CN105529608B - 电控波长可调谐的频率变换装置 - Google Patents

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Abstract

一种电控波长可调谐频率变换装置，由光束取样镜、光谱仪、电压源、一块非线性晶体和两片金属板组成，两片金属板平行放置并连接电压源，非线性晶体放置于两片金属板间的电场中，利用电光效应使晶体的折射率发生变化，并选择合适的入射角度，使光束满足相位匹配条件实现频率变换。当入射光波长发生变化时该装置无需再进行角度调节，只需要改变加载的电压值即可实现不同波长激光的频率变换，而且对于不同中心波长的可调谐激光器频率变换都可以基于该装置设计实现，并能保持很高的转换效率。本发明把电光效应应用到频率变换中，实现波长可调谐的频率变换同时可以使非线性晶体应用到更宽波段的频率变换中。

Description

电控波长可调谐的频率变换装置
技术领域
本发明涉及激光频率变换装置，特别是一种电控波长可调谐的频率变换装置。
背景技术
利用非线性晶体进行频率变换使激光的工作波长得到了极大的拓展，非线性光学频率变换也成为激光及其非线性光学领域的一个重要组成部分。在利用非线性晶体材料进行频率变换时，要获得有效的非线性光学频率转换，入射光波和输出光波在非线性光学介质中传播时，必须满足一定的相位关系，称为相位匹配，这是非线性晶体实现频率变换的一个前提条件。目前，实现位相匹配的方法通常有以下几种：双折射位相匹配(BPM)、非临界相位匹配(NCPM)和准位相匹配(QPM)。通过频率变换，比如和频、差频、光参量放大及光参量振荡等可以产生新的相干波段，提供从远红外到紫外各种波段的相干光源，满足实际应用的不同的需要。
双折射位相匹配是利用晶体的双折射效应实现的，即利用晶体的双折射效应补偿因色散造成的输入光和输出光之间的相位失配。这一方案在频率变换技术中有着广泛的应用，尤其是大口径晶体如：ADP、KDP、DKDP、LBO、KTP等的生长技术成熟之后，各种非线性频率变换技术更有着飞速发展。影响双折射位相匹配频率变换的主要因素有：非线性晶体的非线性系数、走离角、相位匹配角、温度稳定性等参数。尤其是相位匹配角这一因素，频率变换效率对其变化特别敏感，一般允许失配角只有百微弧度左右。如果在某一波长实现相位匹配时，晶体角度发生了变化，转换效率将迅速降低，因此双折射位相匹配实验过程中角度的调节精度要求很高。
非临界相位匹配是利用某些倍频晶体折射率的双折射量与色散量对温度比较敏感的特点，通过调节倍频晶体的温度实现相位匹配的方法。这种相位匹配方式中的匹配角度＝90°，使得基频光寻常光的折射率曲面正好与倍频光非寻常光的折射率曲面相切，可以有效地消除走离效应。由于这一方法是利用非线性晶体折射率与温度相关的特性，所以非临界相位匹配对于温度的控制精度和整体的均匀性有很高的要求。
通过上面可以发现，对于不同的相位匹配方法可以使晶体在某合适角度和温度下能够进行相应波长的频率变换，但是在不改变晶体角度和温度的情况下，入射光波长发生变化时，相位失配便会产生，使频率变换的效率发生下降。因此，对于固定的晶体切割角度和温度，一般相位匹配只能在某一波长实现，如果入射波长发生变化，则需要调整晶体的角度，或者温度，而角度的调整将增加实验的复杂程度，温度的变化又受限于控制精度、温度变化时间和整体温度均匀性。因此，在固定晶体角度和温度的情况下实现不同波长的频率变换，尤其是在可调谐激光器的频率变换时是比较困难的。
发明内容
本发明的目的是针对目前现有的频率变换技术方案，提出一种电控波长可调谐的频率变换装置，该装置利用电光效应改变晶体的折射率实现相位匹配，当入射光波长发生变化时不需要调节晶体的角度，只要通过调节电压的大小即可使光束满足相位匹配，实现电控波长可调谐频率变换。该装置把电光效应应用到频率变换中，改变电压使晶体所处的电场强度发生变化，即可使晶体的折射率发生相应的改变，并且折射率变化可调谐，使该装置具有波长可调谐频率变换的优点。
本发明的技术解决方案如下：
一种电控波长可调谐的频率变换装置，其特点在于该装置包括：光束取样镜、光谱仪、电压源、非线性晶体和两片平行放置的金属板；
上述各元器件位置关系如下：
所述的光束取样镜、非线性晶体和金属板固定在同一水平高度上，且光束取样镜与光束传输方向成45度，非线性晶体的光轴与光束传输方向的夹角θ满足相位匹配条件，电压源的正负极分别与所述的两片金属板连接，使两片金属板之间形成一个均匀电场，非线性晶体完全处在两片金属板之间的均匀电场中，且该非线性晶体的光轴与金属板垂直，所述的光谱仪放置在所述光束取样镜的反射光路上，且与所述电压源相连。频率变换时，光束经光束取样镜后一部分光被反射到光谱仪中，由光谱仪测得入射光的波长，并反馈给电压源，另一部分透射光从两片金属板中间通过，并入射到非线性晶体中。
非线性晶体的光轴与光束传输方向的夹角θ可以根据入射光波长、色散方程、电场强度和折射率的变化量计算得到，在固定入射角度θ的情况下，可以通过实验测量或计算出不同入射光波长条件下使光束满足相位匹配条件所需的电压，并绘制波长-电压定标曲线，当该频率变换装置工作时，光谱仪测得的激光器实时输出波长反馈给电压源，并根据波长-电压定标曲线得到相应的电压值，通过调节电压源施加在两片金属板上的电压，可使相应波长的光束满足相位匹配条件，实现波长可调谐激光器的频率变换。
本发明的技术效果：
1、与传统频率变换装置相比，本发明利用电光效应，通过改变电压值的大小增加了一个新的调节维度，可以灵活的实现晶体折射率的变化，使一定波长范围内的入射光束都可以实现相位匹配。在一定波长范围内，对于不同波长的频率变换，本发明装置只要改变加载在金属板上的电压即可使相应波长的光束满足相位匹配条件实现高效的频率变换，而且不需要再进行晶体角度的调整，简化了不同波长频率变换过程中调整角度的步骤，使得本发明装置所需的光学元器件数量较少，光路结构简单，光束畸变低，同时降低了装置运行中对晶体角度控制的复杂程度和调节精度的要求，具有较好的稳定性(尤其对于可调谐激光器、多波长的频率变换)。
2、本发明适用于不同的波段，对于不同中心波长可调谐激光器的频率变换只需根据波段选择合适的晶体和相应的切割角度，当波长发生变化时按照波长-电压定标曲线调电压大小即可。
附图说明
图1为本发明波长可调谐的频率变换装置的结构示意图。
图2为以DKDP晶体I类相位匹配进行倍频(ω1+ω1→ω2)为例对本发明进行的原理说明示意图。
图3为DKDP晶体加载电压时折射率主轴变化示意图。
图4为以DKDP晶体为例使用本发明波长可调谐的频率变换装置进行不同波长频率变换时，不同波长与加载在电光晶体上的电压的波长-电压定标曲线。
图5为使用本发明装置进行中心波长为1053nm、波长变化范围为1044～1064nm的频率变换与传统晶体进行相同波段的频率变换的转换效率随波长变化的对比图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明方法进行具体说明。
先请参阅图1，图1为本发明一种波长可调谐的频率变换装置的结构示意图，由图可见，本发明装置包括：光束取样镜1、光谱仪2、电压源3、非线性晶体4和两片金属板5，上述各元器件位置关系如下：
光束取样镜1、非线性晶体4和金属板5固定在同一水平高度上，且光束取样镜1与光束传输方向成45度，非线性晶体4的光轴与光束传输方向的夹角θ满足相位匹配条件，电压源3的正负极分别与所述的两片金属板5连接，使两片金属板5之间形成一个均匀电场，非线性晶体4完全处在两片金属板5之间的均匀电场中，且该非线性晶体4的光轴与金属板5垂直，所述的光谱仪2放置在所述光束取样镜1的反射光路上，且与所述电压源3相连。频率变换时，光束经光束取样镜1后一部分光被反射到光谱仪2中，由光谱仪2测得入射光的波长，并反馈给电压源3，另一部分透射光从两片金属板5中间通过，并入射到非线性晶体4中。非线性晶体4的光轴与光束传输方向的夹角θ可以根据入射光波长、色散方程、电场强度和折射率的变化量计算得到，在固定入射角度θ的情况下，可以通过实验测量或计算出不同入射光波长条件下使光束满足相位匹配条件所需的电压，并绘制波长-电压定标曲线，当该频率变换装置工作时，光谱仪2测得的激光器实时输出波长反馈给电压源3，并根据波长-电压定标曲线得到相应的电压值，通过调节电压源3施加在两片金属板5上的电压，可使相应波长的光束满足相位匹配条件，实现波长可调谐激光器的频率变换。
为了清楚的描述该方案整个频率变换过程，下面以DKDP晶体采用I类相位匹配方式进行二倍频频率变换过程(ω1+ω1→ω2)为例对本发明进行详细的说明，装置示意图如图2所示。两金属板5的面垂直于DKDP晶体4的z轴(光轴)方向。设两金属板5间距离为d，电压为V，则两金属板5间的电场强度为：E＝V/d，且电场方向平行于z轴，所以电场分量Ex＝Ey＝0，Ez＝E。从文献可以查得DKDP晶体是负单轴晶体，属于四方晶系，点群，这类晶体的电光张量为：
并且γ41＝γ52，所以这一类独立的电光系数只有γ41和γ63两个，未加电场时DKDP晶体主轴折射率有：nx＝ny＝no，nz＝ne，且no＞ne，不同波长的no、ne大小可以通过SellmeierEquation求出。当DKDP晶体处于强度为E的外加电场中时，根据折射率椭球可以求得新的主轴折射率：
nz′＝ne
此时DKDP晶体由单轴晶体变为双轴晶体，其折射率椭球的主轴x′、y′相对于原来的x、y轴(绕z轴)旋转了45°，如图3所示。
DKDP晶体传统I类相位匹配方式进行的二倍频过程为一束偏振态为o的光ω1入射到非线性晶体中产生偏振态为e的光ω2，即ω1e+ω1e→ω2o，相位匹配条件为：Δk＝k2e-2k1o＝0。当加载电压时，DKDP晶体的折射率椭球主轴折射率发生旋转并且大小也发生变化，单轴晶体变成了双轴晶体。双轴晶体的相位匹配角计算，通常会选择在某一主平面内，在频率变换过程中，为了获得最大的转换效率，除了选择合适的相位匹配角实现相位匹配之外还要选择合适的方位角使有效非线性系数尽可能大，因此主平面的选择还要考虑有效非线性系数的大小。使用DKDP晶体进行I类二倍频时，通过计算可以得到方位角为45°时有效非线性系数最大。
下面我们选择在y′-z主平面进行I类二倍频为例描述该装置的工作原理，初始入射基频光波长为1053nm，两金属板5间距为30mm，初始加载电压为0V，电压调节范围为-10kV～10kV。DKDP晶体相位匹配角为θ＝53.2656°，方位角为若DKDP晶体按照这一角度进行切割并固定，入射波长为1053nm时可以满足相位匹配，实现高效的二倍频，但当入射光束波长发生变化时，如果没有进行相应的角度调节而且改变两金属板5上的电压大小，光束将不再满足相位匹配条件，进而产生的相位失配量使频率变换的效率降低。
若使用取样镜1对入射光束进行取样，并通过光谱仪2分析出入射光束的波长反馈给电压源3，针对不同的入射波长改变两金属板5电压大小可使光束在DKDP晶体中满足相应波长的相位匹配，实现相应波长的二倍频，使该装置可以实现波长可调谐的频率变换。通过计算可以得到实现相位匹配的波长-电压定标曲线如图4所示。从图4可以看出，在上述条件下，该装置可以实现1050～1056nm波段的相位匹配，相位失配量非常小，在10-3量级大小。在不改变晶体角度的情况下，为了对比本发明装置与传统方法进行不同波长频率变换的效果，我们以1GW/cm2峰值功率密度的脉冲入射到15mm厚的DKDP晶体中进行二倍频为例进行了模拟计算，计算结果归一化后如图5所示。从图5中可以看出在1044～1064nm波长范围内进行二倍频时，使用传统方法转换效率下降很快，波长的接收带宽比较窄，使用本装置进行二倍频时波长的接收带宽有明显的增加，并且能保持很高的转换效率。
对于传统频率变换的方法，某一波长光束在非线性晶体4中可以满足相位匹配具有很高的频率变换效率，但当入射光波长发生变化时，如果没有进行相应的角度调节则会产生相位失配导致频率变换效率降低，而本发明使用两块金属板5产生一个均匀电场，非线性晶体4放置在电场中，由于电光效应使折射率发生改变，当入射光波长发生变化时，改变电压大小光束仍可实现相位匹配，使频率变换的效率保持在一个较高的水平，从而实现了波长可调谐的频率变换。本发明装置用于其他波段频率变换时的原理与此类似。
由此可以看出，本发明把电光效应应用到频率变换中，利用电光效应改变晶体的折射率使光束满足相位匹配实现频率变换，增加了晶体的应用范围。当入射光束波长发生变化时，通过调节电压的大小，使晶体所处的电场强度发生变化，导致晶体的折射率发生相应的改变，实现了不调节角度的情况下使不同波长满足相位匹配能够进行高效的频率变换，而且该装置结构简单，调节难度小，容易实现，对于不同波段的倍频、和频、差频、光参量放大等非线性过程都可以通过对该装置进行设计来实现，尤其对于波长可调谐激光器的频率变换。

Claims (2)

1.一种电控波长可调谐的频率变换装置，其特征在于包括：光束取样镜(1)、光谱仪(2)、电压源(3)、非线性晶体(4)和两片平行放置的金属板(5)；
上述各元器件位置关系如下：
所述的光束取样镜(1)、非线性晶体(4)和金属板(5)固定在同一水平高度上，且光束取样镜(1)与光束传输方向成45度，非线性晶体(4)的光轴与光束传输方向的夹角θ满足相位匹配条件，电压源(3)的正负极分别与所述的两片金属板(5)连接，使两片金属板(5)之间形成一个均匀电场，非线性晶体(4)完全处在两片金属板(5)之间的均匀电场中，且该非线性晶体(4)的光轴与金属板(5)垂直，所述的光谱仪(2)放置在所述光束取样镜(1)的反射光路上，且与所述电压源(3)相连；
频率变换时，光束经光束取样镜(1)后一部分光被反射到光谱仪(2)中，由光谱仪(2)测得入射光的波长，并反馈给电压源(3)，另一部分透射光从两片金属板(5)中间通过，并入射到非线性晶体(4)中。
2.根据权利要求1所述的一种电控波长可调谐的频率变换装置，其特征在于，所述的非线性晶体(4)为ADP、DADP、KDP、DKDP或LNB。
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