CN1499679A

CN1499679A - 非线性光学晶体内基频激光相位控制装置

Info

Publication number: CN1499679A
Application number: CNA021493502A
Authority: CN
Inventors: 勇毕; 毕勇; 李瑞宁; 许祖彦; 冯衍; 林学春
Original assignee: Institute of Physics of CAS
Current assignee: Institute of Physics of CAS
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2004-05-26

Abstract

本发明涉及一种非线性光学晶体内基频激光相位控制装置。该激光相位控制装置包括：谐振腔镜、非线性光学晶体和泵浦激光源，其中泵浦激光源安置在输入谐振腔镜的前方，输入谐振腔镜和输出谐振腔镜组成激光谐振光路；其特征是：在激光谐振光路中安置控温装置，非线性光学晶体放置在控温装置的加热基片上，控温装置与电源电连接，所有光学元件均安装在可调谐角度的光学平台上。该装置采用温度控制非线性光学晶体折射率变化，进而控制基频激光的相位，可以实现II类相位匹配走离角补偿，实现高效率倍频，克服了原有技术中II类倍频后基频光相位无法控制的缺点，并且结构简单，采用多块非线性光学晶体串联倍频，其倍频效率可达理论极限。

Description

非线性光学晶体内基频激光相位控制装置

技术领域

本发明涉及激光倍频器，特别是涉及一种非线性光学晶体内基频激光相位控制装置。

背景技术

光学二次谐波产生(SHG)——倍频，是激光出现后第一个被发现的非线性光学效应(J.A.Armstrong，N.Bloembergen，et al，Phys.Rev，127，1918(1962))。理论与实验研究证明，当基频激光的相速与倍频光的相速相等时，即所谓的相位匹配，晶体内各处产生的倍频光能够以相同的相位进行叠加，获得相长干涉，就能够获得有效的倍频转换。尽管光学二次谐波是最早发现的非线性光学效应，但是，迄今为止光倍频仍然是最有实际应用价值的一个非线性光学效应。由于倍频技术在非常广泛的领域有着重要的应用价值，国内外对这一非线性效应进行了深入的研究。在传统的倍频、和频技术里，对于II类相位匹配倍频，由于基频光在非线性光学晶体中的快光分量和慢光分量的折射率不同，使得倍频光和基频光有走离，这就限制了非线性光学晶体的长度，从而降低了倍频效率；而且，在出射时基频光的相位将发生改变，这样就大大限制了它的应用。近年来，在补偿走离的方法上有了一定改进，如日本学者Hiromotsu Kiriyama等人在文献(Highly efficient second harmonic generation by using four pass quadraturefrequency conversion，Proceedings of SPIE，Vol.3889(2000))中报道了利用II类倍频这一特性，采用正交频率转换技术实现了80％倍频效率。但是，正交频率转换的物理本质决定了倍频产生的二次谐波相位特性较差，不适于应用在有偏振要求的情况，如泵浦钛宝石激光器，可调谐光参量激光器等。

利用半导体激光器(LD)泵浦固体激光介质的固体激光器与非线性光学倍频器构成的全固态激光器具有结构紧凑、寿命长、效率高、相位可控等优点，可应用于工业、科研、医疗、军事、显示等领域，近年来成为激光领域最为活跃且最具前景的方向之一。

发明内容

本发明的目的在于：克服已有的II类相位匹配装置中由于基频光和倍频光在晶体里的折射率不一样而产生走离效应，因而倍频效率很低，倍频产生的二次谐波相位特性较差，而且基频光的相位无法控制的缺点；为了达到在高效非线性倍频的同时实现调节激光相位的目的；从而本发明提供一种采用温度控制非线性光学晶体折射率变化，进而控制基频激光的相位，可以实现II类相位匹配走离角补偿，达到高效率倍频的结构简单的非线性光学晶体内基频激光相位控制装置。

本发明的目的是这样实现的：本发明提供的一种激光相位控制装置；包括：谐振腔镜、非线性光学晶体和泵浦激光源；其中泵浦激光源安置在输入谐振腔镜的前方，输入谐振腔镜和输出谐振腔镜之间组成激光谐振光路，其特征是：还包括在激光谐振光路中至少安装一台控温装置，非线性光学晶体放置在控温装置的加热基片上，控温装置与电源电连接；所有光学元件均安装在可调谐角度的光学平台上。

本发明还包括一激光晶体，该激光晶体放置在输入谐振腔镜与非线性光学晶体之间的光路上，所述的激光晶体包括：掺钕钒酸钇(Nd：YVO₄)、掺钕钇钕石榴石(Nd：YAG)、掺钕氟化钇锂(Nd：YLF)等。

所述的温控装置可以是比例—积分—微分放大器(PID)温控仪，也可以是其它温控设备；但是其温控装置的温度控制精度在0.1度以下。所述的控温装置可以是2个以上，每个控温装置的加热基片上放置一块非线性光学晶体，并且控温装置在光路上串联连接。

所述的非线性光学晶体可以是三硼酸锂(LBO)、偏硼酸钡(BBO)、铌酸钾(KNO₃)、钛氧磷酸钾(KTP)，或其它非线性光学晶体，其形状包括块状、棒状或任意形状的。其非线性光学晶体内的变频方式是倍频，其相位匹配方式是II类相位匹配。

所述的泵浦激光源包括固体激光器、液体激光器、气体激光器、半导体激光器或频率变换激光，可以是连续波激光，也可以是准连续波激光；所述的泵浦激光源的波长可以是1064nm、1342nm、1319nm、1030nm、946nm、914nm，还可以是其它波长的激光。

所述的非线性光学晶体倍频方式包括腔外倍频、腔内倍频、外腔倍频。

本发明提供的激光相位控制装置当激光泵浦非线性光学晶体产生II类相位匹配倍频时，基频光和倍频光因为波长不一样，对非线性光学晶体的折射率也不一样，因而会产生走离效应。由于温度随折射率的变化而变化，所以用精密温控装置控制非线性光学晶体的温度，就能控制非线性光学晶体的折射率，进而控制基频光和倍频光的相位差。

本发明的优越性在于：本发明的非线性光学晶体内基频激光相位控制装置由精密温控装置、一块或几块非线性光学晶体、泵浦光源组成的，其非线性光学晶体由精密温控装置精密控温，控制非线性光学晶体的温度即能控制晶体内基频光和倍频光的折射率，进而控制基频光的相位差。本发明还可以在光路上安置谐振腔镜以实现腔内倍频(图1)相位控制和外腔倍频(图2)相位控制。

总之，本发明克服了原有技术因难以控制相位差而且导致的倍频效率低下的缺点，并且结构简单，其效率可达理论极限值，实现了高效的激光输出，为高效率的激光倍频技术实用化开辟了广阔的前景，可广泛应用于军事、科研、娱乐、医疗等领域。

附图说明：

图1、II类相位匹配偏振控制器在腔内倍频中的应用(连续波)

图2、II类相位匹配偏振控制器在外腔倍频中的应用(连续波)

图3、II类相位匹配偏振控制器在腔外倍频中的应用(准连续波、锁模)

附图标示：

1.泵浦激光源 2.谐振腔镜 3.激光晶体 4.非线性光学晶体 5.谐振腔镜6.输出光 7.精密温控装置 8.非线性光学晶体 9.基频光 10.布儒斯特角棱镜

具体实施方式

实施例1

按照图1的光路制作一台激光相位调节装置，该调节装置是II类相位匹配偏振控制器腔内倍频输出连续波红光，激光晶体Nd：YVO₄，被半导体激光器端面泵浦后，产生1342nm的荧光并在腔内振荡形成激光，激光经过倍频晶体后被倍频产生671nm的红光。

该激光相位调节装置中的激光晶体采用Nd：YVO₄，所用谐振腔镜2选用平镜，靠近泵光1的一面镀808nm的增透膜，另一面镀808nm的增透膜和1342nm、671nm的高反膜；谐振腔镜5选用平凹镜，凹面镀1342nm的高反膜和671nm的增透膜；两块谐振腔镜2、5放在一条光学导轨。一块激光晶体3选用Nd：YVO₄，双面镀1342nm，671nm，和808nm的增透膜，安置在谐振腔镜2的后面光路上，其中8mm长为通光方向；一块非线性光学晶体4选用BBO晶体，BBO的切割角为θ＝29.3°，双面镀671nm和1342nm的增透膜，放在激光晶体3和谐振腔镜5之间，将1342nm波长的激光倍频成为671nm的红光输出光6；一个市场购买的精密PID温控仪7安置在激光晶体3与谐振腔镜5之间的光路上，非线性光学晶体4放在精密PID温控仪7的加热基片，将其包装起来并精密控温，PID温控仪7与温控电源电连接；选用半导体激光器LD作为泵浦激光源1安置在谐振腔镜2的前面从端面泵浦激光源晶体2。

使用本发明提供的激光相位调节装置控制基频激光的相位，是采用温度控制非线性光学晶体折射率变化来达到的，具体调节过程如下：首先将精密温控装置的温度设定在308.0K(由非线性光学晶体来设定的)，使得基频激光经过非线性光学晶体后相位变化kπ，从而保持基频激光偏振态不变，消除基频激光经过非线性光学晶体后偏振态的随机变化(这将导致激光晶体双折射损耗增大，激光输出下降)，即能在腔内实现腔内倍频并提高输出稳定性。调节谐振腔镜2和5使1342nm的荧光起振，调节非线性光学晶体4使1342nm的激光倍频，则在谐振腔镜5后输出671nm的红光输出光6。

实施例2：

按图2的光路图建造一台II类相位匹配偏振控制器外腔倍频输出连续波蓝光，腔镜2选用平镜，靠近泵光1的一面镀946nm的增透膜，另一面镀946nm的增透膜和473nm的高反膜；腔镜5选用平凹镜，凹面镀946nm的高反膜和473nm的增透膜；一块非线性光学晶体4选用LBO晶体，双面镀946nm和473nm的增透膜，LBO的切割角为θ＝37.5°，φ＝90°，放在谐振腔镜2和5之间，将946nm波长的激光倍频成为473nm的蓝光；一个PID精密温控装置7安置在激光晶体3与谐振腔镜5之间的光路上，非线性光学晶体4放在精密PID温控仪7的加热基片，将其包装起来并精密控温，PID温控仪7与温控电源电连接；选用946nm的激光作为泵光1安置在谐振腔镜2的前面从端面泵浦非线性光学晶体4。

调整温度，将精密温控装置的温度设定在300.7K，使得基频激光经过非线性光学晶体后相位变化kπ，从而保持基频激光偏振态不变，消除基频激光经过非线性光学晶体后偏振态的随机变化(这将导致倍频输出激光功率较大起伏)，即能在腔内实现倍频并提高输出稳定性。

调节谐振腔镜2和5使946nm的荧光起振，调节非线性光学晶体4使946nm的激光倍频，则在谐振腔镜5后输出473nm的蓝光。

实施例3：

按图3的光路建造一台II类相位匹配偏振控制器腔外倍频输出准连续波绿光，两块非线性光学晶体4、8选用KTP，KTP的切割角为θ＝90°，φ＝23.5°，串联安置在泵光1的后面，并使非线性光学晶体4和8的Z轴反向；精密温控装置7将非线性光学晶体4和8包装起来并精密控温，调整温度，使得基频光(1064nm)在非线性光学晶体4前后的位相相差Kπ(k为整数)；选用1064nm的准连续波激光作为泵光1安置在非线性光学晶体4的前面从端面泵浦非线性光学晶体4；一块布儒斯特角棱镜10安置在非线性光学晶体8的后面将基频光9和倍频光6分开。

将精密温控装置的温度设定在307.5K，这样基频光(1064nm)在非线性光学晶体4前后的位相相差kπ(k为整数)，即基频光在经过非线性光学晶体4后偏振方向不改变，仍为线偏光，具有较高的偏振度。这样，设计非线性光学晶体4和8为走离补偿方式，即能实现高效腔外倍频光输出。调节非线性光学晶体4和8使1064nm的激光倍频，则在布儒斯特角棱镜10后输出532nm的准连续波绿光。该实验已于2002年3月在中科院物理研究所CL06组实现，实验中仅用两块3×3×15mm³(15mm长为通光方向)的KTP串接，已实现在基频光(1064nm)75W(基频光功率密度1.14MW/cm²)下倍频光(532nm)达30W，转换效率达40％。同时在无温控状态下测得532nm输出功率21W，转换效率28％。显然，温控后效率提高了12％。

Claims

1.一种非线性光学晶体内基频激光相位控制装置，包括：谐振腔镜、非线性光学晶体和泵浦激光源；其中泵浦激光源安置在输入谐振腔镜的前方，输入谐振腔镜和输出谐振腔镜之间组成激光谐振光路，其特征是：还包括在激光谐振光路中安装至少一台控温装置，非线性光学晶体放置在控温装置的加热基片上，控温装置与电源电连接；所有光学元件均安装在可调谐角度的光学平台上。

2.按权利要求1所述的非线性光学晶体内基频激光相位控制装置，其特征是：还包括一激光晶体，该激光晶体放置在输入谐振腔镜与非线性光学晶体之间的光路上，所述的激光晶体包括：掺钕钒酸钇、掺钕钇钕石榴石或掺钕氟化钇锂。

3.按权利要求1所述的非线性光学晶体内基频激光相位控制装置，其特征是：所述的非线性光学晶体包括三硼酸锂、偏硼酸钡、铌酸钾、钛氧磷酸钾或其它非线性光学晶体，其形状包括块状、棒状或任意形状的。

4.按权利要求1所述的非线性光学晶体内基频激光相位控制装置，其特征是：所述的泵浦激光源包括固体激光器、液体激光器、气体激光器、半导体激光器或频率变换激光，该激光包括连续波激光或准连续波激光。

5.按权利要求1所述的非线性光学晶体内基频激光相位控制装置，其特征是：所述的非线性光学晶体倍频方式包括腔外倍频、腔内倍频、外腔倍频。

6.按权利要求1所述的非线性光学晶体内基频激光相位控制装置，其特征是：所述的温控装置是比例—积分—微分放大器温控仪，或其它温控设备；其温控装置的温度控制精度在0.1度以下。

7.按权利要求1所述的非线性光学晶体内基频激光相位控制装置，还包括所述的控温装置是2个以上，每个控温装置的加热基片上放置一块非线性光学晶体，并且控温装置在光路上串联连接。