CN118210182A - 一种基于Ba3（ZnB5O10）PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光装置，尤其涉及一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统，属非线性光学、激光领域。包括一种新型非线性光学材料Ba3(ZnB5O10)PO4(BZBP)晶体。利用其非临界相位匹配直接倍频中心波长为700‑1740nm的商用成熟激光器，产生350‑870nm可调谐激光，调谐范围覆盖全部的可见光波段。该激光器具有结构简单紧凑、成本低、小型化、可靠性高、稳定性好等优点。因为该激光器所采用的倍频材料BZBP晶体是沿折射率主轴加工的，应用BZBP晶体的非临界相位匹配技术，可以增加激光器稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统，属于激光和非线性光学技术领域。
背景技术
“赤橙黄绿青蓝紫”即人们常说的可见光，可见光波段为390-780nm，该波段激光在关系国民经济和国家安全的众多领域有重要的需求，在激光武器、通信、安全防护已经获得广泛应用。可见光波段激光可以通过以下技术实现：(1)半导体激光器直接输出，但该技术产生黄光受限于量子阱较浅且有很大的拉应力和张应力，尚处于实验室研制阶段，无法覆盖全部的可见光波段；(2)以激光辐射跃迁的方式产生，通过泵浦激光晶体产生可见激光，利用该技术也只能实现500-800nm波段的可见光，且受限于当前泵浦源的功率，输出功率较低，尚处于实验室研制阶段；(3)线性频率转换，其中的非线性效应包括和频、倍频(自倍频)、差频及拉曼散射等，但利用此类技术，需满足相位匹配条件，在特定的波长下满足特定的角度才可以实现激光输出，对材料的对称性要求较高。故可见光激光的发展亟需新器件的引入和发明。
可调谐激光相对于固定波长激光器的优势不言自明，它可以在一套激光系统中，实现波长调谐输出，这就增加了激光光源的实用性，降低了使用成本，提高设备的紧凑性。可调谐宽带光源在光通讯、光动力学、光计算、环境监测、光学相干层析成像、激光遥感、激光雷达以及光谱学研究等许多重要领域都有着非常广泛的应用。它可以作为光通讯波分复用系统中的信号源、信号转换器或放大器；在环境监测方面，可调谐光源输出的多种波长可满足大气窗口条件，能够穿过各种气候条件下的大气，以此来获得优化的信噪比，进行高精度大气成分检测。为此，国内外对可调谐激光的研究高度重视，其发展日新月异，成为激光技术领域中最为活跃的课题之一。
因此本发明，设计一种简单的基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统，只使用同一块BZBP倍频晶体，基于非临界相位匹配技术，实现可见光波段可调谐激光输出，大大降低了器件设计的复杂性及生产成本。
发明内容
针对现有实现可见光波段可调谐激光器输出技术的不足，本发明提供一种基于BZBP晶体的可见光波段可调谐激光系统，基于非临界相位匹配技术，产生350-870nm宽波段激光输出，可调谐范围几乎覆盖可见光波段。该发明能够降低生产成本，克服了传统可见光波段激光器波长单一，转换效率低的问题。
术语解释
相位匹配(CPM)：非线性光学频率变换过程中，入射光波在它经过的地方产生谐频极化波，这些谐频极化波在晶体中传播并且相互干涉，其结果就是测量到的谐波总强度。这个强度与各位置所产生的谐波相位差有关，如果相位差为零，即相位一致，则谐波得到有效加强；如果相位差不一致，则谐波将相互抵消；甚至完全观察不到谐波输出。显然，只有当入射光波的传播速度与谐波的传播速度相等时，晶体中各位置产生的谐波才因相位一致而相互加强，这种情况称为相位匹配。
非临界相位匹配(NCPM)：对双轴晶而言是指沿折射率主轴方向的相位匹配，其他情况下的相位匹配称为临界相位匹配(CPM)。与CPM相比，NCPM有允许角大，走离角为零以及晶体利用率高的优势，因此也称为最优相位匹配。
倍频(SHG)：光学倍频又称光学二次谐波，是指由于光与非线性介质(一般是晶体)相互作用，使频率为ω的基频光转变为2ω的倍频光的现象。
棱镜：一种由两两相交但彼此均不平行的平面围成的透明物体，基于构成的光学材料对不同波长的光具有不同的折射率，用以分光。
低通滤波片：是指在特定的波长范围内，让一定范围内的短波部分的光通过或者高透，而截止点以下的长波部分波段的光截至的一种光学元件。
本发明应用一种新型非线性光学晶体材料，BZBP晶体，能够通过泵浦源直接泵浦产生350-870nm的倍频激光输出。
所述晶体材料化学式为：BZBP，属于正交晶系，空间群Pmn21，负双轴晶。
所述晶体材料BZBP晶体透射范围从180nm到2500nm，有利于实现宽波段激光输出。
所述晶体材料与常用的可以实现可调谐的非线性光学晶体KNbO3、LiNbO3、LBO等相比具有显著的优势，KNbO3可实现419-475nm，LiNbO3可实现514-694nm，其中应用最广泛的LBO晶体也仅能实现475-670nm范围的倍频输出；同时与LBO相比，BZBP具有更大的非线性光学系数，具有更广的调谐范围，BZBP可实现350-870nm范围的倍频输出。
BZBP具有优秀的物理及化学性能，具有有效非线性光学系数大、透光波段宽、抗激光损伤阈值高、相位匹配范围大、不潮解、实现大尺寸单晶的生长等优点，是性能优良的新型的非线性光学晶体，具有广阔应用前景。
本发明中选用激光缩束系统，首先整合由泵浦源中发出的泵浦光，通过改变光斑大小从而改变功率密度，然后对BZBP晶体进行泵浦。
本发明中所述缩束系统包括焦距不同的第一平凸透镜及第二平凸透镜。
本发明中通过调整倍频晶体的入射方向，使两束激光满足偏振条件，产生倍频输出。
本发明中所述非线性光学晶体为Z切BZBP，所述非线性光学晶体按照折射率主轴X、Y、Z轴定向，两个Z向通光面抛光；Z切BZBP是指：通光方向为Z轴，沿垂直晶体Z轴平面切割抛光。
本发明中选用晶体控温装置，加工成与BZBP晶体通光方向长度相匹配的尺寸，贴于倍频晶体两侧，将非线性光学晶体的温度控制在某一恒定值，所述控温装置的控温精度为±0.1℃。
此处设计的优势在于，控温系统的设置，以期找到最佳温度，获得更宽范围的倍频光输出。
本发明中使用泵浦源直接泵浦BZBP晶体，获得350-870nm的可见光波段宽范围可调谐激光输出。
本发明基于BZBP晶体的可见光波段可调谐激光系统，通过采用上述技术方案，光学介质仅用一块晶体可以实现350-870nm的可见光波段宽范围可调谐激光输出。
本发明中上述一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统的工作方法，具体步骤包括：
(1)所述基频光源产生基频光；
(2)基频光通过所述缩束系统，进入所述非线性光学晶体，在所述非线性光学晶体中发生倍频作用；
(3)改变泵浦源的输出波长，从而得到不同波长的倍频光输出，达到可调谐作用。
本发明至少包括以下有益效果：
1)本发明中光学介质仅需要一块非线性晶体BZBP晶体，可通过倍频效应直接实现350-870nm可见光波段宽范围可调谐激光输出，极大了降低生产成本。
2)本发明从根本上简化了可见光波段可调谐的激光系统的结构设计，不包含机械运动部件，非临界相位匹配较大的容限角的特性降低了对基频光光束质量的要求，以简单的系统实现可调谐宽波段激光输出，稳定性高，波长调谐速度快。
3)本发明在泵浦光功率不变的前提下，可通过控制缩束系统的焦距改变功率密度和改变控温系统调整倍频晶体的温度，从而实现更宽波段的激光输出。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统的结构示意图，其中：1-泵浦源，2、3-缩束系统，4-倍频晶体BZBP，5-控温系统，6-棱镜。
图2为本发明所述的一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统的结构示意图，其中：1-泵浦源，2、3-缩束系统，4-倍频晶体BZBP，5-控温系统，6-低通滤波片。
图3为本发明所用BZBP晶体的相位匹配图。
图4为本发明输出波长光谱曲线，横坐标为输出波长(nm)，纵坐标为强度。
具体实施方式
一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统，通过非临界相位匹配及倍频效应产生350-870nm激光。
如图1、2所示，本发明涉及一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统，包括：1-泵浦源，2、3-缩束系统，4-倍频晶体BZBP，5-控温系统，6-棱镜或低通滤波片。下面结合具体实施例进行详细描述，单不仅限于此，本发明未详尽说明之处，均按照本领域常规技术。
实施案例1一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统，如图1所示，包括依次设置的1-泵浦源，2、3-缩束系统，4-倍频晶体BZBP，5-控温系统，6-棱镜或低通滤波片，控温系统用于控制上述非线性光学晶体的温度，以探究倍频输出波长范围。所用泵浦源为Nd：YAG激光器，上述温度控制装置可以将非线性光学晶体控制在10℃，输出激光波段为532nm。
实施案例2一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统，其结构如实施案例1所示，所不同的是，所用晶体BZBP温度为50℃。
实施案例3一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统，其结构如实施案例1所示，所不同的是，所用泵浦源为光参量振荡器OPO，输出波段为350-870nm。
实施案例4一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐的激光系统，其结构如实施案例1所示，所不同的是，所用泵浦源为光参量振荡器OPO，所用晶体BZBP温度为50℃。
实施案例5一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统，其结构如实施案例1所示，所不同的是，所用泵浦源为钛宝石激光器，可输出350-450波段可调谐激光。
实施案例6一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统，其结构如实施案例1所示，所不同的是，所用泵浦源为钛宝石激光器，所用晶体BZBP温度为50℃。
上述仅是本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，本发明可以是多种多样的。任何修改、等效替换、改进等，在本发明的框架和原理范围内的，应当在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统，其特征在于，光学介质为一种新型非线性光学晶体Ba3(ZnB5O10)PO4(BZBP)，通过非临界相位匹配技术产生350-870nm倍频激光，调谐范围覆盖全部的可见光波段。
2.根据权利要求1所述的一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统，其特征在于，本发明由所述泵浦源为700-1740nm的激光器，可以是钛宝石激光器、半导体激光器(LD)、Nd/Yb/Er掺杂的全固态激光器以及基于非线性效应的拉曼激光器和光学参量振荡器(OPO)等。
3.根据权利要求1所述的一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统，其特征在于，本发明的非线性光学晶体(4)为能够实现宽波段可调谐输出的BZBP晶体，其通光面镀300-1800nm的增透膜，所述晶体的通光面可以为正方形、长方形及圆形，通光方向长度为3-30mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统，其特征在于，非线性光学介质仅为一块BZBP晶体，通过非临界相位匹配技术，不需要改变相位匹配角度，就可实现可见光波段350-870nm可调谐激光输出。
5.根据权利要求1所述的一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统，其特征在于，本发明的非线性光学晶体放置在控温系统上，所述控温系统的温度范围为5-200℃。
6.根据权利要求1所述的一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统，其特征在于，本发明的分光元件(6)可以是棱镜或者是低通滤波片。
7.根据权利要求1所述的一种基于Ba3(ZnB5O10)PO4晶体的可见光波段可调谐激光系统，其特征在于，本发明光学系统包括依次设置的泵浦源、聚焦系统、倍频晶体、控温系统和棱镜或低通滤波片。
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