專利名稱：以級聯超晶格為變頻晶體的黃光激光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用級聯結構光學超晶格來實現光參量振蕩級聯倍頻過程，獲得可
見光波段激光輸出的裝置，特別是以鉭酸鋰等超晶格為變頻晶體的全固態黃光激光器，為 一種以級聯超晶格為變頻晶體的黃光激光器。
背景技術：
黃光光譜波段的激光在激光顯示、化學、生物醫學、空間目標探測和識別等領域有 著廣泛的應用，例如，在生物醫學中，由于血色素對黃光具有較強吸收，黃光激光可以應用 于眼科學和皮膚學中；天文學上可以代替傳統的鈉導信號光源應用在天文望遠鏡中；軍事 上可以應用于空間目標的探測與識別。早期，在全固態激光領域，由于黃光激光缺少基頻 光而無法通過倍頻方式產生，隨著全固態激光技術的發展，尤其是20世紀90年代， 一些研 究者提出利用摻Nd3+激光增益介質可以實現多波長振蕩，通過多波長激光和頻產生黃光， 因此，高功率的全固態黃光激光器成為激光領域的一個研究熱點。目前，黃光主要通過激光 和頻和受激拉曼散射效應產生。和頻產生黃光的方案有兩種一種是通過Nd:YAG晶體的 1064nm和1319nm兩條譜線同時運轉來和頻產生589nm的黃光；一種是通過Nd: YV04晶體的 1064nm和1342nm同時運轉來和頻產生593nm的黃光。相關工作有 2004年，賈富強等人在《激光技術》上發表了 "LD泵浦腔內和頻連續589nm黃光 激光器"，在這篇文章中，利用LD端面泵浦Nd:YAG激光晶體，得到1064nm和1319nm連續的 雙波長振蕩，在腔內加入I類臨界相位匹配切割的LBO晶體進行內腔和頻，通過優化腔鏡 的透過率輸出一定功率的黃光，實驗得到當LD泵浦功率為2W時，輸出黃光激光的波長為 589nm，功率為20mW。 2005年，呂彥飛等人在《中國激光》上發表了"全固態593nm復合腔連續波和 頻激光器"，其中，報道了一種新型復合結構的和頻激光器。用兩個激光二極管陣列經過 光纖耦合分別對Nd:YV04晶體進行端面抽運，其中兩激光晶體所選擇的能級躍遷分別 為卞3/2 — 4111/2和4F3/2 — 4113/2，對應激光躍遷波長分別為1064nm和1342nm，兩基頻激光束 分別在兩個子諧振腔中振蕩，在交疊區利用KTP晶體II類臨界相位匹配進行內腔和頻，獲 得了 593nm的和頻激光。通過對激光晶體熱效應的分析，設計了熱不敏感腔，獲得了 520mW 連續波(CW)TEMo。模式的黃光輸出。光束質量因子M2 < 1. 2。 2005年，丹麥的Jirijanousek等人在OPTICS EXPRESS上發表了 "Efficient allsolid-state conti皿ous-wave yellow-orange light source，，，這篇文章中，作者米用 兩個LD泵浦兩個Nd: YV04激光晶體，分別產生1064nm和1342nm的連續光，兩束光經過周 期極化的KTP晶體，晶體工作在5rC，經由和頻產生的黃光波長為593. 5nm，當輸入泵浦功 率3. 2W時，得到黃光功率為750mW。 2005年，陳慧挺等人在《強激光與粒子束》上發表了 "532nm激光泵浦硝酸鋇晶 體產生外腔拉曼激光"，在這篇文章中，利用硝酸鋇晶體產生拉曼激光，采用單端泵浦的外 置拉曼振蕩腔與雙棱鏡分光裝置進行了硝酸鋇晶體拉曼激光實驗，泵浦源波長532nm，由Nd: YAG產生的1064nm經過倍頻得到，硝酸鋇晶體通過水溶液降溫法生長。當泵浦源達到 65mJ時，獲得21mJ —階斯托克斯光，輸出波長為563nm，以及16mJ的二階斯托克斯光，輸出 波長為599nm，受激拉曼散射SRS最大的整體轉換效率(包含一階、二階斯托克斯光之和) 為56. 3%。 2007年，山東大學陳曉寒等人申報了"LD端泵Nd:YAG/SrW0*/KTP黃光激光器"的 專利，該專利利用LD端面泵浦摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)產生基頻光，經過拉曼晶體鎢酸鍶 后產生拉曼光，拉曼光經過倍頻晶體磷酸氧鈦鉀(KTP)進行腔內倍頻，最終產生黃色激光 輸出。 上面提到的用一臺1319nm或1342nm激光器和一臺1064nm激光器，經過非線性晶 體和頻產生黃光的方法，可以獲得較高功率的輸出，但是要求兩束基波光需要在空間和時
間上具有很好的交疊，且整個系統結構較為復雜，不利于器件的集成化。而用雙共振和頻實 現黃光輸出的方法，由于兩條譜線之間存在增益競爭，導致基波的功率不穩定，模式較差， 因而輸出的和頻黃光功率不穩定，效率較低，且產生的黃光波長調諧范圍小。
發明內容
本發明要解決的問題是現有的黃光激光器結構復雜，不利于集成化，工作條件要 求高，黃光輸出不穩定，效率較低，且產生的黃光波長調諧范圍小。 本發明的技術方案為以級聯超晶格為變頻晶體的黃光激光器，包括泵浦光源、前 腔鏡和后腔鏡構成的諧振腔、控溫爐和一片兩段級聯的光學超晶格，泵浦光源為532nm綠 光激光器，級聯的光學超晶格置于控溫爐中，級聯的光學超晶格和控溫爐均位于諧振腔內， 級聯的光學超晶格作為非線性變頻晶體，第一段結構的周期為7. 584ym，用以實現532nm 激光頻率下轉換至968. 8nm和1180nm，第二段結構的周期為10. 18 y m，用以實現1180nm閑 置光倍頻產生590nm黃光；泵浦光源發出的光入射到諧振腔，經級聯的光學超晶格后由后 腔鏡端輸出590nm黃光。 兩段級聯的光學超晶格的結構包括準周期、非周期、雙周期和周期，光學超晶格的
基質材料包括同成分LiTaOp同成分LiNbOy化學計量比LiTaOy化學計量比LiNbOp摻MgO
的鈮酸鋰、摻MgO的鉭酸鋰、磷酸鈦氧鉀晶體KTP和磷酸鈦氧銣晶體RTP。 進一步的，級聯的光學超晶格結構的第二段為扇形結構或者啁啾結構，用于拓展
倍頻過程的溫度帶寬，實現高效的寬帶黃光輸出。 532nm綠光激光器重復頻率從1Hz到150KHz調諧，基波光源為脈沖或準連續；控 溫爐的控制精度為o. rc ;泵浦光源到諧振腔的光路上依次設有衰減器、小？L和聚焦透鏡， 諧振腔的輸出光路上依次設有532nm激光高反射鏡和只能通過590nm激光的濾光片。
再進一步的，設置不同的諧振腔，包括平平腔、平凹腔和雙凹腔，需要提高參量光 功率時縮短諧振腔長度，需要窄線寬的參量光輸出時在諧振腔中加入分光光柵或擴束透鏡 組。 傳統產生黃光激光的方法是用一臺1319nm或1342nm激光器和一臺1064nm激光 器，經過非線性晶體和頻產生黃光，可以獲得較高功率的輸出，其前提條件是，兩束激光需 要在空間上具有很好的交疊，如果是脈沖激光器，則需要同時在空間和時間上具有很好的 交疊。另外，這種方法結構不夠緊湊，不利于集成化設計。另一種方法是1319nm和1064nm，或1342nm和1064nm雙波長共振和頻實現黃光輸出，但由于雙波長共振引起兩個激光模式 的增益競爭，和頻過程不穩定，因此導致輸出黃光不穩定；由于基波光不可以調諧，產生的 黃光波長調諧范圍小。 相比于傳統方法，利用光學超晶格作為非線性晶體，本發明提出了一種基于參量 下轉換級聯倍頻產生黃光的方案，這種方案結構上具有靈活的設計，不僅可以使用級聯周 期結構，還可以使用準周期、非周期、雙周期結構來同時實現兩個非線性過程的位相匹配， 并且多個結構可以集成在一塊晶片上，使結構更加緊湊，提高了系統的集成性。由于不存在 雙波長和頻方案中的激光模式競爭問題，還可以將參量下轉換過程和倍頻過程設計成多個 通道，從而實現寬調諧的黃光輸出；由于不存在雙波長和頻方案中的激光模式競爭問題，能 夠得到穩定的激光輸出，從而實現了高效穩定的全固態黃光激光器。
圖1為本發明結構示意圖。
圖3為本發明黃光功率隨溫度的變化圖。
圖4為本發明黃光功率隨泵浦光功率的變化圖。
圖2為本發明黃光波長隨溫度的變化圖。
圖5為本發明實施例獲得的黃光光斑圖。 圖6為本發明級聯超晶格第二段為扇形結構，其黃光波長隨溫度變化關系圖。
圖7為本發明級聯超晶格第二段的扇形結構示意圖。
圖8為本發明級聯超晶格第二段的啁啾結構示意圖。 圖9為本發明級聯超晶格第二段為啁啾結構，其波長變化引起的相位失配及歸一 化強度圖。
具體實施例方式
本發明采用高重復頻率532nm綠光激光器為泵浦光源，采用一片兩段級聯的光 學超晶格作為非線性晶體產生黃光激光輸出，級聯結構的光學超晶格置于控溫爐中，第一 段結構的周期為7. 584iim，其非線性光學過程的頻率變換為參量下轉換過程，532nm激光 下轉換至968. 8nm和1180nm，這一周期用來補償參量下轉換過程中的位相失配，第二段結 構的周期為10. 18iim，其非線性光學過程的頻率變換為倍頻過程，1180nm激光倍頻產生 590nm黃光，這一周期用來補償倍頻過程中的位相失配，其中，1180nm的參量光在腔中單共 振，通過調節控溫爐的溫度，得到黃光倍頻帶寬，從而得到確定溫度下黃光的最高輸出功 率。 本發明具體通過如下方式來實現 本發明采用的泵浦光源為532nm綠光，重復頻率可以從1Hz到150KHz調諧，因此， 基波光源可以是脈沖的，也可以是準連續的，基波光經過聚焦后進入光參量系統中，光參量 系統包括前腔鏡、非線性變頻晶體和后腔鏡，晶體置于控溫爐中，前腔鏡和后腔鏡對泵浦光 為高透過率，對其中一支參量光1180nm均為高反射率。通過調節控溫爐的溫度實現對晶體 溫度的控制，從而輸出具有一定溫度帶寬的黃光。 本發明適用于泵浦光源為532nm的激光器，泵浦激光可以是連續的，脈沖的，低重復頻率或者高重復頻率。通過設置不同的諧振腔來滿足不同的應用要求，包括平平腔、平凹 腔和雙凹腔，如果需要提高參量光功率，可以采用比較短的諧振腔。如果需要窄線寬的參量 光輸出，則可以在諧振腔中加入分光光柵或擴束透鏡組。 本發明使用光學超晶格材料的基質材料，包括同成分LiTa03 (CLT)、同成分 LiNb03(CLN)、化學計量比LiTa03(SLT)、化學計量比LiNb03(SLN)，摻MgO的鈮酸鋰、摻MgO 的鉭酸鋰、KTP、 RTP等非線性光學晶體。其中，SLT、 SLN晶體相對CLT、 CLN晶體具有更高 的抗光損傷閾值；摻MgO的鈮酸鋰、摻MgO的鉭酸鋰晶體能夠工作在室溫下，且無光折變效 應。根據不同晶體材料的折射率色散關系以及不同的激光晶體的發射波長可以計算出特定 光學超晶格的結構參數，從而實現高效穩定黃光輸出。 本發明所涉及的兩段級聯的光學超晶格可以使用不同的結構，包括準周期、雙周 期、非周期，級聯周期等。級聯結構的第二段可以設計多通道或者啁啾結構來拓展倍頻過程 的溫度帶寬，從而實現高效的寬帶黃光輸出。 以下將以高重復頻率532nm激光器為抽運光源，以兩段周期結構級聯的光學超晶 格為變頻晶體，舉例說明如何實現穩定高效的黃光輸出。 激光器如圖l所示，基波光源l由泵浦光源發出，泵浦光源為重復頻率1Hz 150KHz可調的532nm脈沖激光器，激光脈沖寬度為納秒量級。 基波光源經過衰減器2和小孔3，經聚焦透鏡4聚焦到諧振腔，進入級聯結構的光
學超晶格內部，級聯的光學超晶格io置于控溫爐6中，控溫爐6的控制精度為o. rc，前腔
鏡5鍍有多層膜，對532nm具有高透過率，對1180nm具有高反射率，后腔鏡7鍍有多層膜， 對532nm具有高透過率，對1180nm具有高反射率，前腔鏡5和后腔鏡7組成對1180nm波長 共振的諧振腔，532nm激光高反射鏡8將剩余532nm激光反射，經過濾光片9濾掉除590nm 激光以外的激光后，得到穩定高效的黃光輸出。 下面介紹一下超晶格的結構設計。所謂超晶格，就是在鐵電晶體中通過對非線性 系數的周期性調制，從而提供倒格矢來補償非線性相互作用中因色散帶來的波矢失配，獲 得非線性光學效應的有效增強。光學超晶格的常見結構有周期、準周期、非周期、雙周期等。
簡單的周期結構只能提供一個獨立的倒格矢，實現單個光參量過程的位相匹配， 如倍頻、和頻、差頻等。周期結構的倒格矢可以表述如下 g = ^i其中A為周期，m為整數，代表位相匹配的階數。 對于多個參量過程，比如參量下轉換然后倍頻，必須提供兩個以上倒格矢分別來
補償參量下轉換和倍頻過程中的位相失配，這里我們使用級聯周期結構來實現。 第一段結構用來實現光參量振蕩過程，kp、 ks、 ki分別代表泵浦光、信號光、閑置光
的波矢，^代表光參量振蕩過程中因色散引起的波矢失配，A工為第一段結構的周期。
動量守恒公式為、-、-S
八i 第二段結構用來產生倍頻黃光，kSHe代表倍頻過程中黃光的波矢，G2代表倍頻過程
中因色散引起的波矢失配，A2為第二段結構的周期。
' 屮" 2"
動量守恒公式為&恥-= g2 = t
6
參量下轉換和倍頻過程中的相位匹配溫度都設計在19(TC，利用鉭酸鋰晶體的色 散公式來計算折射率
<formula>formula see original document page 7</formula> 其中的參數為
A = 4. 5284
B = 7. 2449X10—3
C = 0. 2453
D =-2. 3670X10—2
E = 7. 7690X10—2
F = 0. 1838 b (T) = 2. 6794 X 10—8 (T+273. 15)2
c (T) = 1. 6234 X 10—8 (T+273. 15)2 由上面的公式可以得到532nm綠光參量下轉換至1180nm和968. 8nm激光對應的
周期為7. 584 ii m， 1180nm激光倍頻至590nm黃光對應的周期為10. 18 y m。 上述具體實施例中聚焦透鏡4將泵浦光聚焦在光學超晶格10內，前腔鏡5和后腔
鏡7均為平行平面鏡，鍍膜參數為對泵浦光高透過率，對閑置光高反射率，整個諧振腔長
70rnm，前腔鏡5和后腔鏡7還可以采用其它的腔型，例如，平凹腔，雙凹腔等。 晶體采用同成分LiTa03(CLT)，厚度0. 5mm，長4cm，采用級聯周期結構，前一段結構
長2cm，參與過程為532nm綠光參量下轉換至1180nm和968. 8nm激光，后一段結構長2cm，
參與過程為1180nm激光倍頻至590nm黃光。 結果如圖2-4所示，圖2中，當控溫爐控制溫度由18rC到185tH周節時，黃光波長 由592. 77nm到587. 44nm連續可調，波長調諧范圍覆蓋到591nm鈉黃光定標波長，這一波長 可以用于天文觀測自適應光學中；控制溫度設定在183.4t:，泵浦光功率為2. 13W時，得到 信號光功率404mW，黃光功率104mW，由泵浦光到信號光的轉換效率為19%，由泵浦光到黃 光的轉換效率為5% ;黃光光斑如圖5所示，在實施過程中，三個小時之內測試了黃光的穩 定性，其功率變化在±5%。 由圖3可以看出，黃光功率隨溫度變化存在最大倍頻點，當溫度偏離最大倍頻點 時，黃光功率就會降低，為了使黃光功率在很大溫度范圍內都能保持不變，本發明進一步設 計了優化方案，設計了周期級聯扇形結構的超晶格和周期級聯啁啾結構的超晶格，如圖7、8
所示，具體實施例如下 兩段級聯的光學超晶格前段用于參量過程的結構仍采用周期結構，后段用于倍頻 的結構采用扇形結構，采用扇形結構是為了當溫度由185t:到195t:變化時，倍頻黃光的功 率保持不變。具體設計為前段結構的周期7. 584um，當溫度由185t:到195。C變化時，閑置 光波長由1. 167um到1. 192um變化，相應的倍頻波長為583. 5nm到596nm，如圖6所示，周期 為9. 901um到10. 486咖，扇形結構如圖7所示，因此，當溫度變化時，由于扇形結構的周期是 可變的，通過調節放置扇形結構超晶格的平移臺，沿垂直入射光方向移動扇形結構的光學 超晶格，便可以找到某一位置對應的周期滿足位相匹配條件，這樣通過調節光學超晶格不 同位置就可以使黃光功率在很大溫度范圍內保持不變。
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另外一種拓展倍頻溫度帶寬的方法是將倍頻過程設計成啁啾結構，如圖8所示， 當溫度由185t:到195t:變化時，最小周期為9. 901咖，最大周期為10. 486咖，設計啁啾結構 的啁啾量為0. 057，啁啾結構可以拓寬黃光的調諧范圍，溫度變化1(TC可以使黃光波長變 化約12nm，圖9為波長變化引起的倍頻波矢失配，以及對應的黃光歸一化強度。
由圖3可知，實驗中測量到周期結構的倍頻帶寬大約為3t:，黃光波長變化范圍約 5nm，扇形結構和啁啾結構的倍頻帶寬為l(TC，黃光波長變化范圍約12nm，由此可見，扇形 結構和啁啾結構能夠大大拓寬倍頻溫度帶寬。
本發明的優化方案還包括以下幾個方面 1)、光學超晶格采用抗損傷閾值較高的SLT、SLN、MgO:LiNb03、MgO:LiTa03等晶體， 由于晶體的抗損傷閾值大大提高，晶體所承受的最大泵浦光功率也相應提高，因此可以獲 得更高功率的黃光； 2)、本發明采用兩段不同結構級聯的光學超晶格，級聯的光學超晶格的結構包括 準周期、非周期、雙周期和周期，可以采用準周期、非周期、雙周期結構代替周期結構；準周 期、非周期、雙周期結構使兩個非線性過程在空間上重合，從而大大提高了轉換效率。
3)、諧振腔還可采用平凹腔、雙凹腔結構，若獲得窄線寬黃光，則在腔中加入FP標 準具或光柵等元件。 由以上分析可以看出，從硬件上優化諧振腔及光學超晶格的質量，可以達到更高 效的黃光輸出。
權利要求
以級聯超晶格為變頻晶體的黃光激光器，其特征是包括泵浦光源、前腔鏡和后腔鏡構成的諧振腔、控溫爐和一片兩段級聯的光學超晶格，泵浦光源為532nm綠光激光器，級聯的光學超晶格置于控溫爐中，級聯的光學超晶格和控溫爐均位于諧振腔內，級聯的光學超晶格作為非線性變頻晶體，第一段結構的周期為7.584μm，用以實現532nm激光頻率下轉換至968.8nm和1180nm，第二段結構的周期為10.18μm，用以實現1180nm閑置光倍頻產生590nm黃光；泵浦光源發出的光入射到諧振腔，經級聯的光學超晶格后由后腔鏡端輸出590nm黃光。
2. 根據權利要求1所述的以級聯超晶格為變頻晶體的黃光激光器，其特征是兩段級聯 的光學超晶格的結構包括準周期、非周期、雙周期和周期，光學超晶格的基質材料包括同成 分LiTaOg、同成分LiNbOy化學計量比LiTaOp化學計量比LiNbOy摻MgO的鈮酸鋰、摻MgO 的鉭酸鋰、磷酸鈦氧鉀晶體KTP和磷酸鈦氧銣晶體RTP。
3. 根據權利要求1或2所述的以級聯超晶格為變頻晶體的黃光激光器，其特征是級聯 的光學超晶格結構的第二段為扇形結構或者啁啾結構，用于拓展倍頻過程的溫度帶寬，實 現高效的寬帶黃光輸出。
4. 根據權利要求l或2所述的以級聯超晶格為變頻晶體的黃光激光器，其特征是 532nm綠光激光器重復頻率從1Hz到150KHz調諧，基波光源為脈沖或準連續；控溫爐的控 制精度為o. rc ;泵浦光源到諧振腔的光路上依次設有衰減器、小？L和聚焦透鏡，諧振腔的 輸出光路上依次設有532nm激光高反射鏡和只能通過590nm激光的濾光片。
5. 根據權利要求3所述的以級聯超晶格為變頻晶體的黃光激光器，其特征是532nm綠 光激光器重復頻率從1Hz到150KHz調諧，基波光源為脈沖或準連續；控溫爐的控制精度為 0. rc ;泵浦光源到諧振腔的光路上依次設有衰減器、小？L和聚焦透鏡，諧振腔的輸出光路 上依次設有532nm激光高反射鏡和只能通過590nm激光的濾光片。
6. 根據權利要求1或2所述的以級聯超晶格為變頻晶體的黃光激光器，其特征是設置 不同的諧振腔，包括平平腔、平凹腔和雙凹腔，需要提高參量光功率時縮短諧振腔長度，需 要窄線寬的參量光輸出時在諧振腔中加入分光光柵或擴束透鏡組。
7. 根據權利要求3所述的以級聯超晶格為變頻晶體的黃光激光器，其特征是設置不同 的諧振腔，包括平平腔、平凹腔和雙凹腔，需要提高參量光功率時縮短諧振腔長度，需要窄 線寬的參量光輸出時在諧振腔中加入分光光柵或擴束透鏡組。
8. 根據權利要求4所述的以級聯超晶格為變頻晶體的黃光激光器，其特征是設置不同 的諧振腔，包括平平腔、平凹腔和雙凹腔，需要提高參量光功率時縮短諧振腔長度，需要窄 線寬的參量光輸出時在諧振腔中加入分光光柵或擴束透鏡組。
9. 根據權利要求5所述的以級聯超晶格為變頻晶體的黃光激光器，其特征是設置不同 的諧振腔，包括平平腔、平凹腔和雙凹腔，需要提高參量光功率時縮短諧振腔長度，需要窄 線寬的參量光輸出時在諧振腔中加入分光光柵或擴束透鏡組。
全文摘要
以級聯超晶格為變頻晶體的黃光激光器，包括泵浦光源、前腔鏡和后腔鏡構成的諧振腔、控溫爐和一片兩段級聯的光學超晶格，級聯的光學超晶格作為非線性變頻晶體，泵浦光源發出的光入射諧振腔，經級聯的光學超晶格后由后腔鏡端輸出590nm黃光。本發明級聯超晶格第一段結構用來實現光參量振蕩過程，第二段結構用來產生倍頻黃光，具有靈活的設計，不僅可以使用級聯周期結構，還可以使用準周期、非周期、雙周期結構來同時實現兩個非線性過程的位相匹配，并且多個結構可以集成在一塊晶片上，結構緊湊，提高了系統的集成性；可以實現寬調諧的黃光輸出；能夠得到穩定的激光輸出，實現了高效穩定的全固態黃光激光器。
文檔編號H01S3/02GK101741000SQ20091026285
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月11日 優先權日2009年12月11日
發明者徐平, 祝世寧, 胡小鵬, 趙麗娜, 趙剛 申請人:南京大學