專利名稱：準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體及其激光產(chǎn)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非線性光學(xué)單塊晶體的光柵設(shè)計(jì)，特是涉及準(zhǔn)相位匹配(Quasi-phase Matching；QPM)非線性光學(xué)單塊晶體(monolithiccrystal)的光柵設(shè)計(jì)及利用該晶體產(chǎn)生頻率轉(zhuǎn)換(frequency conversion)的激光產(chǎn)生裝置。
現(xiàn)有傳統(tǒng)上大部分激光光是利用量子能量躍遷造成固定波長(zhǎng)或頻率的電磁輻射。然而，許多應(yīng)用都需要可調(diào)波長(zhǎng)的激光光源。例如，在環(huán)境微量氣體偵測(cè)上，因?yàn)椴煌瑲怏w會(huì)有不同的吸收波長(zhǎng)，可調(diào)波長(zhǎng)的激光加上光譜偵測(cè)系統(tǒng)可以達(dá)成多種微量氣體分析。又例如，在平面顯示器方面，每一像點(diǎn)為一可固定發(fā)出紅、綠、藍(lán)三色波長(zhǎng)的激光光源。雖然部分激光光源，如染料激光(dye laser)、自由電子激光(free-electron laser)與一些非線性晶體激光波長(zhǎng)，均可在一定程度下調(diào)變其發(fā)出激光的波長(zhǎng)，但是其調(diào)變幅度仍不夠大，且價(jià)格昂貴、效率低、操作不便。
在最近幾年，隨著非線性光學(xué)的發(fā)展，可調(diào)波長(zhǎng)激光亦有很大的進(jìn)步。非線性光學(xué)效應(yīng)是借由二入射激光信號(hào)(在某些情形下，該二入射信號(hào)可借由同一激光信號(hào)而得)因同軸地通過一非線性光學(xué)晶體而產(chǎn)生交互作用，發(fā)出一預(yù)期中的特殊波長(zhǎng)激光。其中，二階非線性光效應(yīng)(second-order nonlinear optical effect)包括二次諧振(Second HarmonicGeneration；SHG)，差頻(Difference Frequency Generation；DFG)，和頻(Sum Frequency Generation；SFG)，光參數(shù)產(chǎn)生、放大、振蕩(OpticalParametric Generation，Amplification，Oscillation；OPG，OPA，OPO)。在二階非線性轉(zhuǎn)換的過程中，如果所發(fā)出的激光信號(hào)和其它二入射激光信號(hào)在晶體中達(dá)到相位匹配(phase-matching)時(shí)，所發(fā)出激光的強(qiáng)度會(huì)因通過晶體的長(zhǎng)度而增強(qiáng)。如果該三信號(hào)相位不匹配，所發(fā)出激光的強(qiáng)度則無法持續(xù)增強(qiáng)。在非線性光學(xué)晶體中，可使所欲發(fā)出的激光信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)的距離稱為一同調(diào)長(zhǎng)度(coherence length)。因此，在相位不匹配的情形下，發(fā)出激光的強(qiáng)度僅能經(jīng)由單一同調(diào)長(zhǎng)度而累積，通常在這種情形下該同調(diào)長(zhǎng)度只有微米(μm)的大小。要使三信號(hào)達(dá)到相位匹配的情形，需巧妙設(shè)計(jì)晶體的非線性光學(xué)特性，以使所欲產(chǎn)生的激光強(qiáng)度在非線性晶體中持續(xù)增長(zhǎng)。由于溫度也可以改變晶體的折射率，從而改變相位匹配的條件，因此改變非線性晶體溫度是調(diào)整射出激光波長(zhǎng)的方法之一。
準(zhǔn)相位匹配非線性激光是最近為改良可調(diào)波長(zhǎng)激光的效率而發(fā)展出來的。參見Fejer at el.發(fā)表的“Quasi-phase-matched Second HarmonicGenerationTuning and Tolerances，”IEEE Journal of QuantumElectronics，vol.28，1992pp.2631-2654，以及美國(guó)專利第5,036,220號(hào)、第5,800,767號(hào)、第5,714,198號(hào)、第5,838,702號(hào)等。在先技術(shù)的架構(gòu)中，晶體的非線性光學(xué)參數(shù)以同調(diào)長(zhǎng)度為單位作周期性的變號(hào)，用以達(dá)到相位匹配的目的(稱之為準(zhǔn)相位匹配)。并有效產(chǎn)生另一頻率的激光。因此人們可利用準(zhǔn)相位匹配技術(shù)選擇非線性晶體中的最大非線性光學(xué)參數(shù)來達(dá)到最大雷射轉(zhuǎn)換效率。周期性變化通常是利用周期性改變鐵電物(ferroelectric material)的自發(fā)極化(spontaneous polarization)方向而完成。除了泵激光的波長(zhǎng)與操作溫度，交替極化區(qū)域的間隔周期決定發(fā)出激光的波長(zhǎng)。當(dāng)泵激光波長(zhǎng)及鐵電物的光柵周期都固定時(shí)，可利用改變溫度來小幅調(diào)整發(fā)出激光的波長(zhǎng)。許多鐵電物(ferroelectricmaterial)可以形成相當(dāng)良好的準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)晶體，例如LiNbO3、LiTaO3、LiIO3、KNbO3、KTiOPO4(KTP)、RbTiOAsO4(RTA)、RbTiOPO4等等。


圖1所示為一種現(xiàn)有的非線性光學(xué)晶體101，該晶體僅具有單一光柵，所以只能產(chǎn)生一種非線性光學(xué)響應(yīng)。例如Myers等人發(fā)表的″Quasi-phase-matching 1.064μm-pumped optical parametric oscillator inbulk periodically poled LiNbO3，″OPTICS LETTERS Vol.20，No.1，Jan.1995，pp.52-54。另一種現(xiàn)有的非線性光學(xué)晶體是由不同光柵周期的二部分單晶組成，所以能產(chǎn)生兩種非線性光學(xué)響應(yīng)。例如Rosenberg發(fā)表的“2.5-W continuous-wave，629-nm solid-state laser source”，OpticsLetters，Vol.23 No.1，F(xiàn)ebruary1，1998，pp.207-209，以及美國(guó)專利第5,768,302號(hào)。然而，單晶組成的二光柵在進(jìn)行非線性光學(xué)響應(yīng)時(shí)由于是處于一溫度，當(dāng)溫度稍有變化，就可能造成其中一光柵的相位不匹配。該困難造成激光波長(zhǎng)的可調(diào)幅度有限，無法滿足實(shí)際需要。
本發(fā)明鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，乃經(jīng)悉心試驗(yàn)與研究，并一本鍥而不舍的精神，終于創(chuàng)作出本發(fā)明準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體及其激光產(chǎn)生裝置，揭露一種新穎的激光產(chǎn)生架構(gòu)，允許連續(xù)非線性頻率轉(zhuǎn)換與大幅度的波長(zhǎng)調(diào)整。
本發(fā)明的主要目的在于提供一種準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體及其激光產(chǎn)生裝置，使其晶體可以進(jìn)行并聯(lián)與串聯(lián)激光頻率轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明的次一目的在于提供一種準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體及其激光產(chǎn)生裝置，該晶體可以在兩種或多種不同溫度下進(jìn)行激光頻率轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體及其激光產(chǎn)生裝置，使用上述準(zhǔn)相位匹配單塊晶體的固態(tài)激光產(chǎn)生裝置。
本發(fā)明的目的是由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
一種準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體，其晶體本體包括一準(zhǔn)相位匹配單一光柵區(qū)，沿一第一方向具有一第一光柵周期；一準(zhǔn)相位匹配多重光柵區(qū)，是由復(fù)數(shù)個(gè)沿一第二方向平行排列的內(nèi)光柵組成，其特征在于所述第二方向是垂直該第一方向且每一內(nèi)光柵沿該第一方向均具有一特殊的光柵周期；
該晶體本體的第一光柵區(qū)可為該單一光柵區(qū)或該多重光柵區(qū)。
本發(fā)明的目的還可由以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。
一種固態(tài)激光產(chǎn)生裝置，其特征在于其包括一種準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體，其晶體本體具有一準(zhǔn)相位匹配單一光柵區(qū)，沿一第一方向具有一第一光柵周期，以及一準(zhǔn)相位匹配多重光柵區(qū)，是由復(fù)數(shù)個(gè)沿垂直該第一方向的一第二方向平行排列的內(nèi)光柵組成，其中，每一內(nèi)光柵沿該第一方向均具有一特殊的光柵周期；以及一激光光源，用以提供具有一第一波長(zhǎng)的第一激光信號(hào)沿該第一方向射入該準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體；其中，該晶體本體的第一光柵區(qū)可為該單一光柵區(qū)或該多重光柵區(qū)；其中，當(dāng)該第一激光信號(hào)射入該準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體后，晶體內(nèi)部因應(yīng)各個(gè)光柵特性會(huì)產(chǎn)生二或多個(gè)非線性光學(xué)頻率或波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效應(yīng)，最后射出具有一或多個(gè)不同于第一波長(zhǎng)的第二激光信號(hào)。
本發(fā)明的目的還可由以下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)，前述的準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體，其中所述單塊晶體為可電性極化晶體，亦即為鐵電物質(zhì)。
前述的準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體，其中所述鐵電物，是自LiNbO3、LiTaO3、LiIO3、KNbO3、KTiOPO4(KTP)、RbTiOAsO4(RTA)、與RbTiOPO4等晶體擇出其一。
前述的固態(tài)激光產(chǎn)生裝置，其中還包括一溫控爐，用以控制該準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體的溫度，并調(diào)制該光柵的相位匹配特性，以達(dá)到能調(diào)整輸出激光波長(zhǎng)及最大輸出功率。
前述的固態(tài)激光產(chǎn)生裝置，其中更包括一共振腔，用以增加該第二激光信號(hào)的強(qiáng)度。
前述的固態(tài)激光產(chǎn)生裝置，其中所述共振腔是由位于該晶體兩側(cè)的一第一反射鏡與一第二反射鏡組成。
前述的固態(tài)激光產(chǎn)生裝置，其中所述共振腔是由鍍于該晶體兩端面的二光學(xué)反射薄膜組成。
前述的固態(tài)激光產(chǎn)生裝置，其中所述非線性光學(xué)頻率或波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效應(yīng)包括二次及三次諧振(Second and Third Harmonic Generation；SHGand THG)，差頻(Difference Frequency Generation；DFG)，和頻(SumFrequency Generation；SFG)，光參數(shù)產(chǎn)生、放大、振蕩(Optical ParametricGeneration，Amplification，Oscillation；OPG，OPA，OPO)。
前述的固態(tài)激光產(chǎn)生裝置，其中所述激光光源為被動(dòng)式Q-轉(zhuǎn)換激光(passively Q-switched laser)本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)及其效果。
一種準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體及其激光產(chǎn)生裝置，其晶體可以進(jìn)行并聯(lián)與串聯(lián)激光頻率轉(zhuǎn)換。該晶體可以在兩種或多種不同溫度下進(jìn)行激光頻率轉(zhuǎn)換。當(dāng)泵激光波長(zhǎng)及鐵電物的光柵周期都固定時(shí)，可利用改變溫度來小幅調(diào)整發(fā)出激光的波長(zhǎng)。
本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)由以下實(shí)施例及其附圖詳細(xì)給出。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)的準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)晶體及利用其產(chǎn)生頻率轉(zhuǎn)換的激光裝置的示意圖；圖2為本發(fā)明準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體的第一較佳實(shí)施例；圖3為本發(fā)明準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體的其他較佳實(shí)施例；圖4為本發(fā)明固態(tài)激光產(chǎn)生裝置的第一較佳實(shí)施例，該激光裝置未使用共振透鏡組；圖5為本發(fā)明固態(tài)激光產(chǎn)生裝置的第二較佳實(shí)施例，該晶體兩側(cè)具有二共振透鏡；圖6為本發(fā)明固態(tài)激光產(chǎn)生裝置的第三較佳實(shí)施例，該晶體兩端面鍍有二共振薄膜；
圖7為本發(fā)明固態(tài)激光產(chǎn)生裝置的第四較佳實(shí)施例，該激光裝置還包括一小訊號(hào)待放大激光。
以下結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例對(duì)依據(jù)本發(fā)明提出的準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體及其激光產(chǎn)生裝置，其具體結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細(xì)說明如后。
請(qǐng)參閱圖2所示，為本發(fā)明的準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)晶體201。該準(zhǔn)相位光學(xué)晶體201較佳者為單晶周期極化的鐵電物，例如LiNbO3、LiTaO3、LiIO3、KNbO3、KTiOPO4(KTP)、RbTiOAsO4(RTA)、RbTiOPO4。晶體201中的光柵設(shè)計(jì)包括兩部分一單一光柵區(qū)2011與多重光柵區(qū)2012。單一光柵區(qū)2011具有沿第一方向的一非線性光學(xué)特性，該第一方向即為光柵周期方向與激光進(jìn)行方向。多重光柵區(qū)2012是由復(fù)數(shù)個(gè)沿第二方向平行排列的內(nèi)光柵20121，20122，20123組成，每一內(nèi)光柵均具有一非線性光學(xué)特性且該非線性光學(xué)特性是沿該第一方向。其中，該第一方向與第二方向互相垂直且每一內(nèi)光柵的非線性光學(xué)特性均不相同。
請(qǐng)參閱圖2所示，多重光柵區(qū)2012中的內(nèi)光柵20121，20122，20123是平行排列，其排列方向垂直于激光進(jìn)行方向。在相鄰二內(nèi)光柵之間通常(非必要)更具有一固定間隔2013用以分隔二相鄰的內(nèi)光柵。此外，本發(fā)明晶體201中單一光柵區(qū)和多重光柵區(qū)的排列順序并非固定，泵激光光源可先射入單一光柵區(qū)再射入多重光柵區(qū)，亦可先射入多重光柵區(qū)再射入單一光柵區(qū)。當(dāng)泵激光光源射入第一光柵區(qū)后，泵激光的頻率會(huì)先作第一次轉(zhuǎn)換，當(dāng)繼續(xù)射入第二光柵區(qū)后，泵激光的頻率又作第二次轉(zhuǎn)換，如圖3(A)所示。圖3(B)為本發(fā)明非線性光學(xué)晶體的又一較佳實(shí)施例，該晶體中的光柵設(shè)計(jì)可視為包括兩個(gè)圖2或圖3(A)的晶體。必須注意的是，本發(fā)明晶體中的光柵設(shè)計(jì)可以具有其他的修飾與變化，不限于以上揭露的較佳實(shí)施例。
本發(fā)明晶體之所以優(yōu)于現(xiàn)有晶體，是因其具有以下兩種激光產(chǎn)生機(jī)構(gòu)。第一種機(jī)構(gòu)，本發(fā)明中稱為并聯(lián)激光產(chǎn)生。并聯(lián)激光產(chǎn)生時(shí)，泵激光光源的大小完全涵蓋所有單一與多重光柵區(qū)。在這種情形下，單一光柵區(qū)先以非線性光學(xué)響應(yīng)產(chǎn)生一激光(例如SHG)或二激光(例如OPG)之后，單一光柵所產(chǎn)生的部分或所有激光，在每一內(nèi)光柵中再被轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌l率。因此，多重光柵的所有內(nèi)光柵將產(chǎn)生各種頻率的激光，使本發(fā)明晶體可以一次發(fā)出頻率非常寬廣的激光。
第二種機(jī)構(gòu)，本發(fā)明中稱為串聯(lián)激光產(chǎn)生，可以克服現(xiàn)有串聯(lián)單塊晶體(如美國(guó)專利第5,767,302號(hào))對(duì)溫度調(diào)變困難的缺陷。在現(xiàn)有技術(shù)中，晶體是由兩個(gè)單一光柵串聯(lián)所組成，當(dāng)溫度偏離原先設(shè)定值后，兩光柵便無法同時(shí)達(dá)到相位匹配狀態(tài)，這使得波長(zhǎng)調(diào)變的范圍受限。在本發(fā)明的第二種機(jī)構(gòu)時(shí)，泵激光光源的大小需小于每一內(nèi)光柵的寬度，使得泵激光光源僅射入單一光柵與該多重光柵的某一內(nèi)光柵。舉例來說，當(dāng)溫度為T1時(shí)，泵激光光源先射入單一光柵區(qū)2011再射入多重光柵區(qū)2012的內(nèi)光柵20121，隨后輸出一預(yù)設(shè)波長(zhǎng)的激光光。當(dāng)溫度為T2時(shí)，泵激光光源將改變其入射位置，使泵激光先射入單一光柵區(qū)2011再射入多重光柵區(qū)2012的內(nèi)光柵20122，以保證兩光柵可達(dá)到相位匹配，隨后輸出另一波長(zhǎng)的激光光。同理，當(dāng)溫度為T3時(shí)，借由適當(dāng)?shù)亟M合單一光柵區(qū)與內(nèi)光柵，一種第三波長(zhǎng)的激光光亦將產(chǎn)生。激光光源入射位置的對(duì)位(alignment)，可以借由機(jī)械地滑動(dòng)該非線性光學(xué)單塊晶體，或使用光學(xué)鏡片將激光射入正確的光徑中。
圖4為本發(fā)明固態(tài)激光系統(tǒng)的第一較佳實(shí)施例。泵激光光源301是用以發(fā)出一具有第一波長(zhǎng)的輸入激光信號(hào)進(jìn)入晶體201。光學(xué)透鏡601或光學(xué)透鏡系統(tǒng)是用以將輸入激光信號(hào)聚焦并導(dǎo)引其射入正確位置。隨后，本發(fā)明的晶體201將進(jìn)行上述并聯(lián)或串聯(lián)激光頻率轉(zhuǎn)換，且將射出一預(yù)設(shè)波長(zhǎng)的激光。晶體201較佳者是設(shè)置于一溫控爐40中，該溫控爐40是用以改變晶體的準(zhǔn)相位特性，以利用溫度變化來調(diào)整輸出激光的波長(zhǎng)。在串聯(lián)激光產(chǎn)生機(jī)構(gòu)中，本發(fā)明還可包括一精密推動(dòng)裝置(precision pusher)，用以精確地移動(dòng)泵激光，使之射入正確的光徑中。
圖5為本發(fā)明固態(tài)激光產(chǎn)生裝置的第二較佳實(shí)施例。該實(shí)施例為圖4單一光徑機(jī)構(gòu)的延伸。在晶體201的兩側(cè)具有由二透鏡501，502組成的一共振腔，用以循環(huán)一個(gè)或多個(gè)激光信號(hào)以減少泵激光啟始值并增強(qiáng)整體激光轉(zhuǎn)換效率。
圖6為本發(fā)明固態(tài)激光產(chǎn)生裝置的第三較佳實(shí)施例。為了減少激光系統(tǒng)的大小，圖5中的透鏡501，502被鍍于晶體兩端面的二光學(xué)薄膜503，504取代。該光學(xué)薄膜的光譜反射率與曲率半徑可以隨系統(tǒng)需求而改變。
圖7為本發(fā)明固態(tài)激光產(chǎn)生裝置的第四較佳實(shí)施例。其中，晶體201作為放大器，當(dāng)使用泵激光光源302進(jìn)行并聯(lián)或串聯(lián)頻率轉(zhuǎn)換時(shí)，將一小訊號(hào)待放大激光303(seed laser)放大。經(jīng)由一激光訊號(hào)結(jié)合鏡(dichroic mirror)604，使小訊號(hào)待放大激光303與泵激光302所發(fā)出的激光在射入晶體201前結(jié)合。光學(xué)透鏡或光學(xué)透鏡系統(tǒng)602，603分用以聚焦泵激光302與小訊號(hào)待放大激光303。圖7中泵激光302與小訊號(hào)待放大激光303的位置可以互換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果本實(shí)驗(yàn)將以圖2的晶體加上圖4的激光系統(tǒng)為例，該種狀況必須使用較其他狀況更高的泵啟始能量，故此實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將極具有代表性并能直接證明其他狀況的可行性。也就是說，由于該狀況的多重激光頻率轉(zhuǎn)換必須一次完成并且不使用任何小訊號(hào)待放大激光或共振腔，因此將需要最高的泵激光強(qiáng)度。
實(shí)驗(yàn)中的準(zhǔn)相位匹配單塊晶體為經(jīng)過電場(chǎng)周期極化過的厚度為500μm的z-cut鋰化鈮晶圓(z-cut congruent lithium niobate wafer)。其中，單一光柵區(qū)的長(zhǎng)度為1cm光柵周期為20.4μm，其適合在40.6℃利用三階二次諧振(third-order SHG)將1064nm泵激光轉(zhuǎn)換為532nm激光；其中，多重光柵的長(zhǎng)度為4cm具有五個(gè)內(nèi)光柵，每一內(nèi)光柵的周期分e為11μm，11.25μm，11.50μm，11.75μm與12μm。在40.6℃時(shí)當(dāng)532nm波長(zhǎng)的激光射入多重光柵時(shí)(并聯(lián)激光產(chǎn)生)，不同的內(nèi)光柵將以不同的光學(xué)參數(shù)產(chǎn)生過程輸出不同波長(zhǎng)組合的激光。內(nèi)光柵中產(chǎn)生的激光光的波長(zhǎng)組合依序分θ為[621.2nm，3704.7nm]、[615.3nm，3828.8nm]、[609.4m，4186.8nm]、[603.3nm，4501.2nm]、[596.2nm，5941.0nm]。
實(shí)驗(yàn)中的泵激光光源較佳者為一被動(dòng)式Q-轉(zhuǎn)換NdYAG激光(passively Q-switched NdYAG laser)，其單發(fā)能量為8μJ/pulse、反覆頻率為8.3kHz、發(fā)出波長(zhǎng)為1064nm、泵脈波寬度為600psec。由于泵激光的最高能量可以超過13千瓦(kilowatt)，所以泵能量在單一光柵區(qū)可以幾乎100％的經(jīng)由二次諧振轉(zhuǎn)換為532nm激光。該532nm的綠光激光會(huì)繼續(xù)通過多重光柵區(qū)，并在不同內(nèi)光柵中經(jīng)由不同的光學(xué)參數(shù)過程產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的激光光。由于非線性轉(zhuǎn)換效應(yīng)，產(chǎn)生激光的脈沖寬度約為150psec。對(duì)不同波長(zhǎng)的激光輸出，激光轉(zhuǎn)換效率也有差異。例如，對(duì)多重光柵中的12μm內(nèi)光柵，其輸出波長(zhǎng)組合中的4941nm波長(zhǎng)的光子是位于鋰化鈮的吸收光譜中，因此，在這種光柵周期時(shí)，泵啟始能量必須較高但轉(zhuǎn)換效率會(huì)較低。又，對(duì)多重光柵中的11μm內(nèi)光柵，在單一光徑、OPG的架構(gòu)下，其從1064nm激光轉(zhuǎn)換為621.2nm激光的轉(zhuǎn)換效率有5％。如之前聲明，對(duì)于使用其他架構(gòu)的狀況(圖3至圖7)，其轉(zhuǎn)換效率會(huì)大大高于本實(shí)驗(yàn)狀況所獲得的值。
當(dāng)晶體作為串聯(lián)激光產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則如下所述。準(zhǔn)相位匹配單塊晶體仍為厚度500μm的鋰化鈮單晶晶片。其中，單一光柵區(qū)的長(zhǎng)度為3cm光柵周期為30μm；多重光柵的長(zhǎng)度為2cm具有兩個(gè)周期分為19μm與19.25μm的內(nèi)光柵。當(dāng)被動(dòng)式Q-轉(zhuǎn)換激光射出1064nm波長(zhǎng)的泵激光，在準(zhǔn)相位溫度60C下，單一光柵區(qū)將產(chǎn)生一1555nm波長(zhǎng)的激光，其轉(zhuǎn)換效率為25％。在相同溫度下，若泵激光輸入位置是對(duì)應(yīng)至19μm的內(nèi)光柵，則19μm的內(nèi)光柵會(huì)進(jìn)一步將1555nm波長(zhǎng)信號(hào)作倍頻，使777.5nm波長(zhǎng)信號(hào)輸出。當(dāng)溫度升高為100.2℃，單一光柵區(qū)將產(chǎn)生1570nm波長(zhǎng)的激光，在相同溫度下，若激光輸入位置是對(duì)應(yīng)至19.25μm的內(nèi)光柵，則19.25μm的內(nèi)光柵會(huì)進(jìn)一步將1570nm波長(zhǎng)信號(hào)作倍頻，使785nm波長(zhǎng)信號(hào)輸出。對(duì)于8μJ/pulse的泵激光，串聯(lián)激光產(chǎn)生的平均光子轉(zhuǎn)換效率約為10％。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明本發(fā)明對(duì)輸出波長(zhǎng)可調(diào)激光的實(shí)用性。
權(quán)利要求
1.一種準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體，其晶體本體包括一準(zhǔn)相位匹配單一光柵區(qū)，沿一第一方向具有一第一光柵周期；一準(zhǔn)相位匹配多重光柵區(qū)，是由復(fù)數(shù)個(gè)沿一第二方向平行排列的內(nèi)光柵組成，其特征在于所述第二方向是垂直該第一方向且每一內(nèi)光柵沿該第一方向均具有一特殊的光柵周期；該晶體本體的第一光柵區(qū)可為該單一光柵區(qū)或該多重光柵區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體，其特征在于所述單塊晶體為可電性極化晶體，亦即為鐵電物質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體，其特征在于所述鐵電物，是自LiNbO3、LiTaO3、LiIO3、KNbO3、KTiOPO4(KTP)、RbTiOAsO4(RTA)、與RbTiOPO4等晶體擇出其一。
4.一種固態(tài)激光產(chǎn)生裝置，其特征在于其包括一種準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體，其晶體本體具有一準(zhǔn)相位匹配單一光柵區(qū)，沿一第一方向具有一第一光柵周期，以及一準(zhǔn)相位匹配多重光柵區(qū)，是由復(fù)數(shù)個(gè)沿垂直該第一方向的一第二方向平行排列的內(nèi)光柵組成，其中，每一內(nèi)光柵沿該第一方向均具有一特殊的光柵周期；以及一激光光源，用以提供具有一第一波長(zhǎng)的第一激光信號(hào)沿該第一方向射入該準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體；其中，該晶體本體的第一光柵區(qū)可為該單一光柵區(qū)或該多重光柵區(qū)；其中，當(dāng)該第一激光信號(hào)射入該準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體后，晶體內(nèi)部因應(yīng)各個(gè)光柵特性會(huì)產(chǎn)生二或多個(gè)非線性光學(xué)頻率或波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效應(yīng)，最后射出具有一或多個(gè)不同于第一波長(zhǎng)的第二激光信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)激光產(chǎn)生裝置，其特征在于還包括一溫控爐，用以控制該準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)單塊晶體的溫度，并調(diào)制該光柵的相位匹配特性，以達(dá)到能調(diào)整輸出激光波長(zhǎng)及最大輸出功率。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)激光產(chǎn)生裝置，其特征在于更包括一共振腔，用以增加該第二激光信號(hào)的強(qiáng)度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固態(tài)激光產(chǎn)生裝置，其特征在于所述共振腔是由位于該晶體兩側(cè)的一第一反射鏡與一第二反射鏡組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固態(tài)激光產(chǎn)生裝置，其特征在于所述共振腔是由鍍于該晶體兩端面的二光學(xué)反射薄膜組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)激光產(chǎn)生裝置，其特征在于所述非線性光學(xué)頻率或波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效應(yīng)包括二次及三次諧振，差頻和頻，光參數(shù)產(chǎn)生、放大、振蕩。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固態(tài)激光產(chǎn)生裝置，其特征在于所述激光光源為被動(dòng)式Q-轉(zhuǎn)換激光。
全文摘要
本發(fā)明單塊晶體的光柵設(shè)計(jì)包括單一光柵區(qū),具有沿第一方向的非線性光學(xué)特性及至少一多重光柵區(qū),由復(fù)數(shù)個(gè)沿第二方向平行排列的內(nèi)光柵組成,每一內(nèi)光柵具有特殊的非線性光學(xué)特性且非線性光學(xué)特性是沿第一方向。其中,第一方向?yàn)榧す膺M(jìn)行方向,第一方向與第二方向垂直。本發(fā)明晶體可以進(jìn)行并聯(lián)激光與串聯(lián)激光產(chǎn)生。不同溫度下,可人為選擇單一光柵及多重光柵的一內(nèi)光柵來滿足在溫度下的準(zhǔn)相位匹配條件,故可在不同的溫度下輸出不同波長(zhǎng)的激光。
文檔編號(hào)H01S3/16GK1327165SQ0010936
公開日2001年12月19日 申請(qǐng)日期2000年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月1日
發(fā)明者黃衍介 申請(qǐng)人:黃衍介