CN117060216A - 一种腔长不敏感的非线性频率转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种腔长不敏感的非线性频率转换器，包括：第一薄透镜和第二薄透镜构成模式匹配透镜组，保证成像的束腰位置和大小与六镜环形腔的本征空间模式一致；单频光源的输出激光，通过EOM与伺服锁定系统构成PDH锁腔系统，实现基频光在六镜环形腔内的放大；当非线性光学晶体内部基频光强度达到非线性频率转换激光阈值时，产生非线性频率转换激光，依据六镜环形腔腔镜镀膜和非线性光学晶体的不同，实现不同类型的非线性频率转换激光输出。本发明通过调整六镜环形腔的两个平行光路对应延迟线的长度，实现最优的谐振腔模式匹配效果以及自由光谱范围的调节；六镜环形腔在实现基频光谐振的基础上，可以实现外腔谐振非线性频率转换，实现多波长谐振。
Description
技术领域
本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种腔长不敏感的非线性频率转换器。
背景技术
利用非线性光学频率转换技术可以实现从紫外波段到中红外波段的激光输出，在实际应用中具有重大的意义。脉冲式运转的激光器由于其较高的峰值功率(通常大于兆瓦量级)，在与非线性晶体作用过程中可以获得较高的能量转换效率。连续波激光器由于其功率密度远低于脉冲激光，无法通过单次泵浦的方式获得高转换效率的激光输出。为实现高转换效率的连续波单频非线性频率转换，通常采用外部谐振腔增强技术。当基频光的频率与谐振腔谐振的本征频率匹配时，基频光功率就会在谐振腔内放大几十倍到上百倍。
在保持频率匹配的前提下，限制非线性频率激光转换效率的因素主要就是基频光的空间模式与谐振腔本征空间模式的匹配程度。由于实际的激光器受激辐射输出的激光光束质量因子大于1，所以利用高斯光束的传输理论计算得到的模式匹配位置及束腰大小与实际的情况存在偏差。在谐振腔参数确定、频率匹配状态下无法进一步优化模式匹配。
在基频光谐振增强的条件下，依据基频光与非线性介质产生非线性效应的不同，产生高效率激光辐射的方式略有差异。具有较大的频移量的非线性频率转换(倍频、和频)，在保证谐振腔对基频光高Q值运转的前提下，利用镀膜对基频光及非线性频率转换激光不同透过率的特性使其从谐振腔输出以获得最大的激光转换效率；具有较大拉曼频移的受激拉曼散射的一阶斯托克斯光输出也可以通过谐振腔腔镜不同的光学镀膜将其与基频光分离，而如受激布里渊散射这种频移远小于光频的激光，只能在基频光与布里渊激光同时谐振的条件下才能获得高效率的输出；进一步地，级联的受激布里渊散射与受激拉曼散射激光输出需要谐振腔对多阶斯托克斯光同时谐振以产生更高阶的激光输出，满足多波长同时谐振需要对谐振腔进行手动调谐。
传统的四镜环形腔结构在进行腔长调整时，腔长的改变导致了光束反射角度的改变，进而导致了谐振腔内部的光束损耗变大，谐振增强的倍数变低，非线性效应产生的阈值也随之升高。为弥补腔长改变带来的基频光的空间分散，需要同时对构成谐振腔的两个腔镜进行调整，进而导致基频光进入锁腔回路的位置发生改变。所以传统的四镜环形腔无法在频率匹配的条件下进行多波长谐振调谐。上述的问题导致了空间光结构非线性频率转换激光器更多的限制在了基频光谐振的应用下。目前，没有一种空间光外腔结构可以同时满足在基频光谐振条件下进行腔长调整以实现多波长谐振。
发明内容
本发明提供了一种腔长不敏感的非线性频率转换器，本发明利用六镜环形腔实现了谐振腔模式和自由光谱范围的调节，在应用于外腔谐振非线性频率转换激光器时，基频光的反射光的角度不会发生偏移，因此可以在频率锁定的条件下进行谐振腔自由光谱范围的调整以实现多波长同时谐振增强；其两个平行的光路克服了传统的四镜环形腔调整过程中的反射光偏移的技术缺点；在泵浦光模式匹配透镜确定的条件下，可以通过调整谐振腔延迟线的长度来实现谐振腔模式的调整以获得最优的模式匹配效果，详见下文描述：
一种腔长不敏感的非线性频率转换器，所述非线性频率转换器包括：单频光源、第一薄透镜、第二薄透镜、EOM、光隔离器、二分之一波片、第一45度反射镜、第二45度反射镜、第一60反射镜、凹面反射镜、非线性光学晶体、PZT驱动凹面反射镜、第二60度反射镜、可移动平台以及伺服锁定系统；
第一45度反射镜、第二45度反射镜、第一60度反射镜、凹面反射镜、非线性光学晶体、PZT驱动凹面反射镜以及第二60度反射镜构成六镜环形腔；
第一60度反射镜、凹面反射镜、非线性光学晶体、PZT驱动凹面反射镜以及第二60度反射镜安装在可移动平台上面，构成延迟线结构，安装在可移动平台上面的部分可以相对于第一45度反射镜及第二45度反射镜平移；
第一薄透镜和第二薄透镜构成模式匹配透镜组；EOM与伺服锁定系统构成PDH锁腔系统；
当基频光在伺服锁定系统控制下实现频率锁定后，基频光在谐振腔内实现放大，当非线性光学晶体内部基频光强度达到非线性频率转换激光阈值，开始产生非线性频率转换激光；依据六镜环形腔的腔镜镀膜和非线性光学晶体的不同，实现不同类型的非线性频率转换激光输出。
其中，通过调整六镜环形腔的延迟线L5+L6的长度，实现谐振腔的自由光谱范围和束腰大小的调整。所述单频光源发出的束腰为w0的激光束，通过所述模式匹配透镜组，经光隔离器和二分之一波片后，成像的束腰位置和大小与所述六镜环形腔的本征空间模式w1一致。
所述EOM对单频光源进行调制使其频率ω0两边产生边频，在第一45度反射镜位置处，一部分进入六镜环形腔内，一部分反射进入伺服锁定系统；伺服锁定系统通过对反射信号解调进而控制PZT驱动凹面反射镜实现六镜环形腔结构对基频光谐振；多波长谐振时，对腔长调谐以使腔长满足多波长谐振条件。
所述非线性频率转换器可以用于实现不同类型的非线性光学频率转换激光输出，依据非线性频率转换频移量的不同分为两种情况：
基频光频率ω0与非线性频率转换激光频率ωs的差值远小于基频光频率时，对构成所述六镜环形腔的元件镀基频光与非线性频率转换激光高反射率膜，同时调谐腔长使谐振腔满足多波长谐振；当基频光频率ω0与非线性频率转换激光频率ωs的差值与基频光频率可比拟时，对构成所述六镜环形腔元件中的第一45度反射镜、第二45度反射镜、第一60度反射镜、非线性光学晶体、PZT驱动凹面反射镜以及第二60度反射镜镀基频光与非线性频率转换激光高反射率膜，凹面反射镜镀基频光高反射率和非线性频率转换激光增透膜，用以实现非线性频率转换激光的高效率输出。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、该非线性频率转换器在六镜环形腔的基础上，利用六镜环形腔特有的延迟线结构，可以在谐振腔保持谐振的条件下实现空间模式和自由光谱范围的调节；
2、由于六镜环形腔特有的结构，在调整谐振腔模式时，进入伺服锁定系统的空间光位置不会发生改变，可以保证谐振腔在基频光谐振的条件下优化非线性频率转换激光器的转换效率；
3、利用本发明提出的结构，可以实现谐振腔在基频光谐振的基础上，实现多波长谐振，以非线性频率转换激光高阶级联，实现频率梳或高阶单频激光产生。
附图说明
图1为一种腔长不敏感的非线性频率转换器的结构示意图；
图2为六镜环形腔的结构示意图；
图3为多波长谐振示意图；
图4为注入激光与谐振腔的模式匹配示意图；
图5为子午面和弧矢面束腰大小随L5+L6距离和的变化示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：单频光源； 2：第一薄透镜；
3：第二薄透镜； 4：EOM；
5：光隔离器； 6：二分之一波片；
7：第一45度反射镜； 8：第二45度反射镜；
9：可移动平台； 10：第一60度反射镜；
11：PZT驱动凹面反射镜； 12：非线性光学晶体；
13：凹面反射镜； 14：第二60度反射镜；
15：伺服锁定系统； 16：等效谐振腔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
一种腔长不敏感的非线性频率转换器，如图1所示，该非线性频率转换器包括：单频光源1、第一薄透镜2、第二薄透镜3、EOM4、光隔离器5、二分之一波片6、第一45度反射镜7、第二45度反射镜8、可移动平台9、第一60度反射镜10、PZT驱动凹面反射镜11、非线性光学晶体12、凹面反射镜13、第二60度反射镜14和伺服锁定系统15。
第一45度反射镜7、第二45度反射镜8、第一60度反射镜10、凹面反射镜13、非线性光学晶体12、PZT驱动凹面反射镜11以及第二60度反射镜14构成六镜环形腔，其中第一45度反射镜7、第二60度反射镜14之间的激光束方向与第二45度反射镜8、第一60度反射镜10之间的激光束方向平行。同时第一60度反射镜10、凹面反射镜13、非线性光学晶体12、PZT驱动凹面反射镜11以及第二60度反射镜14安装在可移动平台9上面，构成延迟线结构。
图2是六镜环形腔结构示意图。L1是PZT驱动凹面反射镜11和凹面反射镜13之间的距离，L2是PZT驱动凹面反射镜11和第二60度反射镜14之间的距离，L3是第一60度反射镜10和凹面反射镜13之间的距离，L4是第一45度反射镜7和第二45度反射镜8之间的距离，L5是第一45度反射镜7和第二60度反射镜14之间的距离，L6是第二45度反射镜8和第一60度反射镜10之间的距离。非线性光学晶体12的长度为l，折射率为n，故PZT驱动凹面反射镜11和凹面反射镜13之间的实际光学长度为L1+(n-1)l，谐振腔总的光学长度L＝L1+(n-1)l+L2+L3+L4+L5+L6。
六镜环形腔的自由光谱范围FSR为：
其中，c为光速，安装在可移动平台9上面的部分可以相对于第一45度反射镜7及第二45度反射镜8平移，同步改变L5和L6的距离，从而实现自由光谱范围的变化。
EOM4与伺服锁定系统15构成PDH锁腔系统。单频光源1输出的单频激光经过EOM4进行电光相位调制，获得一个边带周期等于调制频率的激光信号，利用单频激光频率作为参考源并结合PZT扫腔技术，得到色散型谱线与误差信号，通过伺服控制系统15来反馈调节六镜环形腔的腔长，从而将谐振腔的共振频率锁定在单频激光频率上。此时基频光在腔内循环一周的光程恰好稳定在其波长的整数倍，确保基频光在腔内始终处于谐振增强状态，腔内基频光功率可以获得几十上百倍的功率叠加。
具体实现时，当基频光在伺服锁定系统15控制下实现频率锁定后，基频光在谐振腔内实现放大，当非线性光学晶体内部基频光强度达到非线性频率转换激光阈值，开始产生非线性频率转换激光。
进一步地，依据六镜环形腔腔镜镀膜和非线性光学晶体的不同，可以实现不同类型的非线性频率转换激光输出，例如：具有较大拉曼频移的受激拉曼散射的一阶斯托克斯光输出也可以通过谐振腔腔镜不同的光学镀膜将其与基频光分离，而如受激布里渊散射这种频移远小于光频的激光，只能在基频光与布里渊激光同时谐振的条件下才能获得高效率的输出；进一步地，级联的受激布里渊散射与受激拉曼散射激光输出需要谐振腔对多阶斯托克斯光同时谐振以产生更高阶的激光输出，满足多波长同时谐振需要对谐振腔进行手动调谐。
图3为多波长谐振示意图。假设六镜环形腔内存在多波长的光，分别为λi(i＝1,2,3…)，腔内会形成如图3所示的驻波模式，只有特定波长的激光才能在腔内发生相长干涉，而光在谐振腔谐振增强的条件是运行一周期的长度为该波长的整数倍，即：
L＝miλi＝L1+(n-1)l+L2+L3+L4+L5+L6
其中，m为正整数，通过手动调谐L5和L6的距离，改变腔长L的大小，使腔长L满足为不同波长最小公倍数的整数倍，从而实现多波长谐振。
图4是注入激光与谐振腔的模式匹配示意图。其中d是第一薄透镜2和第一薄透镜3的相对距离。等效谐振腔16是六镜环形腔结构等效于基频光循环一周的直腔结构，其中，基频光从第一45度反射镜7进入，沿着第一45度反射镜7→第二45度反射镜8→第一60度反射镜10→凹面反射镜13→PZT驱动凹面反射镜11→第二60度反射镜14→第一45度反射镜7方向循环一周，等效谐振腔16中各个腔镜对应的距离与图2中的六镜环形腔距离一致。L2是单频光源1的束腰到第一薄透镜2的距离，L7是第二薄透镜3到第一45度平面镜7的距离。
进一步地，六镜环形腔采用对称结构，本征空间模式的束腰位置存在两个，分别位于L1中心处和L4的中心处。当光线入射到PZT驱动凹面反射镜11和凹面反射镜13的子午面、弧矢面时，会产生不同角度的反射，光线在凹面反射镜的子午面与弧矢面上的焦距fT和fS分别表示为：和/>(R为凹面反射镜的曲率半径，15°为入射光束轴线与凹面反射镜轴线的夹角)。利用ABCD矩阵，可得L1中心处的束腰平方/>为：
其中，λ为谐振波长，fi为子午面焦距fT或弧矢面焦距fS，L0＝L2+L3+L4+L5+L6。谐振腔稳定条件是光腰平方为非负值。
第一薄透镜2的焦距为f1，第二薄透镜3的焦距为f2，两者的等效焦距f为：
单频光源1发出激光的束腰大小为w0，该束腰到第一薄透镜2的距离为din，通过第一薄透镜2和第二薄透镜3组成的耦合透镜组，成像的位置和第二薄透镜3的距离为dout，成像的束腰大小为w′0，且满足：
为了保证基频光的模式与谐振腔良好的匹配，需要将基频光的束腰聚焦到谐振腔的L1中心位置，即dout＝L8+L3+L4+L6+L1/2，通过调节相对距离d，改变等效焦距f，从而确定成像的位置和成像的束腰w′0大小，实现基频光的模式与六镜环形腔本征空间模式束腰w1良好的匹配。但由于实际的激光器受激辐射输出的激光光束质量因子大于1，环形腔的各反射镜的夹角也会引入一定的像差，所以利用高斯光束的传输理论计算得到的模式匹配位置及束腰大小与实际的情况存在偏差，此时，模式匹配的进一步优化可以通过可移动平台9调整，改变谐振腔的延迟线长度进而调整六镜环形腔腔长，从而获得最优的模式匹配效果。
综上所述，本发明提出了一种腔长不敏感的非线性频率转换器，通过谐振腔两个平行光路对应延迟线的调整，克服了传统的四镜环形腔调整过程中的反射光偏移的技术缺点，实现了谐振腔模式和自由光谱范围的调节；同时六镜环形腔在实现基频光谐振的基础上，可以实现外腔谐振非线性频率转换，实现多波长谐振。
实施例2
本实施例2为金刚石布里渊非线性频率转换器，下面以具体的器件参数为例进行进一步地介绍，详见下文描述：
单频光源1选用波长1064nm、线宽<1MHz的单频激光器，非线性光学晶体12选用金刚石，作为布里渊介质，长度为5mm，折射率为2.392。第一45度反射镜7作为输入耦合镜，镀反射率R＝96％@1064nm的高反膜、第二45度反射镜8、第一10度反射镜10、第二60度反射镜14均镀反射率R＞99.98％@1064nm的高反膜；PZT驱动凹面反射镜11和凹面反射镜13曲率半径均为100mm且均镀反射率R>99.98％@1064nm的高反膜。六镜环形腔初始腔长约为821.96mm，对应的自由光谱范围，即纵模间隔为364.98MHz，其中各腔镜对应距离：L1＝100mm，L2＝L3＝130mm，L4＝115mm，L5＝L6＝165mm。
图5是子午面和弧矢面的束腰大小随L5+L6距离和的变化示意图。当L5＝L6＝165mm时，子午面的束腰大小wT和弧矢面ws近似相等，均为34.7401μm，且子午面和弧矢面的束腰大小均与L5+L6距离和成反比。在满足谐振腔稳定条件下，L5+L6距离和可以在0～560mm之间调谐。
该非线性频率转换器达到布里渊阈值所需的泵浦功率Pth为：
其中，gs为布里渊增益系数，Lloss为腔内被动损耗，leff为增益介质有效长度，γ为模式匹配因子。通过减小延迟线长度L5+L6，在一定程度上可以减小子午面和弧矢面束腰大小，降低阈值功率。当金刚石内部1064nm的基频光达到布里渊阈值后，可以产生1064.12nm的Stokes光，通过对腔长的优化来支持基频和斯托克斯场频率的双重共振。
实施例3
本实施例3为金刚石拉曼非线性频率转换器，与实施例2对应的金刚石布里渊非线性频率转换器的结构相同，区别在于六镜环形腔的镀膜以及阈值的不同，详见下文描述：
非线性光学晶体12选用金刚石，作为拉曼介质，长度为5mm，折射率为2.392。第一45度反射镜7作为输入耦合镜，镀反射率R＝96.5％@1064nm和R>99.9％@1240nm的高反膜、第二45度反射镜8、第一10度反射镜10、第二60度反射镜14均镀反射率R＞99.9％@1064nm和1240nm的高反膜；PZT驱动凹面反射镜11曲率半径为100mm，且镀反射率R>99.9％@1064nm和1240nm的高反膜，凹面反射镜13曲率半径为100mm，且镀反射率R>99.9％@1064nm的高反膜和透射率T＝0.5％@1240nm的增透膜。
该非线性频率转换器达到拉曼阈值所需的泵浦功率Pth为：
其中，α为拉曼晶体吸收系数，l为拉曼晶体12的长度，g为拉曼增益系数，T为PZT驱动凹面反射镜11在1240nm的透射率。通过减小延迟线长度L5+L6，在一定程度上可以减小子午面和弧矢面束腰大小，降低阈值功率。当金刚石内部1064nm的基频光达到拉曼阈值后，可以产生1240nm的Stokes光，随着基频光功率的增加，可能会激发二阶Stokes光的产生，可以对PZT驱动凹面反射镜11和凹面反射镜13镀二阶拉曼波长1485nm的增透膜，在一定范围内能够有效抑制二阶Stokes光的产生。通过优化腔长L5和L6的距离，使基频光与拉曼光在谐振腔内实现双共振。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种腔长不敏感的非线性频率转换器，其特征在于，所述非线性频率转换器包括：单频光源、第一薄透镜、第二薄透镜、EOM、光隔离器、二分之一波片、第一45度反射镜、第二45度反射镜、第一60反射镜、凹面反射镜、非线性光学晶体、PZT驱动凹面反射镜、第二60度反射镜、可移动平台以及伺服锁定系统；
第一45度反射镜、第二45度反射镜、第一60度反射镜、凹面反射镜、非线性光学晶体、PZT驱动凹面反射镜以及第二60度反射镜构成六镜环形腔；
第一60度反射镜、凹面反射镜、非线性光学晶体、PZT驱动凹面反射镜以及第二60度反射镜安装在可移动平台上面，构成延迟线结构；
第一薄透镜和第二薄透镜构成模式匹配透镜组；EOM与伺服锁定系统构成PDH锁腔系统；
当基频光在伺服锁定系统控制下实现频率锁定后，基频光在谐振腔内实现放大，当非线性光学晶体内部基频光强度达到非线性频率转换激光阈值时，开始产生非线性频率转换激光；依据六镜环形腔的腔镜镀膜和非线性光学晶体的不同，实现不同类型的非线性频率转换激光输出。
2.根据权利要求1所述的一种腔长不敏感的非线性频率转换器，其特征在于，通过调整六镜环形腔的延迟线L5+L6的长度，实现谐振腔的自由光谱范围和束腰大小的调整。
3.根据权利要求1所述的一种腔长不敏感的非线性频率转换器，其特征在于，所述单频光源发出的束腰为w0的激光束，通过所述模式匹配透镜组，经光隔离器和二分之一波片后，成像的束腰位置和大小与所述六镜环形腔的本征空间模式w1一致。
4.根据权利要求1所述的一种腔长不敏感的非线性频率转换器，其特征在于，所述EOM对单频光源进行调制使其频率ω0两边产生边频，在第一45度反射镜位置处，一部分进入六镜环形腔内，一部分反射进入伺服锁定系统；伺服锁定系统通过对反射信号解调进而控制PZT驱动凹面反射镜实现六镜环形腔结构对基频光谐振；多波长谐振时，对腔长调谐以使腔长满足多波长谐振条件。
5.根据权利要求4所述的一种腔长不敏感的非线性频率转换器，其特征在于，所述非线性频率转换器用于实现不同类型的非线性光学频率转换激光输出，依据非线性频率转换频移量的不同分为两种情况：
基频光频率ω0与非线性频率转换激光频率ωs的差值远小于基频光频率时，对构成所述六镜环形腔的元件镀基频光与非线性频率转换激光高反射率膜，同时调谐腔长使谐振腔满足多波长谐振；当基频光频率ω0与非线性频率转换激光频率ωs的差值与基频光频率可比拟时，对构成所述六镜环形腔元件中的第一45度反射镜、第二45度反射镜、第一60度反射镜、非线性光学晶体、PZT驱动凹面反射镜以及第二60度反射镜镀基频光与非线性频率转换激光高反射率膜，凹面反射镜镀基频光高反射率和非线性频率转换激光增透膜，用以实现非线性频率转换激光的高效率输出。
6.根据权利要求2所述的一种腔长不敏感的非线性频率转换器，其特征在于，所述六镜环形腔的自由光谱范围FSR为：
其中，c为光速，L为六镜环形腔的腔长，n为非线性晶体折射率，l为非线性晶体长度，L1是PZT驱动凹面反射镜和凹面反射镜之间的距离，L2是PZT驱动凹面反射镜和第二60度反射镜之间的距离，L3是第一60度反射镜和凹面反射镜之间的距离，L4是第一45度反射镜和第二45度反射镜之间的距离，L5是第一45度反射镜和第二60度反射镜之间的距离，L6是第二45度反射镜和第一60度反射镜之间的距离。
7.根据权利要求6所述的一种腔长不敏感的非线性频率转换器，其特征在于，所述束腰的平方为：
其中，λ为谐振波长，fi为子午面焦距fT或弧矢面焦距fS，L0＝L2+L3+L4+L5+L6。
Priority Applications (1)
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| CN202311015354.9A CN117060216A (zh) | 2023-08-11 | 2023-08-11 | 一种腔长不敏感的非线性频率转换器 |
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2023
- 2023-08-11 CN CN202311015354.9A patent/CN117060216A/zh active Pending
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