CN114185223A

CN114185223A - 一种参量光的产生方法及应用

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Publication number: CN114185223A
Application number: CN202010964346.9A
Authority: CN
Inventors: 王正平; 赵学志; 于法鹏; 孙洵; 许心光
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2020-09-15
Filing date: 2020-09-15
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2040-09-15
Also published as: WO2022056698A1; US11762261B2; US20210389644A1; JP2023526164A; KR20220163959A; CN114185223B; EP3968086A1

Abstract

本发明涉及一种参量光的产生方法及应用，属于激光与非线性光学领域。方法包括：提供非线性光学材料，非线性光学材料满足和频相位匹配条件，即同时满足ω_p+ω_i＝ω_s的能量守恒条件和n_pω_p+n_iω_i＝n_sω_s的动量守恒条件；将波长为λ_p的激光作为泵浦光，入射到所述非线性光学材料中，该材料将输出波长为λ_s的信号光，即为可调谐和频参量光。本发明以光学和频为基本原理，实现的是频率上转换，便于利用简单的红外光源获得可见及紫外光源，具有生产成本低、体积小、结构简单紧凑、调整方便、性能稳定、可调谐波段宽等优势，可广泛应用于激光加工、精密测量、激光显示、信息存储、医疗、生物、军事、科研等领域。

Description

一种参量光的产生方法及应用

技术领域

本发明涉及一种参量光的产生方法及应用，属于激光与非线性光学领域。

背景技术

目前，激光已经被应用到人类社会的各个领域。为了满足不同需要，人们经常使用非线性光学变频技术来获得各种激光波长。20世纪60年代，就在倍频现象发现不久，人们就开发出相位匹配技术，截至目前它已经发展成为最有效、最重要的非线性光学变频方法。整体上，相位匹配技术可以分为两大类：和频与差频。倍频和级联三倍频是代表性的和频。在人们以往的观念中，凡是相位匹配的光参量变频过程都属于差频，如光参量产生，光参量振荡，光参量放大。

对于体块晶体的双折射相位匹配与周期结构晶体的准相位匹配，其能量转换关系是ω_p＝ω_s+ω_i(即ω_s＝ω_p-ω_i)，ω_s表示信号光，ω_p表示泵浦光，ω_i表示闲频光，属于二阶非线性光学效应，与二阶电极化率χ⁽²⁾有关。对于光纤的简并四波混频，其能量转换关系是2ω_p＝ω_s+ω_i(即ω_s＝2ω_p-ω_i)，属于三阶非线性光学效应，与三阶电极化率χ⁽³⁾有关。不管上述哪种光参量过程，如果从信号光ω_s的角度来看，都是通过泵浦光ω_p与闲频光ω_i的差频产生的，因此其基本原理都是光学差频。

基于光学差频原理，目前已有诸多专利文件报道参量光方面的技术，如：专利文件EP3273550A1公开了光参量波形合成器及光波形合成方法；专利文件RU2688860C1公开了参量光发生器；专利文件US20120134377A1公开了偏振纠缠光子对产生器及其产生方法；US6940639B1公开了单片集成子带间光学器件中的相位匹配参量光产生；专利文件DE60000851T2公开了二极管激光器与参量光产生；专利文件RU2099839C1公开了参量辐射产生装置。

专利文件CN109739061A公开了基于耦合波导实现非线性频率变换的波导芯片，该器件的理论核心是三波和四波非线性差频过程，需要加工出多个波导区域，利用外加电场调整相位，通过改变波导间距实现输出光的调谐，当泵浦光波长为1550nm，波导间距从400nm变化到900nm时，能实现纠缠光子波长从1200nm到2300nm的调谐。专利文件CN101895053A公开了一种级联光参量转化系统及光参量转化方法，系统包括级联的KTP晶体和KTA晶体，KTP晶体用于对泵浦源产生的泵浦光进行二类相位匹配参量转化过程；KTA晶体用于对KTP晶体的输出进行非临界相位匹配或90°的临界相位匹配参量转化过程，该方法利用KTP晶体对泵浦源产生的泵浦光进行二类相位匹配参量转化过程，利用KTA晶体对KTP晶体的输出进行非临界相位匹配或90°的临界相位匹配参量转化过程。

上述现有技术中，都是基于差频：当非线性光学介质为晶体时，信号光的频率等于泵浦光与闲频光的频率之差；当非线性光学介质为波导、光纤时，信号光的频率等于泵浦光频率的2倍与闲频光的频率之差，变频范围受限于ω_s<2ω_p。目前，通过和频过程，尤其是三波或更多波的非线性和频得到参量光的技术，未见报道；为此，提出本发明。

发明内容

针对现有技术的不足，尤其是现有技术中所有相位匹配光参量变频都局限于差频，导致对于晶体只能向长波方向进行可调谐光参量变频，无法向短波方向进行可调谐光参量变频(ω_s<ω_p)，对于波导、光纤只能在泵浦光附近有限的频率范围内进行变频(ω_s<2ω_p)，并且信号光的调谐依赖于泵浦光的调谐，本发明提供一种参量光的产生方法及应用，通过和频的方式产生参量光。利用此方法，可以方便地实现频率上转换激光输出，相应的基本物理机理为ω_s＝ω_p+ω_i，具有短波方向变频(ω_s>ω_p)、频移量大(ω_s可以大于2ω_p，甚至3ω_p)、泵浦光无需调谐等优点。

术语解释：

1.GdCOB:硼酸氧钙钆晶体的简称，分子式为GdCa₄O(BO₃)₃。

2.YCOB:硼酸氧钙钇晶体的简称，分子式为YCa₄O(BO₃)₃。

3.KDP:磷酸二氢钾晶体的简称，分子式为KH₂PO₄。

4.BBO:β相偏硼酸钡晶体的简称，分子式为β-BaB₂O₄。

5.(θ,φ):极坐标表示的空间方向，其中θ为该方向与晶体光学主轴Z的夹角，φ为方位角，是该方向在晶体XY主平面内的投影与X轴的夹角。

本发明参量光的产生机理如下：

对于本发明所描述的光参量产生过程，其能量转移机制如附图1所示。其中图1(A)为单光子吸收、弛豫以及和频的级联跃迁过程，属于χ⁽¹⁾+χ⁽²⁾效应，会释放频率为ω_p<ω_s≤2ω_p范围内的信号光，本发明称之为A类和频光参量过程。图1(B)为双光子吸收、弛豫以及和频的级联跃迁过程，属于χ⁽³⁾+χ⁽²⁾效应，将产生频率为2ω_p<ω_s≤3ω_p范围内的信号光，本发明称之为B类和频光参量过程。图1(C)为三光子吸收、弛豫以及和频的级联跃迁过程，属于χ⁽⁵⁾+χ⁽²⁾效应，将产生频率为3ω_p<ω_s≤4ω_p范围内的信号光，本发明称之为C类和频光参量过程。图1(D)为三光子吸收、弛豫以及和频的另一种级联跃迁过程，与前三种效应不同的是，这里泵浦光的光子不直接参与最后的和频过程，而是先弛豫成ω_i1、ω_i2两种闲置光的光子，然后再和频生成信号光光子ω_s，2ω_p<ω_s<3ω_p，属于χ⁽³⁾+χ⁽¹⁾+χ⁽²⁾效应，本发明称之为D类和频光参量过程。从信号光产生的角度来看，上述光参量产生过程都是和频过程(ω_s＝ω_p+ω_i或者ω_s＝ω_i1+ω_i2)，这与之前的差频光参量产生效应有本质区别。总之，通过二阶非线性光学效应与光子吸收、弛豫效应的结合，可以获得有效的、宽带可调谐的和频参量光。凡是利用上述机理或类似机理通过和频产生参量光的方法以及相关应用都在本发明保护范围之内，无论几个泵浦光光子参与，无论泵浦光光子是直接参与还是间接参与。

本发明的技术方案如下：

一种参量光的产生方法，包括：

提供非线性光学材料，所述非线性光学材料满足和频相位匹配条件，即同时满足ω_p+ω_i＝ω_s(也就是1/λ_p+1/λ_i＝1/λ_s)的能量守恒条件和n_pω_p+n_iω_i＝n_sω_s的动量守恒条件；s表示信号光，p表示泵浦光，i表示闲频光；

将波长为λ_p的激光作为泵浦光，入射到所述非线性光学材料中，该材料将输出波长为λ_s的信号光，即为可调谐和频参量光。

根据本发明，优选的，通过调整非线性光学材料的空间方向、温度、电压或微结构参数，可以连续改变和频相位匹配条件，从而使λ_s连续变化，输出可调谐和频参量光。

根据本发明，优选的，波长为λ_i、λ_s的光波依靠参量散射或参量荧光由非线性光学材料自发产生和放大。波长为λ_i、λ_s的光波不从外界输入，本发明称这种方案为“和频光参量产生”。

根据本发明，优选的，波长为λ_i、λ_s的光波依靠参量散射或参量荧光由非线性光学材料自发产生和放大，在非线性光学材料两端加入腔镜形成谐振腔，使信号光通过多次往返获得更大增益，输出显著增强。波长为λ_i、λ_s的光波不从外界输入，本发明称这种方案为“和频光参量振荡”。

根据本发明，优选的，在输入端提供较低能量的信号光λ_s，λ_p与λ_s在满足和频相位匹配条件的情况下相互作用，以消耗泵浦光为代价使信号光在输出端显著增强。本发明称这种方案为“和频光参量放大”。

根据本发明，优选的，所述非线性光学材料为具有单一结构的体块晶体，可实现准相位匹配的具有周期性结构的晶体，普通光纤，或者光子晶体光纤。

进一步优选的，所述的体块单晶为GdCOB、YCOB、KDP或BBO。在这些材料中加入稀土离子，可以使其特征波段的荧光发射增强，结合相位匹配理论将信号光λ_s或闲频光λ_i设计到这些波段内，可以降低和频光参量效应的泵浦阈值，增强信号光输出功率、输出能量，提高转换效率。

根据本发明，优选的，以脉冲激光(如飞秒量级的超快激光)作为泵浦光；进一步优选的，用聚焦或者缩束的方式对泵浦光进行空间整形，以增加泵浦光功率密度，提高信号光输出能量和转换效率。

根据本发明，对于“和频光参量产生”与“和频光参量放大”两种方案，优选脉冲激光(如脉冲宽度1ps以下的超快激光)作为泵浦源，并用聚焦或者缩束的方式对泵浦光进行空间整形，以增加泵浦光功率密度，提高信号光输出能量和转换效率。对于“和频光参量振荡”方案，谐振腔的存在使系统对于入射泵浦光功率密度的要求大大降低，泵浦源既可以是脉冲运转的，也可以是连续运转的。与“和频光参量产生”、“和频光参量放大”两种方案相同，在“和频光参量振荡”方案中，也可以通过聚焦或者缩束的方式提升泵浦光功率密度。

根据本发明，优选的，以1540nm的飞秒激光为泵浦光：当非线性光学材料为(θ＝146°,φ＝0°)切向的GdCOB晶体时，转动晶体来调节和频相位匹配条件，可以获得485-770nm的可见波段可调谐激光输出；当非线性光学材料为(θ＝140°,φ＝0°)切向的YCOB晶体时，转动晶体来调节和频相位匹配条件，可以获得450-770nm的可见波段可调谐激光输出。

根据本发明，优选的，以1056nm的飞秒激光为泵浦光，当非线性光学材料为(θ＝149°,φ＝0°)切向的YCOB晶体时，转动晶体来调节和频相位匹配条件，可以获得425-528nm的可见波段可调谐激光输出。

根据本发明，优选的，以1056nm的飞秒激光为泵浦光，当非线性光学材料为(θ＝41°,φ＝45°)切向的KDP晶体时，转动晶体来调节和频相位匹配条件，可以获得390-670nm的可见波段可调谐激光输出。

根据本发明，优选的，以1053nm的飞秒激光为泵浦光，当非线性光学材料为(θ＝23°,φ＝30°)切向的β-BBO晶体时，转动晶体来调节和频相位匹配条件，可以获得185-526.5nm的可见波段可调谐激光输出。

根据本发明，还提供参量光产生方法的如下应用：

光刻机(193nm)、医学诊断和照射治疗(325nm)的和频参量光产生；

紫外差分吸收激光雷达的双波长和频参量光产生；

一氧化碳中毒血红蛋白检测的双波长和频参量光产生；

治疗难治性鲜红斑痣的双波长和频参量光产生；

输出白光的和频参量光产生。

根据本发明，还提供参量光的产生装置，包括沿光路依次设置的泵浦光光源和非线性光学介质，所述非线性光学材料满足和频相位匹配条件，即同时满足ω_p+ω_i＝ω_s(也就是1/λ_p+1/λ_i＝1/λ_s)的能量守恒条件和n_pω_p+n_iω_i＝n_sω_s的动量守恒条件；s表示信号光，p表示泵浦光，i表示闲频光。

根据本发明，优选的，泵浦光光源和非线性光学介质之间还设置有聚焦透镜。

根据本发明，优选的，沿光路在非线性光学介质后面还设置有滤色片。

根据本发明，优选的，沿光路在聚焦透镜和非线性光学介质之间设置有光参量振荡输入镜，在非线性光学介质后面设置有光参量振荡输出镜。

根据本发明，优选的，还包括信号光光源，信号光反射镜，泵浦光、信号光合束镜，使得信号光光源产生的信号光通过信号光反射镜的反射，泵浦光、信号光合束镜的合束与泵浦光光源产生的泵浦光一同进入聚焦透镜。

根据本发明，优选的，沿光路在非线性光学介质之后还设置有非线性光学第二介质，泵浦光光源和非线性光学介质之间设置有缩束系统前镜和缩束系统后镜，在非线性光学第二介质后面设置有滤色片。

本发明的理论核心是和频，即信号光的频率等于泵浦光与闲频光的频率之和，因此可以实现频率上转换，最终输出的信号光的频率高于泵浦光，波长小于泵浦光。和频产生装置结构简单，操作便利，调控更加灵活，并且可以调谐到离泵浦光更远的波段，例如：当泵浦光波长为1550nm，能够实现400-700nm的可见波段调谐输出。

本发明的有益效果如下：

1、本发明提供了一种以光学和频为基本原理的参量光产生方法及应用，弥补了以往光参量技术只能差频的重大缺陷，从此使用单一波长泵浦光不仅能够向长波方向进行可调谐光参量变频，还能够向短波方向进行可调谐光参量变频，从而真正成为一种方便灵活，无光谱限制，接近完美的理想变频方式。

2、本发明在产生可调谐深紫外激光方面具有特别显著的优势，以往的技术通常是将多个二阶非线性光学过程串联，包括前端的倍频、三倍频，中端的差频光参量，以及后端的倍频、和频等，需要四、五块非线性光学介质。而采用本发明，如图2所示的装置只需一块非线性光学介质即可完成，因此价格优势明显，并且结构简单、调整方便、尺寸小、可靠性高，具有很高的商业价值。

3、本发明开辟了相位匹配光参量变频技术的新领域，在工业生产、通讯信息、生物医疗、环境检测、国防军事、科学研究等方面具有重要应用前景。

附图说明

图1为本发明和频参量光的产生机理图。其中，A为单光子吸收、弛豫以及和频的级联跃迁过程；B为双光子吸收、弛豫以及和频的级联跃迁过程；C为三光子吸收、弛豫以及和频的级联跃迁过程；D为三光子吸收、弛豫以及和频的另一种级联跃迁过程。

图2为本发明实施例1、3、4、5、6、7所述的“和频光参量产生”方案装置示意图。

图3为本发明“和频光参量振荡”方案装置示意图。

图4为本发明“和频光参量放大”方案装置示意图。

图5为本发明实施例1所述的1540nm泵浦的、GdCOB晶体的“和频光参量产生”方案获得的光谱图。

图6为本发明实施例1所述的1540nm泵浦的、GdCOB晶体的“和频光参量产生”方案获得的理论与实验数据。

图7为本发明实施例2所述的1540nm泵浦的、GdCOB晶体的“和频光参量产生”方案装置示意图。

图8为本发明实施例2所述的1540nm泵浦的、GdCOB晶体的“和频光参量产生”方案获得的光谱图。

图9为本发明实施例1、实施例2所述的1540nm泵浦的、GdCOB晶体的“和频光参量产生”方案获得的光斑对比图。

图10为本发明实施例3所述的1540nm泵浦的、YCOB晶体的“和频光参量产生”方案获得的光谱图。

图11为本发明实施例3所述的1540nm泵浦的、YCOB晶体的“和频光参量产生”方案获得的理论与实验数据。

图12为本发明实施例4所述的1056nm泵浦的、YCOB晶体的“和频光参量产生”方案获得的光谱图。

图13为本发明实施例4所述的1056nm泵浦的、YCOB晶体的“和频光参量产生”方案获得的理论与实验数据。

图14为本发明实施例5所述的1056nm泵浦的、KDP晶体的“和频光参量产生”方案获得的光谱图。

图15为本发明实施例5所述的1056nm泵浦的、KDP晶体的“和频光参量产生”方案获得的理论与实验数据。

图16为本发明实施例8、9、10所述的能够输出双波长信号光的“和频光参量产生”方案装置示意图。

其中，1.泵浦光光源，2.波长为λ_p的泵浦光，3.聚焦透镜，4.非线性光学介质，5.滤色片，6.波长为λ_s的信号光，7.光参量振荡输入镜，8.光参量振荡输出镜，9.信号光光源，10.信号光反射镜，11.泵浦光、信号光合束镜，12.缩束系统前镜，13.缩束系统后镜，14.非线性光学第一介质，15.非线性光学第二介质。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

本发明的参量光的产生方法，包括：提供非线性光学材料，所述使非线性光学材料满足和频相位匹配条件，即同时满足ω_p+ω_i＝ω_s(也就是1/λ_p+1/λ_i＝1/λ_s)的能量守恒条件和n_pω_p+n_iω_i＝n_sω_s的动量守恒条件。将波长为λ_p的激光作为泵浦光，入射到非线性光学材料中，该材料将输出波长为λ_s的信号光。通过调整非线性光学材料的空间方向、温度、电压、微结构等参数，可以连续改变和频相位匹配条件，从而使λ_s连续变化，输出可调谐和频参量光。在此基础上，针对不同需求可以选择不同技术路线，对应的装置也不相同。

(1)如附图2所示，沿光路设置，泵浦光光源1提供波长为λ_p的泵浦光，聚焦透镜3起聚焦作用，用以提高波长为λ_p的泵浦光2的功率密度。对于非线性光学介质4，仅有泵浦光从外界输入，波长为λ_i、λ_s的光波依靠参量散射或参量荧光由非线性光学介质自发产生和放大，在非线性光学介质4输出端用滤色片5滤除剩余泵浦光λ_p及闲置光λ_i，得到纯净的波长为λ_s的信号光6。本发明将这种方案命名为“和频光参量产生”。

(2)如附图3所示，沿光路设置，泵浦光光源1提供波长为λ_p的泵浦光，聚焦透镜3起聚焦作用，用以提高波长为λ_p的泵浦光2的功率密度。对于非线性光学介质4，仅有泵浦光从外界输入，波长为λ_i、λ_s的光波依靠参量散射或参量荧光由非线性光学介质自发产生和放大。在非线性光学介质两端加腔镜形成谐振腔，使信号光通过多次往返获得更大增益，输出显著增强。其中光参量振荡输入镜7对泵浦光高透，在信号光波段高反，光参量振荡输出镜8对泵浦光高反，在信号光波段部分透过，输出波长为λ_s的信号光6。本发明将这种方案命名为“和频光参量振荡”。

(3)如附图4所示，沿光路设置，泵浦光光源1提供高强度的、波长为λ_p的泵浦光2，信号光光源9提供低强度的、波长为λ_s的信号光6，经过信号光反射镜10，泵浦光、信号光合束镜11之后与波长为λ_p的泵浦光2合束(信号光反射镜10对信号光高反，泵浦光、信号光合束镜11对信号光高反、对泵浦光高透)。合束光被聚焦透镜3聚焦到非线性光学介质4内，λ_p与λ_s在满足和频相位匹配条件的情况下相互作用，以消耗泵浦光为代价使信号光在输出端显著增强，用滤色片5滤除剩余泵浦光λ_p及新产生的闲置光λ_i，得到大能量的、纯净的波长为λ_s的信号光6。如果信号光光源9的波长可调谐，那么对应其输出波长调整非线性光学介质4的和频相位匹配条件，在输出端可以获得大能量的、波长可调谐的信号光。本发明将这种方案命名为“和频光参量放大”。

在上述三种方案中，可以用两个焦距不同的凸透镜组成光学缩束系统，代替聚焦透镜3，可以提高输出光的光束质量，减小发散度。

以上列举了三种具有代表性的技术方案，由此可以制作出低成本、小型化、宽波段可调谐、精确可靠、简便有效的频率上转换激光装置，所产生的信号光可以满足多个领域对于可调谐激光的需求。凡是利用本发明描述的和频光参量产生机理，由上述方案衍生出来的和频参量光产生方法以及相关应用都在本发明保护范围之内。

实施例1

一种1540nm泵浦的、GdCOB晶体作为非线性光学介质的“和频光参量产生”方案。其机理如附图1中的B、C所示。装置如附图2所示，各部件沿光路设置。其中泵浦光光源1为超快激光器，波长1540nm，脉宽160fs，重频100kHz，聚焦透镜3的焦距为200mm，非线性光学介质4为GdCOB晶体，尺寸为6×6×10mm³，切向为(θ＝146°,φ＝0°)，滤色片5对于1540nm高反，300-800nm高透。该方案的测试效果如附图5、附图6所示。

附图5为转动GdCOB晶体时，在不同位置获得的信号光光谱：其中A图为泵浦光光谱(λ_p＝1540nm)，B图为晶体正入射时实现的倍频输出的光谱(λ_s＝770nm)。通过转动GdCOB晶体，可以连续改变泵浦光在晶体内的光路，从而满足不同的和频相位匹配条件，进而使信号光波长λ_s连续变化，输出可调谐的和频参量光。通过折射定律，可以由晶体的外部转角计算出晶体内光的传播方向，图C到图H为几个代表性方向上得到的信号光光谱，分别对应θ＝149.4°、151.1°、153.3°、156.0°、157.8°、161.5°，这里φ恒为0°，即保持晶体在其XZ主平面内转动。测试结果显示，利用该装置可以产生485-770nm的和频参量光。

附图6中，A为针对实施例1通过计算得到的和频相位匹配曲线(1/λ_p+1/λ_i＝1/λ_s，λ_p＝1540nm，λ_s为底部横坐标，对应的λ_i为顶部横坐标。纵坐标为相位匹配角θ)，以及相应的实验点，由图A可知理论结果与实测值符合得很好，从而证实了这一效应为和频过程。此外，还发现泵浦光偏振与信号光偏振互相垂直，从而证实了这种相位匹配为I类。图B为有效非线性光学系数d_eff随信号光波长λ_s的变化关系，由图B可知d_eff随λ_s的增加而增大，这一计算规律与图C得到的实验规律相符，即随着λ_s的增加信号光输出功率与转换效率增大，同时泵浦阈值降低。图D为λ_s＝622nm时，信号光输出功率随泵浦光功率的变化关系：泵浦阈值为86mW，对应的泵浦功率密度为826MW/cm²，在124mW的泵浦功率下，信号光输出为3.7mW，光学转换效率为3.0％。在不改变泵浦光光源与非线性光学介质的条件下，如果使用图3所示的“和频光参量振荡”方案，能够降低泵浦阈值，使输出功率和转换效率进一步提高。

实施例2

一种1540nm泵浦的、GdCOB晶体作为非线性光学介质的“和频光参量产生”方案。其机理如附图1中的B、C所示。装置如附图7所示，各部件沿光路设置。与附图2的差异在于使用了两个焦距不同的凸透镜组成光学缩束系统，代替聚焦透镜3。由缩束系统前镜12、缩束系统后镜13组成的泵浦光缩束系统，替代附图2中的聚焦透镜3，因此晶体的入射泵浦光束具有更好的平行度。

其中泵浦光光源1为超快激光器，波长1540nm，脉宽160fs，重频100kHz。缩束系统前镜12、缩束系统后镜13的焦距分别为300mm、100mm，因此缩束比为3：1。非线性光学介质4为GdCOB晶体，尺寸为6×6×10mm³，切向为(θ＝146°,φ＝0°)，滤色片5对于1540nm高反，300-800nm高透。

该方案的测试效果如附图8所示，即转动GdCOB晶体时，在不同位置获得的信号光光谱。通过转动GdCOB晶体，可以连续改变泵浦光在晶体内的光路，从而满足不同的和频相位匹配条件，进而使信号光波长λ_s连续变化，输出可调谐的和频参量光。测试结果显示，利用该装置可以产生490-770nm的和频参量光。由于此次实验中，所使用晶体样品的两端面平行度较好，在未镀膜的条件下形成部分谐振腔，有利于在其正切方向(即1540nm倍频方向)上输出倍频光，因此在各个光谱中都或多或少地检测到波长为770nm的倍频信号。如果不需要倍频光，可以通过降低晶体端面的平行度、两端面镀基频增透膜、输出端镀倍频高反膜等技术手段来消除可调谐输出中的倍频信号。

附图9为附图2装置与附图7装置获得的光斑图，其中A图为附图2装置获得的信号光光斑(λ_s＝497nm)，B图为附图7装置获得的信号光光斑(λ_s＝490nm)，由比较可知泵浦光缩束方案更有利于获得具有较高光束质量的光斑。

实施例3

一种1540nm泵浦的、YCOB晶体作为非线性光学介质的“和频光参量产生”方案。其机理如附图1中的B所示。装置如附图2所示，各部件沿光路设置。其中泵浦光光源1为超快激光器，波长1056nm，脉宽160fs，重频100kHz，透镜3的焦距为200mm，非线性光学介质4为YCOB晶体，尺寸为4×4×10mm³，切向为(θ＝149°,φ＝0°)，滤色片5对于1064nm高反，300-800nm高透。该方案的测试效果如附图10、附图11所示。

附图10为转动YCOB晶体时，在不同位置获得的信号光光谱：其中A图为泵浦光光谱(λ_p＝1540nm)，B图为晶体正入射时实现的倍频输出的光谱(λ_s＝770nm)。通过转动YCOB晶体，可以连续改变泵浦光在晶体内的光路，从而满足不同的和频相位匹配条件，进而使信号光波长λ_s连续变化，输出可调谐的和频参量光。通过折射定律，可以由晶体的外部转角计算出晶体内光的传播方向，图C到图F为几个代表性方向上得到的信号光光谱，分别对应θ＝142.8°、144.6°、147.0°、149.8°，这里φ恒为0°，即保持晶体在其XZ主平面内转动。测试结果显示，利用该装置可以产生450-770nm的和频参量光。

附图11为针对实施例3通过计算得到的和频相位匹配曲线(1/λ_p+1/λ_i＝1/λ_s，λ_p＝1540nm，λ_s为底部横坐标，对应的λ_i为顶部横坐标。纵坐标为相位匹配角θ)，以及相应的实验点。由图11可知理论结果与实测值符合得很好，从而证实了这一效应为和频过程。此外，还发现泵浦光偏振与信号光偏振互相垂直，从而证实了这种相位匹配为I类。在不改变泵浦源与非线性光学介质的条件下，如果使用附图3所示的“和频光参量振荡”方案，能够降低泵浦阈值，使输出功率和转换效率进一步提高。

实施例4

一种1056nm泵浦的、YCOB晶体作为非线性光学介质的“和频光参量产生”方案。其机理如附图1中的B、C所示。装置与附图2类似，各部件沿光路设置。其中泵浦光光源1为超快激光器，波长1540nm，脉宽160fs，重频100kHz，聚焦透镜3的焦距为200mm，非线性光学介质4为YCOB晶体，尺寸为6×6×10mm³，切向为(θ＝140°,φ＝0°)，由于没有合适的滤色片，所以这里未使用光学元件滤色片5。该方案的测试效果如附图12、13所示。

附图12为转动YCOB晶体时，在不同位置获得的信号光光谱：其中A图为泵浦光光谱(λ_p＝1056nm)，B图为晶体正入射时实现的倍频输出的光谱(λ_s＝528nm)。通过转动YCOB晶体，可以连续改变泵浦光在晶体内的光路，从而满足不同的和频相位匹配条件，进而使信号光波长λ_s连续变化，输出可调谐的和频参量光。通过折射定律，可以由晶体的外部转角计算出晶体内光的传播方向，图C到图F为几个代表性方向上得到的信号光光谱，分别对应θ＝150.6°、152.5°、154.9°、157.3°，这里φ恒为0°，即保持晶体在其XZ主平面内转动。测试结果显示，利用该装置可以产生425-528nm的和频参量光。

附图13为针对实施例4通过计算得到的和频相位匹配曲线(1/λ_p+1/λ_i＝1/λ_s，λ_p＝1056nm，λ_s为底部横坐标，对应的λ_i为顶部横坐标。纵坐标为相位匹配角θ)，以及相应的实验点。由图可知理论结果与实测值符合得很好，从而证实了这一效应为和频过程。此外，还发现泵浦光偏振与信号光偏振互相垂直，从而证实了这种相位匹配为I类。在不改变泵浦源与非线性光学介质的条件下，如果使用附图3所示的“和频光参量振荡”方案，能够降低泵浦阈值，使输出功率和转换效率进一步提高。

实施例5

一种1056nm泵浦的、KDP晶体作为非线性光学介质的“和频光参量产生”方案。其机理如附图1中的A、B、D所示。装置与附图2类似，各部件沿光路设置。其中泵浦光光源1为超快激光器，波长1056nm，脉宽160fs，重频100kHz，透镜3的焦距为200mm，非线性光学介质4为KDP晶体，尺寸为50×30×13mm³，切向为(θ＝41°,φ＝45°)，由于没有合适的滤色片，所以这里未使用光学元件滤色片5。该方案的测试效果如附图14、15所示。

附图14为转动YCOB晶体时，在不同位置获得的信号光光谱：其中A图为泵浦光光谱(λ_p＝1056nm)，B图为晶体正入射时实现的倍频输出的光谱(λ_s＝528nm)。通过转动KDP晶体，可以连续改变泵浦光在晶体内的光路，从而满足不同的和频相位匹配条件，进而使信号光波长λ_s连续变化，输出可调谐的和频参量光。通过折射定律，可以由晶体的外部转角计算出晶体内光的传播方向，图C到图E为几个代表性方向上得到的信号光光谱，分别对应θ＝42.6°、43.7°、44.4°，这里φ恒为45°。测试结果显示，利用该装置可以产生λ_s为390-670nm的和频参量光。

附图15中，A为针对实施例5通过计算得到的和频相位匹配曲线(1/λ_p+1/λ_i＝1/λ_s，λ_p＝1056nm，λ_s为底部横坐标，对应的λ_i为顶部横坐标。纵坐标为相位匹配角θ)，以及相应的实验点。这里参考了两种KDP的折射率色散方程作为计算依据，分别来自文献“F.Zernike,J.Opt.Soc.Am.54,1215-1220,1964”和“D.Eimerl,Ferroelectrics.72,95-139,1987”，其计算结果分别用实线与虚线表示。由该图可知，整体而言理论结果与实测值符合得很好，从而证实了这一效应为和频过程。通过录制的输出光光谱，可以得到更多的实验点，如图B所示，可见和频理论计算与实验值同样符合得较好，进一步证实了这一效应为和频过程。此外，在实验中还发现了另外一种信号光λ_s’，其产生机理对应于附图1的D图，即1/λ_i1’+1/λ_i2’＝1/λ_s’。当λ_s由397nm变化到484nm时，λ_s’由447nm变化到518nm，对应的λ_i1’的变化范围为536-803nm，λ_i2’的变化范围为2681-1458nm，如图C、D所示。在不改变泵浦源与非线性光学介质的条件下，如果使用附图3所示的“和频光参量振荡”方案，能够降低泵浦阈值，使输出功率和转换效率进一步提高。

实施例6

一种1053nm泵浦的、BBO晶体作为非线性光学介质的“和频光参量产生”方案。具体装置与附图2相同，各部件沿光路设置。泵浦光光源1采用波长为1053nm的Yb³⁺超快激光器，聚焦透镜3的焦距为300mm，非线性光学介质4采用BBO晶体，尺寸为10×10×10mm³，切角为(θ＝45.8°,φ＝30°)，该方向对应的和频信号光波长为236nm。当晶体在φ＝30°的平面内旋转，围绕正入射方向外角从+30°变化到-30°时，其内部的和频相位匹配角θ也从62.9°变化到28.7°，相应的λ_s的调谐范围为185-395nm，覆盖能够在空气中传播的整个紫外波段。这种可调谐光源能够满足人们对于紫外相干光的多种需求，如193nm可以用作光刻机的紫外光源，325nm可以替代大体积、高噪声的He-Cd离子激光器用于医学诊断和照射治疗，如检查五官科方面的癌肿，照射穴位以治疗高血压和慢性肝炎等。

实施例7

一种用于超快超强激光装置可调谐变频的“和频光参量产生”方案。装置与附图2类似，各部件沿光路设置。泵浦光光源1采用波长为1053nm的、峰值功率为TW到EW的超快超强激光装置。由于泵浦源本身已经具有较高的功率密度，因此无需聚焦，此处省略聚焦透镜3。非线性光学介质4采用KDP晶体，厚度10mm，截面尺寸取决于装置口径，在100×100mm²到500×500mm²之间变化。晶体的切角为(θ＝46.2°,φ＝45°)，该方向对应的和频信号光波长为660nm和370nm。当晶体在φ＝45°的平面内旋转，围绕正入射方向外角从+7.5°变化到-7.5°时，其内部的和频相位匹配角θ也从51.2°变化到41.2°，相应的λ_s的调谐范围为318-710nm，覆盖整个可见波段。该装置可以服务于激光核聚变、超相对论现象研究、实验室天体物理学等。

实施例8

一种用于紫外差分吸收激光雷达的双波长和频参量光产生装置。结构如附图16所示，各部件沿光路设置。泵浦光光源1采用波长为1053nm的Yb³⁺超快激光器，缩束系统前镜12、缩束系统后镜13的焦距分别为300mm和100mm。非线性光学第一介质14采用BBO晶体，尺寸为10×10×10mm³，切角为(θ＝43°,φ＝30°)，该方向对应的和频信号光波长为250nm；非线性光学第二介质15采用BBO晶体，尺寸为10×10×10mm³，切角为(θ＝30°,φ＝30°)，该方向对应的和频信号光波长为370nm。由于250nm和370nm分别对应臭氧的吸收峰和吸收谷，所以这种双波长光源可以用到紫外差分吸收激光雷达上，用于大气平流层中臭氧浓度的精密测量。此外，通过调整两块晶体的方向或温度可以使输出波长得到调谐，方便灵活地用于其它气体的紫外差分吸收测量。

实施例9

一种用于一氧化碳中毒血红蛋白检测的双波长和频参量光产生装置。结构如附图16所示，各部件沿光路设置。泵浦光光源1采用波长为1550nm的超快激光器，缩束系统前镜12、缩束系统后镜13的焦距分别为300mm和100mm。非线性光学第一介质14采用GdCOB晶体，尺寸为10×10×10mm³，切角为(θ＝156°,φ＝0°)，该方向对应的和频信号光波长为555nm；非线性光学第二介质15采用YCOB晶体，尺寸为10×10×10mm³，切角为(θ＝147°,φ＝0°)，该方向对应的和频信号光波长为540nm。由于血红蛋白的吸收峰在555nm附近，碳氧血红蛋白的吸收峰在540nm附近，所以555nm、540nm双波长光源可用于检测碳氧血红蛋白，进而判断一氧化碳中毒的程度。此外，通过调整两块晶体的方向或温度可以使输出波长得到调谐，方便灵活地用于酒精等物质的血液测量。

实施例10

一种用于治疗难治性鲜红斑痣的双波长和频参量光产生装置。结构与附图7类似，各部件沿光路设置。泵浦光光源1采用波长为1053nm的Yb³⁺超快激光器，缩束系统前镜12、缩束系统后镜13的焦距分别为300mm和100mm。非线性光学介质4采用KDP晶体，尺寸为10×10×10mm³，切角为(θ＝42.5°,φ＝45°)，该方向对应的和频信号光波长为595nm。这里不使用滤色片5，因此剩余泵浦光与信号光一起输出，形成1053nm、595nm双波长激光。595nm的光能特异性地被血管中的氧和血红蛋白吸收，当氧和血红蛋白吸收能量后，会在瞬间形成高铁血红蛋白。而高铁血红蛋白对595nm激光的吸收很少，可被1053nm的激光吸收。这种协同热效应可以大大提高难治性鲜红斑痣的治疗效果，并减轻不良反应。此外，通过调整KDP晶体的方向或温度可以使信号光波长得到调谐，方便灵活地用于其它皮肤疾病的治疗。

实施例11

一种可输出白光的和频参量光产生装置。结构如附图16所示，各部件沿光路设置。泵浦光光源1采用波长为1550nm的超快激光器，缩束系统前镜12、缩束系统后镜13的焦距分别为300mm和100mm。非线性光学第一介质14采用BBO晶体，尺寸为10×10×10mm³，切角为(θ＝24.4°,φ＝30°)，该方向对应的和频信号光波长为445nm；非线性光学第二介质15采用BBO晶体，尺寸为10×10×10mm³，切角为(θ＝21.3°,φ＝30°)，该方向对应的和频信号光波长为580nm。在输出方向上由于445nm和580nm叠加可实现白光激光输出。通过调整两块晶体的方向或温度可以使输出波长得到调谐，方便灵活地调整白光的色温。

Claims

1.一种参量光的产生方法，包括：

提供非线性光学材料，所述非线性光学材料满足和频相位匹配条件，即同时满足ω_p+ω_i＝ω_s的能量守恒条件和n_pω_p+n_iω_i＝n_sω_s的动量守恒条件；s表示信号光，p表示泵浦光，i表示闲频光；

2.根据权利要求1所述的参量光的产生方法，其特征在于，通过调整非线性光学材料的空间方向、温度、电压或微结构参数，连续改变和频相位匹配条件，从而使λ_s连续变化，输出可调谐和频参量光。

3.根据权利要求1所述的参量光的产生方法，其特征在于，波长为λ_i、λ_s的光波依靠参量散射或参量荧光由非线性光学材料自发产生和放大；

或者，波长为λ_i、λ_s的光波依靠参量散射或参量荧光由非线性光学材料自发产生和放大，在非线性光学材料两端加入腔镜形成谐振腔，使信号光通过多次往返获得更大增益，输出显著增强；

或者，在输入端提供较低能量的信号光λ_s，λ_p与λ_s在满足和频相位匹配条件的情况下相互作用，以消耗泵浦光为代价使信号光在输出端显著增强。

4.根据权利要求1所述的参量光的产生方法，其特征在于，所述非线性光学材料为具有单一结构的体块晶体，可实现准相位匹配的具有周期性结构的晶体，普通光纤，或者光子晶体光纤；

优选的，所述的体块单晶为GdCOB、YCOB、KDP或BBO。

5.根据权利要求1所述的参量光的产生方法，其特征在于，以脉冲激光作为泵浦光；

优选的，用聚焦或者缩束的方式对泵浦光进行空间整形，以增加泵浦光功率密度，提高信号光输出能量和转换效率。

6.根据权利要求1所述的参量光的产生方法，其特征在于，以1540nm的飞秒激光为泵浦光：当非线性光学材料为θ＝146°,φ＝0°切向的GdCOB晶体时，转动晶体来调节和频相位匹配条件，获得485-770nm的可见波段可调谐激光输出；当非线性光学材料为θ＝140°,φ＝0°切向的YCOB晶体时，转动晶体来调节和频相位匹配条件，获得450-770nm的可见波段可调谐激光输出；

优选的，以1056nm的飞秒激光为泵浦光，当非线性光学材料为θ＝149°,φ＝0°切向的YCOB晶体时，转动晶体来调节和频相位匹配条件，获得425-528nm的可见波段可调谐激光输出；

优选的，以1056nm的飞秒激光为泵浦光，当非线性光学材料为θ＝41°,φ＝45°切向的KDP晶体时，转动晶体来调节和频相位匹配条件，得390-670nm的可见波段可调谐激光输出；

优选的，以1053nm的飞秒激光为泵浦光，当非线性光学材料为θ＝23°,φ＝30°切向的β-BBO晶体时，转动晶体来调节和频相位匹配条件，可以获得185-526.5nm的可见波段可调谐激光输出。

7.权利要求1所述参量光产生方法的如下应用：

193nm光刻机、325nm医学诊断和照射治疗的和频参量光产生；

紫外差分吸收激光雷达的双波长和频参量光产生；

一氧化碳中毒血红蛋白检测的双波长和频参量光产生；

治疗难治性鲜红斑痣的双波长和频参量光产生；

输出白光的和频参量光产生。

8.一种参量光的产生装置，包括沿光路依次设置的泵浦光光源和非线性光学介质，所述非线性光学材料满足和频相位匹配条件，即同时满足ω_p+ω_i＝ω_s的能量守恒条件和n_pω_p+n_iω_i＝n_sω_s的动量守恒条件；s表示信号光，p表示泵浦光，i表示闲频光。

9.根据权利要求8所述的参量光的产生装置，其特征在于，泵浦光光源和非线性光学介质之间还设置有聚焦透镜；

优选的，沿光路在非线性光学介质后面还设置有滤色片；

优选的，沿光路在聚焦透镜和非线性光学介质之间设置有光参量振荡输入镜，在非线性光学介质后面设置有光参量振荡输出镜。

10.根据权利要求9所述的参量光的产生装置，其特征在于，还包括信号光光源，信号光反射镜，泵浦光、信号光合束镜，使得信号光光源产生的信号光通过信号光反射镜的反射，泵浦光、信号光合束镜的合束与泵浦光光源产生的泵浦光一同进入聚焦透镜；

优选的，沿光路在非线性光学介质之后还设置有非线性光学第二介质，泵浦光光源和非线性光学介质之间设置有缩束系统前镜和缩束系统后镜，在非线性光学第二介质后面设置有滤色片。