專利名稱：一種基于空間相位補償提高倍頻光束質(zhì)量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種利用空間離散效應(yīng)補償空間相位畸變、提高倍頻(SHG)光束質(zhì)量的方法。主要適用于在兩正交平面上光束質(zhì)量有極大差異的非衍射極限(non-diffraction-limited)激光光源，如條狀半導(dǎo)體激光器。
光束質(zhì)量以M2因子表征，它與光束的空間相位畸變相關(guān)聯(lián)。對于衍射極限光束，M2＝1，光束質(zhì)量越差，M2越大。囿于其結(jié)構(gòu)特點，條狀半導(dǎo)體激光器的輸出光束在垂直于條狀方向平面上接近衍射極限(Mx2≈1)，而在條狀方向上光束質(zhì)量因子為衍射極限的幾十至幾千倍(My2＝x10～103)。兩正交方向上光束質(zhì)量因子的嚴重失配，直接導(dǎo)致難以將光束聚焦成很小的圓形光斑，限制了這些激光光源潛能的充分實現(xiàn)。
目前尚未見通過倍頻提高光束質(zhì)量的報道。在常規(guī)的倍頻方案中，倍頻光的光束質(zhì)量有變壞的傾向(J.Opt.Soc.Am.B12，49(1995))。事實上，半導(dǎo)體激光器的頻率(波長)轉(zhuǎn)換和光束質(zhì)量改善目前主要是以泵浦固體激光器、再結(jié)合其它技術(shù)如腔內(nèi)倍頻來實現(xiàn)的，但首先須對半導(dǎo)體激光光束本身進行整形，以滿足端面泵浦的要求。光束整形的主要方法有(1)光纖束耦合(optical fiberbundles coupling)技術(shù)(Th.Grafand J.E.Balmer，Opt.Lett.18，1317(1993))；(2)兩鏡式光束整形(two-mirror beam-shaping)技術(shù)(W.A.Clarkson et.al.，Opt.Lett.21，375(1996)；W.A.Clarkson et.al.，UK patent application 9324589.2(1993))。
上述兩種光束整形技術(shù)的主要思路都是試圖平衡兩個正交方向的光束質(zhì)量因子，即盡量使Mx2≈My2，以獲得圓形的聚焦光斑，但總的光束質(zhì)量因子乘積Mx2My2并沒有減小，甚至可能有所增加，實際上是以犧牲一個方向上的光束質(zhì)量(Mx2增加)來改善另一方向上的光束質(zhì)量(My2減小)，總的光束質(zhì)量并沒有改善，同時其亮度卻有一定程度的下降。方法(1)在技術(shù)上較容易，但不能較精確地控制兩個方向上光束質(zhì)量因子的平衡；方法(2)原則上可以較準確地平衡兩個方向上的光束質(zhì)量因子，因為它有多個可變參數(shù)，也正是由于這個原因，使調(diào)整難度極大，同時系統(tǒng)損耗較大。這兩種光束整形技術(shù)都是通過線性光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)的。
本發(fā)明的目的在于提出一種調(diào)整比較容易、且能實質(zhì)上提高倍頻光束質(zhì)量的方法。
本發(fā)明提出的提高半導(dǎo)體激光倍頻光束質(zhì)量的方法是在倍頻過程中，以空間離散(spatial walk-off)效應(yīng)來補償空間相位畸變(spatial-phase distortions)，使產(chǎn)生的倍頻光的光束質(zhì)量接近(原理上可達到)衍射極限?？臻g離散是發(fā)生在某一平面內(nèi)的效應(yīng)，對與該平面垂直方向上的空間相位沒有影響，而這恰好與條狀半導(dǎo)體激光器輸出光束情形相匹配條狀方向上的M2很大，或者說空間相位畸變嚴重，需要進行補償；在與條狀垂直方向上的M2≈1，已經(jīng)接近衍射極限，不再需要補償。因此，本發(fā)明是以空間離散效應(yīng)補償空間相位畸變來改善某一方向的光束質(zhì)量，同時保持另一方向的光束質(zhì)量，是真正意義上的光束質(zhì)量改善。
本發(fā)明中半導(dǎo)體激光倍頻需要的倍頻晶體采用非周期性極化鈮酸鋰晶體(Aperiodically Poled Lithium Niobate，APPLN)，以準相位匹配(Quasi-PhaseMatching，QPM)方式實施。其中，晶體極化的結(jié)構(gòu)參數(shù)---匹配周期Λ(z)根據(jù)基頻光空間相位畸變參數(shù)和基頻與倍頻光束之間的離散角確定。具體步驟如下基頻光束空間相位具有對稱形式，將其按Taylor級數(shù)展開φ(y)＝α2y2+α4y4+α6y6+……α2，α4，α6，……為展開系數(shù)。
確定非周期性極化鈮酸鋰晶體各疇的二階非線性系數(shù)符號sign(x(2))＝exp〔-i(Δk0z+d2z2+d4z4+d6z6+……))rect(z/L)其中Δk0＝4π·(n2-n1)/λ，λ為基頻光波長，n1、n2分別為基頻光和倍頻光的折射率，L為晶體長度；函數(shù)rect(x)＝{1，如果|x|≤1/2；0，如果|x|＞1/2}。系數(shù)d2，d4，d6，……由下式計算d2＝2α2ρ2，d4＝2α4ρ4，d6＝2α6ρ6，……ρ為晶體內(nèi)基頻光與倍頻光之間的離散角。
因此局域準相位匹配周期(local quasi-phase matching period)Λ(z)為Λ(z)=2π/(Δk0+Σt=1N2td2tz2t-1)]]>其中，N＝2，3。z坐標的原點處于晶體中央。
本發(fā)明所涉及的倍頻過程原則上與使用傳統(tǒng)的周期性極化鈮酸鋰(Periodically Poled Lithium Niobate，PPLN)晶體的倍頻過程有相同的轉(zhuǎn)換效率，但倍頻光的亮度是后者的M2倍(M2為入射基頻光的光束質(zhì)量因子)。對目前常見的通過“光束整形+端面泵浦固體激光器+倍頻”過程實現(xiàn)半導(dǎo)體激光向短波長轉(zhuǎn)換和光束質(zhì)量改善的方式，所涉及的系統(tǒng)較為復(fù)雜，且在諧振腔設(shè)計、運轉(zhuǎn)模式和工作波長等方面均有諸多限制。本發(fā)明中，波長轉(zhuǎn)換和光束質(zhì)量改善在同一器件中完成，且為行波器件，調(diào)整較容易。如果將非周期性極化鈮酸鋰倍頻晶體與半導(dǎo)體激光器集成在一起，則可等同于短波長半導(dǎo)體激光器，且輸出光束具有接近衍射極限的光束質(zhì)量。
附圖
為本發(fā)明的倍頻方案示意圖。其中，1表示入射基頻光，2表示出射基頻光，3表示出射倍頻光。實際光束是有一定寬度的，圖中僅以光束中心線表示?；l光束與倍頻光束之間在晶體內(nèi)有一離散角ρ(為說明方便起見，圖中所示角度是放大的，實際角度遠小于1°)，但光斑仍有交疊。4為非周期性極化鈮酸鋰晶體，箭頭表示極化方向，各疇在光線行進方向上的厚度由入射基頻光的空間相位畸變參數(shù)和空間離散角確定。入射半導(dǎo)體激光光束的條狀方向平行于紙面，晶體內(nèi)波矢方向與極化方向的夾角≠90°。采用e+e→e的準相位匹配方式，以獲得最大的轉(zhuǎn)換效率。
權(quán)利要求
1.一種提高半導(dǎo)體激光倍頻光束質(zhì)量的方法，其特征在于在倍頻過程中，以空間離散效應(yīng)來補償空間相位畸變，使產(chǎn)生的倍頻光的光束質(zhì)量接近衍射極限。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高半導(dǎo)體激光倍頻光束質(zhì)量的方法，其特征在于倍頻晶體采用非周期性極化鈮酸鋰晶體，以準相位匹配方式實施，其晶體極化的結(jié)構(gòu)參數(shù)---匹配周期根據(jù)基頻光空間相位畸變參數(shù)和基頻與倍頻光束之間的離散角確定，具體步驟如下(1).將具有對稱空間相位畸變的基頻光束空間相位φ(y)按Taylor展開φ(y)＝α2y2+α4y4+α6y6+…… (1)其中α2，α4，α6，……為展開系數(shù)；(2).確定非周期性極化鈮酸鋰晶體各疇的二階非線性系數(shù)符號sign(x(2))＝exp(-i(Δk0z+d2z2+d4z4+d6z6+……)〕rect(z/L) (2)其中Δk0＝4π(n2-n1)/λ，λ為基頻光波長，n1、n2分別為基頻光和倍頻光的折射率，L為晶體長度；函數(shù)rect(x)＝{1，如果|x|≤1/2；0，如果|x|＞1/2}；(3).由下式計算系數(shù)d2，d4，d6，……d2＝2α2ρ2，d4＝2α4ρ4，d6＝2α6ρ6，……(3)ρ為晶體內(nèi)基頻光與倍頻光之間的離散角；(4).將(1)式截斷至y4或y6，則局域準相位匹配周期Λ(z)為Λ(z)=2π/(Δk0+Σt=1N2td2tz2t-1)]]>其中，N＝2，3，z坐標的原點處于晶體中央。
全文摘要
本發(fā)明是一種利用空間離散效應(yīng)補償空間相位畸變、提高倍頻光束質(zhì)量的方法。其中倍頻晶體采用非周期性極化鈮酸鋰晶體,以準相位匹配方式實施,其晶體極化的結(jié)構(gòu)參數(shù)—匹配周期根據(jù)基頻光空間相位畸變參數(shù)、基頻與倍頻光束之間的離散角確定。本發(fā)明改善了某一方向上的光束質(zhì)量,同時保持另一方向上的光束質(zhì)量,從而實現(xiàn)真正意義上的光束質(zhì)量改善。而且,波長轉(zhuǎn)換和光束質(zhì)量的改善在同一器件中完成,且為行波器件,調(diào)整比較容易。
文檔編號H01S5/00GK1267107SQ0011501
公開日2000年9月20日 申請日期2000年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月21日
發(fā)明者朱鶴元, 錢列加, 王韜, 李富銘 申請人:復(fù)旦大學(xué)