CN1322355C - 波长选择性激光分束器 - Google Patents

Abstract

一种用于激光领域的分束装置，对于根据波长和偏振态将在倍频或三波混合过程中产生的激光束空间分离成子光束是很有用的。该装置具有一用来对激光进行波长选择性偏振旋转的光学延迟器，后接一渥拉斯顿棱镜和一附加的双光楔棱镜，以产生空间分离的平行子光束。或者可用两个渥拉斯顿棱镜，在偏振旋转之后产生两束空间分离的平行光束。

Description

波长选择性激光分束器

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及基于非线性效应的光分束器。

背景技术

从所周知，一束典型的单色激光束，在一具有二阶非线性的非线性介质中经过倍频或三波混合，可以包含两或更多种频率或频率峰。在这种情况下，通常要把该光束分成两或者更多个具有不同频率的成分。按照惯例，可以采用一光学滤波器来透过一种波长并反射其他波长。或者可以采用色散棱镜，利用不同波长的光会以不同的角度经历折射的事实来将含有两或更多种频率的激光束分开。然而，第一种方法要承受光能的损耗，而色散棱镜由于有较大的折射角特性和需要较长长度来分开两束光，使它在实际应用中带来不便。本发明的目的就是要至少减少现有设计的一些缺点。

上述在非线性介质中光频率的频率变化可以通过下列的简单描述来解释：

一束激光入射到一非线性介质上，由于介质的非线性效应将会产生另一束或更多束具有新的频率的输出，这就是所谓的倍频或三波混合。在这一过程中，频率为ω1和ω2的两个光子被质湮，同时产生频率为ω3的第三单光子。这一过程称之为产生和频。相反，也可利用三波混合过程产生低频率的光。本申请提出一种基于上述非线性现象研究的分束装置。

倍频是一个需要保持光子动量守恒的相位匹配过程。这通常利用一个带有二阶非线性的双折射晶体并让光波作为e-光线(非寻常光线)或o-光线(寻常光线)传播通过晶体来实现。有效地选择e-光线和o-光线的传播方向或用温度或压力来调节e-光线和o-光线的折射率，以获得相位匹配的条件。有以下三种可能的方式来组合基光波：

o^(ω)+o^(ω)，e^(ω)+e^(ω)，o^(ω)+e^(ω)，

其中“o”代表寻常光线，“e”代表非寻常光线。

由于在倍频过程中也存在偏振波，故上述三种基频光波的组合方式分别可产生以下几种组合：

o^(ω)+o^(ω)→o^(2ω)，o^(ω)+o^(ω)→e^(2ω)

e^(ω)+e^(ω)→o^(2ω)，e^(ω)+e^(ω)→e^(2ω)

e^(ω)+o^(ω)→o^(2ω)，e^(ω)+o^(ω)→e^(2ω)

不过，在这些组合中所有光波都是e-光线或o-光线的组合并无用处，因为在双折射晶体中不可能存在对这些情况的相位匹配条件。因此只存在四种可能的倍频方式，可以根据其特性分为第1(I)类相位匹配和第2(II)类相位匹配。I类相位匹配因为相互作用的基光波的电矢量的偏振方向互相平行，也被称作“平行式相位匹配”；而II类相位匹配因为相互作用的基光波的电矢量的偏振方向互相垂直，也被称为“正交式相位匹配”。

在频率倍增过程中，对于上述两类相位匹配，许多种已知的光学技术已被采用来将基频光与倍频光分开。下面限定和描述的本发明提出了一种新的不同的方法。

对于三波参量过程，本发明的装置可以用来将单频光与闲频光平行分离开。如上所述，对于这些光参量过程也有两种可能的相位匹配类型。在这种情况下，在泵浦光频率下，信号光频和闲频光频的光波之间的关系可以表示如下：

第I类相位匹配  e→o+o    o→e+e

第II类相位匹配 e→o+e    o→o+e

总之，所公开的是，对于倍频过程或三波混合的参量过程，利用I或II类相位匹配将从基频光或闲频光产生的光频分成两束平行光的装置和方法。

发明内容

根据本发明，提供一种用于空间分离具有两或更多种波长的激光束的激光分束装置，包括一置于具有两或更多种波长的激光束的光路中的波长选择性偏振旋转器件，用来赋予不同波长的光束以不同的偏振方向，以形成具有不同偏振特性的两或多束子光束，一置于所述子光束的光路中，用于根据子光束的偏振特性将所述子光束空间分离的器件，以及被设置来接收该空间分开的子光束，并将这些子光束导入空间分开的基本上平行的光路的导向器件，其中波长选择性偏振旋转器件和置于所述子光束的光路中用于根据子光束的偏振特性将所述子光束空间分离的器件被置于激光腔之内以便耦合输出于激光腔的倍频光从而它平行于泵浦光束传播。

在一实施例中，该波长选择性器件可以是一半波片。

在另一实施例中，该波长选择性器件可以是一交织器(interleaver)。

在一实施例中，该用于空间分离子光束的器件包括一被设置来将该不同偏振的子光束按角度分开的轴离晶体(a walk-off crystal)。在另一实施例中，该空间分离子光束的器件可以是一渥拉斯顿棱镜。

在一实施例中，该分束装置还包括一个或多个光学元件，这些元件设置在被按角度分开的子光束的光路中，用于将该子光束导向相互平行的光路。该元件可以是一渥拉斯顿棱镜，一有斜面的棱镜或一等效元件。

在本发明的一实施例中，该用来空间分离的器件和用来将该子光束导向平行光路的光学元件可以是一轴离晶体。

回到光参量放大的过程，本发明的装置可以用来实现信号光束和闲频光束的平行分离。例如在光学参量振荡器(OPO)中，其泵浦光、信号光和闲频光的关系可以表示如下：

第1类相位匹配    e→o+o    o→e+e

第2类相位匹配    e→o+e    o→o+e

换而言之，不管是对于倍频和光参量的放大过程或是对于第1类和第2类相位匹配，总是可以找到合适的方法将信号光和基频光或者闲频光分成平行光束。

附图说明

现在将结合下列附图对本发明进行更为详细的说明，其中

图1(a)是本发明的分束装置的一实施例的示意图，其中输入信号光束、基频光束或闲频光束的偏振态相互平行，但倍频或三波混合后并未分开；

图1(b)为本发明的另一实施例的示意图；

图2是与图1(b)相似的一实施例的示意图，其中倍频或三波混合后在输入信号光束和基频光或闲频光的偏振态之间存在一个角度；

图3表示该分束装置的另一实施例；

图4是该分束装置的又一实施例的示意图，以及

图5表示本发明一使用交织器将不同波长的激光束分开用的典型装置。

具体实施方式

本说明书中的“一个实施例”或“一实施例”，指的是与包含在本发明的至少一个实施例中的实施例结合描述的一种特性、结构或特征。在说明书中的许多地方出现短语“在一个实施例中”，并非指同一实施例。

图1(a)表示本发明的分束装置的一个实施例，在该装置中，经过倍频或三波混合过程的输出光有两种波长，λ1和λ2，且输出信号光束λ1和基频光λ2或闲频光束的偏振在倍频或三波参量混合过程之后相互平行。含有波长λ1和λ2的多波长激光束10，被通过一有波长选择性的波片101，在技术上称之为光学延迟器。当从波片101出射后，一种波长(如λ1)的光的偏振态保持不变(它实际被旋转了180°)，而另一波长(λ2)的光的偏振被旋转了一定的角度，如90°，这样它的偏转态就与波长为λ1的光的偏振态相互正交。

波长为λ1和λ2的光经过波片101之后，入射到一渥拉斯顿棱镜102上。

渥拉斯顿棱镜102被设置在从波片101出射的光束的光路中，并将该光束按角度分成具有不同波长和不同偏振态的两束子光束12和14。渥拉斯顿棱镜在光学领域已众所周知的，就不必在此进行详细说明。

该空间(按角度)分开的子光束经过一双折射楔形棱镜103。该棱镜可以设计成单片或由两个棱镜胶合在一起。该棱镜的角度经过选择，以使两束子光束经过折射后以平行或接近平行的方式从棱镜103出射。该光楔角度的精度决定出射光束的平行度。

本发明的另一实施例如图1(b)所示，其功能与图1(a)所示的装置相似，不同的是两束子光束的空间分离是通过两个渥拉斯顿棱镜102和104实现的。棱镜102将子光束按角度分开，棱镜104将这些子光束导入平行的光路。值得注意的是，这种结构能够将用于光学参量振荡器的光信号分开。

接下来考虑倍频或三-波混合的情况，其中如图2所示，输出信号光束λ2的偏振态与基频光λ1或闲频光的偏振态之间有一定角度。波片201与图1(a)所示的波片101不同。当具有多波长的光束通过波片201时，波长为λ1的光的偏振态保持不变，而波长为λ2的光的偏振态被旋转了一定的角度，但不是90度，这使得波长为λ1与λ2的光的偏振态互相垂直。采用如图1(a)所示相似的光学原理，可以设计出光学元件而使输出子光束平行。当然，根据光学系统的要求如果需要，也可以使出射光束不平行，如分开一定的角度。

以上实施例公开了用于将两束不同波长的光束分开的本发明提出的分束装置的细节(如图2和图1a和1b所示)。但是在三波混合或光学参量振荡器的实际应用中，往往不是简单的将两束光分开，而有三种不同的波长，如泵浦光、信号光和闲频光。如果要将这三种波长有效的分开，就需要如图3所示的一种复合的分束装置。该复合的分束装置可以与第1类或第2类的相位匹配一起工作；只需要合理地选择波片303，使从波片303出射的波长为λ1和λ2的光束的偏振态相互垂直。这样，我们就可以获得将光束分成如图3所示的波长为λ1，λ2和λ3的平行光束。

不管是在类型I或类型II的相位匹配情况下，总是有一个波长的光的偏振态与另外两个波长的光的偏振态正交。渥拉斯顿棱镜301将三束光根据他们不同的入射偏振态分开。因此，波长为λ3的光被与波长为λ1和λ2的具有相似偏振态的光束分开。具有相同偏振态的波长为λ1和λ2光通过双折射楔角302到达与图1(a)中的波片101具有相同功能的波片303。也就是说，波长为λ1的光的偏振被旋转了90度，而波长为λ2的光的偏振态保持不变。之后，波长为λ1和λ2的光通过渥拉斯顿棱镜304，且在通过双折射楔角305之前被分开一定的角度，经过305后被作为平行光束出射。这样，图3中的装置可以用来将来自非线性三波混合装置的光分成具有波长分别为λ1，λ2和λ3的三个平行光束。

从以上的分析可以看出，本发明所提出的新型分束装置不仅可以用于倍频或三波混合过程中产生的光，还可用在其它非线性过程，如和频产生，差频产生，三次谐波频率产生和四次谐波频率产生中。本发明提出的装置可以有效地分束基频光和以其它频率产生的光，并且使其作为平行光束输出。该装置也可如图4所示与谐振腔一起使用，以提高非线性频率转换过程的效率。

在图4中，置于激光腔的反射镜1和反射镜2之间的为一种激光介质(任何已知的激光介质)400，一非线性元件401，一渥拉斯顿棱镜402和一双折射光楔403。该设计用来提供波长为λ1的基频光的振荡以及将在非线性元件401内产生的倍频光λ2耦合出激光腔外。

另外，本发明所述的用来将不同波长的光分成平行光束的如图1a和1b中的波片101和渥拉斯顿棱镜102的组合(或是图2和图3中相对应的元件201和202，303和304)的作用，也可以通过利用晶体交织器中的光学原理来实现，该交织器将含有多个波长信道的光波分成两个光波，一个含有偶信道，另一个含有奇信道。当交织器中的双折射元件的光轴与入射光的偏振方向成45°时，该双折射元件对于某些波长信道(如奇信道)相当于一半波片，而且这些信道的光的偏振方向将被旋转45°，其与原始偏振方向垂直。

另一方面，该双折射元件对于某些波长信道(如偶信道)相当于一全波片，而且这些信道的光的偏振方向将保持与原始偏振方向相同。这样，如果入射光束中所有波长的偏振态都相同，则奇信道和偶信道就会被分成具有正交偏振态的两束光。这一过程应用在图5中作为非线性光参量过程，产生三种波长λ₁，λ₂，和λ₃，其中波长为λ₃的光的偏振态是正交的。交织器501被设计成使输入光500奇信道光λ₁和λ₃与偶信道λ₂分开。一双折射的轴离晶体502随后被用来将波长为λ₁的光与波长为λ₃的光分开，这样就得到了三束分离的波长分别为λ₁，λ₂，和λ₃的光束。

采用交织器分束的优点是，它的带宽比用一个波片和一个渥拉斯顿棱镜的组合更宽。不过，在实际应用中，也许需要用带通滤波器和在此描述的分束装置一起来更有效地分束。

在前述的说明书中，本发明已参照其具体实施例进行了描述。但是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改进和改变。因此，本发明中的说明和图示应被当作是一种示意性说明，而不是对本发明的限制。

Claims (11)

1.一种用于空间分离具有两或更多种波长的激光束的激光分束装置，包括

一置于具有两或更多种波长的激光束的光路中的波长选择性偏振旋转器件，用来赋予不同波长的光束以不同的偏振方向，以形成具有不同偏振特性的两或多束子光束，

一置于所述子光束的光路中，用于根据子光束的偏振特性将所述子光束空间分离的器件，以及

被设置来接收该空间分开的子光束，并将这些子光束导入空间分开的基本上平行的光路的导向器件，其中波长选择性偏振旋转器件和置于所述子光束的光路中用于根据子光束的偏振特性将所述子光束空间分离的器件被置于激光腔之内以便耦合输出于激光腔的倍频光从而它平行于泵浦光束传播。

2.如权利要求1所述的分束装置，其中该波长选择性器件是一特定波长的半波片。

3.如权利要求1所述的分束装置，其中该波长选择性器件是一交织器。

4.如权利要求1所述的分束装置，其中用于将所述子光束空间分开的器件包括一被设置来将该不同偏振的子光束按角度分开的轴离晶体。

5.如权利要求1所述的分束装置，其中该空间分离器件是渥拉斯顿棱镜。

6.如权利要求1所述的分束装置，其中该空间分离器件是轴离晶体。

7.如权利要求3所述的分束装置，其中该空间分离器件是轴离晶体。

8.如权利要求1所述的分束装置，其中该导向器件是渥拉斯顿棱镜。

9.如权利要求1所述的分束装置，其中该导向器件是双光楔棱镜。

10.如权利要求1所述的分束装置，其中该波长选择性偏振旋转器件被选择来矫正激光束偏振态之间的角度。

11.如权利要求1所述的分束装置，其中该激光束包含两或更多种波长，其中至少一种波长的偏振态与其他波长的偏振态不同，该分束装置在波长选择性偏振旋转器件的前面包括一用来将该激光束分成具有每一种偏振态的子光束的器件，以使被选择的具有两或更多种波长和一种偏振态的子光束被导向该波长选择性偏振旋转器件。

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