專利名稱：以級聯(lián)超晶格為變頻晶體的高效全固態(tài)準(zhǔn)白光激光器的設(shè)置方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用多通道級聯(lián)光學(xué)超晶格同時進(jìn)行倍頻以及和頻以實現(xiàn)準(zhǔn)白色激光輸出的裝置。特別是以鉭酸鋰等超晶格為變頻晶體的準(zhǔn)白光激光器。
背景技術(shù)：
準(zhǔn)白激光輸出要求同時輸出的紅綠藍(lán)光功率能夠按照一定比例配比，而利用超晶格是實現(xiàn)紅綠藍(lán)激光輸出的重要手段。若激光晶體能夠?qū)崿F(xiàn)紅外波段1300和1060nm附近雙波長輸出，則利用二階非線性效應(yīng)實現(xiàn)紅綠藍(lán)輸出則應(yīng)包括三個參量過程，在此方面前人的相關(guān)工作有劉照偉等人在2001年的Solid State Communications上發(fā)表了“A Schemeto realize three-fundamental-colors laser based on quasi-phase matching基于準(zhǔn)周期匹配實現(xiàn)三基色激光的設(shè)計”的文章，報導(dǎo)了用雙周期結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對532nm泵浦光的參量和和頻過程，兩個周期分別為l＝11.9μm，L＝8.74μm，設(shè)計的匹配溫度為25℃。紅光和藍(lán)光的功率分別為0.38mW和55.6μW。
廖軍等人在2003年的Applied Physics Letters上發(fā)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超晶格實現(xiàn)紅、綠、藍(lán)光的同時輸出”的文章，報道了使用非周期實現(xiàn)了紅綠藍(lán)光的同時輸出。文章中使用發(fā)射808nm的半導(dǎo)體激光器作為泵浦源，產(chǎn)生1342和1064nm雙波長諧振，非周期超晶格對同時基波光倍頻和三倍頻產(chǎn)生紅綠藍(lán)光。泵浦功率為15W時總輸出功率為18mW。同時參見中國專利申請如中國專利和專利申請96117044、01108024、02138381、03112847。
E.Cantelar等人在2003年的Applied Physics Letters上發(fā)表了“Red，green，andblue simultaneous generation in aperiodically poled Zn-diffused LiNbO3:Er3+/Yb3+nonlinear channel waveguide非周期極化的LiNbO3:Er3+/Yb3+的波導(dǎo)實現(xiàn)紅綠藍(lán)光的同時輸出”的文章。文章中使用非周期極化的LiNbO3:Er3+/Yb3+的波導(dǎo)實現(xiàn)了紅綠藍(lán)光的同時輸出。
第一篇文章使用雙周期周期光學(xué)超晶格來實現(xiàn)紅綠藍(lán)光的直接輸出，相比較于綠光，紅光和藍(lán)光都較弱；在第二篇文章中，使用了一塊非周期超晶格實現(xiàn)了紅綠藍(lán)的同時輸出；而第三篇文章中則使用非周期極化的波導(dǎo)器件獲得了紅綠藍(lán)光輸出；以上方案均不涉及如何控制紅、綠、藍(lán)三色光的比例以獲得準(zhǔn)白光輸出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是利用多通道的級聯(lián)超晶格來實現(xiàn)1342和1064nm激光的倍頻和1342nm三倍頻輸出，利用摻Nd的激光晶體如Nd:YVO4產(chǎn)生1342和1064nm雙基波光輸出，設(shè)計一塊有二種結(jié)構(gòu)級聯(lián)的光學(xué)超晶格，其中第一段結(jié)構(gòu)，能夠?qū)ü庠摧敵龅碾p波長基波同時實現(xiàn)準(zhǔn)位相匹配倍頻，獲得紅光與綠光；第二段具有多通道結(jié)構(gòu)，與第一段串聯(lián)，該結(jié)構(gòu)用于紅外光與紅光的和頻產(chǎn)生藍(lán)光，不同通道相位匹配溫度不同，相鄰?fù)ǖ乐g的相位配溫度相差2-4度，紅、綠、藍(lán)光輸出比例可以通過改變相匹配溫度和選擇。本發(fā)明中我們將以一個雙周期和周期結(jié)構(gòu)級聯(lián)的LiTaO3光學(xué)超晶格為例。
根據(jù)LiTaO3、LiNbO3，KTP，RTP等晶體折射率的色散公式可以設(shè)計特定雙周期和周期結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格，該超晶格能對Nd:YVO4晶格的1342和1064nm發(fā)射實現(xiàn)高效的倍頻和三倍頻，從而構(gòu)造出能實現(xiàn)高效準(zhǔn)白光輸出的小型全固態(tài)激光器。
本發(fā)明以下述方式來實現(xiàn)高效的準(zhǔn)白光輸出由一半導(dǎo)體激光器為泵浦光源，以輸入鏡(3)和輸出鏡(6)一起構(gòu)成1342和1064nm激光的諧振腔；再以一塊多通道的級聯(lián)光學(xué)超晶格組成上述雙波長輸出的頻率轉(zhuǎn)換器件(9)置于泵浦光路的控溫爐(8)中，基波波長為1342和1064nm，第一段超晶格結(jié)構(gòu)對兩個基波同時實現(xiàn)倍頻，得到紅光和綠光，第二段的不同的通道對應(yīng)不同的和頻匹配溫度，從而可以根據(jù)紅、綠光的強(qiáng)度選擇合適的和頻藍(lán)光的通道，以實現(xiàn)紅、綠、藍(lán)的適當(dāng)比例和高效、高穩(wěn)定的準(zhǔn)白光輸出。本發(fā)明可以選用不同摻Nd的激光晶體，采用它們的4F3/2→4I13/2，4F3/2→4I11/2的雙譜線激發(fā)，根據(jù)不同晶體對應(yīng)的發(fā)射波長，設(shè)計不同多通道的級聯(lián)光學(xué)超晶格。
1.本發(fā)明適用于光學(xué)超晶格對所有含Nd離子的激光晶體所對應(yīng)的4F3/2→4I13/2，4F3/2→4I11/2譜線發(fā)射進(jìn)行倍頻和三倍頻輸出。比如Nd:YAG晶體和Nd:YAP晶體，它們所對應(yīng)的該譜線的發(fā)射波長分別為1319和1064nm以及1325和1053nm，它們分別可用這種超晶格材料來獲得660、532和440nm波長的紅、綠、藍(lán)光所構(gòu)成的準(zhǔn)白光以及665、527和441nm波長的紅、綠、藍(lán)光所構(gòu)成的準(zhǔn)白光。
2.本發(fā)明包含LiNbO3，KTP，RTP，LiTaO3等其他非線性光學(xué)晶體的光學(xué)超晶格，根據(jù)這些晶體的折射率色散關(guān)系都可以根據(jù)上述的激光晶體對對應(yīng)的激光波長設(shè)計出特定結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的光學(xué)超晶格實現(xiàn)激光的倍頻和三倍頻，獲得高效準(zhǔn)白光輸出。
3.本發(fā)明所涉及的光學(xué)超晶格可以采用不同的結(jié)構(gòu)，包括準(zhǔn)周期、雙周期、非周期、周期等。在所級聯(lián)的兩個超晶格中第一段超晶格要能完成激光晶體雙譜線輸出的有效倍頻同時獲得紅光與綠光，有效倍頻的方法參見現(xiàn)有的方法，如中國專利和專利申請96117044、01108024、02138381、03112847。第二段要能完成倍頻紅光與長波長紅外光的和頻產(chǎn)生藍(lán)光，第二塊超晶格一般采用多通道周期結(jié)構(gòu)以便獲得最高效率和調(diào)整藍(lán)光與紅、綠光的比例。
4.白光是用紅、綠、藍(lán)三基色混合而成，其比例可從色度圖(圖3)上讀出，隨三基色的波長而異。例如當(dāng)紅、綠、藍(lán)波長分別為671nm、532nm和447nm時，三者最合適的比例應(yīng)為14∶1.5∶1。
以下將以一段雙周期結(jié)構(gòu)級聯(lián)一段七通道周期結(jié)構(gòu)為例說明如何實現(xiàn)準(zhǔn)白激光輸出雙周期結(jié)構(gòu)是介于周期和準(zhǔn)周期之間的一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)受到兩種周期的調(diào)制。該結(jié)構(gòu)能夠提供兩個獨立的倒格矢匹配二個獨立的參量過程。我們定義雙周期結(jié)構(gòu)所包含的二個周期分別為l，L(l＜L)，雙周期結(jié)構(gòu)超晶格的倒格矢可以寫為Gm,n=m2πl+n2πL,]]>m，n為整數(shù)。
周期結(jié)構(gòu)的光學(xué)超晶格通常只用于倍頻，和頻和差頻等單個參量過程的頻率轉(zhuǎn)換。周期結(jié)構(gòu)超晶格的倒格矢可以表示為G=m2πΛ,]]>其中Λ為周期，m為整數(shù)。
為了能夠通過三個參量過程實現(xiàn)按比例的紅、綠、藍(lán)輸出，我們可以使用級聯(lián)的雙周期和周期超晶格。第一段雙周期超晶格完成激光晶體雙譜線輸出的有效倍頻同時獲得紅光與綠光，第二段周期超晶格完成倍頻紅光與長波長紅外光的和頻產(chǎn)生藍(lán)光，第二段周期超晶格一般采用多通道結(jié)構(gòu)以便獲得合適強(qiáng)度的藍(lán)光。
為了利用最大的有效非線性系數(shù)，我們使用了雙周期結(jié)構(gòu)的(1，1)和(1，-1)階倒格矢分別補(bǔ)償二個基波倍頻過程中的位相失配。雙周期結(jié)構(gòu)的兩個調(diào)制周期l，L分別可以從下列方程得到2πλ1(2n2-2n1)=2π(1l+1L)]]>2πλ2(2n2′-2n1′)=2π(1l+1L)]]>其中λ1，λ2分別為基波波長1342和1064nm，n1，n2和n1′，n2′分別為對應(yīng)的兩組基波光和倍頻光的折射率。
第二段周期結(jié)構(gòu)用來補(bǔ)償和頻過程的位相失配，同樣取一階倒格矢，即2πλ1(3n3-2n2-n1)=2πΛ]]>
對于多通道設(shè)計，可以以理論值為中心通道的周期值，兩側(cè)通道的周期大小可以這樣以此值為中心值一邊遞增，一邊遞減，相鄰?fù)ǖ赖南辔黄ヅ錅囟瓤梢韵嗖钊舾啥?，這樣的多通道結(jié)構(gòu)能使倍頻的相匹配溫度展寬到10-30度(以七通道為例)，保證能與倍頻同時實現(xiàn)和頻輸出，并可以通過調(diào)節(jié)工作溫度和選擇通道來控制紅、綠、藍(lán)三者之比例。。
我們用如下的色散公式來計算折射率ne2(λ,T)=A+B+b(T)λ2-[C+c(T)]2+Eλ2-F2+Dλ2]]>其中的參數(shù)為A＝4.5284B＝7.2449×10-3C＝0.2453D＝-2.3670×10-2E＝7.7690×10-2F＝0.1838b(T)＝2.6794×10-8(T+273.15)2c(T)＝1.6234×10-8(T+273.15)2上述方程中存在兩個變量λ和T，λ為基波的波長，T為匹配溫度，在實用中匹配溫度在100℃到200℃之間比較合適。根據(jù)以上公式，對于第一段用來倍頻的雙周期結(jié)構(gòu)，匹配溫度為110℃，兩周期l和L分別為10.09μm和32.3μm；對于第二段用來實現(xiàn)和頻的周期結(jié)構(gòu)，我們采用了七個通道，匹配溫度從95℃到125℃，以5℃為間隔依次遞增。計算得到相應(yīng)的周期為4.849μm，4.854μm，4.860μm，4.868μm，4.873μm，4.873μm，4.888μm。
本發(fā)明的優(yōu)越性用超晶格來實現(xiàn)準(zhǔn)白光輸出時，一個主要問題就是如何能將紅、綠、藍(lán)三色光的比例控制在一個特定的比值，任何設(shè)計與制備誤差的引入都將會改變兩個倍頻和一個和頻過程的相位條件，因而影響紅、綠、藍(lán)光的比例。本發(fā)明采用二段不同結(jié)構(gòu)超晶格的級聯(lián)，第一段采用雙周期、準(zhǔn)周期或其他非周期結(jié)構(gòu)實地雙波長基波光的同時倍頻，并可以通過控制工作溫度來調(diào)節(jié)二倍頻光的比例，級聯(lián)的超晶格采用多通道周期結(jié)構(gòu)，相鄰?fù)ǖ乐g藍(lán)光和頻的相匹配溫度相差若干度，因而可以調(diào)節(jié)藍(lán)光與紅、綠光的比例。采用這種思路設(shè)計出的光學(xué)超晶格作為頻率轉(zhuǎn)換晶體可以獲得比例恰當(dāng)?shù)募t、綠、藍(lán)激光，從而得到高效、穩(wěn)定的全固態(tài)準(zhǔn)白光輸出。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明以級聯(lián)超晶格變頻晶體結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明應(yīng)用的C.I.E.標(biāo)準(zhǔn)色度圖具體實施方式
下面給出實驗裝置(圖1)和級聯(lián)超晶格(圖2)示意圖在圖1中(1)半導(dǎo)體激光器(LD)，波長是808nm；(2)聚焦系統(tǒng)，一般為透鏡組；(3)輸入鏡，鍍有多層膜，HR@1342nm1064nm，HT@808nm；(4)Nd:YVO4晶體，用來產(chǎn)生1342和1064nm波長的激光介質(zhì)；(5)調(diào)Q裝置；(6)輸出鏡，鍍有多層膜，T＝4％@1342nm，T＝72％@1064nm，HR@808nm；(7)會聚透鏡；(8)控溫爐，用來調(diào)諧溫度，其中放有超晶格晶體；(9)級聯(lián)超晶格晶體，用來產(chǎn)生高效準(zhǔn)白光；(10)聚焦透鏡；(11)輸出高效準(zhǔn)白激光；圖2是多通道級聯(lián)結(jié)構(gòu)的示意圖，即圖1中的(9)第一段是雙周期結(jié)構(gòu)，用來實現(xiàn)兩個倍頻過程；第二段七通道的周期結(jié)構(gòu)用來實現(xiàn)和頻過程，在實驗中，可以選擇七個通道中的一個并配合調(diào)節(jié)工作溫度來獲得紅綠藍(lán)光功率的最佳配比和高效穩(wěn)定的準(zhǔn)白光輸出。
圖3是C.I.E.標(biāo)準(zhǔn)色度圖，圖中所示不同的工作溫度所得到的紅綠藍(lán)混合光均處于準(zhǔn)白光范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.以級聯(lián)超晶格為變頻晶體的全固態(tài)準(zhǔn)白光激光器的設(shè)置方法，其特征是采用一塊二段不同結(jié)構(gòu)級聯(lián)的光學(xué)超晶格為非線性晶體產(chǎn)生準(zhǔn)白光輸出的全固態(tài)激光器，由一半導(dǎo)體激光器為泵浦光源，采用雙波長(如1342和1064nm)激光諧振腔產(chǎn)生雙波長激光輸出；通過一塊置入控溫爐中多通道的級聯(lián)光學(xué)超晶格產(chǎn)生比例合適的紅、綠、藍(lán)三色激光，混合成準(zhǔn)白光。該非線性晶體是由二段超晶格級聯(lián)而成，第一段超晶格，對基波光源輸出的雙波長基波同時實現(xiàn)準(zhǔn)位相匹配倍頻，獲得紅光與綠光；第二段與第一段串聯(lián)，第二段要能完成倍頻紅光與長波長紅外光的和頻產(chǎn)生藍(lán)光，第二塊超晶格一般采用多通道周期結(jié)構(gòu)以便獲得最高效率和調(diào)整藍(lán)光與紅、綠光的比例。
2.由權(quán)利要求1所述的以超晶格為變頻晶體的全固態(tài)準(zhǔn)白光激光器的設(shè)置方法，其特征是第二塊超晶格具有多通道結(jié)構(gòu)，相鄰?fù)ǖ篱g和頻相位匹配溫度相差2-4度，紅、綠、藍(lán)光的比例可以通過改變工作溫度和光通過不同的藍(lán)光通道來實現(xiàn)，超晶格的結(jié)構(gòu)包括周期，準(zhǔn)周期，非周期等，材料包括鉭酸鋰，鈮酸鋰和KTP等。
3.由權(quán)利要求1所述的以超晶格為變頻晶體的全固態(tài)準(zhǔn)白光激光器的設(shè)置方法，其特征是激光介質(zhì)為摻Nd離子的激光晶體(包括Nd:YAG，Nd:YLF，Nd:YaP等)。其特征是所述光學(xué)超晶格晶體能以Nd離子4F3/2-＞4I13/2，4F3/2-＞4I11/2躍遷所激發(fā)的波長為基波(對于不同的寄主晶體，波長通常在1300nm～1400nm，1000nm～1100nm之間)，通過準(zhǔn)位相匹配(QPM)方式實現(xiàn)準(zhǔn)白光的所有半導(dǎo)體激光泵浦的全固態(tài)準(zhǔn)白光激光器。
4.由權(quán)利要求1所述的以超晶格為變頻晶體的全固態(tài)準(zhǔn)白光激光器的設(shè)置方法，其特征是雙周期結(jié)構(gòu)的兩個調(diào)制周期l，L分別可以從下列方程得到2πλ1(2n2-2n1)=2π(1l+1L)]]>2πλ2(2n2′-2n1′)=2π(1l-1L)]]>其中λ1，λ2分別為基波波長1342和1064nm，n1，n2和n1′，n2′分別為對應(yīng)的兩組基波光和倍頻光的折射率。第二段周期結(jié)構(gòu)用來補(bǔ)償和頻過程的位相失配，同樣取一階倒格矢，即2πλ1(3n3-2n2-n1)=2πΛ.]]>
5.由權(quán)利要求1所述的以超晶格為變頻晶體的全固態(tài)準(zhǔn)白光激光器的設(shè)置方法，其特征是對于多通道設(shè)計，可以以理論值為中心通道的周期值，兩側(cè)通道的周期大小可以這樣以此值為中心值一邊遞增，一邊遞減，相鄰?fù)ǖ赖南辔黄ヅ錅囟瓤梢韵嗖钊舾啥龋@樣的多通道結(jié)構(gòu)能使倍頻的相匹配溫度展寬到10-30度(以七通道為例)，保證能與倍頻同時實現(xiàn)和頻輸出，并可以通過調(diào)節(jié)工作溫度和選擇通道來控制紅、綠、藍(lán)三者之比例。
全文摘要
以級聯(lián)超晶格為變頻晶體的全固態(tài)準(zhǔn)白光激光器的設(shè)置方法，采用一塊二段不同結(jié)構(gòu)級聯(lián)的光學(xué)超晶格為非線性晶體產(chǎn)生準(zhǔn)白光輸出的全固態(tài)激光器，由一半導(dǎo)體激光器為泵浦光源，采用雙波長(如1342和1064nm)激光諧振腔產(chǎn)生雙波長激光輸出；通過一塊置入控溫爐中多通道的級聯(lián)光學(xué)超晶格產(chǎn)生比例合適的紅、綠、藍(lán)三色激光，混合成準(zhǔn)白光。該非線性晶體是由二段超晶格級聯(lián)而成，第一段超晶格，對基波光源輸出的雙波長基波同時實現(xiàn)準(zhǔn)位相匹配倍頻，獲得紅光與綠光；第二段與第一段串聯(lián)，第二段要能完成倍頻紅光與長波長紅外光的和頻產(chǎn)生藍(lán)光，第二塊超晶格一般采用多通道周期結(jié)構(gòu)以便獲得最高效率和調(diào)整藍(lán)光與紅、綠光的比例。
文檔編號H01S3/00GK1694318SQ20051003812
公開日2005年11月9日 申請日期2005年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月17日
發(fā)明者祝世寧, 李紅霞, 王慧田, 徐平, 何京良, 朱永元, 呂鵬, 閔乃本 申請人:南京大學(xué)