CN1288275A - 双周期超晶格及其在激光变频中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双周期超晶格及其在激光变频中的应用,这种超晶格以铁电晶体为基质,通过一种特定双调制结构的设置,能够同时提供用来匹配倍频和和频波矢失配的二个倒格矢,从而使三倍频能够持续的增长,从而实现高效三倍频,或实现倍频、三倍频的同时输出。具有这种结构的钽酸钾(LiTaO₃)超晶格可用于对Nd:YVO₄和Nd:YAG激光器的1064纳米激光实行三倍频,输出355纳米的紫外激光。

Description

双周期超晶格及其在激光变频中的应用

本发明涉及一种双调制结构超晶格设置，以及这种双周期超晶格在激光变频中的应用，这种超晶格具有直接三倍频的功能。

祝世宁等人1997年在Science上发表了“用准周期Fibonacci光学超晶格(QPOS)实现绿光三倍频”的文章，利用准周期Fibonacci序列的LiTaO₃超晶格，三倍频1570nm的Nd：YAG激光，产生523nm的绿光。QPOS中的基本参数l=10.7μm，A=24μm，B=17.5μm。样品总长度为8mm，厚度为0.5mm。1570nm红外光单次通过QPOS三倍频，产生绿光功率达6mW，转换效率为23％。

J.P.Meyn和M.M.Feier在1997年的Opt.Lett上发表了“利用周期极化的钽酸锂通过二倍频获得紫外输出”的文章。钽酸锂超晶格的周期为2.625微米，获得的紫外激光的波长是325纳米，其有效非线性系数为2.6pm/V，是理论值的55％。

A.Arie等人在Optics Communications上发表了“用周期极化的KTP准位相匹配产生倍频绿光和紫外光”的文章，他们利用一块周期为8.98微米的KTP超晶格实现了对783.5纳米激光的倍频紫外输出。1厘米长的超晶格晶体，泵浦光为259mW时，可得到75.3μW的紫外激光，转换效率约为0.12％/W。

以上三篇文章分别介绍了用准周期光学超晶格实现绿光三倍频和用周期光学超晶格实现激光紫外倍频。在第一篇文章中，使用的是标准的Fibonacci的准周期超晶格。第二篇文章和第三篇文章分别是用周期超晶格对650纳米和783.5纳米光源倍频实现紫外激光输出。所有上述方案均不涉及双调制结构超晶格和利用该结构的超晶格实现激光三倍频，不涉及对1064纳米激光进行直接三倍频获得355纳米紫外激光。

本发明的目的在于寻找一种新型的光学超晶格设置结构_双调制结构，该结构能实现多波长激光倍频和对任何波长的激光三倍频。从而提供一种光学超晶格晶体作为三倍频频率转换器件，构成一种高效率的小型全固态的能够输出绿光、蓝光、紫光或近紫外的激光器。特别是采用一块双周期结构的LiTaO₃超晶格对Nd：YVO₄和Nd：YAG激光器1064纳米输出直接三倍频，获得355纳米的紫外激光输出。

本发明的目的是这样实现的：利用一块双调制(双周期或周期_准周期)结构的钽酸锂(或其他非线性光学材料)超晶格作为激光变频介质，其特征在于：这种双调制结构能够同时提供用来匹配倍频和和频波矢失配的二个倒格矢，从而使三倍频能够持续的增长，实现高效的三倍频输出。由于该结构的倒格矢的位置和大小可通过对结构参数设置进行调节，从而可以实现任意波段尤其是蓝光、近紫外和紫外的激光高效三倍频。

现以双周期超晶格为例说明这种双调制结构超晶格的设置过程：

基本思路是对于任意的基波波长，选取其周期结构参数使该结构中倍频过程及和频过程产生的波矢失配大小相等。在这种情况下，二次谐波输出是等振幅或变振幅振荡的，三次谐波输出是在轻微振荡中增长的。二次谐波三次谐波的强度随周期超晶格晶体长度的关系如图3所示。这样，以二次谐波输出的振荡周期为新的周期对原周期结构进行再次调制。其结果是二次谐波得到持续增长，导致三次谐波光也能够高效输出。基波、倍频和三倍频的强度随双周期超晶格晶体长度的关系如图4所示(周期_准周期超晶格的设置思想与方法同)。图1和图2是其中一种双周期设置方案的模板和频谱。

在图1中我们看到，双周期的主要参数是小的周期结构的周期l和大的调制周期结构的周期L。如果这两个参数确定了，双周期结构基本上就确定了。下面我们看看如何通过设置的要求来导出这两个基本参数。

图2是双周期结构的典型频谱图。我们用G_m，n来表示这种双周期结构的主要倒格矢，m，n是整数。 $G_{m,n}=\frac{2\mathrm{\πm}}{l}+\frac{2\mathrm{\πn}}{L}-------\left(1\right)$

△k₁，△k₂分别代表倍频及和频过程中的波矢失配，如果我们选择双周期结构中的G_m，n和G_m’，n’分别来补偿这两个波矢失配，则有： $G_{m,n}-\mathrm{\Δ}{k}_1=\frac{2\mathrm{\πm}}{l}+\frac{2\mathrm{\πn}}{L}-\mathrm{\Δ}{k}_1=0$ ..........(2) $G_{m\text{'},n\text{'}}-\mathrm{\Δ}{k}_2=\frac{2\mathrm{\πm}\text{'}}{l}+\frac{2\mathrm{\πn}\text{'}}{L}-\mathrm{\Δ}{k}_2=0$ 由以上公式我们可求出双周期的主要结构参数l和L的表达式： $l=\frac{2\mathrm{\π}(\mathrm{mn}\text{'}-m\text{'}n)}{\mathrm{\Δ}{k}_{1}n\text{'}-\mathrm{\Δ}{k}_{2}n}$ …………(3) $L=\frac{2\mathrm{\π}(\mathrm{nm}\text{'}-n\text{'}m)}{\mathrm{\Δ}{k}_{1}m\text{'}-\mathrm{\Δ}{k}_{2}m}$ 其中的△k₁，△k₂又可表示为： $\mathrm{\Δ}{k}_1=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n_2-n_1)$ ……………(4) $\mathrm{\Δ}{k}_2=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(3n_3-2n_2-n_1)$

(4)式中的n₁，n₂，n₃分别是超晶格晶体在基波，二倍频，三倍频时的折射率。一般情况下，选择m=1，n=-1，m’=3，n’=1(图1，图2就是这种情况)。如果以最常用的Nd激光器的1064nm输出为基波，设置温度为40℃，双周期结构的两个基本参数l=6.77um，L=50.86um(对LiTaO₃而言)。

在具体的设置中，一组用来匹配倍频失配和和频失配的两个倒格矢可作灵活选择。可选择G_1，-1，G_3，1或者G_1，-1，G_3，-1或者G_1，-3，G_3，-1，不同的选择导致不同的双周期结构，对应于不同的基波波长。

因为紫外、近紫外光已靠近LiTaO₃晶体的吸收边，实际三倍频的转换效率要比理论计算的略小。同时，为了消除光折变效应对转换效率和光斑质量的影响，设置的匹配温度最好在100℃～200℃之间。

这种双周期结构的超晶格可用铁电晶体材料，如LiTaO₃，LiNbO₃，KTP等，通过室温极化或条纹生长法来制备，结合波导工艺也可以制备成具有同样频率转换功能的双调制畴结构光波导器件。即LT、LN或KPT超晶格作为激光变频介质。

在材料设置中需要利用材料折射率的色散公式，这里给出LiTaO₃单晶的含温度系数的色散公式： ${n_e}^2(\mathrm{\λ},T)=A+\frac{B+b\left(T\right)}{{\mathrm{\λ}}^2-{\[C+c\left(T\right)\]}^2}+\frac{E}{{\mathrm{\λ}}^2-F^2}+D{\mathrm{\λ}}^2$ 其中的参数为：

A=4.5284，B=7.2449×10^-3，C=0.2453，D=-2.3670×10^-2，

E=7.7690×10^-2，F=0.1838，b(T)=2.6794×10^-8(T+273.15)²，

c(T)=1.6234×10^-8(T+273.15)²。对其他材料如LiNbO₃，KTP等请参阅非线性光学材料手册和有关文献。

本发明的特点是：本发明用光学超晶格晶体代替常规使用的非线性光学晶体，用双调制结构光学超晶格代替周期、准周期结构光学超晶格，从而可对任何激光波长实现直接三倍频。由于LiTaO₃紫外吸收边在280纳米，采用一块双周期结构的LiTaO₃超晶格可实现对最普及的Nd激光器1064纳米输出的直接三倍频，获得355纳米的紫外输出。和半导体激光器相结合，可研制成低阈值、高效率、优质光束、结构简单和小型全固态紫外激光器。因而在光谱学，生物医学，生物医药研究，光信息储存及其他领域得将到广泛的应用。

下面结合附图及具体实施方案对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明的一种双周期设置方案的模板示意图

图2是双周期结构的典型频谱图，横座标为倒格矢，纵座标为傅立叶系数值

图3所示为二次谐波、三次谐波的强度随周期超晶格晶体长度的关系图。三倍频效率随着晶体横轴的长度增加而增加。以二次谐波输出的振荡周期为新的周期对原周期结构进行再次调制。其结果是二次谐波得到持续增长，导致三次谐波光也能够高效输出。

图4为基波、倍频和三倍频的强度随双周期超晶格晶体长度的关系图，其中纵座标表示转换效率，而FG、SHG、THG三根曲线分别表示基波、倍频和三倍频的转换效率，横座标为长度。

图5是本发明的紫外、近紫外激光器的结构示意图。

图6是本发明的紫外、近紫外激光器的一种镀膜设置的结构示意图。

图7是本发明的紫外、近紫外激光器的一种加腔设置的结构示意图。

图面说明如下：

1-LD激光器，波长为808nm；2-聚焦系统，一般为透镜组；

3-Nd：YVO₄晶体，产生1064nm激光的激光介质；

4-调Q装置(如声光装置)；5-1064nm激光的输出镜(如T=20％)；

6-会聚透镜(如f=50mm)；7-控温炉，用来调节温度；

8-双周期超晶格晶体，产生倍频黄绿光，三倍频紫外、近紫外激光；

9-输出的紫外、近紫外激光，或者黄绿，紫外双色激光；

10-多层膜，1064nm的增透膜，532nm的高反膜；

11-532nm的高反膜，355nm的高透膜；

12-谐振腔镜，为多色镜；

13-输出端腔镜，紫外、近紫外透光

实施例1

按照图5制作一台用一块双周期超晶格组成的腔外三倍频近紫外激光器。1为808纳米的LD激光器，最大输出功率为15W，Nd：YVO₄晶体3的前表面镀膜，和腔镜5一起构成激光的谐振腔，在腔镜5后能产生大约2w的准连续1064纳米的激光。一块大小周期(L，l)分别为50.86微米和6.77微米的双周期钽酸锂超晶格(放置在控温炉(7)中，调节控温炉到45.4摄氏度时，产生波长为355纳米的紫外激光(9)。改变光学超晶格(8)的长度可改变输出紫外激光(9)的强度，一般超晶格的长度范围在几个毫米到几个厘米。

实施例2

按照图6制作一台用一块双周期超晶格组成的三倍频近紫外激光器。与图5设置方案不同的是，在超晶格的前后两个表面进行镀膜处理。前表面镀1064纳米的增透膜，532纳米的高反膜；后表面镀532纳米的高反膜，355纳米的高透膜。这样在超晶格内部实现倍频532纳米激光的谐振，使其达到一定的强度，后表面532纳米高反膜的透过率可以调节输出绿光的强度。由于在超晶格内倍频激光强度的提高，三倍频紫外光的效率将明显提高，同时腔镜在不同波段透过率的调节可以实现输出绿光和紫外光的不同配比。

实施例3，按照图7制作一台用一块双周期超晶格组成的加腔三倍频近紫外激光器。将一块大小周期(L，l)分别为50.86微米和6.77微米的双周期钽酸锂超晶格8放置在谐振腔内，反射镜12为多色镜，透过1064nm的泵浦光而全反532nm的倍频光，腔镜13透过355nm的紫外光，而对532nm的透过率可按照需要进行调节。同实施例2一样，可同时实现倍频绿光和三倍频紫外的双色输出，它们之间的强度也可由腔镜在不同波段的透过率加以调节，而光束质量又大有改善。

Claims (3)

1、双周期结构的超晶格材料，其特征是用铁电晶体材料LiTaO₃、LiNbO₃、KTP通过室温极化或条纹生长法来制备，或结合波导工艺制备成具有如下结构参数的材料：用G_m，n来表示这种双周期结构的主要倒格矢，m，n是整数； $G_{m,n}=\frac{2\mathrm{\πm}}{l}+\frac{2\mathrm{\πn}}{L}$

△k₁，△k₂分别代表倍频及和频过程中的波矢失配，如果我们选择双周期结构中的G_m，n和G_m’，n’分别来补偿这两个波矢失配，则有： $G_{m,n}-\mathrm{\Δ}{k}_1=\frac{2\mathrm{\πm}}{l}+\frac{2\mathrm{\πn}}{L}-\mathrm{\Δ}{k}_1=0$ $G_{m\text{'},n\text{'}}-\mathrm{\Δ}{k}_2=\frac{2\mathrm{\πm}\text{'}}{l}+\frac{2\mathrm{\πn}\text{'}}{L}-\mathrm{\Δ}{k}_2=0$ 由G_m，n和G_m’，n’分别来补偿这两个波矢失配，由以上公式我们可求出双周期的主要结构参数l和L的表达式： $l=\frac{2\mathrm{\π}(\mathrm{mn}\text{'}-m\text{'}n)}{\mathrm{\Δ}{k}_{1}n\text{'}-\mathrm{\Δ}{k}_{2}n}$ $L=\frac{2\mathrm{\π}(\mathrm{nm}\text{'}-n\text{'}m)}{\mathrm{\Δ}{k}_{1}m\text{'}-\mathrm{\Δ}{k}_{2}m}$ 其中的△k₁，△k₂又可表示为： $\mathrm{\Δ}{k}_1=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n_2-n_1)$ $\mathrm{\Δ}{k}_2=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(3n_3-2n_2-n_1)$ 上式中的n₁，n₂，n₃分别是超晶格晶体在基波，二倍频，三倍频时的折射率。

2、由权利要求1所述的双周期结构的超晶格材料，其特征是一组用来匹配倍频失配和和频失配的两个倒格矢可作灵活选择，可选择G_1，-1，G_3，1或者G_1，-1，G_3，-1或者G_1，-3，G_3，-1，得到不同的双周期结构，对应于不同的基波波长。

3、双周期超晶格在激光变频中的应用，其特征是利用一块双调制或双周期结构的LT、LN或KPT超晶格作为激光变频介质，尤其是三倍频介质，这种双调制结构的参数如权利要求1-3所示。

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