CN104836107B - 一种整块晶体腔蓝光倍频器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及蓝光激光倍频器件的设计、搭建、温度控制以及频率转换技术，具体是一种整块晶体腔蓝光倍频器。本发明能够解决光电工程技术、光信息以及光学前沿科学研究对蓝光激光的需求，并且有效克服了目前分离或者半分离的倍频腔内腔损耗大，腔长不稳定性，从而影响输出结果以及现有倍频温控装置的时延和温度不稳定等缺陷。通过本发明所述的整块晶体腔倍频器，可以获得稳定的连续倍频蓝光输出。本发明所述的平衡温控结构的设计有利于保持恒定的晶体腔温度，能够准确地同时实现相位匹配和腔共振。本发明可广泛适用于非线性频率转换过程中。

Description

一种整块晶体腔蓝光倍频器

技术领域

本发明涉及蓝光激光倍频器件的设计、搭建、温度控制以及频率转换技术，具体是一种整块晶体腔蓝光倍频器。

背景技术

蓝光短波长激光在海底光通信、海洋探测、光盘读写、光学信息处理、激光打印和激光医疗等方面具有广泛的应用前景，另外，还可用于捕获和阻尼铯原子的热振动，实现激光致冷。但是，半导体激光器在近几十年的发展中其输出波长主要位于近红外或者中远红外波段，在短波长方面还存在运转寿命、输出功率和光束质量等方面一些制约因素。利用非线性晶体倍频是获得高功率高质量蓝光的重要手段。上世纪八十年代以来，随着综合性能优良的非线性晶体出现，非线性频率转换技术成为获得从紫外到近红外波长激光的常用手段，其中，倍频技术被广泛地应用在非线性频率转换过程中，蓝色激光就可以采取倍频的方式获得。在科技前沿领域，蓝色激光在光学测量、信息存储与读取、非线性光学、量子光学、量子输运和量子信息以及量子物理基础研究等方面具有重要的意义。通过光学参量振荡器(Optical Parametric Oscillator,OPO)来制备非经典光场成为一种越来越成熟的方法，而OPO的泵浦光源通常由倍频过程获得，所以倍频过程是开展这一系列前沿科学研究的基础。目前，国内外通常利用分离或者半分离的腔型结构进行倍频过程获得倍频蓝光输出(文献E.S.Polzik and H.J.Kimble,“Frequency doubling with KNbO₃in an externalcavity,”Opt.Lett.16(18),1400–1402(1991))，包括：环形腔和半整块腔，此类腔结构便于调节，但是因为分离元件导致内腔损耗大，稳定性差的缺点，需要外界辅助锁定系统维持长时间运转，极易受到外界干扰，很难保证长时间运转。

发明内容

本发明是为了满足光电工程技术和前沿科学研究对从蓝光到近红外任意波长的倍频激光的需求，发明和提出了一种整块晶体腔蓝光倍频器。其中采用的平衡温控结构有利于保持恒定的晶体腔温度，能够快速准确地将其温度稳定在设定值，从而同时实现晶体的相位匹配和腔共振。整个倍频系统可推广运用到其他相邻波段。

本发明所述的一种整块晶体腔蓝光倍频器是采用以下技术方案实现的：一种整块晶体腔蓝光倍频器，包括一个由Ι类PPKTP晶体制成的蓝光倍频非线性晶体腔；蓝光倍频非线性晶体腔的入射端面和透射端面均磨制成球面，球面曲率半径和腔长满足腔的本征模腰斑与晶体中心高斯光束腰斑相同；根据晶体长度和泵浦光波长确定晶体中心高斯光束腰斑λ₁为泵浦光波长，n为折射率，L_c为晶体长度，聚焦因子η＝0.7～1.1；蓝光倍频非线性晶体腔的入射端面镀有对泵浦光透射率为8～12％和对倍频光高反射率的膜系；透射端面镀有泵浦光的高反膜和倍频光的增透膜。

本发明所述的蓝光倍频非线性晶体具有以下技术特点：

(1)倍频晶体选取

常用于倍频的非线性晶体有周期极化的KTP晶体(PPKTP)、KN(KNbO₃)、BBO(BaB₂O₄)、LBO(LiB₃O₅)、BIBO(BiB₃O₆)。其中，PPKTP相对于其它晶体有非线性系数大、光束质量好、光折变损伤小等优点，所以选用PPKTP晶体作为倍频光的产生晶体。

(2)谐振腔设计

倍频光能量(功率)提取效率主要由光腔决定，光束质量也与光腔有关，所以设计几何结构合适的谐振腔，可以提高倍频总效率和光束质量，并实现倍频腔的稳定运转。倍频晶体在忽略双折射走离效应的前提下，选择相对较长晶体，然后根据晶体长度和泵浦光波长确定晶体内高斯光束腰斑λ₁为泵浦光波长，n为折射率，L_c为晶体长度。同时考虑倍频过程中的热效应，选择腰斑大小对应的聚焦因子η＝0.7～1.1，位于晶体腔的中心处。根据高斯光束的传播规律确定满足腔稳定条件|A+D|<2，且|A+D|值小一些，为保证运行过程中腔始终处于稳定状态，需要将晶体两端面磨制成球面，曲率半径满足腔的本征模腰斑与晶体中心腰斑相同。为减少谐振腔光学元件数量，整块晶体腔左端面直接镀膜构成左腔镜，右端面直接镀膜作为右腔镜构成紧凑的直线型单块驻波谐振腔(Monolithiccavity)。

(3)膜系设计

运行于中小功率倍频器中，腔内很小的损耗都会大幅度降低倍频效率。合适的膜系可有效防止其它易振谱线的起振。整块晶体腔腔内镀膜情况如下：图1中，晶体右端(入射端)在考虑了光学阻抗匹配因素，对基频光透射率为8～12％，对倍频光镀高反膜；左端(透射端)对基频光具有高的反射率，对倍频光镀增透膜。这样整块PPKTP晶体就构成一个倍频驻波腔，基频光在腔内共振，倍频光从腔的左端输出。本领域技术人员根据上述记载就可以知晓，在实际应用中需要镀哪种膜以及镀多厚的膜。

整块晶体腔镀膜光学表面的使用与维护是一个重要细节，因为膜层的损伤，被灰尘或者其他污染都会使光学表面的质量明显下降，造成输出光强不均匀，更可能损伤光学器件，所以在进行表面清洁时，可以通过压缩气体去掉表面灰尘，或者用丙酮或酒精滴在擦镜纸或脱脂棉上细心处理。

整块晶体倍频腔能够降低内腔损耗、减小系统的尺度，实现高效紧凑的运转，腔结构稳定。由于腔的长度较小，自由光谱区和腔的带宽较大，从而可以通过良好的倍频温控系统精确快速地控制晶体温度实现稳定的共振输出，获得优质的倍频蓝光。

进一步地，本发明所述的整块晶体腔蓝光倍频器还包括两个上下相对放置的L型晶体铜炉；两个L型晶体铜炉之间形成空腔，空腔处放置蓝光倍频非线性晶体腔；L型晶体铜炉前后左右均设有热屏蔽板；所述热屏蔽板与蓝光倍频非线性晶体腔的入射端面和透射端面对应的位置均开有孔；两个L型晶体铜炉的侧边均内置有用于平衡检测的热敏元件，热敏元件的信号输出端连接有对整块晶体腔蓝光倍频器进行温控的控温仪；上方L型晶体铜炉的上部以及下方L型晶体铜炉的下部各设有一个用于平衡温控的帕尔帖元件，L型晶体铜炉和帕尔帖元件之间均匀涂覆一层导热硅胶。

L型晶体铜炉、热屏蔽板以及帕尔帖元件作为一个整体用铝制框架包围起来，放在三维平移台上。

Ι类匹配的PPKTP晶体是准相位匹配(QPM)晶体，通过控制晶体温度就可实现位相匹配条件。当晶体温度改变时，整块倍频腔腔长也在改变，所以通过控制晶体温度可以同时实现位相匹配和腔共振条件。另外，用近红外光作为基波，通过倍频产生蓝光过程中，晶体对蓝光具有较大的吸收系数，晶体对蓝光的强吸收导致其温度升高，最终破坏热稳定性。合理设计温控系统结构可有效抑制吸收引起的热透镜效应、热致应力双折射和退偏效应等热效应，克服环境温度对倍频腔稳定性的影响，提高倍频光输出功率。平衡温控装置包括四部分：L型晶体铜炉、双帕尔帖元件、双温度传感部分(即热敏元件)、智能控温装置(控温仪)。

整块晶体腔蓝光倍频器采用了平衡温控技术，其特点如下：

(1)L-型晶体铜炉设计

晶体炉设计对实现快速准确控温非常重要，将其温度很好地稳定在设定值是控温的主要目的。除传热控温外，晶体炉部分还有另一重要功能，即连接晶体与光学支架，使晶体位置和角度随光学支架的调整而改变。晶体炉的设计首先要从晶体几何特征(形状、尺寸等)出发，不同晶体形状尺寸有不同结构。其次要考虑晶体的机械特征，使晶体夹持在炉中不被损伤。为了良好导热，晶体炉材料为黄铜。晶体通过约0.1毫米厚铟箔包围放置在两个上下相对的L-型晶体铜炉内，每个L-型晶体铜炉侧边包含一个深孔用来放入热敏元件，孔深大约为晶体长度的一半，孔离开晶体中心的距离大约2mm，距离不能太大，保证快速准确地提取晶体温度信号。炉子的前后左右表面用陶瓷覆盖作为热屏蔽，前后陶瓷上面通直径2.5mm小孔保证激光通过。

(2)双帕尔帖元件

在晶体炉上下各引入一个热效率较高的帕尔帖元件用于平衡控温，晶体炉和帕尔帖元件之间均匀涂覆一层薄的导热硅胶。铜的热导率较大，可近似认为铜温度与晶体温度相同，通过控制帕尔帖元件电流可实现对晶体炉温度精确控制，使其稳定在设定值。晶体腔、晶体炉、热屏蔽板以及帕尔帖元件整体用铝制框架包围起来，用于热交换，同时增强晶体腔的力学稳定性，然后放在一个三维平移台上，方便对晶体的位置进行微调。

(3)双温度传感器

用导热硅胶分别将两个AD590内置于两个L-型晶体铜炉的深孔内，用于平衡检测晶体腔的实际温度。选用的热敏元件AD590测量范围宽，温度系数分散性小，精度高、线性好、灵敏度高。

(4)智能控温装置

该部分是整个温控系统的中心，主要由控温仪组成。工作过程如下：连通控温环路后，控温仪将发送指令通过双温度传感器进行温度平衡测量，分别测得温度值后，显示其平均温度的同时将当前得到的温度平均值和设定温度值相减，进行PID运算，将运算结果作为控制量进行数模转换，控制双帕尔帖元件功率驱动电流进行加热或者致冷，完成一个测量控制周期。

整个平衡温控结构的设计优势和特点有利于保持恒定的晶体温度，能够快速准确地实现晶体腔的相位匹配和腔共振。

整块晶体腔蓝光倍频器实际运行时的系统如图1所示，光源为激光器1，提供倍频器的泵浦光，通过光隔离器2之后耦合进入到蓝光倍频非线性晶体的倍频腔中。腔前的半波片用来调节泵浦光的偏振态，透镜L1用来进行模式匹配。

(1)泵浦匹配方式

泵浦光通过光隔离器2之后由一对45度高反镜3导入蓝光倍频非线性晶体腔8中。通过仔细调节高反镜，配合调节承载晶体腔的三维平移台对晶体腔进行三维调节，使泵浦光完全通过晶体。在倍频过程中为了提高倍频转化效率，通常会采用把激光束聚焦到倍频晶体中以提高基频光的强度，同时，又要使基频光的激光模式与倍频腔的本征模式达到共振，以便使入射的基模(TEM₀₀)高斯光束只会激发倍频腔相应的基模，从而减小其他空间模式对泵浦光的损耗，实现倍频光的高效转换。所以通常会加入合适的匹配透镜以达到模式匹配。根据测量光束能量分布的方法测出了泵浦光的模式特征，包括腰斑的大小和位置。利用高斯光束薄透镜变换公式，即可计算出模式匹配透镜的焦距大小及透镜摆放的位置，从而获得大约90％的模式匹配效率，如图3所示。

(2)测量倍频光功率随晶体温度的变化关系。为了避免热效应，入射基频光功率选择较低值，调节晶体温度大约由41.5℃变化到53℃，测量不同温度下获得的蓝光功率，所得结果如图4所示。由图可以确定晶体的最佳匹配温度。

(3)测量整块晶体腔倍频器的倍频光功率。保持晶体处于最佳匹配温度，通过改变入射基频光的功率，记录对应的倍频光输出功率，得到倍频输出功率随入射功率的变化曲线，并对实验结果进行了理论拟合，如图4所示。

本技术和现有倍频系统相比具有以下优点：

(1)整块晶体腔蓝光倍频器不存在引入独立腔镜带来的插入损耗，轴向尺度小，大大降低了内腔损耗，增加了系统紧凑性、稳定性和倍频效率。

(2)通过控制晶体温度，可以同时实现位相匹配条件和腔共振条件，即通过单独精确控制温度即可实现倍频光输出。

(3)采用的平衡温控结构有利于保持恒定的晶体腔温度，能够快速准确地将其温度稳定在设定值，提高倍频光功率稳定性。

本发明所述的整块晶体腔倍频器能够解决光电工程技术、光信息和光学前沿科学研究对便携式小型蓝光激光器的需求。本装置有效克服了目前分离或者半分离的倍频腔内腔损耗大，腔长不稳定，结构复杂导致的可靠性下降，以及现有的倍频温控系统的时延和不稳定等缺陷，可广泛适应用在非线性频率转换过程中。

附图说明

图1为整块晶体腔蓝光倍频器具体运行时的系统结构示意图，其中：实线为光连接，虚线为电连接。

图2为本发明中整块晶体腔蓝光倍频器结构示意图。

图3为本发明中测量晶体腔模式匹配效率图。

图4为本发明中测量倍频光功率随晶体温度的变化关系图。

图5为本发明中测量整块晶体腔蓝光倍频器的倍频光功率图，其中，圆圈为实测数据，曲线为理论拟合结果。

图1中：1-激光器，2-光隔离器，3-45度高反镜，4-二分之一波片，5-匹配透镜，6-L型晶体铜炉，7-帕尔帖元件，8-蓝光倍频非线性晶体腔，9-光电直流探测器，10-示波器，11-控温仪，12-铝制框架，13-热屏蔽板，14-热敏元件。

具体实施方式

一种整块晶体腔蓝光倍频器，包括一个由Ι类PPKTP晶体制成的蓝光倍频非线性晶体腔8；蓝光倍频非线性晶体腔8的入射端面和透射端面均磨制成球面，球面曲率半径和腔长满足腔的本征模腰斑与晶体中心高斯光束腰斑相同；根据晶体长度和泵浦光波长确定晶体中心高斯光束腰斑λ₁为泵浦光波长，n为折射率，L_c为晶体长度，聚焦因子η＝0.7～1.1；蓝光倍频非线性晶体腔8的入射端面镀有对泵浦光透射率为8～12％和对倍频光高反射率的膜系；透射端面镀有泵浦光的高反膜和倍频光的增透膜。

还包括两个上下相对放置的L型晶体铜炉6；两个L型晶体铜炉6之间形成空腔，空腔处放置蓝光倍频非线性晶体腔8；L型晶体铜炉6前后左右均设有热屏蔽板13；所述热屏蔽板13与蓝光倍频非线性晶体腔8的入射端面和透射端面对应的位置均开有孔；两个L型晶体铜炉6的侧边均内置有用于平衡检测的热敏元件14，热敏元件14的信号输出端连接有对整块晶体腔蓝光倍频器进行温控的控温仪11；上方L型晶体铜炉6的上部以及下方L型晶体铜炉6的下部各设有一个用于平衡温控的帕尔帖元件7，L型晶体铜炉6和帕尔帖元件7之间均匀涂覆一层导热硅胶。

L型晶体铜炉6、热屏蔽板13以及帕尔帖元件7作为一个整体用铝制框架12包围起来，放在三维平移台上。

所述的L型晶体铜炉6包括水平段以及连接在水平段一端的竖直段；位于下方的L型晶体铜炉6的竖直段朝上，上方L型晶体铜炉6的竖直段朝下放置在下方L型晶体铜炉6的水平段上；上方L型晶体铜炉6的水平段的另一端放置在下方L型晶体铜炉6的竖直段之上；上下L型晶体铜炉之间形成放置蓝光倍频非线性晶体8的空腔；上部的帕尔贴元件7位于上方L型晶体铜炉6的水平段上表面，下部的帕尔贴元件7位于上方L型晶体铜炉6的水平段下表面。

所述热屏蔽板13由陶瓷材料制成。

一种采用平衡温控的整块晶体腔蓝光倍频器，包括一块由PPKTP蓝光倍频非线性晶体腔8，轴向长度满足聚焦因子η＝0.7～1.1，晶体两端面磨制成球面并镀膜，两端曲率半径相同，满足谐振腔本征模腰斑大小与晶体中心腰斑相同。晶体入射表面镀膜，对泵浦光透射率8～12％，对倍频光高反膜；后表面镀有泵浦光高反膜，倍频光增透膜；晶体腔放置在两个相对放置的L型晶体铜炉6之间，每个铜炉侧边均内置热敏元件14；炉子的前后左右表面用陶瓷覆盖作为热屏蔽板(图2(b)中13)，前后陶瓷上面通直径2.5mm小孔保证激光通过；为了对晶体精确控温，在晶体炉上下各引入一个热效率较高的帕尔帖元件(图2(b)中7)，晶体炉和帕尔帖元件之间均匀涂覆一层薄的导热硅胶；蓝光倍频非线性晶体的温度由控温仪来控制(图1中11)；晶体腔、铜炉、陶瓷以及帕尔帖元件作为一个整体用铝制框架包围起来(图2(a)中12)，放在三维平移台上，方便对晶体的维度进行微调。蓝光倍频非线性晶体的一侧设有光电直流探测器(图1中9)，光电直流探测器后面连接示波器(图1中10)，另一侧依次设有匹配透镜(图1中5)、二分之一波片(图1中4)、作为导光用的一组45度高反镜(图1中3)、光隔离器(图1中2)以及激光器(图1中1)。

上述的一种采用平衡温控的整块晶体腔蓝光倍频装置的频率转换方法，包括如下步骤：

(1)打开激光器(图1中1)，提供倍频器的泵浦光，光经过光隔离器(图1中2)后，通过调节一组45度高反镜(图1中3)，使光进入蓝光倍频非线性晶体腔(图1中8)，蓝光倍频非线性晶体腔另一侧用光电直流探测器(图1中9)探测从晶体腔透射出来的光信号，光信号转化成电压信号在示波器(图1中10)显示。然后在光路中插入二分之一波片(图1中4)以及匹配透镜(图1中5)，注意插入时要从元件中心穿过，不能改变原来传播方向。

(2)仔细调节45度高反镜(图1中3)，配合调节承载晶体炉的三维平移台对蓝光倍频非线性晶体腔位置进行三维调节，使光完全通过晶体炉，由光电直流探测器(图1中9)得到腔透射信号；

(3)微调匹配透镜(图1中5)使光的空间模式与晶体腔的空间模式完全匹配，以及旋转二分之一波片(图1中4)优化腔的透射谱，使其峰值电压最大，得到图3，模式匹配效率达到90％以上；

(4)测量倍频光功率随晶体温度的变化关系。为了避免热效应，入射基频光功率选择较低值，保持不变，由控温仪(图1中11)对晶体炉温度进行精确控制，使其温度大约由41.5℃变化到53℃，由光功率计测量不同温度下对应的蓝光功率，得到图4。可以得到晶体的最佳匹配温度。

(5)晶体保持最佳匹配温度恒定不变，逐渐增大腔前入射光功率，由功率计在腔后输出端测量不同输入功率下对应的蓝光功率，得到图5，其中，圆圈为实测数据，曲线为理论拟合结果。

Claims (3)

1.一种整块晶体腔蓝光倍频器，其特征在于，包括一个由Ι类PPKTP晶体制成的蓝光倍频非线性晶体腔(8)；蓝光倍频非线性晶体腔(8)的入射端面和透射端面均磨制成球面，球面曲率半径和腔长满足腔的本征模腰斑与晶体中心高斯光束腰斑相同；根据晶体长度和泵浦光波长确定晶体中心高斯光束腰斑λ₁为泵浦光波长，n为折射率，L_c为晶体长度，聚焦因子η＝0.7～1.1；蓝光倍频非线性晶体腔(8)的入射端面镀有对泵浦光透射率为8～12％和对倍频光高反射率的膜系；透射端面镀有泵浦光的高反膜和倍频光的增透膜；还包括两个上下相对放置的L型晶体铜炉(6)；两个L型晶体铜炉(6)之间形成空腔，空腔处放置蓝光倍频非线性晶体腔(8)；L型晶体铜炉(6)前后左右均设有热屏蔽板(13)；所述热屏蔽板(13)与蓝光倍频非线性晶体腔(8)的入射端面和透射端面对应的位置均开有孔；两个L型晶体铜炉(6)的侧边均内置有用于平衡检测的热敏元件(14)，热敏元件(14)的信号输出端连接有对整块晶体腔蓝光倍频器进行温控的控温仪(11)；上方L型晶体铜炉(6)的上部以及下方L型晶体铜炉(6)的下部各设有一个用于平衡温控的帕尔帖元件(7)，L型晶体铜炉(6)和帕尔帖元件(7)之间均匀涂覆一层导热硅胶；L型晶体铜炉(6)、热屏蔽板(13)以及帕尔帖元件(7)作为一个整体用铝制框架(12)包围起来，放在三维平移台上。

2.如权利要求1所述的一种整块晶体腔蓝光倍频器，其特征在于，所述的L型晶体铜炉(6)包括水平段以及连接在水平段一端的竖直段；位于下方的L型晶体铜炉(6)的竖直段朝上，上方L型晶体铜炉(6)的竖直段朝下放置在下方L型晶体铜炉(6)的水平段上；上方L型晶体铜炉(6)的水平段的另一端放置在下方L型晶体铜炉(6)的竖直段之上；上下L型晶体铜炉之间形成放置蓝光倍频非线性晶体腔(8)的空腔；上部的帕尔贴元件(7)位于上方L型晶体铜炉(6)的水平段上表面，下部的帕尔贴元件(7)位于上方L型晶体铜炉(6)的水平段下表面。

3.如权利要求1所述的一种整块晶体腔蓝光倍频器，其特征在于，所述热屏蔽板(13)由陶瓷材料制成。