CN107317217A - 一种基于ⅱ类非临界相位匹配的共振增强腔倍频装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Ⅱ类非临界相位匹配的共振增强腔倍频装置，包括：至少由输入耦合镜、输出耦合镜、第一非线性晶体和第二非线性晶体组成的共振增强腔；其中，所述输入耦合镜用于将基频光耦合入所述共振增强腔；所述第一非线性晶体用于对通过所述第一非线性晶体内的基频光的第一偏振光分量与第二偏振光分量进行相位补偿，以使从所述第一非线性晶体通过的基频光的第一偏振光分量和第二偏振光分量的相位差为2π的整数倍；所述第二非线性晶体用于使通过所述第二非线性晶体内的基频光满足第Ⅱ类非临界相位匹配条件，以得到从所述第二非线性晶体产生并输出的倍频光；所述输出耦合镜用于将所述共振增强腔内的倍频光输出。

Description

一种基于Ⅱ类非临界相位匹配的共振增强腔倍频装置

技术领域

本发明属于激光领域，具体涉及一种基于Ⅱ类非临界相位匹配的共振增强腔倍频装置。

背景技术

共振增强腔可以实现连续或者准连续高重频激光的高效倍频。基频光在满足模式匹配条件、相位匹配条件、以及共振条件的情况下，可以使共振腔内的功率比基频光功率高约2个数量级，因而有更大的单程转换系数，可以大大提高基频光的总倍频效率。相位匹配分为临界相位匹配和非临界相位匹配。由于非临界相位匹配的走离角为0°，所以它的单程转换效率更高，光束质量更好，因而非临界相位匹配比临界相位匹配更有优势。

然而对于某些晶体在某些特定波长范围的常用温度下(约10℃～150℃)的倍频只能通过Ⅱ类相位匹配实现非临界(基波同时取两种不同的线偏振光，如o光和e光的形式入射(两者的偏振方向垂直)，而产生的倍频波为单一状态的线偏振光，如e光)，而无法通过Ⅰ类相位匹配实现非临界(基波取单一的线偏振光，例如o光，形式入射，而倍频波为另一状态的线偏振光，例如e光)。然而这种模式由于倍频光的走离效应，使得单程转换效率有所降低。基于Ⅱ类非临界相位匹配共振腔倍频对于基频光和倍频光都无走离，具有更高的单程转换效率。然而，对于o光与e光的相位差变化2π对应的温度调节范围大于非临界相位匹配条件温度容限范围的非线性晶体，由于无法同时满足共振条件与相位匹配条件，Ⅱ类非临界相位匹配倍频的应用依然受到限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何实现Ⅱ类非临界相位匹配下的共振增强腔倍频。

针对以上问题，本发明提供了一种基于Ⅱ类非临界相位匹配的共振增强腔倍频装置，包括：至少由输入耦合镜、输出耦合镜、第一非线性晶体和第二非线性晶体组成的共振增强腔；

其中，所述输入耦合镜用于将基频光透射入所述共振增强腔；

所述第一非线性晶体用于对通过所述第一非线性晶体内的基频光进行相位补偿，以使从所述第一非线性晶体通过的基频光的第一偏振光分量和第二偏振光分量的相位差为2π的整数倍；

所述第二非线性晶体用于使通过所述第二非线性晶体内的基频光满足第Ⅱ类非临界相位匹配条件，以得到从所述第二非线性晶体产生并输出的倍频光；

所述输出耦合镜用于将所述共振增强腔内的倍频光输出。

优选地，所述第一偏振光分量与所述第二偏振光分量之间的相位差变化量和所述第一非线性晶体的温度变化量之间满足如下关系式：

Δφ＝aL·ΔT

其中，a为所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量在所述第一非线性晶体的相位延迟系数，表示单位长度的倍频晶体，单位温度改变量引起的两个偏振光分量的相位差变化量；L为所述第一非线性晶体的长度；ΔT为所述第一非线性晶体的温度变化量；Δφ为所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量的相位差变化量。

优选地，所述相位延迟系数a定义为：

其中，k_o、k_e分别为所述第一偏振光分量与所述第二偏振光分量在所述第一非线性晶体内的波矢，α_l为晶体在光传播方向的热膨胀系数，

令：

则：

其中，λ为基频光在真空中的波长；n_o为所述第一偏振光分量在所述第一非线性晶体中的折射率；n_e所述第二偏振光分量在所述第一非线性晶体中的折射率；为所述第一偏振光分量在所述第一非线性晶体中的折射率随温度的变化率；所述为所述第二偏振光分量在所述第一非线性晶体中的折射率随温度的变化率；α_l为所述第一非线性晶体在光传播方向的热膨胀系数。

优选地，所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量之间的相位差变化量Δφ的稳定性满足如下关系：

其中，δΔφ为在控制所述第一非线性晶体的温度变化时，所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量之间的相位差变化量Δφ的稳定性，F为所述倍频装置的精细度。

优选地，所述共振增强腔为驻波腔或者行波腔。

优选地，所述共振增强腔还包括第一反射镜和第二反射镜；

所述第一反射镜用于将从所述输入耦合镜入射的基频光反射至所述第二非线性晶体；

所述输出耦合镜用于透出从所述第二非线性晶体透射的倍频光，并将剩余的基频光反射至所述第二反射镜；

所述第二反射镜用于将从所述输出耦合镜反射的基频光反射至所述第一非线性晶体。

优选地，所述第一非线性晶体是LBO晶体，切割角为θ＝0°，

其中，θ为基频光或倍频光在所述第一非线性晶体中的传播方向与所述第一非线性晶体的三个介电主轴中的Z轴的夹角，为基频光或倍频光在所述第一非线性晶体中的传播方向在所述三个主轴中的X轴和Y轴组成的平面上的投影与所述三个主轴中的X轴的夹角。

优选地，所述第二非线性晶体是LBO晶体，切割角为θ＝0°，

其中，θ为基频光或倍频光在所述第一非线性晶体中的传播方向与所述第二非线性晶体的三个主轴中的Z轴的夹角，为基频光或倍频光在所述第二非线性晶体中的传播方向在所述三个主轴中的X轴和Y轴组成的平面上的投影与所述三个主轴中的X轴的夹角。

优选地，其特征在于，

还包括：温控仪，用于控制所述第一非线性晶体和所述第二非线性晶体的温度。

优选地，所述第一非线性晶体和所述第二非线性晶体的两个端面均镀有基频光和倍频光的增透膜；

所述输入耦合镜镀有基频光部分透过膜，输出耦合镜镀有基频光的高反膜和倍频光的高透膜。

本发明提供的一种基于Ⅱ类非临界相位匹配的共振增强腔倍频装置，在共振增强腔内除倍频用晶体外，再插入一个用于光学相位补偿的晶体，对基频光中的两种偏振光进行相位补偿，以得到两种偏振光分量的相位差为2π整数倍的基频光，再使其满足相位匹配条件，得到倍频光。这种倍频装置通过对两种偏振光分量的相位的补偿作用实现了Ⅱ类非临界相位匹配共振增强的高效倍频，设计简单，实用，具有普适性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于Ⅱ类非临界相位匹配的共振增强腔为驻波腔倍频装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于Ⅱ类非临界相位匹配的共振增强腔为行波腔的倍频装置的结构示意图；

图3是LBO晶体的切割方向示意图；

图4是LBO晶体切割时的角度关系示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本实施例提供的基于Ⅱ类非临界相位匹配的共振增强腔为驻波腔倍频装置的结构示意图，参见图1，该装置包括：至少由输入耦合镜101、输出耦合镜104、第一非线性晶体102和第二非线性晶体103组成的共振增强腔；

其中，所述输入耦合101镜用于将基频光耦合入至所述共振增强腔；

所述第一非线性晶体102用于对通过所述第一非线性晶体102内的基频光进行相位补偿，以使从所述第一非线性102晶体通过的基频光的第一偏振光分量和第二偏振光分量的相位差为2π的整数倍；

所述第二非线性晶体103用于使通过所述第二非线性晶体103内的基频光满足第Ⅱ类非临界相位匹配条件，以得到从所述第二非线性晶体103产生并输出的倍频光；

所述输出耦合镜104用于将所述共振增强腔内的倍频光输出。

本实施例中，第一非线性晶体102和第二非线性晶体103的位置可调换，共振增强腔内的光路不一定是如图1中所示的光路，只要使第一非线性晶体102和第二非线性晶体103处于共振增强腔的光路上即可。

本实施例提供的一种基于Ⅱ类非临界相位匹配的共振增强腔倍频装置，在共振增强腔内除倍频用晶体外，再插入一个用于光学相位补偿的晶体，对基频光中的两种偏振光进行相位补偿，得到两种偏振光为2π整数倍的基频光，再使其满足相位匹配条件，得到倍频光。这种倍频装置通过对两种偏振光相位的补偿作用实现了Ⅱ类非临界相位匹配共振增强的高效倍频，设计简单，实用，具有普适性。

进一步地，所述第一偏振光分量与所述第二偏振光分量之间的相位差变化量和所述第一非线性晶体的温度变化量之间满足如下关系式：

Δφ＝aL·ΔT

其中，a为所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量在所述第一非线性晶体的相位延迟系数，表示单位长度的倍频晶体，单位温度改变量引起的两个偏振光分量的相位差变化量；L为所述第一非线性晶体的长度；ΔT为所述第一非线性晶体的温度变化量；Δφ为所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量的相位差变化量。

第一偏振光分量和第二偏振光分量为o光和e光，第一非线性晶体通过温度的变化对o光和e光的光程差进行调节。

事实上，第一非线性晶体和第二非线性晶体对两个偏振光分量的相位差均会产生影响，例如，光线通过第一非线性晶体产生的相位差为Φ₁，通过第二非线性晶体产生的相位差为Φ₂，为了得到高效倍频光，需要使两个晶体产生的总相位差Φ＝Φ₁+Φ₂为2π的整数倍。然而，在本实施例提供的共振增强腔中，由于第二非线性晶体的温度为一固定值不能调节，因此在本实施例中只需要考虑第一非线性晶体对相位的影响。

第一非线性晶体对相位的补偿通过第一非线性晶体的温度进行调节。

本实施例提供第一非线性晶体调节相位差的原理。

进一步地，所述相位延迟系数a定义为：

其中，k_o、k_e分别为所述第一偏振光分量与所述第二偏振光分量在所述第一非线性晶体内的波矢，α_l为晶体在光传播方向的热膨胀系数，

令：

则：

其中，λ为基频光在真空中的波长；n_o为所述第一偏振光分量在所述第一非线性晶体中的折射率；n_e所述第二偏振光分量在所述第一非线性晶体中的折射率；为所述第一偏振光分量在所述第一非线性晶体中的折射率随温度的变化率；所述为所述第二偏振光分量在所述第一非线性晶体中的折射率随温度的变化率；α_l为所述第一非线性晶体在光传播方向的热膨胀系数。

例如，第一非线性晶体的材质可以为LBO(三硼酸锂)，对于LBO，在切割角为θ＝0°，时，温度在312.7K时，对于1.3μm激光的相位延迟系数a＝0.0149 1/(mm·K)。

更进一步地，所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量之间的相位差变化量Δφ的稳定性满足如下关系：

其中，δΔφ为在控制所述第一非线性晶体的温度变化时，所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量之间的相位差变化量Δφ的稳定性，F为所述倍频装置的精细度。

进一步地，所述共振增强腔为驻波腔或者行波腔。

作为一种具体的实施例，图2是本实施例提供的基于Ⅱ类非临界相位匹配的共振增强腔为行波腔的倍频装置的结构示意图，参见图2，该共振增强腔还包括第一反射镜202和第二反射镜205；

所述第一反射镜202用于将从所述输入耦合镜201入射的基频光反射至所述第二非线性晶体203；

所述输出耦合镜204用于输出从所述第二非线性晶体203透射的倍频光，并将剩余的基频光反射至所述第二反射镜205；

所述第二反射镜205用于将从所述输出耦合镜204反射的基频光反射至所述第一非线性晶体206。

其中，非临界相位匹配条件具体为：非临界相位匹配是指相位匹配的方向使得基频光与倍频光的波矢垂直于晶体的折射率椭球面的匹配方式，此时θ和为0°或者90°，激光以这种方式在晶体中传输时无走离。由于有些晶体可以通过调节其温度使其相位匹配方向调整到如上所述的某一个方向上，因此非临界相位匹配又称为温度相位匹配。

本实施例中第一反射镜和第二反射镜可以替换为实现相同作用的其他镜的组合，只要使第一非线性晶体和第二非线性晶体处于共振增强腔的光路上即可。

进一步地，所述第一非线性晶体是LBO晶体，切割角为θ＝0°，

其中，θ为基频光或倍频光在所述第一非线性晶体中的传播方向与所述第一非线性晶体的三个介电主轴中的Z轴的夹角，为基频光或倍频光在所述第一非线性晶体中的传播方向在所述三个主轴中的X轴和Y轴组成的平面上的投影与所述三个主轴中的X轴的夹角。

所述第二非线性晶体是LBO晶体，切割角为θ＝0°，

其中，θ为基频光或倍频光在所述第一非线性晶体中的传播方向与所述第二非线性晶体的三个主轴中的Z轴的夹角，为基频光或倍频光在所述第二非线性晶体中的传播方向在所述三个主轴中的X轴和Y轴组成的平面上的投影与所述三个主轴中的X轴的夹角。

第一非线性晶体和第二非线性晶体的切割均使得进入其中的光不发生走离。如图3所示，沿着LBO晶体301的X轴和Y轴所在的平面对LBO晶体301进行打磨，使光线沿着Z轴所在方向传播。

具体地，图4是LBO晶体切割时的角度关系示意图，参见图4，a₀为光线在第一非线性晶体或者第二非线性晶体中的传播方向的单位矢量，单位矢量a₀在X轴和Y轴组成的平面上的投影与X轴的夹角为单位矢量a₀与Z轴的夹角为θ。

其中，X轴、Y轴和Z轴是晶体的介电主轴坐标系的三个轴。

晶体的长度对两个偏振光的相位差也有影响，例如，第一非线性晶体的晶体长度为10mm，第二非线性晶体的晶体长度为20mm。

进一步地，

还包括：温控仪207，用于控制所述第一非线性晶体和所述第二非线性晶体的温度。

其中，为了实现精确的控制，温控仪需进行高精度的控制，例如，温控仪具有小于0.1度的步长和稳定度。

其中，步长是指温控仪可以调节一步的最小值；稳定度是指当温控仪设定在某一值之时，在较长的时间内实际温度的均方差。

通过调节第一非线性晶体的温度并观察倍频光强度的方式找到o光与e光的相位差为零的点。当倍频光最强时，将晶体温度稳定下来。

对于具有蝶形的倍频腔的倍频装置，所述第一非线性晶体设置在所述蝶形的倍频腔较大的束腰位置处(图2中的第二反射镜和输入耦合镜中间)，所述第二非线性晶体设置在所述蝶形的倍频腔较小的束腰位置处(图2中的第一反射镜和透射镜中间)。

第二反射镜是一个驱动腔镜，设置在锆钛酸铅压电陶瓷上，以利用PZT压电陶瓷材料的性能可以实现倍频装置中倍频腔长短的调节。

进一步地，

所述第一非线性晶体和所述第二非线性晶体的两个端面均镀有基频光和倍频光的增透膜；

所述输入耦合镜镀有基频光部分透过膜，输出耦合镜镀有基频光的高反膜和倍频光的高透膜。

更为具体的，对于1336nm激光的Ⅱ类LBO非临界相位匹配共振增强腔为环形腔的倍频装置，该装置包括如图2所示的输入耦合镜201；第二反射镜205，是PZT驱动基频光高反镜；第一反射镜202，是基频光凹面高反镜；透射镜204，是基频光凹面高反镜倍频光高透镜；第二非线性晶体203是LBO非线性晶体；第一非线性晶体206是LBO相位差补偿晶体；温控仪207。

其中的输入耦合镜201的镀膜应满足基频光的阻抗匹配条件且腔镜为楔形平面镜；第二反射镜205应装在PZT上面，并镀有基频光高反膜，且腔镜为平面镜；第一反射镜202为曲率等于100mm的凹面镜，并镀有基频光高反镜；透射镜204为曲率等于100mm的凹面镜，并镀有基频光高反倍频光高透膜；第二非线性晶体203是LBO晶体，镀有基频光高透膜，切割角为θ＝0°，φ＝0°，晶体长度为20mm；第一非线性晶体206镀有基频光高透膜，切割角为θ＝0°，φ＝0°，晶体长度为10mm；温控仪207具有小于0.1度的步长和稳定度。

第二非线性晶体203，的温度设为312.5K。

第一非线性晶体206的控温周期根据式Δφ＝aL·ΔT可得为41.2K，可以设定工作区间为50.0℃到91.2℃。

温控仪207具有30.0℃到100.0℃的控温范围和小于0.1℃的步长和稳定性。

通过调节晶体温度并观察倍频光强度的方式找到o光与e光的相位差为零的点。当倍频光最强时，将晶体温度稳定下来。

本实施例提供的倍频装置的结构简单、器件易得、操作简便，应用范围广，普通实验室中便于实现。可以实现1.3μm激光Ⅱ类LBO非临界相位匹配共振增强腔倍频。

在应用中，本实施例提供的倍频装置解决了o光与e光的相位差变化2π对应的温度调节范围大于非临界相位匹配条件温度容限范围的非线性晶体，直接调节倍频用晶体的温度无法同时满足共振条件与相位匹配条件的问题。

具体来说，o光与e光的相位差变化2π对应的温度调节范围小于非临界相位匹配温度容限范围的非线性晶体，可以在相位匹配点附近调节温度，实现共振条件。例如，用1.08μm激光KTP外腔倍频，由于KTP晶体在1.08μm处满足非临界相位匹配条件，且在温度调节使得o光与e光的相位差变化2π时，KTP的相位匹配条件仍可以得到满足，因此可以通过控制晶体温度以补偿o光和e光的相位差，从而使得KTP晶体在1.08μm处实现高效的外腔倍频。

然而对于o光与e光的相位差变化2π对应的温度调节范围大于非临界相位匹配条件温度容限范围的非线性晶体，直接调节倍频用晶体的温度无法同时满足共振条件与相位匹配条件。例如，1.3μm激光Ⅱ类LBO非临界相位匹配倍频，相位匹配条件对温度的变化比较敏感，而o光和e光的相位差随温度变化较慢，因而无法通过单纯调节倍频用非线性晶体温度，在不破坏相位匹配条件的情况下，实现两个偏振方向的共振条件。本实施例中的倍频装置可以解决上述问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于Ⅱ类非临界相位匹配的共振增强腔倍频装置，其特征在于，包括：至少由输入耦合镜、输出耦合镜、第一非线性晶体和第二非线性晶体组成的共振增强腔；

其中，所述输入耦合镜用于将基频光耦合入所述共振增强腔；

所述第一非线性晶体用于对通过所述第一非线性晶体内的基频光的第一偏振光分量与第二偏振光分量进行相位补偿，以使从所述第一非线性晶体通过的基频光的第一偏振光分量和第二偏振光分量的相位差为2π的整数倍；

所述第二非线性晶体用于使通过所述第二非线性晶体内的基频光满足第Ⅱ类非临界相位匹配条件，以得到从所述第二非线性晶体产生并输出的倍频光；

所述输出耦合镜用于将所述共振增强腔内的倍频光输出。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一偏振光分量与所述第二偏振光分量之间的相位差变化量和所述第一非线性晶体的温度变化量之间满足如下关系式：

Δφ＝aL·ΔT

其中，a为所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量在所述第一非线性晶体的相位延迟系数，表示单位长度的倍频晶体，单位温度改变量引起的两个偏振光分量的相位差变化量；L为所述第一非线性晶体的长度；ΔT为所述第一非线性晶体的温度变化量；Δφ为所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量的相位差变化量。

3.根据权利要求2所述的倍频装置，其特征在于，所述相位延迟系数a定义为：

其中，k_o、k_e分别为所述第一偏振光分量与所述第二偏振光分量在所述第一非线性晶体内的波矢，α_l为晶体在光传播方向的热膨胀系 数，

令：

则：

其中，λ为基频光在真空中的波长；n_o为所述第一偏振光分量在所述第一非线性晶体中的折射率；n_e所述第二偏振光分量在所述第一非线性晶体中的折射率；为所述第一偏振光分量在所述第一非线性晶体中的折射率随温度的变化率；所述为所述第二偏振光分量在所述第一非线性晶体中的折射率随温度的变化率；α_l为所述第一非线性晶体在光传播方向的热膨胀系数。

4.根据权利要求3所述的倍频装置，其特征在于，所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量之间的相位差变化量Δφ的稳定性满足如下关系：

其中，δΔφ为在控制所述第一非线性晶体的温度变化时，所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量之间的相位差变化量Δφ的稳定性，F为所述倍频装置的精细度。

5.根据权利要求1所述的倍频装置，其特征在于，所述共振增强腔为驻波腔或者行波腔。

6.根据权利要求1所述的倍频装置，其特征在于，所述共振增强腔还包括第一反射镜和第二反射镜；

所述第一反射镜用于将从所述输入耦合镜入射的基频光反射至 所述第二非线性晶体；

所述输出耦合镜用于输出从所述第二非线性晶体产生并输出的倍频光，并将剩余的基频光反射至所述第二反射镜；

所述第二反射镜用于将从所述输出耦合镜反射的基频光反射至所述第一非线性晶体。

7.根据权利要求1所述的倍频装置，其特征在于，所述第一非线性晶体是LBO晶体，切割角为θ＝0°，

其中，θ为基频光或倍频光在所述第一非线性晶体中的传播方向与所述第一非线性晶体的三个介电主轴中的Z轴的夹角，为基频光或倍频光在所述第一非线性晶体中的传播方向在所述三个主轴中的X轴和Y轴组成的平面上的投影与所述三个主轴中的X轴的夹角。

8.根据权利要求1所述的倍频装置，其特征在于，所述第二非线性晶体是LBO晶体，切割角为θ＝0°， 。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的倍频装置，其特征在于，

还包括：温控仪，用于控制所述第一非线性晶体和所述第二非线性晶体的温度。

10.根据权利要求1所述的倍频装置，其特征在于，

所述第一非线性晶体和所述第二非线性晶体的两个端面均镀有基频光和倍频光的增透膜；

所述输入耦合镜镀有基频光部分透过膜，输出耦合镜镀有基频光的高反膜和倍频光的高透膜。