專利名稱：波長轉換方法、光參量振蕩器和光參量放大器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光器技術領域，具體涉及一種波長轉換方法、光參量振蕩器和光參量放大器。
背景技術：
波長大于3. 7μπι(微米)的激光在光電對抗、氣體探測等領域有重要的應用，目前應用廣泛的紅外探測器對這一波段有比較敏感的作用。實現(xiàn)這一波長激光的方法有很多， 其中光參量變換方法由于實現(xiàn)結構簡單、體積小以及波長可調諧的特性，成為目前實現(xiàn)波長大于3. 7 μ m的激光的有效手段。所謂光參量變換的方法是利用晶體二階非線性光學變換將注入泵浦激光的波長轉換成波長更長的激光。當激光通過雙折射晶體時，按照偏振狀態(tài)分成尋常光(ο光)和非尋常光(e光)。當注入晶體的激光滿足內相位匹配條件的時候，可以發(fā)生光參量變換過程。光參量變換過程中，一個泵浦光子湮滅產生一個信號光子和一個閑頻光子，三個波長的激光滿足相位匹配條件
2πη^ 2πτι, 2πτιη Yr^r^ = 0
aS Λ aZ其中λρ λ2、λ3分別是信號光、閑頻光和泵浦光的波長，ηι、η2、η3分別是偏振狀
態(tài)的信號光、閑頻光和泵浦光在晶體中的折射率。三個波長滿足
1 1 1 ^-— “― = 0
aS Λ aZ光參量變換過程中，信號光和閑頻光統(tǒng)稱為參量光，對于這兩個參量光，如果把其中之一稱作信號光，另一個稱為閑頻光。如果只有泵浦光注入非線性晶體內，從晶體中輸出了信號光和閑頻光，則這個裝置可以稱為光參量生成器(OPG)。如果較強的泵浦光和較弱的參量光注入非線性晶體中，從晶體中輸出了較強的參量光，這是一個光參量放大的過程，這個裝置可以稱為光參量放大器(OPA)。如果在非線性晶體兩端加入諧振腔，將泵浦光注入諧振腔和晶體內，當至少一種參量光在諧振腔內振蕩時，這叫做光參量振蕩器(0Ρ0)。根據諧振腔的類型，OPO可以分為單諧振OPO (只有信號光振蕩)和雙諧振OPO (信號光和閑頻光同時振蕩)；如果泵浦光被諧振腔鏡反射，從而兩次通過非線性晶體，可以稱為雙程泵浦0Ρ0。常用非線性頻率變換產生大于3. 7 μ m波長激光的方法是利用2 μ m波長的激光器通過光參量過程得到，常用的晶體是&^沖2(26 486必2等晶體。對于脈沖寬度為IOns 的脈沖，這兩種晶體的損傷閾值分別為2J/cm2和lj/cm2，實際應用中由于鍍膜工藝的限制， 損傷閾值會更低，因而不利于大功率密度和大能量密度運轉。并且2 μ m波長的激光需要通過多級光參量過程產生或者通過Tm、Ho等離子摻雜的激光晶體產生，這兩種方法在實際應用中都會增加系統(tǒng)的復雜性。目前用ZGP晶體，IOns脈沖寬度的激光可以得到約30mJ、 波長大于3.7μπι的激光。產生這個波段的激光，也可以用LiNbO3(LN)和周期性極化的 LiNbO3(PPLN)晶體，但是由于制作工藝水平的限制，LN晶體的在實際使用中的損傷閾值在0. 5J/cm2左右(脈沖寬度10ns)，PPLN晶體的損傷閾值則更低。目前大口徑的PPLN晶體生長技術還不成熟，這類晶體也不利于輸出大能量密度和大功率密度的激光，利用這類晶體理論上可以產生30mJ左右波長大于3. 7 μ m的激光(脈沖寬度IOns)。利用沿X_cut的砷酸鈦氧鉀(KTiOAsO4,簡稱為KTA)晶體通過1.5 μ m波長的激光泵浦也可以產生這個波段的激光(參見發(fā)明US6834063)，但是1. 5 μ m波長的激光首先要經過1. 064 μ m左右的激光泵浦X-cut的KTA晶體得到，增加了系統(tǒng)的復雜性。由于大能量波長大于3. 7 μ m的激光在遙感氣體探測和中紅外波長軍事對抗等領域有重要的應用潛力，利用簡單便攜的結構實現(xiàn)更大能量的輸出有實際應用價值。

發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題本發(fā)明所要解決的技術問題是如何設計一種實現(xiàn)過程簡單，成本低的波長轉換方法，以及由該方法實現(xiàn)的光參量振蕩器和光參量放大器。(二)技術方案為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種波長轉換方法，所述方法使用一定波長的激光泵浦KTA晶體得到波長大于3. 7 μ m的激光，其中，KTA晶體采用TL折射率主軸平面內處于KTA晶體的相位匹配曲線的邊緣位置的相位匹配角。優(yōu)選地，所述一定波長為1047nm 1064nm的波長。優(yōu)選地，所述一定波長為1. 064 μ m的波長。優(yōu)選地，所述KTA晶體采用YL折射率主軸平面內41. 2°的相位匹配角。優(yōu)選地，所述波長大于3. 7 μ m的激光為波長大于3. 7 μ m的紅外波段的激光。優(yōu)選地，所述波長大于3. 7μπι的激光為3.7 3. 8 μ m波段、中心波長為波長 3. 75 μ m的紅外波段的激光。優(yōu)選地，所述KTA晶體為單塊的形式、多塊串聯(lián)的形式，或者多塊走離補償的形式。優(yōu)選地，所述一定波長的激光為泵浦光，產生所述泵浦光的激光晶體為Nd3+和摻雜的晶體，被摻雜的基體晶體是YAG、YVO4和YLF中的一種。本發(fā)明還提供了一種光參量振蕩器(包括外腔OPO和內腔外腔0P0)，其利用所述的方法實現(xiàn)，包括KTA晶體和諧振腔鏡。本發(fā)明還提供了一種光參量放大器，其利用所述的方法實現(xiàn)，包括KTA晶體。(三)有益效果本發(fā)明利用1. 064 μ m左右的激光直接泵浦KTA晶體得到大于3. 7 μ m波長的激光，由于沒有中間波長的光參量過程，所以實現(xiàn)過程簡單。KTA晶體相比其它晶體(如ZGP、 PPLN)有更高的損傷閾值，因此更利于高能量密度輸出。而且，由于KTA晶體生產工藝相對成熟，價格也較其它晶體(如ZGP、PPLN等)更低廉，所以降低了實現(xiàn)成本。


圖1為本發(fā)明獲得的閑頻光的光譜圖；圖2為本發(fā)明實施例1的外腔式OPO系統(tǒng)結構圖3為本發(fā)明實施例2的OPA系統(tǒng)結構圖；圖4為本發(fā)明實施例3的內腔式OPO系統(tǒng)結構圖。
具體實施例方式下面對于本發(fā)明所提出的一種波長轉換方法、光參量振蕩器和光參量放大器，結合附圖和實施例詳細說明。本發(fā)明實施例基于1.064μπι左右波長激光(為泵浦光)泵浦砷酸鈦氧鉀 (KTiOAsO4，簡稱KTA)晶體，泵浦光在KTA晶體中發(fā)生光參量變換過程，生成波長大于 3.7μπι的紅外波段的激光。該KTA晶體為)(Ζ折射率主軸平面內41. 2°相位匹配的KTA晶體。本發(fā)明的實驗中，利用1. 064 μ m波長的激光泵浦KTA晶體得到了 3. 7 3. 8 μ m波段、 中心波長3. 75 μ m的激光，能量約60 70mJ，脈沖寬度約7ns，光斑直徑為9mm。本發(fā)明中，相位匹配發(fā)生的位置處在KTA晶體的相位匹配曲線的邊緣，由于折射率測量的不精確性和實際相位匹配過程的微小變動，目前對這個位置的相位匹配過程有很多預測，預測模型基本相同，預測結果卻有不小差異。印度Burdwan University大學的Das等人最近對3. 7 μ m以下波長的相位匹配過程進行了研究，同時也列舉了不同的預測結果，對于3. 7 μ m 4. 0 μ m波段卻沒能給出實驗結果。本發(fā)明則在實驗上得到了波長大于3. 7μπι的激光，填補了 KTA晶體輸出大能量中紅外波長激光的部分空白。這里利用 1.064 μ m波長的激光泵浦41. 2° )(Z折射率主軸平面(即)(Z平面)內相位匹配的KTA晶體得到波長3. 75 μ m的激光，不是簡單地對KTA晶體匹配角度的改變，而是對1. 064 μ m波長泵浦的KTA晶體的TL平面TL折射率主軸平面內相位匹配曲線邊緣臨界位置的相位匹配情況的探索和驗證。實驗上得到了 3. 7 3. 8μπι的波長成分，說明這個角度的相位匹配過程是存在的，并且由于實際輸出了較大的能量，說明利用這種方法產生大能量波長大于 3.7μπι的激光是可行的。本發(fā)明的實驗中，用1.064 μ m波長的激光直接泵浦一級OPO (該 OPO包括KTA晶體和諧振腔鏡)得到了大能量3. 75 μ m波長的激光，由于沒有參量放大過程，所以實現(xiàn)結構簡單也是本發(fā)明的優(yōu)點，這個優(yōu)點在實際應用中更有優(yōu)勢。在這個匹配角度附近，微調KTA晶體，可以得到大能量波長大于3. 7 μ m的激光。由于KTA晶體生產工藝相對成熟，價格較ZGP、PPLN等晶體低廉，所以整個系統(tǒng)在壓縮成本上也更有優(yōu)勢。為了驗證用KTA晶體實現(xiàn)波長大于3. 7 μ m大能量激光輸出的可能性，本發(fā)明設計了 KTA晶體0P0。其中KTA晶體采用在)(Z折射率主軸平面內41. 2°切割，泵浦光采用10Hz、 1. 064 μ m的激光，泵浦光能量為800mJ，脈沖寬度10ns，空間分布形式為近平頂分布。諧振腔采用外腔泵浦、信號光單諧振的形式，KTA晶體采用兩塊晶體走離補償的形式。本發(fā)明實驗得到了 60mJ、3. 75 μ m中心波長的閑頻光(如圖1所示)，脈沖寬度為7ns。如圖2所示為本發(fā)明的一個應用實施例，該實施例采用外腔OPO的形式。XL折射率主軸平面內41. 2°附近切割的KTA晶體放置在OPO諧振腔內，晶體可以采用單塊的形式、 多塊串聯(lián)的形式，或者多塊走離補償的形式，閑頻光中心波長大于3. 7 μ m。泵浦方式采用外腔泵浦的結構，即OPO諧振腔與泵浦源諧振腔相互獨立。實驗中的OPO諧振腔采用了平平諧振腔的結構，即兩個平面腔鏡(即圖2中的OPO輸入鏡和OPO輸出鏡)組成的諧振腔。實際應用的時候，諧振腔也可以采用其它諧振腔類型，例如共焦諧振腔、共心諧振腔、非穩(wěn)腔等形式。大能量密度、低重頻、低功率密度的泵浦光注入到OPO諧振腔中，信號光在OPO諧振腔中產生并振蕩。如果采用雙諧振OPO的形式，信號光和閑頻光將會同時在OPO中振蕩。 泵浦光波長采用1047nm 1064nm的波長。產生泵浦光的激光晶體可以為Nd3+和摻雜的晶體，被摻雜的基體晶體可以是YAG、YV04、YLF等晶體。KTA晶體的尺寸根據實際OPO參數設計。如圖3所示，本發(fā)明的另一個應用實例是光參量放大器。將大能量的泵浦光和較弱的信號光注入沿41. 2°附近切割的KTA晶體中，通過OPA過程得到大能量的閑頻光，閑頻光中心波長大于3. 7 μ m。KTA晶體放置在OPO諧振腔內，晶體可以采用一塊或者多塊串聯(lián)的形式，也可以采用走離補償的形式。圖3中的45°鏡對泵浦光具有高透過率，對信號光具有高反射率。大能量密度、低重頻、低功率密度的泵浦光注入到KTA晶體中，信號光在KTA晶體中與泵浦光發(fā)生光參量放大現(xiàn)象，得到大能量的閑頻光。泵浦光波長采用1047nm 1064nm的波長。產生泵浦光的激光晶體可以為Nd3+和摻雜的晶體，被摻雜的基體晶體可以是YAG、YVO4, YLF等晶體。 KTA晶體的長度根據實際OPO參數設計，KTA晶體可以選擇為單塊的形式、多塊串聯(lián)的形式， 或者多塊走離補償的形式。如圖4所示，本發(fā)明的又一個應用實例是內腔式0P0，即OPO諧振腔放置在泵浦光諧振腔內，諧振腔也可以采用其它諧振腔類型，例如共焦諧振腔、共心諧振腔、非穩(wěn)腔等形式。OPO的諧振腔與泵浦光諧振腔可以使用相同的腔鏡，也可以使用相互獨立的腔鏡。XZ 折射率主軸平面內41. 2°附近切割的KTA晶體放置在OPO諧振腔內，晶體可以采用單塊的形式、多塊串聯(lián)的形式，或者多塊走離補償的形式，閑頻光中心波長大于3. 7 μ m。泵浦光可以采用大能量密度、低重頻、低功率密度的形式運轉。大能量密度、低重頻、低功率密度的泵浦光在泵浦光諧振腔內運轉并注入到OPO諧振腔中，信號光在OPO諧振腔中產生并振蕩。如果采用雙諧振OPO的形式，信號光和閑頻光將會同時在OPO中振蕩。泵浦光波長采用1047nm 1064nm的波長。產生泵浦光的激光晶體可以為Nd3+和樸3+摻雜的晶體，被摻雜的基體晶體可以是YAG、YVO4, YLF等晶體。KTA晶體的長度根據實際OPO參數設計。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的發(fā)明保護范圍應由權利要求限定。
權利要求
1.一種波長轉換方法，其特征在于，所述方法使用一定波長的激光泵浦KTA晶體得到波長大于3. 7 μ m的激光，其中，KTA晶體采用XL折射率主軸平面內處于KTA晶體的相位匹配曲線的邊緣位置的相位匹配角。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述一定波長為1047nm 1064nm的波長。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述一定波長為1.064 μ m的波長。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述KTA晶體采用)(Z折射率主軸平面內 41.2°的相位匹配角。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述波長大于3.7 μ m的激光為波長大于 3.7μπι的紅外波段的激光。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述波長大于3.7 μ m的激光為3. 7 3. 8 μ m波段、中心波長為波長3. 75 μ m的紅外波段的激光。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述KTA晶體為單塊的形式、多塊串聯(lián)的形式，或者多塊走離補償的形式。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述一定波長的激光為泵浦光，產生所述泵浦光的激光晶體為Nd3+和摻雜的晶體，被摻雜的基體晶體是YAG、YVO4和YLF中的一種。
9.一種光參量振蕩器，其特征在于，其利用權利要求1 8中任一項所述的方法實現(xiàn)， 包括KTA晶體和諧振腔鏡。
10.一種光參量放大器，其特征在于，其利用權利要求1 8中任一項所述的方法實現(xiàn)， 包括KTA晶體。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光器技術領域，公開了一種波長轉換方法，所述方法使用一定波長的激光泵浦砷酸鈦氧鉀KTA晶體得到波長大于3.7μm的激光，其中，KTA晶體采用XZ折射率主軸平面內處于KTA晶體的相位匹配曲線的邊緣位置的相位匹配角。本發(fā)明還提供了利用該方法實現(xiàn)的光參量振蕩器和光參量放大器。本發(fā)明利用1.064μm左右的激光直接泵浦KTA晶體得到大于3.7μm波長的激光，由于沒有經過中間波長激光的光參量轉換，所以實現(xiàn)過程簡單。KTA晶體相比其它晶體(如ZGP、PPLN)有更高的損傷閾值，因此更利于高能量密度輸出。而且，由于KTA晶體生產工藝相對成熟，價格也較其它晶體(如ZGP、PPLN等)更低廉，所以降低了實現(xiàn)成本。
文檔編號G02F1/35GK102402097SQ20111039143
公開日2012年4月4日 申請日期2011年11月30日 優(yōu)先權日2011年11月30日
發(fā)明者劉建輝, 鞏馬理, 張海濤, 柳強, 閆平, 黃磊 申請人:清華大學