CN114815437A - 一种基于级联二次谐波生成的光频率三倍化系统 - Google Patents

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杨永强
邰志恒
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Abstract

本发明公开了一种基于级联二次谐波生成的光频率三倍化系统，包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、脉冲开关、泵浦源、Nd:YAG晶体以及二次极化晶体；其中，第一反射镜用于反射基波、二次谐波和三次谐波；第二反射镜用于反射二次谐波；朝着第二方向发射的基波入射到二次极化晶体，经过二次极化晶体处理产生二次谐波；二次极化晶体输出的二次谐波，朝着第二方向到达第二反射镜，所述第二反射镜对第二谐波进行反射，使第二谐波的发射方向转为第一方向；在二次极化晶体中，当基波和二次谐波的相位失配量达到|Δ21k|＞＞1时，发生立方非线性效应，产生三次谐波。本发明通过二次极化晶体实现光频率三倍化，结构简单，易于实现，可广泛应用于激光器领域。

Description

一种基于级联二次谐波生成的光频率三倍化系统
技术领域
本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种基于级联二次谐波生成的光频率三倍化系统。
背景技术
目前，光纤激光器通常用于3D打印机。其中，由于紫外激光器价格昂贵，难以将紫外激光器普及应用于在3D打印设备上。目前获取紫外激光最好的方法是应用激光辐射的频率转换，考虑到红外光纤激光器的波长为1.06微米，有必要将红外光纤激光器的频率上转换为两倍或三倍频率(频率上转换：输出光波频率高于输入波频率给转换过程)，获得波长为300nm—500nm的紫外光、蓝光、绿光等，以实现多组分材料SLM成型。
目前有两种常用方法实现光学三倍频转换。第一种是使用具有立方非线性响应的介质，入射脉冲功率密度至少几十GW/cm2(根据使用非线性介质的不同，从10GW/cm2到50GW/cm2)，对光纤激光器功率密度要求非常高，实现的效率约为40％。并且，在具有立方非线性响应的介质中，光束会发生强烈的自聚焦，从而导致介质的破坏。第二种是使用通过在具有二次非线性响应的两个晶体中连续产生二次谐波(SHG)，再与基波和频来实现的，该光学三倍频方法效率是目前最高的，达到80％。但它也有一些缺点(beg尺寸足够大，基波强度与倍频波强度之比很大)，这造成技术应用不方便。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种基于级联二次谐波生成的光频率三倍化系统
本发明所采用的技术方案是：
一种基于级联二次谐波生成的光频率三倍化系统，包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、脉冲开关、泵浦源、Nd:YAG晶体以及二次极化晶体；其中，第一反射镜用于反射基波、二次谐波和三次谐波；第二反射镜用于反射二次谐波；第三反射镜用于反射基波和二次谐波；
泵浦源对Nd:YAG晶体进行泵浦，以产生基波，基波朝着第一方向和第二方向发射；其中，第一方向和第二方向相反；
朝着第一方向发射的基波经过脉冲开关后，到达第一反射镜，所述第一反射镜对基波进行发射，使基波的发射方向转为第二方向；
朝着第二方向发射的基波入射到二次极化晶体，经过二次极化晶体处理产生二次谐波；二次极化晶体输出的二次谐波，朝着第二方向到达第二反射镜，所述第二反射镜对第二谐波进行反射，使第二谐波的发射方向转为第一方向；
在二次极化晶体中，当基波和二次谐波的相位失配量达到|Δ21k|＞＞1时，发生立方非线性效应，产生三次谐波；其中，Δ21k表征归一化长度上的相位失配；
经过第一反射镜的反射，所有的三次谐波朝着第二方向射出。
进一步地，沿着基波发射的方向，所述二次极化晶体的长度为2-4cm。
进一步地，所述基波为波长为1060nm的红外激光。
进一步地，第一反射镜和第三反射镜组成激光谐振腔，第一反射镜和第二反射镜形成二次谐波谐振腔；
在第二方向上，从二次极化晶体输出的基波，穿过第二反射镜后，到底第三反射镜，第三反射镜对基本进行反射，使基波的发射方向转为第一方向；
其中，基波在第一反射镜和第三反射镜之间往复传播增强。
进一步地，当二次极化晶体产生的二次谐波不断地入射到二次极化晶体，产生级联二次谐波。
进一步地，所述二次极化晶体采用二阶非线性材料制成。
本发明的有益效果是：本发明通过控制基频波和二次谐波的相位失配量，在二次极化晶体内出现立方非线性响应，以产生三次谐波，实现光频率三倍化，系统结构简单，易于实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中一种基于级联二次谐波生成的光频率三倍化系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中各种变频过程的相位匹配和失配方案的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本实施例的二次极化晶体由二阶非线性材料制成，当激光作用到二阶非线性材料时，除了会产生与入射频率w相同的光(线性部分)，还会产生频率为2的倍频光和频率为0的静电场(非线性部分)。将产生倍频光称为二阶谐波产生(second-harmonic generation)效应或SHG效应。常用其表示二阶非线性材料的性能。
本实施例的二次极化晶体具有极化相应介质的功能，可定义为：介质的响应与入射电场强度的二次方成正比。
(1)二阶极化率介质
参加图2，为了阐明二阶极化率介质内的光学三倍频，我们考虑以下的频率转换过程，在图2中示意性地描述了具有二阶(χ(2))和立方(χ(3))极化率的晶体。
当入射光强大于一定值时，非中心对称晶体(二阶极化率的晶体)内立方极化率起作用。注意到，考虑立方极化率仅仅是为了说明频率转换过程。符号ω表示FW(fundamentalwave基频)频率。下面我们考虑产生三倍频波的三种方法。
第一种是产生倍频光波(ω+ω＝2ω，χ(2))，之后，由于晶体的二次非线性响应，基于和频(SFG)(ω+2ω＝3ω，χ(2))产生三次谐波(THG)。第二种是直接由晶体的χ(3)立方非线性产生三倍频波。与前述倍频方法相比，该过程需要能量更强的入射脉冲。第三种(本发明提出的)三倍频方法是基于大的相位失配情况下的倍频，与晶体自身立方非线性时发生三倍频相比，该过程能够在低入波射强度时发生。该方法被表示为(ω→3ω，
Figure BDA0003530087370000031
)。在图2中，我们还描述了另一个频率转换过程(3ω＝2ω+2ω-ω,χ(3))，可发生在具有立方极化率的介质中。
不同的频率转换过程需要对应频率下的自身相位匹配和晶体极化率值。因此，
Figure BDA0003530087370000032
和χ(3)极化率是不同的。通常情况下，在相位匹配时只能发生多种转换过程中的一个。因此发明实现THG采用的级联SHG不同于SFG过程。
(2)立方非线性响应、失配相位的大小条件、级联二次谐波产生的数学推导：
具有二次非线性响应的介质中的三波相互作用由以下无量纲薛定谔方程组控制，该方程是关于具有等距频率的波包的缓慢变化包络：
Figure BDA0003530087370000041
Figure BDA0003530087370000042
Figure BDA0003530087370000043
对于该方程，如果脉冲的持续时间足够大(大于1皮秒)，晶体的长度大约为几厘米，则我们可以忽略波包的群速度色散。
其中A1(z,t)、A2(z,t)、A3(z,t)和分别是基频波(FF)(ω)、倍频波(2ω)和三倍频(3ω)的波的复振幅。参数γ是由对应频率的二次非线性响应而产生的多波相互作用耦合系数，一般情况下，不同频率的生成，该可能系数不同。然而，为了简单起见，我们为方程中涉及的所有频率转换过程选择相同的γ值。
参数Δ21k＝k2-2k1表征归一化长度Zn＝1mm上的相位失配。k1和k2表示基频波(FF)波和倍频波的无量纲波数。参数Δ31k＝k3-3k1表征了THG下Zn的相位失配。符号k3表示无量纲三次谐波(TH)波数。坐标t是一个时间，以基频波(FF)处的脉冲持续时间τp为单位进行测量，Dj(j＝1,2,3)表示相应波包的无量纲二阶色散(SOD)。
我们讨论方程组(1)中涉及的项。第二个方程中的项
Figure BDA0003530087370000044
(二次极化率χ(2)(2ω；ω,ω))对应于过程(ω+ω→2ω)的倍频波的产生。第一个方程中的项
Figure BDA0003530087370000045
负责相反的过程(2ω→ω+ω)。项
Figure BDA0003530087370000046
(二次极化率χ(2)(3ω；ω,2ω))描述了SFG(ω+2ω＝3ω)实现THG的过程。
反过来，第一个方程中的项
Figure BDA0003530087370000047
(二次极化率χ(2)(3ω；2ω,ω))和第二个方程中的项
Figure BDA0003530087370000051
(二次极化率χ(2)(3ω；ω,2ω))分别对应于相反的(3ω-2ω＝ω)和(3ω-ω＝2ω)。我们忽略了二次极化率的色散。因此，方程中的参数变得相同。
在介质的输入部分，只有基频波(FF)处的脉冲存在(本发明输入部分只有基频波)：
A1(z＝0,t)＝A10(t)
其他两个波不存在
A2(z＝0,t)＝A3(z＝0,t)＝0
它们出现在晶体中(即：级联二次谐波、三倍频波发生在二阶极化晶体内)。
级联二次谐波(SHG)发生在基频波(FF)和倍频波之间存在大的相位失配情况下，即|Δ21k|＞＞1。在这种情况下，二次谐波的复振幅A2与该项
Figure BDA0003530087370000052
成正比。它是晶体介质在倍频下极化的一部分。考虑到这一事实，我们看到第三个方程中出现了立方非线性响应
Figure BDA0003530087370000053
这产生了THG。
具体地，倍频光(二次谐波)和基频光发生相位失配|Δ21k|＞＞1，即|Δ21k|＝|2k1-k2|＞＞1由波矢公式kw＝(w/c)nw和k2w＝(2w/c)n2w，得到|nw-n2w|＞＞c/2w。由相位公式φ＝wnL/c知，当两束光沿同一方向传播距离L时，折射率n不同导致相位发生失配。因此控制各向异性晶体(即二次极化晶体)光轴与光束传播方向间的夹角，可以实现光束在晶体中不同的折射率，进而实现相位失配；当然也可以控制晶体温度来实现相位失配。
这是对THG产生的物理机制的一种定性解释。使用多尺度方法可以导出显式方程。它们的形式如下：
Figure BDA0003530087370000054
Figure BDA0003530087370000055
Figure BDA0003530087370000056
Figure BDA0003530087370000057
初始条件如下：
Figure BDA0003530087370000061
基于上述的理论知识，本实施例提供一种基于级联二次谐波生成的光频率三倍化系统，包括第一反射镜M1、第二反射镜M2、第三反射镜M3、脉冲开关QS、泵浦源、Nd:YAG晶体以及二次极化晶体；其中，第一反射镜M1用于反射基波、二次谐波和三次谐波；第二反射镜M2用于反射二次谐波；第三反射镜M3用于反射基波和二次谐波。
其中，Nd:YAG晶体用于产生激光。脉冲开关QS用于控制激光脉冲与否。二次极化晶体，用于在基波入射该晶体后，产生二次谐波；二次谐波反复入射该晶体，产生级联二次谐波；内部的基波和二次谐波发生适当相位失配，产生三次谐波效应，产生3次谐波。
参见图1，该系统的工作原理及步骤如下：
S1、泵浦源pump对Nd:YAG晶体进行泵浦，产生1060nm的红外激光。由第一反射镜M1、第三反射镜M3及整个内部结构组成光学谐振腔，谐振腔不断把光子反射到增益介质(Nd:YAG)中，发出更多光子的辐射，放大增强了激光。
S2、红外激光作为基波光，沿光路向第一反射镜M1和第三反射镜M3镜片方向传播，与光路垂直方向的光以热量形式损失。
S3、向左方向(即向第一反射镜M1方向)传播时，脉冲开关QS控制脉冲间隔时间长短。第一反射镜M1对基波、二次谐波、三次谐波进行高反射，所有波传播至第一反射镜M1后，反射回谐振腔，进行放大增强。
S4、向右方向(即向第三反射镜M3方向)传播时，基波入射到二次极化晶体，产生二次谐波输出该晶体。二次谐波通过第二反射镜M2反射回二次极化晶体，左端的第一反射镜M1也反射二次谐波，使得二次极化晶体产生的二次谐波不断入射到二次极化晶体，即级联二次谐波。
S5、基波在第一反射镜M1和第三反射镜M3之间往复传播增强，入射到二次极化晶体时，通过控制二次极化晶体的长度等参数，实现基波和二次谐波的相位失配量达到|Δ21k|＞＞1，发生立方非线性效应，产生三次谐波从二次极化晶体的右端输出。
在一些可选的实施例中，还可以通过控制二次极化晶体的温度来实现相位失配，以发生立方非线性效应。
S6、第三反射镜M3对基波、二次谐波高反射，使得最终从第三反射镜M3输出三次谐波。
在本实施例中，级联二次谐波效应可以理解为：如果二次谐波和基波之间的相位匹配不存在，则波的频率会交换它们的能量。频率转换效率(SHG)的能量降低。对于较大的相位失配，倍频能量及其强度变得很小：正如上述描述到的：二次谐波的复振幅A2与项
Figure BDA0003530087370000071
成正比。此外，如果我们考虑和频率生成过程3ω＝2ω+ω，那么如果相位匹配条件有效，我们可以得到THG(三次谐波)的生成。
综上所述可知，传统基于相位匹配进行和频或差频技术，需要多个非线性晶体；而本实施例基于相位失配和级联谐波，只需一个2-4cm的二次极化晶体，即可实现光频三倍化，结构更加简单、易于实现。另外，本实施例的二次谐波所需的能量远低于传统方案的能量。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种基于级联二次谐波生成的光频率三倍化系统，其特征在于，包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、脉冲开关、泵浦源、Nd:YAG晶体以及二次极化晶体；其中，第一反射镜用于反射基波、二次谐波和三次谐波；第二反射镜用于反射二次谐波；第三反射镜用于反射基波和二次谐波；
泵浦源对Nd:YAG晶体进行泵浦，以产生基波，基波朝着第一方向和第二方向发射；其中，第一方向和第二方向相反；
朝着第一方向发射的基波经过脉冲开关后，到达第一反射镜，所述第一反射镜对基波进行发射，使基波的发射方向转为第二方向；
朝着第二方向发射的基波入射到二次极化晶体，经过二次极化晶体处理产生二次谐波；二次极化晶体输出的二次谐波，朝着第二方向到达第二反射镜，所述第二反射镜对第二谐波进行反射，使第二谐波的发射方向转为第一方向；
在二次极化晶体中，当基波和二次谐波的相位失配量达到|Δ21k|＞＞1时，发生立方非线性效应，产生三次谐波；其中，Δ21k表征归一化长度上的相位失配；
经过第一反射镜的反射，所有的三次谐波朝着第二方向射出。
2.根据权利要求1所述的一种基于级联二次谐波生成的光频率三倍化系统，其特征在于，沿着基波发射的方向，所述二次极化晶体的长度为2-4cm。
3.根据权利要求1所述的一种基于级联二次谐波生成的光频率三倍化系统，其特征在于，所述基波为波长为1060nm的红外激光。
4.根据权利要求1所述的一种基于级联二次谐波生成的光频率三倍化系统，其特征在于，第一反射镜和第三反射镜组成激光谐振腔，第一反射镜和第二反射镜形成二次谐波谐振腔；
在第二方向上，从二次极化晶体输出的基波，穿过第二反射镜后，到底第三反射镜，第三反射镜对基本进行反射，使基波的发射方向转为第一方向；
其中，基波在第一反射镜和第三反射镜之间往复传播增强。
5.根据权利要求1所述的一种基于级联二次谐波生成的光频率三倍化系统，其特征在于，当二次极化晶体产生的二次谐波不断地入射到二次极化晶体，产生级联二次谐波。
6.根据权利要求1所述的一种基于级联二次谐波生成的光频率三倍化系统，其特征在于，所述二次极化晶体采用二阶非线性材料制成。
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