CN114371584A - 一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件 - Google Patents

一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件 Download PDF

Info

Publication number
CN114371584A
CN114371584A CN202210035412.3A CN202210035412A CN114371584A CN 114371584 A CN114371584 A CN 114371584A CN 202210035412 A CN202210035412 A CN 202210035412A CN 114371584 A CN114371584 A CN 114371584A
Authority
CN
China
Prior art keywords
nonlinear optical
crystal
optical crystal
frequency conversion
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210035412.3A
Other languages
English (en)
Inventor
刘恂
宋平
刘晓光
芮挺
陈姮
郑南
史建军
刘建青
杨成松
王东
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Army Engineering University of PLA
Original Assignee
Army Engineering University of PLA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Army Engineering University of PLA filed Critical Army Engineering University of PLA
Priority to CN202210035412.3A priority Critical patent/CN114371584A/zh
Publication of CN114371584A publication Critical patent/CN114371584A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3544—Particular phase matching techniques
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
    • G02F1/3551—Crystals

Abstract

一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件，包括第一非线性光学晶体、第二非线性光学晶体和第三非线性光学晶体；所述第一非线性光学晶体和第三非线性光学晶体的材料、长度、切割角度均相同，所述第一非线性光学晶体和第三非线性光学晶体中相位失配量对温度的导数也相等；第二非线性光学晶体放置于第一非线性光学晶体和第三非线性光学晶体之间。使得非线性光学频率变换在更宽温度范围内保持较高转换效率，提高非线性光学频率变换晶体器件的温度适应性及稳定性。该器件不需要温度控制设备，使得非线性光学频率变换晶体器件结构更加简单、紧凑，同时降低器件能耗、缩短响应时间，从而降低器件成本、提升器件性能。

Description

一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件
技术领域
本发明涉及非线性光学频率变换晶体器件的技术领域，特别涉及一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件。
背景技术
非线性光学频率变换主要利用非线性晶体的二阶或三阶非线性效应实现激光频率扩展。为提高非线性光学频率变换的转换效率，通常利用晶体的双折射效应来补偿光波色散，使参与非线性光学频率变换的激光满足相位匹配条件。然而晶体的折射率会随着晶体温度的变化而变化，因此，当晶体温度改变时，会破坏相位匹配条件，使非线性光学频率变换的转换效率急剧降低。目前一些常用非线性晶体的允许温度范围较小，温度适应性较差。例如，用于倍频波长为1064nm激光的晶体中，磷酸钛氧钾(KTP)晶体的温度半宽度仅为25℃；三硼酸锂(LBO)晶体的温度半宽度低至7℃。而利用LBO晶体和频产生355nm的紫外激光时，温度半宽度仅为3.5℃。这些晶体的温度适应性都较差，难以适应温度变化大的环境。
非线性光学频率变换的转换效率随环境温度变化，这一特点制约了其在温度变化环境中的应用，尤其是在军事领域。目前的解决方案是对晶体进行恒温控制，然而会增加系统能耗及复杂性，同时温度控制需要一定时间，因此还会提高系统从启动到正常工作的响应时间，增加贻误战机的风险。
发明内容
本发明提供一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件，使得非线性光学频率变换在更宽温度范围内保持较高转换效率，提高非线性光学频率变换晶体器件的温度适应性及稳定性。该器件不需要温度控制设备，使得非线性光学频率变换晶体器件结构更加简单、紧凑，同时降低器件能耗、缩短响应时间，从而降低器件成本、提升器件性能。
一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件，包括第一非线性光学晶体、第二非线性光学晶体和第三非线性光学晶体；所述第一非线性光学晶体和第三非线性光学晶体的材料、长度、切割角度均相同，所述第一非线性光学晶体和第三非线性光学晶体中相位失配量对温度的导数也相等；第二非线性光学晶体放置于第一非线性光学晶体和第三非线性光学晶体之间。
优选的是，本发明的第二非线性光学晶体中相位失配量对温度的导数的正负符号与第一非线性光学晶体相反。
优选的是，本发明的第一非线性光学晶体的长度L1与第二非线性光学晶体的长度L2之间满足：
Figure BDA0003468165070000021
其中Δk为相位失配量，且Δk＝ka-2kb，其中ka、kb分别为基频光和倍频光波矢，其中Δk1和Δk2分别为第一非线性光学晶体和第二非线性光学晶体中的相位失配量；T为非线性光学晶体温度；第二非线性光学晶体的切割角度满足：
Δk1L1+Δk2L2＝N·2π
其中N为整数。
优选的是，本发明的第二非线性光学晶体补偿第一非线性光学晶体产生的相位失配量，在小信号近似下得出第三非线性光学晶体输出面倍频光振幅E2的值：
Figure BDA0003468165070000022
其中E1为基频光复振幅，ω2为倍频光角频率，n2分别为倍频光在晶体中的折射率，c为真空中光速，deff为有效非线性系数，Δk3为第三非线性晶体中的相位失配量，z为激光互作用长度；然后计算出第三非线性光学晶体(3)输出面倍频光强度I2的值
Figure BDA0003468165070000023
其中ε0为真空中介电常数，上标*表示复数的共轭，从而得到转换效率
Figure BDA0003468165070000024
此时频率变换器件的温度半峰值宽度为：
Figure BDA0003468165070000031
优选的是，本发明的非线性光学频率变换包括倍频、和频以及光参量振荡。
优选的是，本发明的基频光的波长是能够在非线性光学晶体中满足相位匹配条件的波长，可以是1064nm，532nm，也可以是其他波长。
优选的是，本发明的非线性光学晶体包括磷酸钛氧钾晶体、偏硼酸钡晶体、三硼酸锂晶体中的至少一种。
本发明采用以上技术方案与现有频率变换技术相比不需要温度控制系统，具有结构简单、紧凑、能耗低、相应时间短、成本低等优点。
附图说明
图1是本发明的可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件的实施例的示意图；
图2是传统非线性光学频率变换晶体器件结构示意图。
图中：
A——基频光λ1＝1064nm；
B——倍频光与剩余的基频光；
X——非线性光学晶体光学轴X轴；
Y——非线性光学晶体光学轴Y轴；
Z——非线性光学晶体光学轴Z轴；
S——非线性光学晶体中激光慢光偏振方向；
f——非线性光学晶体中激光快光偏振方向；
1——第一非线性光学晶体；
2——第二非线性光学晶体；
3——第三非线性光学晶体；
4——第四非线性光学晶体(长度为第一非线性光学晶体的2倍)。
具体实施方式
现有技术中利用非线性晶体完成非线性光学频率变换中，以KTP晶体倍频波长为1064nm的激光为例，KTP晶体使用II类相位匹配倍频，基频光偏振方向与KTP晶体z轴夹角为45°，以使快光和慢光的光强度相等，倍频光偏振方向垂直于z轴。晶体中相位失配量为：
Figure BDA0003468165070000041
其中n′1、n″1分别为基频光的快光和慢光折射率，n2为倍频光折射率，λ1、λ2分别为基频光和倍频光在真空中的波长，T为晶体绝对温度。当KTP晶体温度T＝293K时，其Sellmeier方程
Figure BDA0003468165070000042
其中λ为光波在真空中的波长，以μm为单位。KTP晶体的热光色散方程
Figure BDA0003468165070000043
可计算出当温度为T时，波长为λ的光波在KTP晶体中的主轴折射率
Figure BDA0003468165070000044
另外该倍频时激光转换效率满足
Figure BDA0003468165070000045
其中L为晶体长度，当晶体温度为T0时，满足相位匹配条件，即Δk(T0)＝0，此时频率变换转换效率最高，当晶体温度为
Figure BDA0003468165070000046
时，转换效率下降为最高值的一半，因此可以计算出当晶体长度为1cm时倍频时的温度半峰值宽度为ΔT≈25℃。可见非线性光学频率变换的转换效率随环境温度变化，这一特点制约了其在温度变化环境中的应用。
本发明提供为一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件，包括第一非线性光学晶体1，第二非线性光学晶体2和第三非线性光学晶体3；所述第一非线性光学晶体1和第三非线性光学晶体3的材料、长度、切割角度均相同，第一非线性光学晶体1和第三非线性光学晶体3中相位失配量对温度的导数也相等；第二非线性光学晶体2放置于第一非线性光学晶体1和第三非线性光学晶体3之间；三个晶体之间的位置关系如图1所示。与图2中传统的非线性光学频率变换晶体器件结构存在明显区别。
第二非线性光学晶体2中相位失配量对温度的导数的正负符号与第一非线性光学晶体1相反。第一非线性光学晶体1长度L1与第二非线性光学晶体长度L2之间满足：
Figure BDA0003468165070000051
其中Δk为相位失配量，且Δk＝ka-2kb，其中ka、kb分别为基频光和倍频光波矢，其中Δk1和Δk2分别为第一非线性光学晶体(1)和第二非线性光学晶体(2)中的相位失配量；T为非线性光学晶体温度。合理设置第二非线性光学晶体2的切割角度，使其满足：
Δk1L1+Δk2L2＝N·2π
其中N为整数，此时第二非线性光学晶体2可以补偿第一非线性光学晶体1产生的相位失配量，在小信号近似下可以得出第三非线性光学晶体3输出面倍频光振幅E2的值
Figure BDA0003468165070000052
其中E1为基频光复振幅，ω2为倍频光角频率，n2分别为倍频光在晶体中的折射率，c为真空中光速，deff为有效非线性系数，Δk3为第三非线性晶体中的相位失配量，z为激光互作用长度；然后计算出第三非线性光学晶体(3)输出面倍频光强度I2的值
Figure BDA0003468165070000053
其中ε0为真空中介电常数，上标*表示复数的共轭，从而得到转换效率
Figure BDA0003468165070000054
此时频率变换器件的温度半峰值宽度为：
Figure BDA0003468165070000061
而传统的长度为2L1单一晶体组成的非线性光学频率变换晶体器件，其温度半宽度为：
Figure BDA0003468165070000062
因此，本发明可以将非线性光学频率变换的温度半峰值宽度提高一倍。
本发明的非线性光学频率变换包括倍频、和频以及光参量振荡。
本发明的基频光的波长是能够在非线性光学晶体中满足相位匹配条件的波长，可以是1064nm或532nm，也可以是其他波长。
本发明的非线性光学晶体包括磷酸钛氧钾晶体(KTP)，偏硼酸钡晶体(BBO)，三硼酸锂晶体(LBO)，也可以是其他非线性光学晶体。
实施例1
制作第一非线性光学晶体1和第三非线性光学晶体3。
第一非线性光学晶体1选用KTP晶体，晶体切割角度均为(90°，23.3°)，晶体尺寸为6×6×6mm3，晶体的通光面均镀有1064nm和532nm光波段的增透膜。采用ΙΙ类相位匹配，在第一个KTP晶体的输入面内，基频光的偏振方向与KTP晶体z轴夹角为45°。第三非线性光学晶体3的制作过程和第一非线性光学晶体1相同。
制作第二非线性光学晶体2：
第二非线性光学晶体选用LBO晶体，晶体切割角度为(90°，0°)，尺寸为5×5×2.14mm3，晶体的通光面均镀有1064nm和532nm光波段的增透膜。LBO晶体安装时其光学轴Z轴与第一晶体光学轴Z轴平行。
三块晶体尽量贴近放置。
实施例2
实施例2为使用本发明的可扩展环境温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件实现1064nm和532nm激光和频产生355nm紫外激光。
制作第一非线性光学晶体1和第三非线性光学晶体3。
第一非线性光学晶体1选用LBO晶体，晶体切割角度均为(42.5°，90°)，晶体尺寸为5×5×5mm3，晶体的通光面均镀有1064nm、532nm和355nm光波段的增透膜。第三非线性光学晶体3的制作过程和第一非线性光学晶体1相同。
第二非线性光学晶体2选用LBO晶体，晶体切割角度为(90°，0°)，尺寸为5×5×4.9mm3，晶体的通光面均镀有1064nm、532nm和355nm光波段的增透膜。
和频过程采用ΙΙ类相位匹配，第二非线性光学晶体2的光学Y轴与第一非线性光学晶体1的光学Y轴垂直。

Claims (7)

1.一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件，其特征在于包括第一非线性光学晶体(1)、第二非线性光学晶体(2)和第三非线性光学晶体(3)；所述第一非线性光学晶体(1)和所述的第三非线性光学晶体(3)的材料、长度、切割角度均相同，所述第一非线性光学晶体(1)和第三非线性光学晶体(3)中相位失配量对温度的导数也相等；第二非线性光学晶体(2)放置于第一非线性光学晶体(1)和第三非线性光学晶体(3)之间。
2.根据权利要求1所述的非线性光学频率变换晶体器件，其特征在于第二非线性光学晶体(2)中相位失配量对温度的导数的正负符号与第一非线性光学晶体(1)相反。
3.根据权利要求1所述的非线性光学频率变换晶体器件，其特征在于第一非线性光学晶体(1)的长度L1与第二非线性光学晶体(2)的长度L2之间满足：
Figure FDA0003468165060000011
其中Δk为相位失配量，且Δk＝ka-2kb，其中ka、kb分别为基频光和倍频光波矢，其中Δk1和Δk2分别为第一非线性光学晶体(1)和第二非线性光学晶体(2)中的相位失配量；T为非线性光学晶体温度；第二非线性光学晶体(2)的切割角度满足：
Δk1L1+Δk2L2＝N·2π
其中N为整数。
4.根据权利要求1所述的非线性光学频率变换晶体器件，其特征在于第二非线性光学晶体(2)补偿第一非线性光学晶体(1)产生的相位失配量，在小信号近似下得出第三非线性光学晶体(3)输出面倍频光振幅E2的值：
Figure FDA0003468165060000012
其中E1为基频光复振幅，ω2为倍频光角频率，n2分别为倍频光在晶体中的折射率，c为真空中光速，deff为有效非线性系数，Δk3为第三非线性晶体中的相位失配量，z为激光互作用长度；然后计算出第三非线性光学晶体(3)输出面倍频光强度I2的值
Figure FDA0003468165060000013
其中ε0为真空中介电常数，上标*表示复数的共轭，从而得到转换效率
Figure FDA0003468165060000021
此时频率变换器件的温度半峰值宽度为：
Figure FDA0003468165060000022
5.根据权利要求1所述的非线性光学频率变换晶体器件，其特征在于所述的非线性光学频率变换包括倍频、和频以及光参量振荡。
6.根据权利要求1所述的非线性光学频率变换晶体器件，其特征在于所述的基频光的波长是能够在非线性光学晶体中满足相位匹配条件的波长，为1064nm或532nm，或其他波长。
7.根据权利要求1所述的非线性光学频率变换晶体器件，其特征在于所述的非线性光学晶体包括磷酸钛氧钾晶体、偏硼酸钡晶体、三硼酸锂晶体中的至少一种。
CN202210035412.3A 2022-01-13 2022-01-13 一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件 Pending CN114371584A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210035412.3A CN114371584A (zh) 2022-01-13 2022-01-13 一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210035412.3A CN114371584A (zh) 2022-01-13 2022-01-13 一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114371584A true CN114371584A (zh) 2022-04-19

Family

ID=81143439

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210035412.3A Pending CN114371584A (zh) 2022-01-13 2022-01-13 一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114371584A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Myers et al. Quasi-phase-matched optical parametric oscillators in bulk periodically poled LiNbO 3
US7339718B1 (en) Generation of terahertz radiation in orientation-patterned semiconductors
US5787102A (en) Light generating device and method using a periodically structured non-linear material and orthogonal optical interaction
Petrov et al. Vacuum ultraviolet application of Li 2 B 4 O 7 crystals: generation of 100 fs pulses down to 170 nm
Nebel et al. Noncritically phase-matched continuous-wave mode-locked singly resonant optical parametric oscillator synchronously pumped by a Ti: sapphire laser
AU751227B2 (en) Quadruple grating period PPLN optical parametric oscillator difference frequency generator with common doubly resonant cavity
US20110043895A1 (en) Wavelength converting device, laser, and method to stabilize the wavelength conversion efficiency
JPH07507882A (ja) 広い位相整合領域を有する空洞内高調波副共振器
US7173754B2 (en) Frequency conversion efficiency
Scheidt et al. Diode-laser-pumped continuous-wave KTP optical parametric oscillator
Gao et al. Self-frequency-doubled BaTeMo 2 O 9 Raman laser emitting at 589 nm
CN104466651A (zh) 一体化环形激光倍频装置
Cui et al. Compensation method for temperature-induced phase mismatch during frequency conversion in high-power laser systems
Van Driel Synchronously pumped optical parametric oscillators
Henderson et al. Doubly-resonant optical parametric oscillators: tuning behaviour and stability requirements
Liu et al. Phase matching analysis of noncollinear optical parametric process in nonlinear anisotropic crystals
US20210286229A1 (en) Nonlinear crystal
US7035298B2 (en) Frequency conversion efficiency
Shirakawa et al. Highly efficient generation of blue-orange femtosecond pulses from intracavity-frequency-mixed optical parametric oscillator
CN114371584A (zh) 一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件
CN115632300A (zh) 一种产生可调谐窄带激光的方法
JPH0263026A (ja) 導波路型波長変換素子
Holtom et al. Femtosecond mid-infrared optical parametric oscillator based on CsTiOAsO 4
Bode et al. Continuously-tunable doubly resonant optical parametric oscillator
JP2899345B2 (ja) 光学装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination