CN104242040A - 一种基于掺杂光学超晶格的非线性切伦科夫辐射光源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于掺杂光学超晶格的非线性切伦科夫辐射光源，包括激光泵浦源和光学谐振腔。光学谐振腔内的激光增益介质晶体为掺杂的光学超晶格晶体。掺杂的光学超晶格晶体是以铌酸锂或钽酸锂或掺镁铌酸锂或磷酸钛氧钾或磷酸钛氧铷为基质材料构筑的一维或二维或三维的周期性结构的非线性晶体，并在内部的掺杂有镧系元素离子或锕系元素离子或过渡金属离子作为激光增益离子。相比于现有技术，本发明集成化程度较高激光腔内使用切伦科夫型相位匹配方式，对工作波长、温度等条件的要求不再苛刻，因此系统的环境容忍度更高。
Description
技术领域
本发明涉及激光器。
背景技术
集成化程度高、可靠性高、小型化的激光光源是激光器研究中的重要方向之一。在全固态激光器件研究中，通常使用掺稀土离子的晶体材料作为激光的增益介质来产生激光，受制于发光离子的能级结构，产生的激光波长范围是比较有限的，利用非线性光学效应实现激光的频率转换是扩展激光波长的有效方法。
要实现有效的非线性频率转换，需要满足动量守恒和能量守恒。而由于非线性材料的色散，即不同波长光的折射率不同，因此在光学频率转换过程中存在波矢失配，使得非线性光学过程不能有效的进行。为补偿动量的失配量，目前常用的有双折射相位匹配和准相位匹配两种方式。以倍频过程为例，双折射相位匹配利用晶体的双折射效应，通过让基波光和倍频光处于不同的偏振方向，使得两者的折射率相同，从而倍频过程的波矢失配为零。但是这种方法受制于晶体的双折射特性，并且存在相互作用光之间的能流空间走离效应。准相位匹配则是通过对晶体的非线性系数进行周期性调制，类似于布拉格衍射，利用周期极化结构提供的倒格矢，来补偿波矢失配，从而获得高效的频率转换。准相位匹配的优势在于可以利用晶体的最大有效非线性系数；并且可以根据非线性过程灵活设计材料的结构，在晶体的透光范围内实现任意波长输出的相位匹配。
此外，非线性切伦科夫辐射效应也是一种新型的实现有效非线性频率转换的相位匹配方式。在粒子物理中，当带电粒子在介质中的速度（v）大于介质中的光速（u）时，光会以一定的角度（ ）辐射出来。类似的，在非线性光学中，当非线性极化波的相速度大于谐波的相速度时，谐波也会以切伦科夫辐射的形式产生。切伦科夫频率转换过程只满足纵向相位匹配，当外界条件如入射波长、温度等发生变化时，相位匹配方式通过改变匹配角度自动满足，这和准相位匹配的波长、温度接受带宽窄相比较，是非线性切伦科夫辐射用于频率转换的优势之一。非线性切伦科夫辐射目前的实现体系有两种：一种是在非线性波导中通过导模到辐射模的形式产生；另外一种是让非线性极化波通过铁电畴的畴界从而增强产生的切伦科夫形式的谐波强度。目前，相关研究的材料体系主要包括周期极化铌酸锂（PPLN）、周期极化磷酸钛氧钾（PPKTP），具有二维随机畴结构的SBN晶体等；实现了诸如倍频、和频、三倍频、高次谐波以及差频等辐射，并可以利用超晶格结构提供的倒格矢（包括正向的和反向的）对非线性辐射的角度和强度进行调制。这些研究基本都是采用单独的光源作为激发光源来入射到单独的非线性晶体上，系统的结构上稍显复杂，集成度不高。
近年来，掺稀土离子的铌酸锂、钽酸锂等材料引起了人们的关注。使用高压电场极化技术对晶体的进行非线性系数的调制，即制备出了掺稀土离子的光学超晶格，这类材料将与稀土发光离子相关的激光增益特性和铌酸锂、钽酸锂光学超晶格优异的非线性光学特性集成在一起，为集成光电子器件的发展提供了新的平台。目前相关研究主要是发展基于准相位匹配技术的高集成度激光光源，即在激光腔内，基波光的传播方向和超晶格的畴界相垂直，这样可以利用周期结构提供的倒格矢来补偿非线性频率转换过程中的波矢失配，实现准相位匹配的频率转换过程。实际上，如果将置于及光腔内的光学超晶格转动90度，即让基波光的传播方向和畴界平行，这样就可以产生非线性的切伦科夫辐射。这种形式的辐射将激光增益介质和产生非线性切伦科夫的畴界集成在一块晶体上，大大提供了系统的集成度，相关研究目前未见报导。
发明内容
本发明所要解决的问题是提高非线性切伦科夫辐射激光器的集成度。
为解决上述问题，本发明采用的方案如下：
一种基于掺杂光学超晶格的非线性切伦科夫辐射光源，包括激光泵浦源和光学谐振腔；所述光学谐振腔内设置有激光增益介质晶体，所述的激光增益介质晶体为掺杂的光学超晶格晶体。
进一步，所述的掺杂的光学超晶格晶体内的掺杂物为镧系元素离子或锕系元素离子或过渡金属离子。
进一步，所述的掺杂的光学超晶格晶体的基质材料为铌酸锂或钽酸锂或掺镁铌酸锂或掺镁钽酸锂或磷酸钛氧钾或磷酸钛氧铷。
进一步，所述的光学超晶格晶体为一维或二维或三维的周期性结构材料。
进一步，所述的光学谐振腔内还设置有调Q开关。
进一步，所述的光学谐振腔内还设置有偏光镜片。
进一步，在所述激光泵浦源和光学谐振腔之间设置有光学耦合系统；所述的激光泵浦源为激光二极管泵浦源。
进一步，所述的光学谐振腔是由平面镜和平凹镜组成的两镜腔。
本发明的技术效果如下：
1、本发明通过在光学超晶格晶体内掺杂后作为激光增益介质，从而将激光增益介质和非线性晶体集成到同一个体块材料中，提高了激光器的集成度。
2、本发明的激光器为非线性切伦科夫辐射光源，对工作波长、温度等条件要求不高，可容忍更为宽泛的系统环境，使得激光器具有更为广泛的用途。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是实施例6中一维结构的级联的光学超晶格晶体的结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，一种基于掺杂光学超晶格的非线性切伦科夫辐射光源，包括：激光泵浦源1、输入平面镜M1、掺杂的光学超晶格晶体3、Q开关4、偏光镜片5和平凹镜M2。输入平面镜M1与平凹镜M2加上外壳组成光学谐振腔。光学谐振腔为由平面镜和平凹镜组成的两镜腔。输入平面镜M1镀膜对泵浦光高透并且对基波光高反，平凹镜M2镀膜对基波光高反。掺杂的光学超晶格晶体3、Q开关4和偏光镜片5位于光学谐振腔内。其中，Q开关4位于掺杂的光学超晶格晶体3和偏光镜片5之间；光学超晶格晶体3位于输入平面镜M1与Q开关4之间；偏光镜片5位于Q开关4和和平凹镜M2之间。激光泵浦源1为激光二极管泵浦源。激光泵浦源1位于光学谐振腔的外部，并位于输入平面镜M1侧。在激光泵浦源1与光学谐振腔之间设有耦合系统2。掺杂的光学超晶格晶体3为掺Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+等激光增益离子的KTP、铌酸锂等非线性晶体。
本实施例的工作原理如下，由激光泵浦源1发出的泵浦光，进入光学谐振腔的掺杂的光学超晶格晶体3内，将掺杂的光学超晶格晶体3内的掺杂离子受激发出基波光由于输入平面镜M1与平凹镜M2的反射作用在光学谐振腔内震荡。掺杂的光学超晶格晶体3为周期性极化的非线性晶体。基波光与非线性晶体作用，产生的非线性切伦科夫倍频光以一定角度从晶体中辐射出来。
本领域技术人员理解，Q开关4用于产生脉冲基波光。偏光镜片5用于使得基波光为偏振光。因此，Q开关4和偏光镜片5均为可选。
实施例2
在前述实施例1的结构中，激光泵浦源1为工作波长980nm的激光二极管。掺杂的光学超晶格晶体3为掺1%摩尔份数镱（Yb）的铌酸锂或者钽酸锂光学超晶格晶体。镱（Yb）离子发射的光波波长为1060nm左右（不同基质材料对应于略有差异的激光发射波长），即基波光波长为1060nm左右。掺杂的光学超晶格晶体3的放置方向为畴壁方向和光学谐振腔的光轴方向平行。掺杂的光学超晶格晶体3的通光方向长度1mm，两个端面镀有对基波光1060nm和泵浦光980nm的高透膜。输入平面镜M1上的膜系为对基波光高反，对泵浦光高透。平凹镜M2对基波光高反、曲率半径为250mm。掺杂的光学超晶格晶体3位于耦合系统2的焦点位置，耦合系统2的焦距约70mm。M1与3间距离约为5mm。M1和M2间距离约为100mm。基波光经过非线性晶体后，辐射出的切伦科夫倍频光为波长530nm左右的绿光。
实施例3
在前述实施例1的结构中，激光泵浦源1为工作波长808nm的激光二极管，掺杂的光学超晶格晶体3为掺1%摩尔份数钕（Nd）的钽酸锂或铌酸锂光学超晶格晶体（也可同时掺杂2%摩尔份数的MgO以增强晶体在室温时的抗光损伤阈值）。钕（Nd）离子发射的光波波长为1083nm（不同基质材料对应于略有差异的激光发射波长）左右，即基波光波长为1083nm左右。掺杂的光学超晶格晶体3的放置方向为畴壁方向，和光学谐振腔的光轴方向平行。掺杂的光学超晶格晶体3的通光方向长度1mm。两个端面镀有对基波光808nm和泵浦光1083nm的高透膜。输入平面镜M1上的膜系为对基波光高反，对泵浦光高透。平凹镜M2对基波光高反、曲率半径为150mm。掺杂的光学超晶格晶体3位于耦合系统2的焦点位置，耦合系统2的焦距约70mm。M1与3间距离约为5mm。M1和M2间距离约为100mm。基波光经过非线性晶体后，辐射出的切伦科夫倍频光为波长541nm左右的绿光。
实施例4
在前述实施例1的结构中，激光泵浦源1为工作波长795nm的激光二极管，掺杂的光学超晶格晶体3为掺2%质量份数铥（Tm）和5%质量份数MgO的铌酸锂光学超晶格晶体。铥（Tm）离子发射的光波的波长在1900nm附近，即基波光波长在1900nm附近。掺杂的光学超晶格晶体3的放置方向为畴壁方向，和光学谐振腔的光轴方向平行。掺杂的光学超晶格晶体3的通光方向长度1mm。两端镀有对基波光和泵浦光的高透膜。输入平面镜M1为对1900nm附近的基波光高反，对795nm泵浦光高透。平凹镜M2上的膜系对基波光高反、曲率半径为150mm。掺杂的光学超晶格晶体3位于耦合系统2的焦点位置，耦合系统2的焦距约70mm。M1与3间距离约为5mm。M1和M2间距离约为100mm。基波光经过非线性晶体后，辐射出的切伦科夫倍频光为波长950nm附近的近红外光。
实施例5
在前述实施例1的结构中，激光泵浦源1为工作波长980nm的激光二极管，。掺杂的光学超晶格晶体3为掺1%摩尔份数铒（Er）的铌酸锂，或钽酸锂，或磷酸钛氧钾（KTP）光学超晶格晶体。铒（Er）离子发射的光波波长为1530nm左右（不同基质材料对应于略有差异的激光发射波长），即基波光波长为1530nm左右。掺杂的光学超晶格晶体3的放置方向为畴壁方向，和光学谐振腔的光轴方向平行。掺杂的光学超晶格晶体3的通光方向长度1mm。两个端面镀有对基波光和泵浦光的高透膜。输入平面镜M1上的膜系为对基波光高反，对泵浦光高透。平凹镜M2对基波光高反、曲率半径为250mm。掺杂的光学超晶格晶体3位于耦合系统2的焦点位置，耦合系统2的焦距约70mm。M1与3间距离约为5mm。M1和M2间距离约为100mm。基波光经过非线性晶体后，辐射出的切伦科夫倍频光为波长765nm左右的红光。
实施例6
在前述实施例1的结构中，激光泵浦源1为工作波长808nm的激光二极管。掺杂的光学超晶格晶体3为掺1%摩尔份数钕（Nd）的钽酸锂，铌酸锂或者磷酸钛氧钾（KTP）光学超晶格晶体。通过设置合适的光学谐振腔参数，可以让激光器工作在双波长状态，即1.06μm和1.3μm 附近。掺杂的光学超晶格晶体3的放置方向为畴壁方向，和光学谐振腔的光轴方向平行。掺杂的光学超晶格晶体3的通光方向长度1mm。两个端面镀有对基波光和泵浦光的高透膜。输入平面镜M1上的膜系为对基波光1.06μm 和1.3μm 高反，对泵浦光808nm高透。平凹镜M2对两支近红外的基波光高反、曲率半径为250mm。掺杂的光学超晶格晶体3位于耦合系统2的焦点位置，耦合系统2的焦距约70mm。M1与3间距离约为5mm。M1和M2间距离约为100mm。基波光经过非线性晶体后，通过对两支红外基波光分别进行切伦科夫倍频，可以得到530nmz左右的绿光和670nm左右的红光；同时，通过两支红外基波光的切伦科夫和频过程，可以得到波长为590nm左右的黄光。
实施例7
在前述实施例1的结构中，激光泵浦源1为工作波长808nm的激光二极管。掺杂的光学超晶格晶体3为掺1%摩尔份数钕（Nd）的铌酸锂，或钽酸锂，或磷酸钛氧钾（KTP）光学超晶格晶体。钕（Nd）离子发射的光波波长为1.3μm附近，即基波光为1.3μm左右。掺杂的光学超晶格晶体3为两个一维结构的级联，如图2所示，包括第一区域100和第二区域200。第一区域100和第二区域200的畴壁方向相互垂直。其中，第一区域100的一维区域用用作共线的准相位匹配倍频，其长度L1为1mm；第二区域200的一维区域用作实现切伦科夫和频，其长度L2为0.5mm。该掺杂的光学超晶格晶体3放置在光学谐振腔内时，第二区域200的畴壁方向和光学谐振腔的光轴方向平行。掺杂的光学超晶格晶体3的通光方向长度1.5mm。两个端面镀有对基波光（1.3μm左右）、倍频光（670nm左右）和泵浦光的高透膜，输入平面镜M1上的膜系为对基波光和倍频光高反，对泵浦光高透。平凹镜M2对基波光和倍频光高反、曲率半径为250mm。掺杂的光学超晶格晶体3位于耦合系统2的焦点位置，耦合系统2的焦距约70mm。M1与3间距离约为5mm。M1和M2间距离约为100mm。辐射出的切伦科夫光为440nm左右的三倍频蓝光，同时存在670nm左右的倍频红光。
Claims (8)
1.一种基于掺杂光学超晶格的非线性切伦科夫辐射光源，包括激光泵浦源和光学谐振腔；所述光学谐振腔内设置有激光增益介质晶体，其特征在于，所述的激光增益介质晶体为掺杂的光学超晶格晶体。
2.如权利要求1所述的基于掺杂光学超晶格的非线性切伦科夫辐射光源，其特征在于，所述的掺杂的光学超晶格晶体内的掺杂物为镧系元素离子或锕系元素离子或过渡金属离子。
3.如权利要求1所述的基于掺杂光学超晶格的非线性切伦科夫辐射光源，其特征在于，所述的掺杂的光学超晶格晶体的基质材料为铌酸锂或钽酸锂或掺镁铌酸锂或掺镁钽酸锂或磷酸钛氧钾或磷酸钛氧铷。
4.如权利要求1所述的基于掺杂光学超晶格的非线性切伦科夫辐射光源，其特征在于，所述的光学超晶格晶体为一维或二维或三维的周期性结构材料。
5.如权利要求1或2或3或4所述的基于掺杂光学超晶格的非线性切伦科夫辐射光源，其特征在于，所述的光学谐振腔内还设置有调Q开关。
6.如权利要求1或2或3或4所述的基于掺杂光学超晶格的非线性切伦科夫辐射光源，其特征在于，所述的光学谐振腔内还设置有偏光镜片。
7.如权利要求1或2或3或4所述的基于掺杂光学超晶格的非线性切伦科夫辐射光源，其特征在于，在所述激光泵浦源和光学谐振腔之间设置有光学耦合系统；所述的激光泵浦源为激光二极管泵浦源。
8.如权利要求1或2或3或4所述的基于掺杂光学超晶格的非线性切伦科夫辐射光源，其特征在于，所述的光学谐振腔是由平面镜和平凹镜组成的两镜腔。
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| CN110058512A (zh) * | 2019-04-12 | 2019-07-26 | 中国科学院国家授时中心 | 一种可实现功率增强、相位可调与锁定的晶格场装置 |
Citations (3)
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| US5128948A (en) * | 1990-03-30 | 1992-07-07 | Thomson-Csf | Laser device with monolithically integrated frequency changer |
| CN102386549A (zh) * | 2011-10-10 | 2012-03-21 | 天津大学 | 基于差频切伦科夫效应的可调谐太赫兹辐射源及调制方法 |
| CN103594908A (zh) * | 2013-11-27 | 2014-02-19 | 中国电子科技集团公司第四十一研究所 | 一种基于光整流Cherenkov效应的THz波产生装置 |
-
2014
- 2014-09-25 CN CN201410494827.2A patent/CN104242040A/zh active Pending
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| CN110058512B (zh) * | 2019-04-12 | 2020-12-08 | 中国科学院国家授时中心 | 一种可实现功率增强、相位可调与锁定的晶格场装置 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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