CN104854764A - 谐振增强频率转换器 - Google Patents

Abstract

一种用于将基频处的单模输入光束转换为转换频率处的输出光束的频率转换器，配置有多个相分离的光学组件，所述多个相分离的光学组件限定谐振腔。所述光学组件将输入光束整形为在谐振腔内具有至少一个束腰。所述频率转换器还包括位于所述谐振腔内的非线性晶体，所述非线性晶体位于瑞利长度小于谐振腔的往返长度的发散光束中，使得晶体的中心沿着波束路径与束腰相分离，或所述非线性晶体位于瑞利长度大于谐振腔往返长度的准直光束中。

Description

谐振增强频率转换器

技术领域

本公开涉及通过激光辐射与适合非线性晶体的非线性交互，来对激光辐射进行频率转换。具体地，本公开涉及一种对用于频率转换的外腔的改善设计，其中减小在晶体体内和表面的光功率密度，以明显增加晶体的寿命。此外，本公开涉及一种用于频率转换的外腔的改善的可制造性，所述外腔是利用一组可用于大输入功率范围的标准光学组件构造的。

背景技术

众所周知，存在无法用现代激光技术直接获得的多种波长。非线性频率转换技术允许产生在UV、可见光和IR光谱范围内的这些波长处的激光辐射。

理论上，术语“频率转换”包括产生第二、第三、第四和更高阶次谐波、总频率求和、以及导致改变激光频率的其它非线性过程。通常，由于较低的单通转换效率，连续波(“CW”)激光辐射的频率转换需要谐振器。最广泛使用的配置包括内腔和外腔谐振器。本公开涉及外腔技术。

参考图1，环形4镜领结式频率转换器10(多种外部环形腔配置的代表)由于其通用性和相对易实现性而被频繁使用。谐振器10配置有位于两个凹面镜M3、M4之间的束腰处的非线性(“NL”)晶体12。将晶体12放置在束腰中提供较高的频率转换效率。然而，该位置的晶体在晶体输出面和晶体内具有经频率转换后的光束的较高光功率密度。因此，在转换期间，转换波长处的高能量光子入射在晶体12的输出表面上并可能损坏该表面，与此同时，束腰周围的高功率密度可能损坏晶体12的本体。

当然，可以通过缩小腰部的尺寸，来减小在输出表面上的功率密度，从而最小化对输出表面的损坏。当减小腰部尺寸时，光束发散性增加，从而减小在晶体输出表面上的光功率密度。然而，缩小束腰增加了晶体内腰部中已经较高的功率密度，可能损坏晶体的本体。

提出了一些改善NL晶体的使用寿命的解决方案。最普遍的解决方案是使用具有较大横截面的晶体并沿预定图案平移该晶体以便当一个区域受损时暴露全新的区域。在没有可用区域之后，替换该晶体。尽管这种技术增加了单个晶体的使用寿命，然而它并没有解决晶体受损的基本问题，并涉及庞大、复杂且昂贵的机械运动原理。

因此，需要一种频率转换谐振器，其被设计为使得NL晶体具有较长使用寿命。

除了晶体使用寿命之外，外部转换谐振器的频率转换效率是另一关注点。转换效率主要取决于谐振器的阻抗匹配等因素。阻抗匹配涉及对腔参数的优化(最普遍地，输入镜的透射率)，以便最大化耦合到谐振腔的光。当转换器的往返损耗(包括频率转换)等于耦合镜M1的透射率T时，获得最大耦合。再次参考图1，假设其它腔体损耗是可忽略的，则当镜子M1的透射系数T与晶体12中的单次通过频率转换效率基本匹配时，该谐振器是阻抗匹配的。

不可能使用相同的物理组件(诸如，输入准直器、镜子和晶体)，来针对不同输入功率实现转换谐振器的阻抗匹配。随着输入光功率改变，可以改变NL晶体的长度和/或耦合镜M1的透射率和/或输入光束的直径，以便保持腔内阻抗是匹配的。这些修改中的任何一个都不是一个简单操作，而是需要时间和精力，增加了制造频率转换器的成本。

因此，需要一种设计为具有一组元件的频率转换谐振器，容易用于响应于大范围输入光功率，满足谐振器的阻抗匹配条件，而不替换谐振器的物理元件中的任何元件。

发明内容

本发明公开了一种具有改善的晶体寿命和可制造性的频率转换器。

根据本公开的一个方面，NL晶体的体内和输入与输出表面全部是光学空载的，这样明显延长了晶体的使用寿命。结构上，通过进一步公开的谐振器配置来实现这个方面。

在一种配置中，晶体从谐振器中的传统位置(输入光束在晶体内的聚焦处)偏移到NL晶体位于束腰之外的位置。因此，相较于传统结构，明显减小了在体内和至少在输出晶体表面上的功率密度。

第一方面的另一配置包括：将NL晶体放置在谐振器内的准直光束中。类似于先前所公开的实施例，减小入射和转换光束的功率密度，这样增加了晶体的使用寿命。

对多种谐振器配置和初始的实验数据进行建模表明：根据所公开的转换器可以得到超过90％的转换效率，在所述转换器中，晶体位于发散或准直光束中(与晶体位于束腰中的传统谐振器得到的效率不相上下)。然而，经过频率转换的辐射在晶体输出表面和晶体内部的光功率密度比晶体位于束腰内的类似结构谐振器中的光功率密度至少低一个数量级。因此，相较于晶体位于束腰中的频率转换谐振器，明显改善了所公开的频率转换器的寿命。

根据本公开的另一方面，选择性地将NL晶体布置在发散光束内与输入光在基频处的对应功率相对应的多个位置处，其中谐振器是阻抗匹配的，因此，以最大转换效率进行操作。

可以手动地或自动地实现晶体放置。自动放置涉及沿着发散光束移动NL晶体，直到实现该谐振器在给定输入信号功率处的阻抗匹配条件。通过闭环反馈监测输出信号在所需转换频率处的强度和从输入镜反射的输入信号的强度之一或二者，来实现该确定。备选地，对于任何给定输入功率，可以手动地将晶体布置在离散预定位置之一处，该位置与针对该功率的最大转换效率相对应，而无需使用控制单元。无论哪种情况下，所公开的谐振器适于以优化效率在大输入光功率范围内进行操作，而无需替换镜子和/或NL晶体中的任何一个。针对不同输入功率使用相同谐振器物理组件的可能性促进了对谐振器的制造和使用。

附图说明

根据结合附图的以下具体描述，将更清楚本发明的以上和其它特征和优点，附图中：

图1是传统外腔转换谐振器的光学示意图。

图2是具有所公开的频率转换器的示例连续波单频单模激光系统的等距视图。

图3是图2的示例系统的光学示意图。

图4是所公开的谐振器的一个实施例的光学示意图。

图5是所公开的谐振器的另一实施例的光学示意图。

图6示出了在示例频率转换器中针对给定输入功率实现阻抗匹配条件所需的晶体位移，将该示例频率转换器设计为通过在LBO晶体内的二次谐波产生(“SHG”)将1064nm输入辐射转换为532nm转换辐射。

图7示出了相较于公知现有技术配置，在所公开配置中针对大输入功率范围，经过频率转换的辐射在非线性晶体的输出面上的功率密度。

具体实施方式

现详细参考所公开的配置。示出图2和3的光纤激光器系统仅作为结合所公开的谐振器操作在所需基本波长下的任意连续波单频单模激光系统的示例。所公开的领结结构的谐振器同样是示例性的，可以替换为本领域技术人员熟知的任意环形腔配置。在有可能的情况下，在附图和描述中，使用相同或相似参考符号来表示相同或相似的部件或步骤。附图是简化形式，不必是按照比例的。仅为了方便和清楚的目的，术语“连接”、“耦接”和类似术语不必表示直接的和立即的连接，而是还包括通过中间元件或器件的连接。

所公开的结构和方法表示对传统外腔频率转换谐振器的改进。这些改进导致减小经过频率转换的辐射在非线性晶体的输出表面和体内的光功率密度，这样明显减慢了晶体劣化的速度并改善了频率转换器的寿命。可以通过将谐振器内的非线性晶体从在基本频率光束的束腰处偏移到该光束为发散型的位置处，来实现该效果。在另一实施例中，将晶体移动到谐振器内的位置处，在该位置处，基本频率处的光束是准直的。

图2和3示出了在美国临时申请No.61/584,395中公开的并通过普通许可与本申请共同拥有的示例CW单频单模光纤激光系统14。该系统14包括模块16，输出1μm范围内的所需基本波长处的单模(“SM”线偏光)，以及激光头19。模块16配置有：单频激光二极管(“SFLD”)，输出大约1064nm的基本波长的信号光；以及一个或多个线偏的单频镱光纤前置放大器。激光头19包括升压放大器、准直器以及二次谐波产生谐振器，输出波长为大约532nm的绿光20。尽管光纤激光器是优选的，然而其它激光器(诸如，固体激光器、半导体、叠片和其它激光器配置)完全包括在本公开的范围中。

具体参考图3和4，示例频率转换器18包括部分透射经过如下元件的输入：平面镜22，将基频处的准直光耦合到谐振器中；第一中间平面镜24；凹面镜26和凹面输出镜28，所有这些元件限定了封闭的光路。凹面镜26将入射的准直光聚焦于束腰30，在束腰30处波束直径最小。如本领域技术人员所理解的，可以改变光学元件的数量，可以不仅通过镜面28，备选地可以通过任何其它光学元件(诸如，图3虚线所示的镜面31)，从谐振器18提取转换后的光束。

根据现有技术，非线性晶体位于凹面镜26和28之间的中点，其中基波束腰位于该晶体内。晶体32的该位置使得转换光在晶体32体内和其输出面34上具有较高光功率密度。高功率密度可能损坏晶体本体和/或表面，这样限制转换器的使用寿命。

根据本公开，晶体32沿着发散光束从束腰30向输出镜28线性偏移。在本公开的上下文中，发散光束是瑞利长度小于频率转换器18内的腔体往返距离的光束。因此，可以明显减小经过频率转换的辐射在非线性晶体32的体内和输出面34上的光功率密度，从而延长非线性晶体32的寿命。如果进一步偏移晶体32，则不仅体内和输出面处的强度减小，而且晶体32的输入面是空载的。

图4所示的晶体32的位置不是任意的。对于大输入功率范围，确定该位置，使得对于任何给定输入功率，晶体的位置与谐振器18的阻抗匹配条件相对应。

假设输入功率已知，则可以在频率转换器18的操作之前确定晶体32的所需位置。在这种情况下，可以手动地放置该晶体。备选地，可以通过任何适合致动器36沿着发散光束实现晶体32的移动，以便针对大输入功率范围满足阻抗匹配条件，即，最大频率转换效率。在这种情况下，可以通过闭环电路来确定针对任何输入功率的阻抗匹配条件。具体地，当移动晶体32时，传感器40检测输出频率转换功率，对于给定输入功率，该频率转换功率的最大值与最大转换效率相对应。备选地或附加地，传感器40还可以用于监测从输入镜22反射的输入光束的功率，使用反馈回路来最小化该功率。该状态还与阻抗匹配条件相对应。

图5示出了所公开的频率转换器的另一实施例，该频率转换器配置为减小晶体32体内和相对面的功率密度。具体地，晶体32被相应地放置在输入镜22和中间镜24之间的准直光束中。在本公开的上下文中，准直光束是瑞利长度大于谐振腔18内的腔体往返路径的光束。因此，晶体32可以沿着在包括束腰30的腔体18内的光路的任何部分放置。与图4相似，该附图所示的实施例是示例性的，可以配置为具有三个、四个或更多个光学组件，只要存在补偿准直光束的自然发散的至少一个聚焦光学元件。

根据所公开谐振器获得的实验数据示出了转换效率超过90％。此外，配置所公开的谐振器，使得经过频率转换的辐射在晶体输出面和晶体内的光功率密度比图1的传统谐振器10至少小一个数量级。这意味着相较于将晶体布置在束腰内的频率转换器，将晶体布置在发散或准直光束内的频率转换器的寿命得到了明显改善。

可以基于被设计为通过在LBO晶体中的二次谐波产生(“SHG”)来将1064nm输入辐射转换为532nm辐射的频率转换器的具体示例，来说明上述总体构思。具体地，图6示出了针对给定输入功率的这种特定转换器，实现阻抗匹配条件所需的晶体移动。

对于上述的相同示例频率转换器，图7示出了相较于现有技术配置，针对大输入功率范围，在所公开的配置中经过频率转换的辐射在非线性晶体的输出面上的功率密度。参考图7，重要的是应注意所公开的和现有技术的配置都是针对在所示范围内的输入功率的每个点进行过阻抗匹配的。

如图7所示，对于所公开的配置，输出晶体面处的功率密度在大输入功率范围内不明显改变。当输入IR功率从12W增加到大约230W时(即，增加大约20倍)，晶体被布置为进一步远离束腰。与此同时，在输出晶体面上的绿光功率仅增加约2.8倍。相反，在现有技术配置中的绿光功率密度随着输入功率增加而大约线性增加20倍。

以下表I提供了针对230W的输入IR功率(图7内的最右侧点)进行阻抗匹配的两个配置之间的比较。两个配置具有相同的效率和输出功率。然而，可以看出，在所公开的配置中，不仅减小了在输出面上的绿光功率密度，而且还明显减小了在晶体32体内的IR和绿光功率密度。在本体材料中减小的功率密度放宽了对晶体纯净度的要求。当然，后者表示所公开配置的附加优点。

表格I

总之，当晶体移动远离束腰时，晶体中光线在基频和转换频率处的功率密度均减小。类似地，在晶体的输出面处，经转换频率的功率密度随晶体和束腰之间的距离而减小。

尽管以上讨论将二次谐波产生作为示例，然而重要的是应注意到所公开的配置可以用于其它频率转换过程。这些过程包括第三、第四和更高阶次的谐波产生；频率产生求和；以及导致改变激光频率的其它非线性过程。

结构上，所公开的频率转换器可以包括多个所公开的谐振器，所述谐振器串联耦接以便进行三阶、四阶或更高阶次谐波产生，或其它非线性频率转换。

总之，阐述了包括上述频率转换器的CW单模单频光纤激光器，以便在转换波长处输出几百瓦功率，并且以25％和更高的电光效率进行操作。根据所公开的腔体优化，仅由基本光纤激光功率来限制转换频率处的输出功率，如今甚至可以实现千瓦级。所公开的谐振器的NL晶体的使用寿命显著长于在传统配置中的晶体的寿命。对于制造工艺而言，能够调节所公开的谐振器以便在不同功率处提供较高的频转换效率而无需替换任何物理组件是非常有利的。可以响应于给定要求选择晶体32，因此晶体32可以包括任何非线性晶体(例如，三硼酸锂(LBO)、偏硼酸钡(BBO)、磷酸钛氧钾(KTP)、磷酸二氘钾(KD*P)、磷酸二氢钾(KTP)等)。

参考附图描述了本发明优选实施例中的至少一个，应理解，本发明不严格限于这些实施例。谐振器的配置不限于以上所示和所述的配置。例如，谐振器可以不仅是单向的，而且还可以是双向的。因此，本领域技术人员可以进行多种改变、修改和调整，而不脱离如上所述的本发明的范围或精神。

Claims (8)

1.一种用于将基频处的单模输入光束转换为转换频率处的输出光束的频率转换器，包括：

多个相分离的光学组件，限定谐振腔并配置为将输入光束整形为在谐振腔内具有至少一个束腰，整形光束具有从以下组中选择的部分，所述组包括至少一个发散部分、准直部分和准直部分与所述至少一个发散部分的组合；以及

非线性晶体，布置在所述谐振腔内，其中：

所述非线性晶体被布置在整形光束的瑞利长度小于谐振腔的往返长度的发散光束部分中，布置所述晶体使得晶体的中心沿着波束路径与束腰相分离，或

所述非线性晶体被布置在瑞利长度大于所述往返长度的准直光束部分中。

2.根据权利要求1所述的转换器，其中所述晶体选择性地位于沿着光束路径的多个位置处，使得针对给定功率的输入光束，谐振腔在晶体的每个位置处是阻抗匹配的，从而在输入光束的功率范围内，转换器能够以最大转换效率进行操作。

3.一种光学系统，包括：

连续波源，在基频处发射相干的单频单模光束；

准直器，配置为准直来自光源的光束；以及

权利要求1所述的频率转换器。

4.根据权利要求3所述的光学系统，其中所述晶体选择性地位于沿着光束路径的多个位置处，使得针对给定功率的输入光束，谐振腔在晶体的每个位置处是阻抗匹配的，从而在输入光束的功率范围内，转换器以最大转换效率进行操作。

5.根据权利要求3所述的光学系统，其中所述源包括以下中的任一个：光纤激光器、半导体激光器、固态激光器、或气体激光器。

6.根据权利要求3所述的光学系统，还包括：

激光头，与所述源相分离；

升压光纤放大器，放大基频处的光束，并连同频率转换器一起被安装在激光头内；以及

光纤线缆，将所述源和升压器相耦接。

7.一种减小在位于频率转换器中的非线性晶体的输出面和体内的光功率密度的方法，包括：

将基频处的单频单模光束连续地耦合到频率转换器的谐振腔内；

将光束整形以在所述谐振腔内形成至少一个束腰；以及

将非线性晶体布置在所述谐振腔内，其中：

所述非线性晶体布置在瑞利长度小于谐振腔的往返长度的发散光束中，使得晶体的中心沿着波束路径与束腰相分离，或

所述非线性晶体布置在瑞利长度大于谐振腔的往返长度的准直光束中。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述晶体选择性地位于沿着光束路径的多个位置处，使得针对给定功率的输入光束，谐振腔在晶体的每个位置处是阻抗匹配的，从而在输入光束的功率范围内，所述频率转换器能够以最大转换效率进行操作。