图3为实验测得的级联三次谐波光场的二维和三维分布图。

Claims

1.一种级联三次谐波的产生装置，其特征在于该装置包括基频光源系统、控温炉和一块多周期级联晶体，所述的多周期级联晶体置于控温炉中，用于改变在某一极化周期下倍频与和频过程的相位失配量，以实现高效的宽带三次谐波转化输出；所述基频光源系统到多周期级联晶体的光路上依次设有半波片、格兰棱镜、小孔光阑和第一聚焦透镜，多周期级联晶体的输出光路上依次设有第二聚焦透镜、高反镜、带通滤光片和探测器。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的基频光源系统为光纤激光器或者固体激光器，激光器以脉冲运转、准连续运转或连续运转中的任意一种状态工作；基频光源为1550 nm波段的激光器，波长输出范围可调谐，用以实现在某一极化周期下倍频与和频过程相位失配量的调节，以获得高效率三次谐波输出。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的多周期级联晶体的畴结构包括均匀周期和非均匀周期，级联晶体的结构包括体结构和波导结构，级联晶体的基质材料包括同成分铌酸锂或钽酸锂晶体、近化学计量比铌酸锂晶体或钽酸锂晶体、掺镁铌酸锂晶体、掺镁钽酸锂晶体以及磷酸钛氧钾晶体。

4.根据权利要求1至3任一项所述的装置，其特征在于所述的多周期级联晶体输入和输出端面上的介质膜根据三次谐波输出的要求进行设计，以提高三次谐波转化效率。

5.根据权利要求1至3任一项所述的装置，其特征在于所述的控温炉的温度调节范围为25 ℃~200 ℃，温度调节精度为0.1 ℃。

6.根据权利要求1至3任一项所述的装置，其特征在于通过半波片和格兰棱镜控制基频光的能量和偏振态，高反镜用以滤去剩余的基频光，带通滤光片用以采集倍频光或三次谐波，探测器用以监测三次谐波的光谱或能量。