CN108281883B - 一种可调谐激光频率扩展的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种可调谐激光频率扩展的方法，包括如下步骤：步骤101：产生某一波长λ的基频光，并将所述基频光以一角度θ₁入射至倍频晶体进行倍频，所述倍频为I类相位匹配，其相位匹配条件。步骤102：从所述倍频晶体出射的基频光和倍频光以一角度入射至佩林布洛卡棱镜长直角边。步骤103：所述基频光和倍频光在所述佩林布洛卡棱镜内发生折射，分别沿不同方向从所述佩林布洛卡棱镜射出，所述倍频光从所述佩林布洛卡棱镜射出后沿与原入射方向垂直的方向射出。步骤104：所述倍频光从所述佩林布洛卡棱镜射出后入射至一45°全反射镜，所述全反射镜使所述倍频光沿原基频光方向输出。通过采用佩林布洛卡棱镜可有效的对倍频光与基频光进行分离。

Description

一种可调谐激光频率扩展的方法

技术领域

本发明涉及激光倍频领域，具体涉及一种可调谐激光频率扩展的方法。

背景技术

可调谐激光是指激光的输出频率在一定的范围内连续可变，广泛用于信息处理、光谱学及光谱诊断等领域。对于液体染料激光器，波长输出一般在550nm-700nm之间，可调谐波长范围不是很理想，在应用的过程中会受到一定的限制，因此，要对激光输出波长进行扩展，增加激光器波长的调谐范围。

为了扩展可调谐激光器的波长输出范围，我们采用倍频晶体对基频光倍频的方法。常见的倍频晶体有LBO,ADP等。当激光在通过倍频晶体时，晶体内部发生极化，极化的电偶极子产生受迫振动，会向外辐射光场，即倍频光。由于基频光不能完全实现倍频，在通过倍频晶体后会出现基频光与倍频光的混合光，为了得到倍频光，就要把基频光与倍频光分离。

虽然使用传统的三棱镜可以把不同波长的光波分离，但损耗较大。采用佩林布洛卡棱镜虽然在满足入射光与出射光夹角90°时，单次损耗较小，但为了保持出射光线传播方向不变，通常需要4块佩林布洛卡棱镜。因此光线要经过八次反射。即使每次反射损耗很小，经过八次反射后损耗将变得很大，会严重影响输出光强，不能获得理想的高效率的倍频光的分离。因此，开发一种能够有效分离倍频光与基频光的方法就变得十分紧迫。

发明内容

本发明专例提供了一种可调谐激光频率扩展的方法，以解决现有倍频光与基频光不能高效分离的技术问题。

本发明实施例提供的一种可调谐激光频率扩展的方法，包括如下步骤：

步骤101：产生某一波长λ的基频光，并将所述基频光以一角度θ₁入射至倍频晶体进行倍频，满足如下相位匹配条件：

并满足Sellmeier方程：

以及波法线方程：

通过式子(1)，(2)，(3)和(4)可以得到不同波长下倍频效率最高时的相位匹配角θ₁为：

其中，n_e(θ₁)表示e光沿θ₁方向的折射率，n_o表示o光折射率，ω表示入射基频光频率，λ表示入射基频光波长，θ₁表示基频光入射角，n_o(λ/2)表示λ/2波长o光折射率，n_e(λ/2)表示λ/2波长e光折射率；

步骤102：从所述倍频晶体出射的基频光和倍频光以一角度入射至佩林布洛卡棱镜长直角边，所述基频光和倍频光在所述佩林布洛卡棱镜内发生折射，满足式(6)，所述基频光和倍频光分别沿不同方向从所述佩林布洛卡棱镜射出，所述倍频光从所述佩林布洛卡棱镜射出后与原入射方向夹角满足式(7)：

其中，为入射光在佩林布洛卡棱镜的入射角，θ为入射光在佩林布洛卡棱镜的折射角，φ表示从所述佩林布洛卡棱镜出射倍频光与入射倍频光夹角，为佩林布洛卡棱镜底角，n(λ)表示波长为λ的光波在佩林布洛卡棱镜中传播的折射率；

步骤103：使所述佩林布洛卡棱镜出射倍频光与入射倍频光夹角φ等于90°，即可得出不同波长下入射角的值；

步骤104：所述倍频光从所述佩林布洛卡棱镜射出后入射至一45°全反射镜，所述全反射镜使所述倍频光沿原基频光方向输出。

进一步的，所述步骤103中，使所述佩林布洛卡棱镜出射倍频光与入射倍频光夹角φ等于90°具体包括：

通过菲涅尔公式我们可以得到输出光的S分量和P分量的透过率分别满足：

S光透过率：

P光透过率：

对上述S光透过率、P光透过率求最大值，可以获得φ等于90°。

进一步的，所述步骤101中，所述倍频晶体安装于第一电机转盘，通过计算机控制所述第一电机转盘旋转所述倍频晶体，使其满足最佳相位匹配角θ₁入射角度。

进一步的，所述步骤102中，所述佩林布洛卡棱镜安装于第二电机转盘，通过计算机控制所述第二电机转盘旋转所述佩林布洛卡棱镜，使其满足入射角度。

另外，本发明实施例提供一种可调谐激光频率扩展的方法，包括如下步骤：

Step1：将BBO倍频晶体固定到第一电机转盘上；

Step2：通过计算机自动控制，缓慢转动所述第一电机转盘，使基频光沿着所述BBO倍频晶体相位匹配角入射，此时倍频效率达到最大，记录不同波长对应的第一电机转盘转动角度θ₁；

Step3：将佩林布洛卡棱镜固定到第二电机转盘上，并使倍频光从所述佩林布洛卡棱镜长直角边入射；

Step4:通过计算机自动控制，缓慢转动所述第二电机转盘，使倍频光经过所述佩林布洛卡棱镜后出射光与入射光成90°的夹角，记录对于不同波长基频光对应的第二电机转盘转动角度

Step5：放入45°全反镜，调整所述全反镜角度，使其只对所述倍频光有反射作用，并使所述倍频光经过反射后能沿初始基频光的方向传播；

Step6：将上面得到的不同波长基频光对应的第一电机转盘转动角度θ₁与第二电机转盘转动角度制成二维表格。

Step7：确定基频光波长，计算机基于该二维表格自动设置好对应波长的第一电机转盘和第二电机转盘的转角，自动获得输出预期波长。

本发明提供一种可调谐激光频率扩展的方法，通过采用佩林布洛卡棱镜可有效的对倍频光与基频光进行分离，分离过程中，通过有效的理论计算以及实验模拟，获得了最高的倍频效率及分离效率，并保证输出光的方向不变，较好的满足了实际的需求。本发明不仅实现了激光输出波长从400nm-800nm扩展到了200nm-400nm，而且在不考虑宽带全反射镜反射损失时，倍频能量只损失了1％左右，使输出光强较大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例所述方法的光路结构示意图；

图2是本发明实施例所述方法的倍频原理示意图；

图3是本发明实施例所述方法的佩林布洛卡棱镜结构示意图；

图4是本发明实施例所述方法的入射光和出射光夹角与激光透过率的关系图；

图5是本发明实施例不倍频时激光波长的调谐范围；

图6是本发明实施例倍频后激光波长的调谐范围。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

应当理解，尽管在本申请实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述XXX，但这些XXX不应限于这些术语。这些术语仅用来将XXX区分开。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一XXX也可以被称为第二XXX，类似地，第二XXX也可以被称为第一XXX。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。在激光雷达回波信号图像的信号提取中，通过引入特征值的计算，将条纹信号图中的信号部分边缘加宽，同时将噪声部分更加凸显，然后通过设置门宽和增加阈值，从而将噪声去除，并将信号边缘完整地保留下来，无论是微弱的信号连接区还是信号中间部位的断裂区，都能够完整地保存下来。同时，条纹回波信号以灰度图的形式呈现，在目标的边缘以及噪声区域具有非常明显的不平滑度，在计算特征值时在边缘区域就会发生不同程度的畸变，依据这一点，可以通过引入特征值的计算使目标边缘增强，使噪点和信号的区别更加明显，并能够使信号的边缘扩大，这样在提取信号的过程中不仅能够将噪声更加彻底地去除，同时能够将信号中心和信号的边缘细节部分完好地保留下来，从而实现对回波信号高效完整的提取。

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例1

如图1所示，本发明实施方式提供一种可调谐激光频率扩展的方法，包括如下步骤：

步骤101：产生某一波长λ的基频光，并将所述基频光以一角度θ₁入射至倍频晶体进行倍频，所述倍频为I类相位匹配，

本发明实施方式中倍频晶体采用的是BBO晶体，BBO晶体为负单轴晶体。光波波失在单轴晶体介电主轴上的投影及o光e光的偏振方向如图2所示。

本发明实施方式中倍频晶体切割角经过优化，接近于零度，且倍频晶体很薄，色散很小，可以认为经过倍频晶体的基频光与倍频光传播方向保持不变。光线到达佩林布洛卡棱镜时，在佩林布洛卡棱镜处的入射角与波长的关系不能解析求解，需要在不同波长下对入射角进行标定。光路图如图1所示。

本发明实施方式中可调谐染料激光器的输出主要在可见光波段，在此波段内，BBO晶体的I类相位匹配的有效非线性系数远高于II类相位匹配的有效非线性系数，所以倍频过程为I类相位匹配，其相位匹配条件：

其中，表示基频光对o光折射率，表示倍频光沿θ₁方向对e光折射率；

并满足Sellmeier方程：

以及波法线方程：

其中，表示e光折射率的平方,表示e光沿θ₁方向的折射率的平方；

通过式子(1)，(2)，(3)和(4)可以得到不同波长下倍频效率最高时的相位匹配角θ₁为：

步骤102：从所述倍频晶体出射的基频光和倍频光以一角度入射至佩林布洛卡棱镜长直角边；

通过倍频晶体BBO得到了频率为ω₃的倍频光，但基频光与倍频光混在一起，要使用佩林布洛卡棱镜将基频光与倍频光分开，在使用佩林布洛卡棱镜时要尽量减少由于反射带来的损耗，佩林布洛卡棱镜内的光路图如图3所示。

对于波长为λ的光波，在佩林布洛卡棱镜中传播的折射率为n(λ)，当入射角为时：

可以推出入射光与出射光的光束夹角：

通过菲涅尔公式我们可以得到激光的S分量和P分量的透过率S光透过率：

P光透过率：

其中，P¹ _s代表S光透过率，P_s表示S光的透过率归一化因子，P¹ _p代表P光透过率，P_p表示P光的透过率归一化因子；

通过入射光和出射光与透过率关系曲线可以知道S光和P光都是在入射光和出射光夹角为90°时透过率最高。在透过率最高时，通过式(5)和(6)可以知道入射角与波长的对应关系，由于入射光和出射光的夹角为90°，为了使光的传播方向保持不变，要使用45°全反射镜。全反射镜镀针对倍频波段45°入射高反，基频波段高透膜。

如图4所示，实际实验中得到了S光和P光的透过率和入射光和出射光的夹角的曲线如图4所示。

从图中可以看出S光和P光都是在入射光和出射光夹角为90°时透过率最高，而p光在90°时的透过率远高于S光，达到95％以上。在应用过程中为了增加透过光强应增加倍频光中P光的比例。

步骤103：所述基频光和倍频光在所述佩林布洛卡棱镜内发生折射，分别沿不同方向从所述佩林布洛卡棱镜射出，所述倍频光从所述佩林布洛卡棱镜射出后沿与原入射方向垂直的方向射出；

步骤104：所述倍频光从所述佩林布洛卡棱镜射出后入射至一45°全反射镜，所述全反射镜使所述倍频光沿原基频光方向输出。

采用佩林布洛卡棱镜与宽带45°全反射镜相结合的方式，使激光在经过佩林布洛卡棱镜后，经过45°宽带全反射镜的反射后，不仅能够保持激光的传播方向不变，而且具有一些优势。一方面由于只采用了一个佩林布洛卡棱镜，仪器结构简单，便于调节；另一方面透过倍频晶体的光只经过了两个面的反射，反射损耗大大减小。

如图1所示，优选的，所述步骤101中，所述倍频晶体安装于第一电机转盘，通过计算机控制所述第一电机转盘旋转所述倍频晶体，使其满足最佳相位匹配角θ₁入射角度。

如图1所示，优选的，所述步骤102中，所述佩林布洛卡棱镜安装于第二电机转盘，通过计算机控制所述第二电机转盘旋转所述佩林布洛卡棱镜，使其满足入射角度。

实施例2

在另外的实施方式中，本发明还提供一种可调谐激光频率扩展的方法，包括如下步骤：

Step1：将BBO倍频晶体固定到第一电机转盘上；

Step2：通过计算机自动控制，缓慢转动所述第一电机转盘，使基频光沿着所述BBO倍频晶体相位匹配角入射，此时倍频效率达到最大，记录不同波长对应的第一电机转盘转动角度θ₁；

Step3：将佩林布洛卡棱镜固定到第二电机转盘上，并使倍频光从所述佩林布洛卡棱镜长直角边入射；

Step4:通过计算机自动控制，缓慢转动所述第二电机转盘，使倍频光经过所述佩林布洛卡棱镜后出射光与入射光成90°的夹角，记录对于不同波长基频光对应的第二电机转盘转动角度

Step5：放入45°全反镜，调整所述全反镜角度，使其只对所述倍频光有反射作用，并使所述倍频光经过反射后能沿初始基频光的方向传播；

Step6：将上面得到的不同波长基频光对应的第一电机转盘转动角度θ₁与第二电机转盘转动角度制成二维表格，方便日后使用。

Step7：确定基频光波长，计算机基于该二维表格自动设置好对应波长的第一电机转盘和第二电机转盘的转角，自动获得输出预期波长。

通过实验分别得到了倍频前后激光器的输出波长的可调谐范围，倍频前后波长的调谐范围如图5、图6所示。

该方案不仅实现了激光输出波长从400nm-800nm扩展到了200nm-400nm，而且在不考虑宽带全反射镜反射损失时，倍频能量只损失了1％左右，使输出光强较大。

本发明提供一种可调谐激光频率扩展的方法，通过采用佩林布洛卡棱镜可有效的对倍频光与基频光进行分离，分离过程中，通过有效的理论计算以及实验模拟，获得了最高的倍频效率及分离效率，并保证输出光的方向不变，较好的满足了实际的需求。本发明不仅实现了激光输出波长从400nm-800nm扩展到了200nm-400nm，而且在不考虑宽带全反射镜反射损失时，倍频能量只损失了1％左右，使输出光强较大。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种可调谐激光频率扩展的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤101：产生某一波长λ的基频光，并将所述基频光以一角度θ₁入射至倍频晶体进行倍频，满足如下相位匹配条件：

其中，表示基频光对o光折射率，表示倍频光沿θ₁方向对e光折射率；

并满足Sellmeier方程：

以及波法线方程：

其中，表示e光折射率的平方,表示e光沿θ₁方向的折射率的平方；

通过式子(1)，(2)，(3)和(4)可以得到不同波长下倍频效率最高时的相位匹配角θ₁为：

其中，n_e(θ₁)表示e光沿θ₁方向的折射率，n_o表示o光折射率，ω表示入射基频光频率，λ表示入射基频光波长，θ₁表示基频光入射角，n_o(λ/2)表示λ/2波长o光折射率，n_e(λ/2)表示λ/2波长e光折射率；

步骤102：从所述倍频晶体出射的基频光和倍频光以一角度入射至佩林布洛卡棱镜长直角边，所述基频光和倍频光在所述佩林布洛卡棱镜内发生折射，满足式(6)，所述基频光和倍频光分别沿不同方向从所述佩林布洛卡棱镜射出，所述倍频光从所述佩林布洛卡棱镜射出后与原入射方向夹角满足式(7)：

其中，为入射光在佩林布洛卡棱镜的入射角，θ为入射光在佩林布洛卡棱镜的折射角，φ表示从所述佩林布洛卡棱镜出射倍频光与入射倍频光夹角，为佩林布洛卡棱镜底角，n(λ)表示波长为λ的光波在佩林布洛卡棱镜中传播的折射率；

步骤103：使所述佩林布洛卡棱镜出射倍频光与入射倍频光夹角φ等于90°，即可得出不同波长下入射角的值；

步骤104：所述倍频光从所述佩林布洛卡棱镜射出后入射至一45°全反射镜，所述全反射镜使所述倍频光沿原基频光方向输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤103中，使所述佩林布洛卡棱镜出射倍频光与入射倍频光夹角φ等于90°具体包括：

通过菲涅尔公式我们可以得到输出光的S分量和P分量的透过率分别满足：

S光透过率：

P光透过率：

其中，P¹ _s代表S光透过率，P_s表示S光的透过率归一化因子，P¹ _p代表P光透过率，P_p表示P光的透过率归一化因子；

对上述S光透过率、P光透过率求最大值，可以获得φ等于90°。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤101中，所述倍频晶体安装于第一电机转盘，通过计算机控制所述第一电机转盘旋转所述倍频晶体，使其满足最佳相位匹配角θ₁入射角度。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤102中，所述佩林布洛卡棱镜安装于第二电机转盘，通过计算机控制所述第二电机转盘旋转所述佩林布洛卡棱镜，使其满足入射角度。

5.一种可调谐激光频率扩展的方法，其特征在于包括如下步骤：

Step1：将BBO倍频晶体固定到第一电机转盘上；

Step2：通过计算机自动控制，缓慢转动所述第一电机转盘，使基频光沿着所述BBO倍频晶体相位匹配角入射，此时倍频效率达到最大，记录不同波长对应的第一电机转盘转动角度θ₁；

Step3：将佩林布洛卡棱镜固定到第二电机转盘上，并使倍频光从所述佩林布洛卡棱镜长直角边入射；

Step4:通过计算机自动控制，缓慢转动所述第二电机转盘，使倍频光经过所述佩林布洛卡棱镜后出射光与入射光成90°的夹角，记录对于不同波长基频光对应的第二电机转盘转动角度

Step5：放入45°全反镜，调整所述全反镜角度，使其只对所述倍频光有反射作用，并使所述倍频光经过反射后能沿初始基频光的方向传播；

Step6：将上面得到的不同波长基频光对应的第一电机转盘转动角度θ₁与第二电机转盘转动角度制成二维表格；

Step7：确定基频光波长，计算机基于该二维表格自动设置好对应波长的第一电机转盘和第二电机转盘的转角，自动获得输出预期波长。