CN112436372A - 一种全光光参量振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种全光光参量振荡器，属于光电集成技术领域，包括依次设置的激光模块、温控模块、若干个滤光镜以及分光镜；温控模块内设置有块体材料或波导材料；块体材料的两端设置有第一OPO腔镜M1′和第二OPO腔镜M2′，第一OPO腔镜M1′和第二OPO腔镜M2′上分别镀有OPO信号光和OPO闲频光的高反射率薄膜，以及镀有OPO泵浦光、极化基频光和极化倍频光的高透射率薄膜；波导材料的两端镀有OPO信号光和OPO闲频光的高反射率薄膜，以及镀有OPO泵浦光、极化基频光和极化倍频光的高透射率薄膜。本发明通过改变温控模块的温度可改变材料的温度，实现OPO信号光λs和OPO闲频光λi的温度调谐。
Description
技术领域
本发明属于光电集成技术领域，尤其涉及一种全光光参量振荡器。
背景技术
光参量振荡(OPO)是将输入波长为λp的激光(称为泵浦光)，通过二阶非线性光学效应，转换成两束波长不相等的信号光和闲频光，短波长的称为信号光λs，长波长的称为闲频光λi，其中，泵浦光的波长比信号光和闲频光的波长要短，如图1(a)所示。在参量振荡过程中，由于非线性介质材料色散效应的作用，不同频率的光波在介质中传播时具有不同的传播速度和折射率，这导致初相位相同而频率不同的光波在传播过程中会生成相位差。当相互作用的三个光波在介质中传播一段距离(相干长度)后，三者的相位差会超过π，此时新生成的光波将不会继续增加，而是向着反方向转化。为了增大相干长度，提高非线性频率转换效率，通常要求相互作用的光波在介质中满足相位匹配条件。
准相位匹配就是利用周期极化晶体，周期性改变晶体自发极化方向来补偿因相互作用的光波波长不同在非线性晶体中生成的相位失配，这种补偿方法使光波总沿着一个特定方向进行光参量转换，如图1(b)所示。图中，Λ为非线性晶体的极化周期，lc为反转电畴的长度。此时光参量转换过程中的相位失配量为：
式中，m为阶数，取奇数(1,3,5…)。因此，使相位失配量ΔkQPM＝0，非线性晶体的极化周期只需满足如下条件：
准相位匹配OPO的非线性晶体主要极化方法有：散片粘解法，制作微米量级的薄片，然后根据一定的方式将其粘黏到一起；生长法，通过控制晶体在生长时的温度等因素来实现片畴反转且周期重叠生长；质子交换法，质子交换过程中采用强酸作为质子源，铌酸锂中Li+会完全被溶液中H+所取代，破坏了晶体自身物理结构；若采用弱酸作为质子源，铌酸锂中的Li+只有部分会被溶液中H+所替代，保持了晶体原有的结构和性能。但是由于其扩散层较浅，所以制备出的晶体畴反转较浅，因此无法制作大尺寸的准相位匹配晶体；电子扫描法，晶体的正畴表面镀一层金膜作为接地的电极，用扫描电镜的电子束在负畴表面上扫描；扫描后的样品放到强酸里腐蚀几分钟，这种方法制得的准相位匹配晶体体积较大，但其重复率较低，很难制备光栅均匀的畴反转结构，而且成本低；高压电场极化法，在非线性晶体外部加高压电场，在晶体正畴面上金属格栅电极接地，负畴面上的金属平面电极接电源，此方法是最常用的方法。
现有技术主要是利用电极化将一些非线性材料进行周期极化，主要材料有PPLN、PPLT、PPKTA和PPRTA，然后将上述周期极化的非线性晶体放入OPO谐振腔中作为非线性介质实现准相位匹配光参量振荡。准相位匹配OPO非线性材料极化好后，不能改变极化周期。非线性材料的极化采用电的方式，不能实现“全光化”。现有电极化生成周期结构准相位匹配OPO非线性材料集成在硅光电路时面临很多限制。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种全光光参量振荡器，解决了准相位匹配OPO非线性晶体极化周期不能动态变换的问题；解决了采用激光辐照方式不能对准相位匹配OPO非线性晶体进行周期极化的问题以及解决了准相位匹配OPO非线性材料不易于集成在硅光电路中的问题。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种全光光参量振荡器，包括依次设置的激光模块、温控模块、若干个滤光镜以及分光镜；所述温控模块内设置有块体材料或波导材料；
所述块体材料的两端设置有第一OPO腔镜M1′和第二OPO腔镜M2′，所述第一OPO腔镜M1′和第二OPO腔镜M2′上分别镀有OPO信号光和OPO闲频光的高反射率薄膜，以及镀有OPO泵浦光、极化基频光和极化倍频光的高透射率薄膜；
所述波导材料的两端镀有OPO信号光和OPO闲频光的高反射率薄膜，以及镀有OPO泵浦光、极化基频光和极化倍频光的高透射率薄膜。
进一步地，所述激光模块为第一激光单元、第二激光单元、第三激光单元或第四激光单元。
再进一步地，所述第一激光单元包括第一激光器L1、第二激光器L2、第一反射镜M1″以及第二反射镜M2″；
通过所述第二激光器L2发射极化基频光，经第一反射镜M1″和第二反射镜M2″入射至块体材料，使块体材料生成二阶非线性系数，利用二阶非线性效应，生成极化倍频光，在极化基频光和极化倍频光共同作用下，使材料产生周期二阶非线性系数；通过所述第一激光器L1发射OPO泵浦光，经第二反射镜M2″入射至块体材料，并利用块体材料的非线性效应生成OPO信号光和OPO闲频光；将所述极化基频光、极化倍频光、OPO泵浦光、OPO信号光和OPO闲频光经滤光镜M1、滤光镜M2和滤光镜M3滤掉极化基频光、极化倍频光和OPO泵浦光，得到OPO闲频光和OPO信号光；利用分光镜将所述OPO闲频光和OPO信号分开；所述滤光镜M1、滤光镜M2和滤光镜M3依次设置，所述滤光镜M1设置于温控模块的后面；所述第三滤光镜M3设置于分光镜的前面。
再进一步地，所述第二激光单元包括第三激光器L3；
通过所述第三激光器L3发射极化基频光至块体材料，使块体材料生成二阶非线性系数，利用二阶非线性效应，生成极化倍频光，在极化基频光和极化倍频光共同作用下，使材料产生周期二阶非线性系数；通过所述第三激光器L3发射OPO泵浦光至块体材料，利用块体材料的非线性效应生成OPO信号光和OPO闲频光；利用滤光镜M1滤掉极化基频光和OPO泵浦光，利用滤光镜M2滤掉极化倍频光，得到OPO闲频光和OPO信号光；利用分光镜将所述OPO闲频光和OPO信号分开；所述滤光镜M1和滤光镜M2依次设置，所述滤光镜M1设置于温控模块的后面；所述滤光镜M2设置于分光镜的前面。
再进一步地，所述第三激光单元包括第四激光器L4、第五激光器L5、光纤和光耦合器；
通过所述第五激光器L5发射极化基频光，经光纤进入光耦合器，再通过光纤入射至波导材料，使波导材料生成二阶非线性系数，利用二阶非线性效应，生成极化倍频光，在极化基频光和极化倍频光共同作用下，使波导材料产生周期二阶非线性系数；通过所述第四激光器L4发射OPO泵浦光，经光纤进入光耦合器，再通过光纤入射至波导材料，利用波导材料的非线性效应生成OPO信号光和OPO闲频光；所述极化基频光、极化倍频光、OPO泵浦光、OPO信号光和OPO闲频光经滤光镜M1、滤光镜M2和滤光镜M3滤掉极化基频光、极化倍频光和OPO泵浦光，得到OPO闲频光和OPO信号光；利用分光镜将所述OPO闲频光和OPO信号分开；所述滤光镜M1、滤光镜M2和滤光镜M3依次设置，所述滤光镜M1设置于温控模块的后面；所述滤光镜M3设置于与分光镜的前面。
再进一步地，所述第四激光单元包括第六激光器L6和光纤；
通过所述第六激光器发射极化基频光，经光纤入射至波导材料，使波导材料生成二阶非线性系数，利用二阶非线性效应，生成极化倍频光，在极化基频光和极化倍频光共同作用下，使波导材料产生周期二阶非线性系数；通过所述第六激光器L6发射OPO泵浦光，经光纤入射至波导材料生成OPO信号光和OPO闲频光；利用滤光镜M1滤掉极化基频光和OPO泵浦光，利用滤光镜M2滤掉极化倍频光，得到OPO闲频光和OPO信号光；利用分光镜将所述OPO闲频光和OPO信号分开；所述滤光镜M1和滤光镜M2依次设置，所述滤光镜M1设置于温控模块的后面；所述滤光镜M2设置于分光镜的前面。
再进一步地，所述生成周期二阶非线性系数的材料和极化激光满足的条件如下：
3hνf<E≤2hνf+hνfd
其中，h表示普朗克常数，νf表示极化基频光的频率，E表示块体材料或波导材料的缺陷中心到导带的能量差，νfd表示极化倍频光的频率；
所述二阶非线性系数的周期表达式如下：
其中，Λ表示二阶非线性系数的周期，nfd表示极化倍频光的折射率，nf表示极化基频光的折射率，λf表示极化基频光的波长。
再进一步地，所述第二激光器L2、第三激光器L3、第五激光器L5和第六激光器L6发射的极化基频光的波长取值范围如下：
其中，h表示普朗克常数，E表示块体材料或波导材料的缺陷中心到导带的能量差，c表示光速，λf表示极化基频光的波长；
所述第三激光器L3和第六激光器L6发射的OPO泵浦光的波长的取值范围表达式如下：
其中，λp表示OPO泵浦光的波长。
再进一步地，所述第一激光器L1发射的OPO泵浦光的波长为块体材料的透光范围；所述第四激光器L4发射的OPO泵浦光的波长为波导材料的透光范围。
再进一步地，所述全光光参量振荡器的能量守恒和动量守恒满足条件如下：
其中，λp表示OPO泵浦光的波长，λs表示OPO信号光的波长，λi表示OPO闲频光的波长，np表示OPO泵浦光的折射率，ns表示OPO信号光的折射率，ni表示OPO闲频光的折射率。
本发明的有益效果：
(1)本发明能有效利用极化基频光波长的改变进行准相位匹配OPO非线性晶体极化周期的动态变换，利用波长在
范围内的激光辐照准相位匹配OPO材料(缺陷中心到导带的能量差为E)的方法，可动态改变OPO材料的极化周期。
(2)本发明有效地采用激光辐照的方式对准相位匹配OPO非线性晶体进行极化，当辐照激光波长在
范围内变化时，OPO材料(缺陷中心到导带的能量差为E)会产生周期极化。
(3)本发明利用光致周期结构的波导做光参量振荡器的非线性晶体，易于集成在硅光电路中。
(4)本发明通过改变温控模块的温度可改变材料的温度，实现OPO信号光λs和OPO闲频光λi的温度调谐。
附图说明
图1为背景技术中光参量振荡器结构示意图。
图2为本发明中采用块体材料作为非线性材料，极化基频光和OPO泵浦光为不同激光器产生的激光时的全光光参量振荡器结构图。
图3为本发明中采用块体材料作为非线性材料，极化基频光和OPO泵浦光为相同激光器产生的激光时全光光参量振荡器结构图。
图4为本发明中采用波导作为非线性材料，极化基频光和OPO泵浦光为不同激光器产生的激光时全光光参量振荡器结构图。
图5为本发明中采用波导作为非线性材料，极化基频光和OPO泵浦光为相同激光器产生的激光时全光光参量振荡器结构图。
图6为本实施例中材料多光子吸收示意图。
图7为本实施例中极化基频光波长λf随缺陷中心到导带的能量差E的变化图。
图8为本实施例中氮化硅波导材料极化周期Λ随极化基频光波长λf的变化图。
图9为本实施例中极化基频光波长λf为1350nm时，OPO信号光波长λs和闲频光波长λi随泵浦光波长λp的变化图。
图10为本实施例中极化基频光波长λf为1550nm时，OPO信号光波长λs和闲频光波长λi随泵浦光波长λp的变化图。
图11为本实施例中OPO泵浦光波长λp为1064nm时，OPO信号光波长λs和闲频光波长λi随极化基频光λf的变化图。
图12为本实施例中OPO泵浦光波长λp为1550nm时，OPO信号光波长λs和闲频光波长λi随极化基频光λf的变化图。
图13为本实施例OPO信号光λs和闲频光λi随OPO泵浦光λp的变化图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图2所示，本发明提供了一种全光光参量振荡器，包括激光模块、温控模块TS、若干个滤光镜以及分光镜M；所述温控模块TS内设置有块体材料B；块体材料B的两端设置有第一OPO腔镜M1′和第二OPO腔镜M2′，第一OPO腔镜M1′和第二OPO腔镜M2′上分别镀有OPO信号光和OPO闲频光的高反射率薄膜，以及镀有OPO泵浦光、极化基频光和极化倍频光的高透射率薄膜；第一激光单元包括第一激光器L1、第二激光器L2、第一反射镜M1″以及第二反射镜M2″；通过第二激光器L2发射极化基频光，经第一反射镜M1″和第二反射镜M2″入射至块体材料，使块体材料生成二阶非线性系数，利用二阶非线性效应，生成极化倍频光，在极化基频光和极化倍频光共同作用下，使材料产生周期二阶非线性系数；通过第一激光器L1发射OPO泵浦光，经第二反射镜M2″入射至块体材料，并利用块体材料的非线性效应生成OPO信号光和OPO闲频光；将所述极化基频光、极化倍频光、OPO泵浦光、OPO信号光和OPO闲频光经滤光镜M1、滤光镜M2和滤光镜M3滤掉极化基频光、极化倍频光和OPO泵浦光，得到OPO闲频光和OPO信号光；利用分光镜将所述OPO闲频光和OPO信号分开；滤光镜M1、滤光镜M2和滤光镜M3依次设置，滤光镜M1设置于温控模块TS的后面；第三滤光镜M3设置于分光镜M的前面。
本实施例中，当全光光参量振荡器采用块体材料作为非线性材料，极化基频光和OPO泵浦光为不同激光器产生的激光时，光参量振荡器装置图如图2所示。第二激光器L2发射极化基频光，通过第一反射镜M1″和第二反射镜M2″入射到块体材料B，使块体材料生成二阶非线性系数，利用二阶非线性效应，生成极化倍频光，在极化基频光和极化倍频光共同作用下，使材料产生周期二阶非线性系数。第一激光器L1发射OPO泵浦光，入射到块体材料B，产生OPO信号光和OPO闲频光。块体材料B放置于温控模块TS中。块体材料B两端有OPO第一OPO腔镜M1′和第二OPO腔镜M2′，腔镜镀有对OPO信号光和闲频光高反射率薄膜，对OPO泵浦光、极化基频光和极化倍频光的高透射率薄膜。OPO出射的激光主要有极化基频光、极化倍频光、OPO泵浦光、OPO信号光和OPO闲频光，滤光镜M1、M2、M3分别可以滤掉极化基频光、极化倍频光和OPO泵浦光，分光镜M可将OPO信号光和OPO闲频光分开。
本实施例中，第一激光器L1和第二激光器L2输出的激光可为单波长激光，也可为可调谐激光；可为脉冲激光也可为连续激光。
实施例2
如图3所示，本发明提供了一种全光光参量振荡器，包括依次设置的激光模块、温控模块TS、若干个滤光镜以及分光镜M；所述温控模块TS内设置有块体材料B；温控模块TS内设置有块体材料B；块体材料B的两端设置有第一OPO腔镜M1′和第二OPO腔镜M2′，所述第一OPO腔镜M1′和第二OPO腔镜M2′上分别镀有OPO信号光和OPO闲频光的高反射率薄膜，以及镀有OPO泵浦光、极化基频光和极化倍频光的高透射率薄膜；第二激光单元包括第三激光器L3；通过所述第三激光器L3发射极化基频光至块体材料B，使块体材料生成二阶非线性系数，利用二阶非线性效应，生成极化倍频光，在极化基频光和极化倍频光共同作用下，使材料产生周期二阶非线性系数；通过所述第三激光器L3发射OPO泵浦光至块体材料B，利用块体材料B的非线性效应生成OPO信号光和OPO闲频光；利用第一滤光镜M1滤掉极化基频光和OPO泵浦光，利用第二滤光镜M2滤掉极化倍频光，得到OPO闲频光和OPO信号光；利用分光镜将所述OPO闲频光和OPO信号分开；滤光镜M1和滤光镜M2依次设置；滤光镜M1设置于温控模块TS的后面；滤光镜M2设置于分光镜M的前面。
本实施例中，当全光光参量振荡器采用块体材料B作为非线性材料，极化基频光和OPO泵浦光为相同第三激光器L3产生的激光时，光参量振荡器装置图如图3所示。第三激光器L3发射极化基频光，入射到块体材料B，使块体材料生成二阶非线性系数，利用二阶非线性效应，生成极化倍频光，在极化基频光和极化倍频光共同作用下，使材料产生周期二阶非线性系数，同时，第三激光器L3发射的激光也作为OPO泵浦光，产生OPO信号光和闲频光。块体材料B放置于温控模块TS中。块体材料B两端有OPO第一OPO腔镜M1′和第二OPO腔镜M2′，腔镜镀有对OPO信号光和闲频光高反射率薄膜，对OPO泵浦光、极化基频光和倍频光的高透射率薄膜。OPO出射的激光主要有极化基频光、极化倍频光、OPO泵浦光、OPO信号光和OPO闲频光，其中，极化基频光和OPO泵浦光波长相同，滤光镜M1可以滤掉极化基频光和OPO泵浦光，滤光镜M2可以滤掉极化倍频光，分光镜M可将OPO信号光和闲频光分开。
本实施例中，第三激光器L3输出的激光可为单波长激光，也可为可调谐激光；可为脉冲激光也可为连续激光。
实施例3
如图4所示，本发明提供了一种全光光参量振荡器，包括依次设置的激光模块、温控模块TS、若干个滤光镜以及分光镜M；所述温控模块TS内设置有波导材料W，波导材料W的两端镀有OPO信号光和OPO闲频光的高反射率薄膜，以及镀有OPO泵浦光、极化基频光和极化倍频光的高透射率薄膜。第三激光单元包括第四激光器L4、第五激光器L5、光纤和光耦合器C；通过第五激光器L5发射极化基频光，经光纤进入光耦合器C，再通过光纤入射至波导材料W，使波导材料生成二阶非线性系数，利用二阶非线性效应，生成极化倍频光，在极化基频光和极化倍频光共同作用下，使波导材料产生周期二阶非线性系数；通过第四激光器L4发射OPO泵浦光，经光纤进入光耦合器C，再通过光纤入射至波导材料W，利用波导材料W的非线性效应生成OPO信号光和OPO闲频光；所述极化基频光、极化倍频光、OPO泵浦光、OPO信号光和OPO闲频光经滤光镜M1、滤光镜M2和滤光镜M3滤掉极化基频光、极化倍频光和OPO泵浦光，得到OPO闲频光和OPO信号光；利用分光镜将所述OPO闲频光和OPO信号分开；滤光镜M1、滤光镜M2和滤光镜M3依次设置，滤光镜M1设置于温控模块TS的后面；滤光镜M3设置于分光镜M的前面
本实施例中，第四激光器L4和第五激光器L5输出的激光可为单波长激光，也可为可调谐激光；可为脉冲激光也可为连续激光。
本实施例中，当全光光参量振荡器采用波导作为非线性材料，极化基频光和OPO泵浦光为不同激光器产生的激光时，光参量振荡器装置图如图4所示。第五激光器L5发射的极化基频光和第四激光器L4发射的OPO泵浦光通过光纤进入光耦合器C，再通过光纤入射到波导材料W，第五激光器L5发射的极化基频光，使波导材料生成二阶非线性系数，利用二阶非线性效应，生成极化倍频光，在极化基频光和极化倍频光共同作用下，使波导材料产生周期二阶非线性系数。第四激光器L4发射的OPO泵浦光利用波导材料W的非线性效应，产生OPO信号光和OPO闲频光。波导材料W放置于温控模块TS中。波导材料W两端镀有对OPO信号光和OPO闲频光高反，对OPO泵浦光、极化基频光和倍频光高透的膜。OPO出射的激光主要有极化基频光、极化倍频光、OPO泵浦光、OPO信号光和OPO闲频光，滤光镜M1、M2、M3分别可以滤掉极化基频光、极化倍频光和OPO泵浦光，分光镜M可将OPO信号光和OPO闲频光分开。
实施例4
如图5所示，本发明提供了一种全光光参量振荡器，包括依次设置的激光模块、温控模块TS、若干个滤光镜以及分光镜M；所述温控模块TS内设置有波导材料W，波导材料W的两端镀有OPO信号光和OPO闲频光的高反射率薄膜，以及镀有OPO泵浦光、极化基频光和极化倍频光的高透射率薄膜。第四激光单元包括第六激光器L6和光纤；通过第六激光器L6发射极化基频光，经光纤入射至波导材料W，使波导材料生成二阶非线性系数，利用二阶非线性效应，生成极化倍频光，在极化基频光和极化倍频光共同作用下，使波导材料产生周期二阶非线性系数；通过第六激光器发射OPO泵浦光，经光纤入射至波导材料W生成OPO信号光和OPO闲频光；利用滤光镜M1滤掉极化基频光和OPO泵浦光，利用滤光镜M2滤掉极化倍频光，得到OPO闲频光和OPO信号光；利用分光镜将OPO闲频光和OPO信号分开；滤光镜M1和滤光镜M2依次设置，滤光镜M1设置于温控模块TS的后面；所述滤光镜M2设置于分光镜M的后面。
本实施例中，当全光光参量振荡器采用波导作为非线性材料，极化基频光和OPO泵浦光为相同激光器产生的激光时，光参量振荡器装置图，如图5所示。第六激光器L6发射极化基频光，通过光纤，入射到波导材料W，使波导材料生成二阶非线性系数，利用二阶非线性效应，生成极化倍频光，在极化基频光和极化倍频光共同作用下，使波导材料产生周期二阶非线性系数，同时，第六激光器L6发射的激光也作为OPO泵浦光，产生OPO信号光和OPO闲频光。波导材料W放置于温控模块TS中。波导材料W两端镀有对OPO信号光和闲频光高反，对OPO泵浦光、极化基频光和倍频光高透的膜。OPO出射的激光主要有极化基频光、极化倍频光、OPO泵浦光、OPO信号光和OPO闲频光，其中，极化基频光和OPO泵浦光波长相同，滤光镜M1可以滤掉极化基频光和OPO泵浦光，滤光镜M2可以滤掉极化倍频光，分光镜M可将OPO信号光和OPO闲频光分开。
本实施例中，第六激光器L6输出的激光可为单波长激光，也可为可调谐激光；可为脉冲激光也可为连续激光。
本实施例中，基于上述实施例1至实施例4可以看出：与极化基频光和OPO泵浦光为不同激光器产生的装置相比，极化基频光和OPO泵浦光为相同激光器产生的装置更为简单，但OPO的信号光和闲频光可变范围更小。
本实施例中，基于上述实施例1至实施例4，OPO所使用非线性材料不论是块体材料B还是波导材料W，在强激光辐照下，会产生二阶非线性。材料内部具有一定缺陷结构时，这些缺陷结构在强激光的辐照下会产生多光子吸收现象，从而形成相干光电流效应。光电流在光电导的作用下又会进一步形成一个长期在介质中稳定存在的内建电场，从而形成空间周期性，缺陷中心到导带的能量差不同，形成空间周期结构所需的输入激光能量就不同。当两个极化基频光和一个极化倍频光光子能量之和大于缺陷中心到导带的能量差E，且三个极化基频光能量之和小于缺陷中心到导带的能量差E，即满足式(1)时，材料就可以形成周期二阶非线性系数，可用于准相位匹配，如图6所示。
3hνf<E≤2hνf+hνfd(1)
其中，h表示普朗克常数，νf表示极化基频光的频率，E表示块体材料或波导材料的缺陷中心到导带的能量差，νfd表示极化倍频光的频率。
通过式(1)可知，第二激光器L2，第三激光器L3，第五激光器L5和第六激光器L6发射的极化基频光λf取值范围如式(2)所示：
其中，h表示普朗克常数，E表示块体材料或波导材料的缺陷中心到导带的能量差，c表示光速，λf表示极化基频光的波长。图7为极化基频光波长λf随缺陷中心到导带的能量差E变化图，实线为极化基频光波长λf的上限，虚线为下限。从图中可以看出，随着缺陷中心到导带的能量差E从2.9eV增大到5.3eV，极化基频光λf的上限从1.714μm减小到0.938μm，极化基频光λf的下限从1.285μm减小到0.703μm。
周期二阶非线性系数的周期表达式如下：
其中，Λ表示周期二阶非线性系数的周期，nfd表示极化倍频光的折射率，nf表示极化基频光的折射率，以氮化硅波导为例，材料极化周期Λ随极化基频光波长λf的变化，如图8所示，随着极化基频光波长λf由1.25μm增大到1.55μm，材料极化周期Λ由17.6μm增大到26.16μm。
本实施例中，基于上述实施例1至实施例4，全光光参量振荡器的能量守恒和动量守恒满足条件如下：
其中，λp表示OPO泵浦光的波长，λs表示OPO信号光的波长，λi表示OPO闲频光的波长，np表示OPO泵浦光的折射率，ns表示OPO信号光的折射率，ni表示OPO闲频光的折射率，结合公式(3)、(4)和(5)即可计算得到OPO信号光波长λs和OPO闲频光波长λi。
本实施例中，基于上述实施例1至实施例4，对于极化基频光和OPO泵浦光为不同激光器产生的装置，OPO泵浦光的波长λp可为整个材料透光范围的波长：所述第一激光器L1发射的OPO泵浦光的波长为块体材料的透光范围；所述第四激光器L4发射的OPO泵浦光的波长为波导材料的透光范围。对于极化基频光和OPO泵浦光为相同激光器产生的装置，OPO泵浦光的波长λp的取值范围和式(2)极化基频光的波长λf的取值范围一致，即：第三激光器L3和第六激光器L6发射的OPO泵浦光的波长的表达式如下：
本实施例中，基于上述实施例1至实施例4，对于极化基频光和OPO泵浦光为不同激光器产生的装置，当极化基频光波长λf固定时，OPO信号光波长λs和OPO闲频光波长λi可随OPO泵浦光波长λp变化而变化。以氮化硅波导为例，对于极化基频光和OPO泵浦光为不同激光器产生的装置，当极化基频光波长λf为1350nm时，OPO信号光波长λs和OPO闲频光波长λi随泵浦光波长λp的变化如图9所示，当极化基频光波长λf为1350nm时，OPO泵浦光波长λp由0.8μm增大到1.8μm时，OPO信号光波长λs由0.94μm增大到2.57μm，OPO闲频光波长λi由5.359增大到6.141μm再减小到5.985μm。当极化基频光波长λf为1550nm时，OPO信号光波长λs和OPO闲频光波长λi随泵浦光波长λp的变化如图10所示，OPO泵浦光波长λp由0.8μm增大到1.8μm时，OPO信号光波长λs由1.08μm增大到3.39μm，OPO闲频光波长λi由3.057μm增大到4.566μm再减小到3.829μm。
本实施例中，基于上述实施例1至实施例4，对于极化基频光和OPO泵浦光为不同激光器产生的装置，当OPO泵浦光固定时，随着极化基频光波长λf变换，材料极化周期会变化，进而使OPO信号光波长λs和OPO闲频光波长λi产生变化。以氮化硅波导为例，对于极化基频光和OPO泵浦光为不同激光器产生的装置，当OPO泵浦光一定时，随着极化基频光波长λf变换，材料极化周期会变化，进而使OPO信号光波长λs和OPO闲频光波长λi产生变化。当OPO泵浦光波长λp为1064nm时，OPO信号光波长λs和OPO闲频光波长λi随极化基频光波长λf的变化如图11所示，极化基频光波长λf由1.25μm变化到1.55μm时，OPO信号光波长λs由1.251μm变化到1.406μm，OPO闲频光波长λi由7.114μm变化到4.372μm，当OPO泵浦光波长λp为1550nm时，OPO信号光波长λs和OPO闲频光波长λi随极化基频光波长λf的变化如图12所示，极化基频光波长λf由1.25μm变化到1.55μm时，OPO信号光波长λs由1.973μm变化到2.374μm，OPO闲频光波长λi由7.226μm变化到4.464μm。
本实施例中，基于上述实施例1至实施例4，对于极化基频光和OPO泵浦光为相同激光器产生的装置，极化基频光和OPO泵浦光波长相同，取值范围一致。OPO信号光波长λs和OPO闲频光波长λi会随泵浦光波长λp的变化而变化。以氮化硅波导为例，对于极化基频光和OPO泵浦光为相同激光器产生的装置，极化基频光和OPO泵浦光波长相同，取值范围一致。OPO信号光波长λs和OPO闲频光波长λi随泵浦光波长λp的变化如图13所示，OPO泵浦光波长λp由1.25μm变化到1.55μm时，OPO信号光波长λs由1.51μm变化到2.37μm，OPO闲频光波长λi由7.213μm变化到4.465μm。
本发明通过以上设计，通过改变温控模块的温度可改变材料的温度，实现OPO信号光λs和OPO闲频光λi的温度调谐。
Claims (10)
1.一种全光光参量振荡器，其特征在于，包括依次设置的激光模块、温控模块、若干个滤光镜以及分光镜；所述温控模块内设置有块体材料或波导材料；
所述块体材料的两端设置有第一OPO腔镜M1′和第二OPO腔镜M2′，所述第一OPO腔镜M1′和第二OPO腔镜M2′上分别镀有OPO信号光和OPO闲频光的高反射率薄膜，以及镀有OPO泵浦光、极化基频光和极化倍频光的高透射率薄膜；
所述波导材料的两端镀有OPO信号光和OPO闲频光的高反射率薄膜，以及镀有OPO泵浦光、极化基频光和极化倍频光的高透射率薄膜。
2.根据权利要求1所述的全光光参量振荡器，其特征在于，所述激光模块为第一激光单元、第二激光单元、第三激光单元或第四激光单元。
3.根据权利要求2所述的全光光参量振荡器，其特征在于，所述第一激光单元包括第一激光器L1、第二激光器L2、第一反射镜M1″以及第二反射镜M2″；
通过所述第二激光器L2发射极化基频光，经第一反射镜M1″和第二反射镜M2″入射至块体材料，使块体材料生成二阶非线性系数，利用二阶非线性效应，生成极化倍频光，在极化基频光和极化倍频光共同作用下，使材料产生周期二阶非线性系数；通过所述第一激光器L1发射OPO泵浦光，经第二反射镜M2″入射至块体材料，并利用块体材料的非线性效应生成OPO信号光和OPO闲频光；将所述极化基频光、极化倍频光、OPO泵浦光、OPO信号光和OPO闲频光经滤光镜M1、滤光镜M2和滤光镜M3滤掉极化基频光、极化倍频光和OPO泵浦光，得到OPO闲频光和OPO信号光；利用分光镜将所述OPO闲频光和OPO信号分开；所述滤光镜M1、滤光镜M2和滤光镜M3依次设置，所述滤光镜M1设置于温控模块的后面；所述第三滤光镜M3设置于分光镜的前面。
4.根据权利要求2所述的全光光参量振荡器，其特征在于，所述第二激光单元包括第三激光器L3；
通过所述第三激光器L3发射极化基频光至块体材料，使块体材料生成二阶非线性系数，利用二阶非线性效应，生成极化倍频光，在极化基频光和极化倍频光共同作用下，使材料产生周期二阶非线性系数；通过所述第三激光器L3发射OPO泵浦光至块体材料，利用块体材料的非线性效应生成OPO信号光和OPO闲频光；利用滤光镜M1滤掉极化基频光和OPO泵浦光，利用滤光镜M2滤掉极化倍频光，得到OPO闲频光和OPO信号光；利用分光镜将所述OPO闲频光和OPO信号分开；所述滤光镜M1和滤光镜M2依次设置，所述滤光镜M1设置于温控模块的后面；所述滤光镜M2设置于分光镜的前面。
5.根据权利要求2所述的全光光参量振荡器，其特征在于，所述第三激光单元包括第四激光器L4、第五激光器L5、光纤和光耦合器；
通过所述第五激光器L5发射极化基频光，经光纤进入光耦合器，再通过光纤入射至波导材料，使波导材料生成二阶非线性系数，利用二阶非线性效应，生成极化倍频光，在极化基频光和极化倍频光共同作用下，使波导材料产生周期二阶非线性系数；通过所述第四激光器L4发射OPO泵浦光，经光纤进入光耦合器，再通过光纤入射至波导材料，利用波导材料的非线性效应生成OPO信号光和OPO闲频光；所述极化基频光、极化倍频光、OPO泵浦光、OPO信号光和OPO闲频光经滤光镜M1、滤光镜M2和滤光镜M3滤掉极化基频光、极化倍频光和OPO泵浦光，得到OPO闲频光和OPO信号光；利用分光镜将所述OPO闲频光和OPO信号分开；所述滤光镜M1、滤光镜M2和滤光镜M3依次设置，所述滤光镜M1设置于温控模块的后面；所述滤光镜M3设置于与分光镜的前面。
6.根据权利要求2所述的全光光参量振荡器，其特征在于，所述第四激光单元包括第六激光器L6和光纤；
通过所述第六激光器发射极化基频光，经光纤入射至波导材料，使波导材料生成二阶非线性系数，利用二阶非线性效应，生成极化倍频光，在极化基频光和极化倍频光共同作用下，使波导材料产生周期二阶非线性系数；通过所述第六激光器L6发射OPO泵浦光，经光纤入射至波导材料生成OPO信号光和OPO闲频光；利用滤光镜M1滤掉极化基频光和OPO泵浦光，利用滤光镜M2滤掉极化倍频光，得到OPO闲频光和OPO信号光；利用分光镜将所述OPO闲频光和OPO信号分开；所述滤光镜M1和滤光镜M2依次设置，所述滤光镜M1设置于温控模块的后面；所述滤光镜M2设置于分光镜的前面。
7.根据权利要求3-6任一所述的全光光参量振荡器，其特征在于，所述生成周期二阶非线性系数的材料和极化激光满足的条件如下：
3hνf<E≤2hνf+hνfd
其中，h表示普朗克常数，νf表示极化基频光的频率，E表示块体材料或波导材料的缺陷中心到导带的能量差，νfd表示极化倍频光的频率；
所述二阶非线性系数的周期表达式如下：
其中，Λ表示二阶非线性系数的周期，nfd表示极化倍频光的折射率，nf表示极化基频光的折射率，λf表示极化基频光的波长。
8.根据权利要求7所述的全光光参量振荡器，其特征在于，所述第二激光器L2、第三激光器L3、第五激光器L5和第六激光器L6发射的极化基频光的波长取值范围如下：
其中，h表示普朗克常数，E表示块体材料或波导材料的缺陷中心到导带的能量差，c表示光速，λf表示极化基频光的波长；
所述第三激光器L3和第六激光器L6发射的OPO泵浦光的波长的取值范围表达式如下：
其中，λp表示OPO泵浦光的波长。
9.根据权利要求8所述的全光光参量振荡器，其特征在于，所述第一激光器L1发射的OPO泵浦光的波长为块体材料的透光范围；所述第四激光器L4发射的OPO泵浦光的波长为波导材料的透光范围。
10.根据权利要求9所述的全光光参量振荡器，其特征在于，所述全光光参量振荡器的能量守恒和动量守恒满足条件如下：
其中，λp表示OPO泵浦光的波长，λs表示OPO信号光的波长，λi表示OPO闲频光的波长，np表示OPO泵浦光的折射率，ns表示OPO信号光的折射率，ni表示OPO闲频光的折射率。
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