CN1134090C - 以超晶格为变频晶体的全固态红、蓝双色激光器 - Google Patents

Abstract

以超晶格为变频晶体的全固态红、蓝双色激光器，以一块周期光学超晶格组成的腔外红蓝两色转换的激光器，由一半导体激光器为泵浦光源，以掺Nd：YVO₄晶体(3)的前表面镀膜和腔镜(5)一起构成1.342μm激光的谐振腔；再以一块周期为14.778μm LiTaO₃超晶格(8)置于泵浦光路的控温炉(9)中。红、绿、蓝是三种基本颜色，红、绿、蓝激光器在高亮度激光显示，彩色打印等光电子产业中具有重要的应用前景。

Description

以超晶格为变频晶体的全固态红、蓝双色激光器

一、发明领域

本发明涉及一种用超晶格来进行倍频和三倍频是实现短波长激光输出的装置。尤其是以钽酸锂等超晶格为变频晶体的全固态红、蓝双色激光器。

二、背景技术

超晶格来进行倍频和三倍频是实现短波长激光输出的重要手段，一向为人们所重视。利用二阶非线性效应实现三倍频必须包含倍频和和频两个参量过程，在此之前相关的研究工作有：

祝世宁等人1997年在Science上发表了用准周期Fibonacci光学超晶格(QPOS)实现绿光三倍频的文章，利用准周期Fibonacci序列的LiTaO₃超晶格的两个倒格矢分别补偿了1570nm基波在倍频和和频两个参量过程中的位相失配，产生了有效的523nm三倍频绿光。该超晶格的基本参数是正畴l＝10.7μm，两个结构单元A＝24μm，B＝17.5μm。样品总长度为gmm，厚度为0.5mm。1570nm红外光单次通过产生的绿光功率达6mW，转换效率为23％。

刘照伟等人在2000年6月的ISFD-6会议上发表了名为“双周期LT晶体对1.064μm激光三倍频产生紫外激光”的文章，报导了用双周期结构实现对1.064μm的基波光的直接三倍频，两个周期分别为l＝6.77μm，L＝51.08μm，设计的匹配温度为40℃。倍频、三倍频的最高转换效率分别为33％和0.54％。

M.Pierrou等人在1999年的Opt.Lett上发表了“用一阶准位相匹配的KTP晶体通过腔内倍频产生740mW输出的蓝光”的文章。所用的KTP晶体周期为6.09μm，获得的蓝光波长为473nm，转换效率为5.7％。

在第一篇文章中，使用的是标准的Fibonacci准周期光学超晶格实现523nm的三倍频绿光直接输出；第二篇文章使用双周期超晶格实现了355nm的三倍频紫外光的直接输出；第三篇文章使用一块周期超晶格实现倍频的蓝光输出。以上方案均不涉及到利用周期超晶格来同时实现1.342μm的倍频和直接三倍频。

三、发明内容

本发明的目的是：利用周期超晶格来同时实现1.342μm激光的倍频和直接三倍频输出，利用掺Nd晶体如Nd:YVO4优异的激光晶体的性质，并根据设计出具有特定周期的LiTaO₃铁电畴超晶格，该超晶格能对Nd:YVO4晶体的1.342μm发射同时实现高效的倍频和三倍频，从而出构造能实现红、蓝双色激光输出的小型全固态激光器。

本发明目的是以下述方式实现的：以钽酸锂等材料的超晶格为变频晶体的全固态红、蓝双色激光器，其特征是以一块周期光学超晶格组成的腔外红蓝两色转换的激光器，由一半导体激光器为泵浦光源，以掺Nd:YVO₄晶体(3)的前表面镀膜和腔镜(5)一起构成1.342μm激光的谐振腔；再以一块周期为14.778μmLiTaO₃超晶格(8)置于泵浦光路的控温炉(9)中，基波激光的波长为1.342μm。本发明可选用不同掺Nd激光晶体，采用⁴F_3/2-＞⁴I_13/2的激发谱线，根据不同晶体所对应的发射波长，设计不同周期的LiTaO₃超晶格。

1.Nd:YVO₄晶体波长为1.342μm的发射正好位于此范围以内，对应的匹配温度为74.1℃，对应的周期为14.778μm。又由以上分析可知，1.342μm附近几纳米的波长均可以用周期的LiTaO₃超晶格进行倍频和三倍频(附图)，由于在不同晶体中Nd离子对应的⁴F_3/2-＞⁴I_13/2发射谱线相对于1.342μm有少量位移，这意味其他掺Nd的激光晶体也可以用这种周期LiTaO₃超晶格产生倍频红光和三倍频蓝光Nd:YVO₄只是对应的基波波长、相匹配温度和超晶格周期略有差异。此设计方案也适用于其它的非线性晶体，如LiNbO₃。

2.本发明适用于光学超晶格对所有含Nd离子的激光晶体所对应的⁴F_3/2-＞⁴I_13/2发射进行倍频和三倍频，同时获得红、蓝二束激光。如Nd:YAG晶体和Nd:YAP晶体，它们对应的该谱线的发射波长分别为1.325μm和1.341μm，它们分别可用这种超晶格材料获得663nm的红光与442nm的蓝光和671nm的红光与447nm的蓝光。

除了周期超晶格，本发明也包含所有其他准周期、双周期和其他系列非周期光学超晶格对上述激光进行倍频和三倍频，同时获得红、蓝二束激光。如可采用LiNbO₃晶体，利用准周期超晶格，同样也可对Nd的这一谱线实现倍频与三倍频。对应于Nd:YVO₃晶体，该准周期的结构参数为D＝15.329μm，D_A＝16.300μm，D_B＝12.493μm，正畴宽度Lc＝6.2μm与投影角有关的参数τ＝0.17395，相匹配温度为120℃。对准周期参数的选择条件是使其倒空间中倒格矢满足耦合光参量过程中准位相匹配条件：且为二组元周期结构，二组元准周期结构是由A、B两个基元按准周期序列排列构成，该序列可以用投影的方法得到。即在一个二维正方点阵中做一条斜率为tanθ的直线，投影区域宽度为sinθ+cosθ。区域内的格点向直线投影点就构成了一个投影角为θ的二组元准周期序列。本发明所述的准周期介电体超晶格材料即是以上述设置方法制备的具有微结构的材料，以LT和LN晶格材料为典型。例如参见本申请人的0019006.7和0019007.5周期和准周期结构的介电体超晶格材料的设置和制备方法。

3.除了LiTaO₃晶体，本发明也包含LiNbO₃，KTP、RTP等其他非线性光学晶体的光学超晶格，根据这些晶体的折射率色散关系都可以针对上述的激光晶体所对应的激光波长设计出特定结构和结构参数的光学超晶格实现激光的倍频和三倍频，同时获得红、蓝二束激光。

周期光学超晶格通常只用于倍频、和频或差频等单个参量过程的频率转换。周期超晶格的倒格矢可以表示为 $G=m\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}},$ 其中Λ为周期，m为整数，即所有的倒格矢都是第一阶倒格矢的整数倍。一般在单一频率基波入射情况下，周期结构的倒格矢中只有一个倒格矢能补偿单个参量过程的位相失配。在材料正常色散区域，每种晶体只可能在某一特点波长附近十几纳米的狭窄区间利用两个不同的倒格矢分别补偿基波的倍频和基波与二次谐波的和频两个参量过程的位相失配，使得这两个参量过程相互耦合，直接实现三倍频，并同时获得部分剩余倍频光的输出。

该结构的设计思路如下：

周期结构正负电畴的宽度比取1∶1，因偶数阶的倒格矢消光，只取奇数阶的倒格矢。倍频的位相失配比和频的小，为了利用最大的有效非线性系数，用周期结构的一阶倒格矢补偿倍频的位相失配，即 $\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(2n_2-{2n}_1)-\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}=0---\left(1\right)$

λ为基波波长，Λ为周期。n₁和n₂分别为基波光和倍频光的折射率。补偿和频位相失配的倒格矢取三阶，即 $\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(3n_3-{2n}_2-n_1)-3\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}=0---\left(2\right)$

由方程(1)和(2)得

3(2n₂-2n₁)＝3n₃-2n₂-n₁                          …………(3)

我们用如下的色散公式来计算折射率 ${n_e}^2(\mathrm{\λ},T)=A+\frac{B+b\left(T\right)}{{\mathrm{\λ}}^2-[C+c\left(T\right){]}^2}+\frac{E}{{\mathrm{\λ}}^2-F^2}+{\mathrm{D\λ}}^2$

其中的参数为：

A＝4.5284，                            B＝7.2449×10^-3，

C＝0.2453，                            D＝-2.3670×10^-2，

E＝7.7690×10^-2，                     F＝0.1838，

b(T)＝2.6794×10^-8(T+273.15)²，

c(T)＝1.6234×10^-8(T+273.15)².

上述方程中存在两个未知参数λ和T，λ为基波光的波长，T为温度。因为在实用中匹配温度在0℃到150℃之间较容易实现，根据(1)、(2)、(3)式算得的对应基波光波长为1.336μm到1.349μm(如图2所示)。Nd:YVO₄晶体波长为1.342μm的发射正好位于此范围以内，对应的匹配温度为74.1℃，对应的周期为14.778μm。又由以上分析可知，1.342μm附近几纳米的波长均可以用周期的LiTaO₃超晶格进行倍频和三倍频，由于在不同晶体中Nd离子对应的⁴F_3/2-＞⁴I_13/2发射谱线相对于1.342μm有少量位移，这意味其他掺Nd的激光晶体也可以用这种周期LiTaO₃超晶格产生倍频红光和三倍频蓝光，只是对应的基波波长、相匹配温度和超晶格周期略有差异。此设计方案也适用于其它的非线性晶体，如LiNbO₃。只是由于对应的折射率公式不同，能满足位相匹配条件的波长范围也不同。

本发明的优越性：

1.红、绿、蓝是三种基本颜色，红、绿、蓝激光器在高亮度激光显示，彩色打印等光电子产业中具有重要的应用前景。目前在三色激光器中仅有绿光激光器技术较为成熟，并已形成商品，而红、蓝激光器都还是处于技术探索阶段。本发明从一台激光器能产生红、蓝二色激光，因而具有极高的应用价值。

2.采用其他结构的光学超晶格也可1.342μm附近的激光倍频和直接三倍频，实现红光和蓝光的同时输出。本发明采用周期结构的光学超晶格，其优越性首先在于周期结构的有效非线性系数高于其它准周期、双周期、非周期等复杂结构，因此更容易获得较高的倍频、三倍频输出。

3.简单的周期结构在设计以及制版、光刻和极化制备工序上比复杂结构方便且易于控制。

4.Nd:YVO₄晶体具有吸收系数大，吸收带宽，发射载面大，输出为线偏振等优点，该晶体中对应于1.342μm发射的Nd离子⁴F_3/2-＞⁴I_13/2能级跃迁具有较强的相对强度，因而可以在较低的阈值条件下获得较高功率的该波长的激光输出。LiTaO₃晶体适用的1.342μm的激光，是Nd:YVO₄晶体的四能级结构，吸收截面较大，光-光转换效率较高，因而容易产生较高的基波输出，也容易获得较高的倍频、三倍频输出。

四、附图说明

下面结合附图及具体的实验例对本发明做进一步的详细说明：

图1为使用本发明同时输出准连续红光和蓝光的激光器的示意图。

图2为周期钽酸锂超晶格蓝光三倍频相匹配关系图，且周期为14.778μm的LiTaO₃的超晶格产生倍频红光和三倍频蓝光的基波波长所对应的相匹配温度，横座标，纵座标分别是相匹配温度波长和所对应的周期。

图3为使用本发明同时输出准连续红光和蓝光的激光器的一种镀膜设计的结构示意图。

如图1如下：

(1)-半导体激光器(LD)，波长为809nm；

(2)-聚焦系统，一般为透镜组；

(3)-Nd:YVO₄晶体，产生1.342μm激光的激光介质；

(4)-调Q装置(如声光装置)；

(5)-1342nm激光的输出镜(如T＝8％)；

(6)-会聚透镜(如f＝25mm)；

(7)-控温炉，用来调谐温度；

(8)-周期超晶格晶体，产生倍频红光，三倍频蓝光；

(9)-输出红蓝双色激光；

(10)-多层膜1342nm的增透膜，671nm的高反膜；

(11)-多层膜，671nm的高反膜，447nm的高透膜

五、具体实施方式

实施例1

按照图1制作一台用一块周期光学超晶格组成的腔外红蓝两色转换的激光器(这一过程已经在实验上实现)。LD的型号为OPC-DO15-809，输出的波长为809nm，最大输出功率为15W，Nd:YVO₄晶体(3)的前表面镀膜，和腔镜(5)一起构成1.342μm激光的谐振腔。经声光开关，在腔镜(5)后能产生平均功率约为500mW的准连续1.342μm的激光，重复频率为10KHz，脉宽约30ns。一块制备好的周期为14.778μm LiTaO₃超晶格(8)(长度为1.8cm)置于控温炉(7)中。调节控温炉的温度，在相匹配温度，红光和蓝光输出达到最大，其转换效率分别为41.9％，10.3％。

实施例2

按照图2制作一台用周期超晶格组成的红蓝光激光器。与实施例1不同的是，在超晶格的前后两个面分别镀上多层膜。前表面镀1.342μm的增透膜，671nm的高反膜；后表面镀671nm的高反膜，447nm的高透膜。这样在超晶格内部使倍频所得671nm红光产生谐振，使其强度增加，这能增加三倍频蓝光的转换效率。同时，改变后表面对671nm的透过率，可以改变红光蓝光输出的比例。

Claims (3)

1、以超晶格为变频晶体的全固态红、蓝双色激光器，其特征是以一块周期光学超晶格组成的腔外红蓝两色转换的激光器，由一半导体激光器为泵浦光源，以掺Nd:YVO₄前表面镀膜的晶体(3)和腔镜(5)一起构成1.342μm激光的谐振腔；再以一块周期为14.778μm LiTaO₃超晶格(8)置于泵浦光路的控温炉(7)中。

2、由权利要求1所述的以超晶格为变频晶体的全固态红、蓝双色激光器，其特征是以周期、准周期、非周期或串联周期结构，包括钽酸锂、铌酸锂或KTP超晶格材料为变频晶体，以Nd:YAG，Nd:YAP掺Nd晶体为激光介质，以Nd离子⁴F_3/2-＞⁴I_13/2跃迁所激发的在1.3μm--1.4μm之间的波长为基波，通过准位相匹配方式实现蓝光三倍频的所有半导体激光器泵浦的全固态蓝光激光器。

3、由权利要求1所述的以超晶格为变频晶体的全固态红、蓝双色激光器，其特征是所述光学超晶格晶体为以Nd离子⁴F_3/2-＞⁴I_13/2跃迁所激发的在1.3μm-1.4μm之间的波长为基波，通过准位相匹配方式实现蓝光三倍频的所有半导体激光器泵浦的全固态蓝光激光器。

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