CN1694318A - 以级联超晶格为变频晶体的高效全固态准白光激光器的设置方法 - Google Patents

Abstract

以级联超晶格为变频晶体的全固态准白光激光器的设置方法，采用一块二段不同结构级联的光学超晶格为非线性晶体产生准白光输出的全固态激光器，由一半导体激光器为泵浦光源，采用双波长(如1342和1064nm)激光谐振腔产生双波长激光输出；通过一块置入控温炉中多通道的级联光学超晶格产生比例合适的红、绿、蓝三色激光，混合成准白光。该非线性晶体是由二段超晶格级联而成，第一段超晶格，对基波光源输出的双波长基波同时实现准位相匹配倍频，获得红光与绿光；第二段与第一段串联，第二段要能完成倍频红光与长波长红外光的和频产生蓝光，第二块超晶格一般采用多通道周期结构以便获得最高效率和调整蓝光与红、绿光的比例。

Description

以级联超晶格为变频晶体的高效全固态准白光激光器的设置方法

                          技术领域

本发明涉及一种用多通道级联光学超晶格同时进行倍频以及和频以实现准白色激光输出的装置。特别是以钽酸锂等超晶格为变频晶体的准白光激光器。

                          背景技术

准白激光输出要求同时输出的红绿蓝光功率能够按照一定比例配比，而利用超晶格是实现红绿蓝激光输出的重要手段。若激光晶体能够实现红外波段1300和1060nm附近双波长输出，则利用二阶非线性效应实现红绿蓝输出则应包括三个参量过程，在此方面前人的相关工作有：

刘照伟等人在2001年的Solid State Communications上发表了“A Schemeto realize three-fundamental-colors laser based on quasi-phase matching基于准周期匹配实现三基色激光的设计”的文章，报导了用双周期结构实现了对532nm泵浦光的参量和和频过程，两个周期分别为l＝11.9μm，L＝8.74μm，设计的匹配温度为25℃。红光和蓝光的功率分别为0.38mW和55.6μW。

廖军等人在2003年的Applied Physics Letters上发表了“Simultaneousgeneration of red，green，and blue quasi-continuous-wave coherent radiation based onmultiple quasi-phase-matched interactions from a single，aperiodically-poled LiTaO₃非周期LiTaO₃超晶格实现红、绿、蓝光的同时输出”的文章，报道了使用非周期实现了红绿蓝光的同时输出。文章中使用发射808nm的半导体激光器作为泵浦源，产生1342和1064nm双波长谐振，非周期超晶格对同时基波光倍频和三倍频产生红绿蓝光。泵浦功率为15W时总输出功率为18mW。同时参见中国专利申请：如中国专利和专利申请96117044、01108024、02138381、03112847。

E.Cantelar等人在2003年的Applied Physics Letters上发表了“Red，green，andblue simultaneous generation in aperiodically poled Zn-diffused LiNbO₃:Er³⁺/Yb³⁺nonlinear channel waveguide非周期极化的LiNbO₃:Er³⁺/Yb³⁺的波导实现红绿蓝光的同时输出”的文章。文章中使用非周期极化的LiNbO₃:Er³⁺/Yb³⁺的波导实现了红绿蓝光的同时输出。

第一篇文章使用双周期周期光学超晶格来实现红绿蓝光的直接输出，相比较于绿光，红光和蓝光都较弱；在第二篇文章中，使用了一块非周期超晶格实现了红绿蓝的同时输出；而第三篇文章中则使用非周期极化的波导器件获得了红绿蓝光输出；以上方案均不涉及如何控制红、绿、蓝三色光的比例以获得准白光输出。

                             发明内容

本发明目的是：利用多通道的级联超晶格来实现1342和1064nm激光的倍频和1342nm三倍频输出，利用掺Nd的激光晶体如Nd:YVO₄产生1342和1064nm双基波光输出，设计一块有二种结构级联的光学超晶格，其中第一段结构，能够对基波光源输出的双波长基波同时实现准位相匹配倍频，获得红光与绿光；第二段具有多通道结构，与第一段串联，该结构用于红外光与红光的和频产生蓝光，不同通道相位匹配温度不同，相邻通道之间的相位配温度相差2-4度，红、绿、蓝光输出比例可以通过改变相匹配温度和选择。本发明中我们将以一个双周期和周期结构级联的LiTaO₃光学超晶格为例。

根据LiTaO₃、LiNbO₃，KTP，RTP等晶体折射率的色散公式可以设计特定双周期和周期结构的光学超晶格，该超晶格能对Nd:YVO₄晶格的1342和1064nm发射实现高效的倍频和三倍频，从而构造出能实现高效准白光输出的小型全固态激光器。

本发明以下述方式来实现高效的准白光输出：由一半导体激光器为泵浦光源，以输入镜(3)和输出镜(6)一起构成1342和1064nm激光的谐振腔；再以一块多通道的级联光学超晶格组成上述双波长输出的频率转换器件(9)置于泵浦光路的控温炉(8)中，基波波长为1342和1064nm，第一段超晶格结构对两个基波同时实现倍频，得到红光和绿光，第二段的不同的通道对应不同的和频匹配温度，从而可以根据红、绿光的强度选择合适的和频蓝光的通道，以实现红、绿、蓝的适当比例和高效、高稳定的准白光输出。本发明可以选用不同掺Nd的激光晶体，采用它们的⁴F_3/2→⁴I_13/2，⁴F_3/2→⁴I_11/2的双谱线激发，根据不同晶体对应的发射波长，设计不同多通道的级联光学超晶格。

1.本发明适用于光学超晶格对所有含Nd离子的激光晶体所对应的⁴F_3/2→⁴I_13/2，⁴F_3/2→⁴I_11/2谱线发射进行倍频和三倍频输出。比如Nd:YAG晶体和Nd:YAP晶体，它们所对应的该谱线的发射波长分别为1319和1064nm以及1325和1053nm，它们分别可用这种超晶格材料来获得660、532和440nm波长的红、绿、蓝光所构成的准白光以及665、527和441nm波长的红、绿、蓝光所构成的准白光。

2.本发明包含LiNbO₃，KTP，RTP，LiTaO₃等其他非线性光学晶体的光学超晶格，根据这些晶体的折射率色散关系都可以根据上述的激光晶体对对应的激光波长设计出特定结构和结构参数的光学超晶格实现激光的倍频和三倍频，获得高效准白光输出。

3.本发明所涉及的光学超晶格可以采用不同的结构，包括准周期、双周期、非周期、周期等。在所级联的两个超晶格中第一段超晶格要能完成激光晶体双谱线输出的有效倍频同时获得红光与绿光，有效倍频的方法参见现有的方法，如中国专利和专利申请96117044、01108024、02138381、03112847。第二段要能完成倍频红光与长波长红外光的和频产生蓝光，第二块超晶格一般采用多通道周期结构以便获得最高效率和调整蓝光与红、绿光的比例。

4.白光是用红、绿、蓝三基色混合而成，其比例可从色度图(图3)上读出，随三基色的波长而异。例如当红、绿、蓝波长分别为671nm、532nm和447nm时，三者最合适的比例应为14∶1.5∶1。

以下将以一段双周期结构级联一段七通道周期结构为例说明如何实现准白激光输出：

双周期结构是介于周期和准周期之间的一种结构，该结构受到两种周期的调制。该结构能够提供两个独立的倒格矢匹配二个独立的参量过程。我们定义双周期结构所包含的二个周期分别为l，L(l＜L)，双周期结构超晶格的倒格矢可以写为：

$G_{m,n}=m\frac{2\mathrm{\π}}{l}+n\frac{2\mathrm{\π}}{L},$ m，n为整数。

周期结构的光学超晶格通常只用于倍频，和频和差频等单个参量过程的频率转换。周期结构超晶格的倒格矢可以表示为：

$G=m\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}},$ 其中Λ为周期，m为整数。

为了能够通过三个参量过程实现按比例的红、绿、蓝输出，我们可以使用级联的双周期和周期超晶格。第一段双周期超晶格完成激光晶体双谱线输出的有效倍频同时获得红光与绿光，第二段周期超晶格完成倍频红光与长波长红外光的和频产生蓝光，第二段周期超晶格一般采用多通道结构以便获得合适强度的蓝光。

为了利用最大的有效非线性系数，我们使用了双周期结构的(1，1)和(1，-1)阶倒格矢分别补偿二个基波倍频过程中的位相失配。双周期结构的两个调制周期l，L分别可以从下列方程得到：

$\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_1}(2n_2-2n_1)=2\mathrm{\π}(\frac{1}{l}+\frac{1}{L})$

$\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_2}(2n_2^{\′}-2n_1^{\′})=2\mathrm{\π}(\frac{1}{l}+\frac{1}{L})$

其中λ₁，λ₂分别为基波波长1342和1064nm，n₁，n₂和n₁′，n₂′分别为对应的两组基波光和倍频光的折射率。

第二段周期结构用来补偿和频过程的位相失配，同样取一阶倒格矢，即

$\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_1}(3n_3-2n_2-n_1)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}$

对于多通道设计，可以以理论值为中心通道的周期值，两侧通道的周期大小可以这样以此值为中心值一边递增，一边递减，相邻通道的相位匹配温度可以相差若干度，这样的多通道结构能使倍频的相匹配温度展宽到10-30度(以七通道为例)，保证能与倍频同时实现和频输出，并可以通过调节工作温度和选择通道来控制红、绿、蓝三者之比例。。

我们用如下的色散公式来计算折射率

$n_e^2(\mathrm{\λ},T)=A+\frac{B+b\left(T\right)}{{\mathrm{\λ}}^2-{[C+c(T\left)\right]}^2}+\frac{E}{{\mathrm{\λ}}^2-F^2}+D{\mathrm{\λ}}^2$

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

上述方程中存在两个变量λ和T，λ为基波的波长，T为匹配温度，在实用中匹配温度在100℃到200℃之间比较合适。根据以上公式，对于第一段用来倍频的双周期结构，匹配温度为110℃，两周期l和L分别为10.09μm和32.3μm；对于第二段用来实现和频的周期结构，我们采用了七个通道，匹配温度从95℃到125℃，以5℃为间隔依次递增。计算得到相应的周期为4.849μm，4.854μm，4.860μm，4.868μm，4.873μm，4.873μm，4.888μm。

本发明的优越性：

用超晶格来实现准白光输出时，一个主要问题就是如何能将红、绿、蓝三色光的比例控制在一个特定的比值，任何设计与制备误差的引入都将会改变两个倍频和一个和频过程的相位条件，因而影响红、绿、蓝光的比例。本发明采用二段不同结构超晶格的级联，第一段采用双周期、准周期或其他非周期结构实地双波长基波光的同时倍频，并可以通过控制工作温度来调节二倍频光的比例，级联的超晶格采用多通道周期结构，相邻通道之间蓝光和频的相匹配温度相差若干度，因而可以调节蓝光与红、绿光的比例。采用这种思路设计出的光学超晶格作为频率转换晶体可以获得比例恰当的红、绿、蓝激光，从而得到高效、稳定的全固态准白光输出。

                              附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是本发明以级联超晶格变频晶体结构示意图

图3为本发明应用的C.I.E.标准色度图

                           具体实施方式

下面给出实验装置(图1)和级联超晶格(图2)示意图：

在图1中：

(1)半导体激光器(LD)，波长是808nm；

(2)聚焦系统，一般为透镜组；

(3)输入镜，镀有多层膜，HR@1342nm1064nm，HT@808nm；

(4)Nd:YVO4晶体，用来产生1342和1064nm波长的激光介质；

(5)调Q装置；

(6)输出镜，镀有多层膜，T＝4％@1342nm，T＝72％@1064nm，

HR@808nm；

(7)会聚透镜；

(8)控温炉，用来调谐温度，其中放有超晶格晶体；

(9)级联超晶格晶体，用来产生高效准白光；

(10)聚焦透镜；

(11)输出高效准白激光；

图2是多通道级联结构的示意图，即图1中的(9)第一段是双周期结构，用来实现两个倍频过程；第二段七通道的周期结构用来实现和频过程，在实验中，可以选择七个通道中的一个并配合调节工作温度来获得红绿蓝光功率的最佳配比和高效稳定的准白光输出。

图3是C.I.E.标准色度图，图中所示不同的工作温度所得到的红绿蓝混合光均处于准白光范围内。

Claims (5)

1.以级联超晶格为变频晶体的全固态准白光激光器的设置方法，其特征是采用一块二段不同结构级联的光学超晶格为非线性晶体产生准白光输出的全固态激光器，由一半导体激光器为泵浦光源，采用双波长(如1342和1064nm)激光谐振腔产生双波长激光输出；通过一块置入控温炉中多通道的级联光学超晶格产生比例合适的红、绿、蓝三色激光，混合成准白光。该非线性晶体是由二段超晶格级联而成，第一段超晶格，对基波光源输出的双波长基波同时实现准位相匹配倍频，获得红光与绿光；第二段与第一段串联，第二段要能完成倍频红光与长波长红外光的和频产生蓝光，第二块超晶格一般采用多通道周期结构以便获得最高效率和调整蓝光与红、绿光的比例。

2.由权利要求1所述的以超晶格为变频晶体的全固态准白光激光器的设置方法，其特征是第二块超晶格具有多通道结构，相邻通道间和频相位匹配温度相差2-4度，红、绿、蓝光的比例可以通过改变工作温度和光通过不同的蓝光通道来实现，超晶格的结构包括周期，准周期，非周期等，材料包括钽酸锂，铌酸锂和KTP等。

3.由权利要求1所述的以超晶格为变频晶体的全固态准白光激光器的设置方法，其特征是激光介质为掺Nd离子的激光晶体(包括Nd:YAG，Nd:YLF，Nd:YaP等)。其特征是所述光学超晶格晶体能以Nd离子⁴F_3/2-＞⁴I_13/2，⁴F_3/2-＞⁴I_11/2跃迁所激发的波长为基波(对于不同的寄主晶体，波长通常在1300nm～1400nm，1000nm～1100nm之间)，通过准位相匹配(QPM)方式实现准白光的所有半导体激光泵浦的全固态准白光激光器。

4、由权利要求1所述的以超晶格为变频晶体的全固态准白光激光器的设置方法，其特征是双周期结构的两个调制周期l，L分别可以从下列方程得到：

$\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_1}({2n}_2-{2n}_1)=2\mathrm{\π}(\frac{1}{l}+\frac{1}{L})$

$\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_2}({2n}_2^{\′}-{2n}_1^{\′})=2\mathrm{\π}(\frac{1}{l}-\frac{1}{L})$

其中λ₁，λ₂分别为基波波长1342和1064nm，n₁，n₂和n₁′，n₂′分别为对应的两组基波光和倍频光的折射率。

第二段周期结构用来补偿和频过程的位相失配，同样取一阶倒格矢，即

$\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_1}({3n}_3-{2n}_2-n_1)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}}.$

5、由权利要求1所述的以超晶格为变频晶体的全固态准白光激光器的设置方法，其特征是对于多通道设计，可以以理论值为中心通道的周期值，两侧通道的周期大小可以这样以此值为中心值一边递增，一边递减，相邻通道的相位匹配温度可以相差若干度，这样的多通道结构能使倍频的相匹配温度展宽到10-30度(以七通道为例)，保证能与倍频同时实现和频输出，并可以通过调节工作温度和选择通道来控制红、绿、蓝三者之比例。

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