CN1337765A - 无源q－开关激光器结合非线性光学晶体的激光产生装置 - Google Patents
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Abstract
一种结合无源Q－开关激光器(passively Q－switched laser)与周期极化(periodically poled)的准相位匹配(quasi－phase－matching)非线性光学晶体的新型激光产生装置,包括一无源Q－开关激光器光源,用以脉冲地射出一具有第一波长的激光束;以及一准相位匹配非线性光学晶体,具有一第一光栅,该第一光栅具有第一非线性光学特性,该晶体是接收该第一波长的无源Q－开关激光器束以进行一非线性光学响应,产生一第二波长的激光束。
Description
本发明是有关结合无源Q-开关激光器与非线性光学晶体产生特定波长激光的新型装置，特别是关于结合无源Q-开关激光器与周期极化(periodically poled)的准相位匹配(Quasi Phase Matching；QPM)非线性光学晶体产生特定波长激光的装置。
激光是一种具备时间及空间相干性的电磁辐射，其辐射频率或波长多受限于激光增益物质的能阶跃迁。为了制造特殊波长激光，有一种方法是利用非线性光学准相位匹配法，以一第一波长的激光射入一非线性光学晶体使其产生非线性光学效应(nonlinear optical effect)，诸如二次及三次谐波产生(Second and ThirdHarmonic Generation；SHG and THG)，差频产生(Difference Frequency Generation；DFG)，和频产生(Sum Frequency Generation；SFG)，光参数产生、放大、振荡(Optical Parametric Generation，Amplification，Oscillation；OPG，OPA，OPO)等非线性响应而产生不同波长的激光输出。准相位匹配法是经人为的方法将铁电(ferroelectric)非线性光学物质的晶体结构作周期极化反转，使非线性激光波长转换中的相位匹配(phase matching)不再受制于天然的双折射晶体(birefringentcrystal)特性。极化反转的非线性光栅周期决定于入射的激光波长及所要产生的激光波长。许多铁电物(ferroelectric materials)可以形成相当良好的准相位匹配非线性光学晶体，例如LiNbO3、LiTaO3、LiIO3、KNbO3、KTiOPO4(KTP)、RbTiOAsO4(RTA)、RbTiOPO4等等，其中周期性极化的LiNbO3(periodically poledLiNbO3)为一般最常用者，简称为PPLN。
常用的激光源最常用者为有源Q-开关激光器(actively Q-switchedlaser)，它必须使用大型的电源供应器以输入高电压来触发Q-开关，体积庞大，操作不易，且价格昂贵。此外，当一前端激光泵激(pumps)一传统双折射非线性光学晶体时，该晶体通常必须置于一激光共振腔中来增加放大增益，不但增大了设备体积，每当设备移动后，一不小心常需花费很大工夫校准(alignment)共振腔的中心点。此外，有源Q-开关激光器因为元件复杂，激光腔长度远大于无源Q-开关激光器，所以产生的激光具相对较长的脉冲宽度(a longer pulse width，约为10十亿分之一秒(nano-second))，在同一激光强度(intensity)下容易造成晶体破坏，特别是对于低破坏临界(low damage threshold)的晶体，如LiNbO3等。相对地，无源Q-开关激光器因为激光腔长极小，产生的脉冲长度较有源Q-开关激光器，可以短十几倍以上，对激光晶体的破坏就小的多。
鉴于在现有技术中的上述缺点，本发明提出一种结合无源Q-开关激光器与周期极化的准相位匹配非线性光学晶体的新型激光产生装置，本发明结合无源Q-开关激光器(PQL)与PPLN，可以高效率地产生特定波长的激光。以下为本发明的简要说明。
本发明的主要目的是揭露一种转换效率更高、强度更高、更容易控制、价格更低、体积更小的新型激光产生装置，以改进已知技术的缺点，高效率地产生激光。
本发明的目的是揭露一种新型激光产生装置，利用无源Q-开关激光器光源，泵激准相位匹配非线性光学晶体，产生输出波长稳定的激光。
本发明的光产生装置，包括一无源Q-开关激光源，用以脉冲地射出一具有第一波长的激光束；以及一准相位匹配非线性光学晶体，具有一第一光栅，该第一光栅具有第一非线性光学特性，该晶体接收该第一波长的激光束以进行一非线性光学响应，产生一第二波长的激光束。
其中，该无源Q转换激光源包括一激光增益晶体(laser gain crystal)，用以接收一起始泵浦能量(pumping energy)，产生该第一波长的激光；以及一可饱和吸收器(saturable absorber)，连接该激光增益晶体，用以进行无源Q-开关机制，使该第一波长的激光脉冲顺利产生产生。该起始泵浦能量可为另一激光源(如半导体激光器)或者闪光灯等泵浦光源。根据本发明构想，该激光增益晶体接收起始光源的一侧及该可饱和吸收器射出第一波长激光的一侧，是各镀有一层反射薄膜，使该第一波长的激光得以共振累积能量。
根据本发明构想，该激光增益晶体是Nd3+掺杂(doped)晶体，例如Nd3+：YAG、Nd3+：YVO4与Nd3+：YLF等。
根据本发明构想，该可饱和吸收器可为Cr4+：YAG或某些半导体如硅(Silicon)等。
根据本发明构想，该准相位匹配非线性光学单一晶体是铁电物，例如LiNbO3、LiTaO3、LiIO3、KNbO3、KTiOPO4(KTP)、RbTiOAsO4(RTA)、与RbTiOPO4等。
根据本发明构想，该非线性光学特性是指电极化特性，特别是指光栅的交替极化周期长度，而该极化周期长度的光栅是用于和频、差频、倍频、及光参数产生、放大、震荡等中选出的一种，或结合数种。
根据本发明构想，本发明的光产生装置还包括一相位匹配微调装置，如晶体恒温箱，用以使该准相位匹配非线性光学晶体调节到最佳的非线性激光产生特性。
根据本发明构想，本发明的光产生装置还包括一激光聚焦透镜用以调整该第一波长光束的聚焦位置及强度。
根据本发明构想，该准相位匹配非线性光学晶体还包括一第二光栅，该第二光栅具有一第二非线性光学特性，用以对第二波长的激光束产生第二次非线性光学响应，产生一第三波长的激光束。
根据本发明构想，该准相位匹配非线性光学晶体必要时还可置于一共振腔中，或在该晶体两端面镀上反射膜形成共振，以增加激光转换效率。
通过下列附图和详细说明，使得更深入地了解本发明：
图1是本发明的无源Q-开关激光器光源；
图2是本发明的光产生装置的第一较佳实施例；
图3是本发明的光产生装置的第二较佳实施例；以及
图4是本发明的光产生装置的第三较佳实施例。
附图中主要构件说明如下：
10无源Q-开关激光器光源
101激光增益晶体
102可饱和吸收器
103 104反射薄膜
20激光聚焦透镜
30具有第一光栅的准相位匹配非线性光学晶体
40晶体恒温箱
501 502反射镜、出射镜
503 504反射膜、出射膜
本发明所使用的激光源10为无源Q-开关激光器(passively Q-switched laser，PQL)，可以自动地发出抽运激光(pumping laser)。如图1所示，PQL是由两部份晶体结合而成：第一部份为激光增益晶体101，常见者有Nd3+：YAG、Nd3+：YVO4、Nd3+：YLF等，是利用一般激光产生原理产生一特定波长的激光出射光。本发明的PQL与常用的有源Q-开关激光器不同之处，即在激光增益晶体101后串联一第二部份的可饱和吸收器(saturable absorber)102，常见者有Cr4+：YAG与silicon等。可饱和吸收器的特色在于：当腔内激光的能量未达某一特定值前，该晶体为一能量吸收器，而当激光能量累积到达某一特定值以上时，该晶体则变为透明，而产生高能激光脉冲。另一方面，由于无源Q开关元件的体积很小，对共振腔面镜平行度要求松，可以将高反射涂层(high reflective coating)103、抗反射涂层(anti-reflective coating)104镀于PQL两侧，代替传统的分离式出射镜与反射镜共振腔，如图1所示。通常，激光增益晶体101及可饱和吸收器102的位置可互换。相对地，有源Q-开关激光器因需要在共振腔中利用高电压来泵激Pockels Cell，以达到Q-开关的效果，其价格昂贵且系统复杂。
由于PQL激光腔极小，PQL产生的激光脉冲宽度窄(short pulse width，约1十亿份之一秒(nano-second)或更小)、峰值功率高(high peak power)；非线性光学晶体的破坏忍受能力(F，单位为Joule/cm2)是反比于Q-开关激光器脉冲宽度(τ)开根号
F1/(τ)1/2a
此外，Q-开关激光器脉冲宽度(τ)是正比于共振腔长度(ι)，所以当共振腔越长，Q-开关激光器脉冲宽度越大，非线性光学晶体的破坏忍受能力越小。所以，由上式可知，常用的有源Q-开关激光器容易造成晶体的破坏，本发明的无源Q-开关激光器不易造成晶体破坏。
图2示出本发明光产生装置的第一较佳实施例，包括一无源Q-开关激光器光源10，作为输入泵浦光源(pumping source)，将一具有第一波长的激光束射出，经过一激光聚焦透镜20调整其聚焦位置后射入一准相位匹配非线性光学晶体30，晶体30上具有一光栅，该光栅具有一非线性光学特性(nonlinear opticalcharacteristics)，该非线性光学特性是指周期性极化方向反转区域间的间隔，用以对该第一波长的激光束进行非线性光学效应，而产生第二波长的激光束。另有一晶体恒温箱(crystal oven)40包住晶体30，用以控制晶体30的反应温度并微调其光学特性。
该光栅的周期长度(grating period length)，可在制作时按照需要控制，不同的光栅周期长度具有不同的非线性光学特性，会对一入射光束产生不同的非线性光学效应。晶体103较佳者是为铁电物，例如LiNbO3、LiTaO3、LiIO3、KNbO3、KTiOPO4(KTP)、RbTiOAsO4(RTA)、或RbTiOPO4。
举例来说，当晶体恒温箱40设定在摄氏100度，半导体激光器将808nm的激光射入无源Q-开关激光器10，无源Q-开关激光器10将产生波长1064nm的第一波长激光，经过聚焦透镜20射入PPLN非线性光学晶体30中(光栅周期为31μm)，经由OPG效应而产生1.8μm激光输出。
图3所示为本发明光产生装置的另一较佳实施例中，其中，在无源Q-开关激光器10后，可以连接多个不同光栅的非线性光学晶体30与30’，用以多次非线性光学响应，产生特定波长的激光输出。举例来说，当晶体恒温箱40设定在摄氏200度，半导体激光器将808nm的激光射入无源Q-开关激光器10，无源Q-开关激光器10将波长1064nm的第一波长激光，经过聚焦透镜20射入第一非线性光学晶体30中(光栅周期为6.75μm)经由SHG效应产生532nm激光输出，继续射入第二非线性光学晶体30’中(光栅周期为12μm)经由OPG效应产生590nm激光输出。
必要时可将本发明的准相位匹配非线性光学晶体30置于一共振腔中，其中该共振腔可由设置于晶体30外部的反射镜501与出射镜502构成，或在该晶体两端面镀上反射膜503、出射膜504形成，如图4(a)(b)所示，以增加激光转换效率。
本发明可由熟悉本技术人员进行任何变更或修正，然皆不脱离所附 限定的保护范围。
Claims (13)
1.一种光产生装置，其特征在于，包括：
一无源Q-开关激光器光源，用以脉冲地射出一具有第一波长的激光束；以及
一准相位匹配非线性光学晶体，具有一第一光栅，所述第一光栅具有第一非线性光学特性，所述晶体接收所述第一波长的激光束以进行一非线性光学响应，产生一第二波长的激光束。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述无源Q转换激光源包括：
一激光增益晶体，用以接收一起始泵浦光束，产生所述第一波长的激光；以及
一可饱和吸收器，连接所述激光增益晶体，用以产生Q-开关的激光脉冲。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述激光增益晶体接收起始光源的一侧及所述可饱和吸收器射出第一波长激光的一侧，是各镀有一层反射薄膜，使得所述第一波长的激光得以共振累积能量，而所述起始泵浦光束是从半导体激光器和闪光灯中选出的一种发出的。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述激光增益晶体是Nd3＋掺杂晶体，而所述Nd3+掺杂(doped)晶体是从Nd3+：YAG、Nd3+：YVO4、Nd3+：YLF晶体等中选出的一种。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述可饱和吸收器为Cr4+：YAG或为半导体，如硅等。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述准相位匹配非线性光学单一晶体是铁电物，而所述铁电物是从LiNbO3、LiTaO3、LiIO3、KNbO3、KTiOPO4(KTP)、RbTiOAsO4(RTA)、与RbTiOPO4等晶体中选出的一种。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述非线性光学特性是指电极化特性。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述电极化特性是指交替的极化铁电畴周期(alternating poled ferroelectric domain period)，而所述极化铁电畴周期的光栅是用于和频、差频、倍频、及光参数产生、放大、震荡中选出的一种。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括一相位匹配微调装置，用以使所述准相位匹配非线性光学晶体产生最优化非线性光学特性，而所述极化装置是一晶体恒温箱。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括一激光聚焦透镜用以调整所述第一波长光束的聚焦位置及强度。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述准相位匹配非线性光学晶体是位于由一反射镜与一出射镜组成的共振腔中，以增加激光转换效率。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述准相位匹配非线性光学晶体的两端面分别镀有一反射膜与一出射膜作为共振腔，以增加激光转换效率。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述准相位匹配非线性光学晶体还包括一第二光栅，所述第二光栅具有第二非线性光学特性，用以对第二波长的激光束产生第二次非线性光学响应，产生一第三波长的激光束。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102394467A (zh) * | 2007-07-31 | 2012-03-28 | C2C晶芯科技公司 | 宽波带光源装置 |
| CN104836105A (zh) * | 2015-05-25 | 2015-08-12 | 南京信息工程大学 | 基于碳纳米管可饱和吸收镜的中红外脉冲光学参量振荡器 |
| CN105846304A (zh) * | 2016-04-24 | 2016-08-10 | 西南技术物理研究所 | 全固态高功率中长波激光光学参量放大器 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102394467A (zh) * | 2007-07-31 | 2012-03-28 | C2C晶芯科技公司 | 宽波带光源装置 |
| CN102394467B (zh) * | 2007-07-31 | 2013-11-06 | 南京长青激光科技有限责任公司 | 宽波带光源装置 |
| CN104836105A (zh) * | 2015-05-25 | 2015-08-12 | 南京信息工程大学 | 基于碳纳米管可饱和吸收镜的中红外脉冲光学参量振荡器 |
| CN105846304A (zh) * | 2016-04-24 | 2016-08-10 | 西南技术物理研究所 | 全固态高功率中长波激光光学参量放大器 |
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