本發(fā)明屬于激光領(lǐng)域，具體涉及一種基于ⅱ類非臨界相位匹配的共振增強(qiáng)腔倍頻裝置。

背景技術(shù)：

共振增強(qiáng)腔可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)或者準(zhǔn)連續(xù)高重頻激光的高效倍頻。基頻光在滿足模式匹配條件、相位匹配條件、以及共振條件的情況下，可以使共振腔內(nèi)的功率比基頻光功率高約2個(gè)數(shù)量級，因而有更大的單程轉(zhuǎn)換系數(shù)，可以大大提高基頻光的總倍頻效率。相位匹配分為臨界相位匹配和非臨界相位匹配。由于非臨界相位匹配的走離角為0°，所以它的單程轉(zhuǎn)換效率更高，光束質(zhì)量更好，因而非臨界相位匹配比臨界相位匹配更有優(yōu)勢。

然而對于某些晶體在某些特定波長范圍的常用溫度下(約10℃～150℃)的倍頻只能通過ⅱ類相位匹配實(shí)現(xiàn)非臨界(基波同時(shí)取兩種不同的線偏振光，如o光和e光的形式入射(兩者的偏振方向垂直)，而產(chǎn)生的倍頻波為單一狀態(tài)的線偏振光，如e光)，而無法通過ⅰ類相位匹配實(shí)現(xiàn)非臨界(基波取單一的線偏振光，例如o光，形式入射，而倍頻波為另一狀態(tài)的線偏振光，例如e光)。然而這種模式由于倍頻光的走離效應(yīng)，使得單程轉(zhuǎn)換效率有所降低?；冖㈩惙桥R界相位匹配共振腔倍頻對于基頻光和倍頻光都無走離，具有更高的單程轉(zhuǎn)換效率。然而，對于o光與e光的相位差變化2π對應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)范圍大于非臨界相位匹配條件溫度容限范圍的非線性晶體，由于無法同時(shí)滿足共振條件與相位匹配條件，ⅱ類非臨界相位匹配倍頻的應(yīng)用依然受到限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是如何實(shí)現(xiàn)ⅱ類非臨界相位匹配下的共振增強(qiáng)腔倍頻。

針對以上問題，本發(fā)明提供了一種基于ⅱ類非臨界相位匹配的共振增強(qiáng)腔倍頻裝置，包括：至少由輸入耦合鏡、輸出耦合鏡、第一非線性晶體和第二非線性晶體組成的共振增強(qiáng)腔；

其中，所述輸入耦合鏡用于將基頻光透射入所述共振增強(qiáng)腔；

所述第一非線性晶體用于對通過所述第一非線性晶體內(nèi)的基頻光進(jìn)行相位補(bǔ)償，以使從所述第一非線性晶體通過的基頻光的第一偏振光分量和第二偏振光分量的相位差為2π的整數(shù)倍；

所述第二非線性晶體用于使通過所述第二非線性晶體內(nèi)的基頻光滿足第ⅱ類非臨界相位匹配條件，以得到從所述第二非線性晶體產(chǎn)生并輸出的倍頻光；

所述輸出耦合鏡用于將所述共振增強(qiáng)腔內(nèi)的倍頻光輸出。

優(yōu)選地，所述第一偏振光分量與所述第二偏振光分量之間的相位差變化量和所述第一非線性晶體的溫度變化量之間滿足如下關(guān)系式：

δφ＝al·δt

其中，a為所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量在所述第一非線性晶體的相位延遲系數(shù)，表示單位長度的倍頻晶體，單位溫度改變量引起的兩個(gè)偏振光分量的相位差變化量；l為所述第一非線性晶體的長度；δt為所述第一非線性晶體的溫度變化量；δφ為所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量的相位差變化量。

優(yōu)選地，所述相位延遲系數(shù)a定義為：

其中，ko、ke分別為所述第一偏振光分量與所述第二偏振光分量在所述第一非線性晶體內(nèi)的波矢，αl為晶體在光傳播方向的熱膨脹系數(shù)，

令：

則：

其中，λ為基頻光在真空中的波長；no為所述第一偏振光分量在所述第一非線性晶體中的折射率；ne所述第二偏振光分量在所述第一非線性晶體中的折射率；為所述第一偏振光分量在所述第一非線性晶體中的折射率隨溫度的變化率；所述為所述第二偏振光分量在所述第一非線性晶體中的折射率隨溫度的變化率；αl為所述第一非線性晶體在光傳播方向的熱膨脹系數(shù)。

優(yōu)選地，所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量之間的相位差變化量δφ的穩(wěn)定性滿足如下關(guān)系：

其中，δδφ為在控制所述第一非線性晶體的溫度變化時(shí)，所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量之間的相位差變化量δφ的穩(wěn)定性，f為所述倍頻裝置的精細(xì)度。

優(yōu)選地，所述共振增強(qiáng)腔為駐波腔或者行波腔。

優(yōu)選地，所述共振增強(qiáng)腔還包括第一反射鏡和第二反射鏡；

所述第一反射鏡用于將從所述輸入耦合鏡入射的基頻光反射至所述第二非線性晶體；

所述輸出耦合鏡用于透出從所述第二非線性晶體透射的倍頻光，并將剩余的基頻光反射至所述第二反射鏡；

所述第二反射鏡用于將從所述輸出耦合鏡反射的基頻光反射至所述第一非線性晶體。

優(yōu)選地，所述第一非線性晶體是lbo晶體，切割角為θ＝0°，

其中，θ為基頻光或倍頻光在所述第一非線性晶體中的傳播方向與所述第一非線性晶體的三個(gè)介電主軸中的z軸的夾角，為基頻光或倍頻光在所述第一非線性晶體中的傳播方向在所述三個(gè)主軸中的x軸和y軸組成的平面上的投影與所述三個(gè)主軸中的x軸的夾角。

優(yōu)選地，所述第二非線性晶體是lbo晶體，切割角為θ＝0°，

其中，θ為基頻光或倍頻光在所述第一非線性晶體中的傳播方向與所述第二非線性晶體的三個(gè)主軸中的z軸的夾角，為基頻光或倍頻光在所述第二非線性晶體中的傳播方向在所述三個(gè)主軸中的x軸和y軸組成的平面上的投影與所述三個(gè)主軸中的x軸的夾角。

優(yōu)選地，其特征在于，

還包括：溫控儀，用于控制所述第一非線性晶體和所述第二非線性晶體的溫度。

優(yōu)選地，所述第一非線性晶體和所述第二非線性晶體的兩個(gè)端面均鍍有基頻光和倍頻光的增透膜；

所述輸入耦合鏡鍍有基頻光部分透過膜，輸出耦合鏡鍍有基頻光的高反膜和倍頻光的高透膜。

本發(fā)明提供的一種基于ⅱ類非臨界相位匹配的共振增強(qiáng)腔倍頻裝置，在共振增強(qiáng)腔內(nèi)除倍頻用晶體外，再插入一個(gè)用于光學(xué)相位補(bǔ)償?shù)木w，對基頻光中的兩種偏振光進(jìn)行相位補(bǔ)償，以得到兩種偏振光分量的相位差為2π整數(shù)倍的基頻光，再使其滿足相位匹配條件，得到倍頻光。這種倍頻裝置通過對兩種偏振光分量的相位的補(bǔ)償作用實(shí)現(xiàn)了ⅱ類非臨界相位匹配共振增強(qiáng)的高效倍頻，設(shè)計(jì)簡單，實(shí)用，具有普適性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于ⅱ類非臨界相位匹配的共振增強(qiáng)腔為駐波腔倍頻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于ⅱ類非臨界相位匹配的共振增強(qiáng)腔為行波腔的倍頻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是lbo晶體的切割方向示意圖；

圖4是lbo晶體切割時(shí)的角度關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1是本實(shí)施例提供的基于ⅱ類非臨界相位匹配的共振增強(qiáng)腔為駐波腔倍頻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，參見圖1，該裝置包括：至少由輸入耦合鏡101、輸出耦合鏡104、第一非線性晶體102和第二非線性晶體103組成的共振增強(qiáng)腔；

其中，所述輸入耦合101鏡用于將基頻光耦合入至所述共振增強(qiáng)腔；

所述第一非線性晶體102用于對通過所述第一非線性晶體102內(nèi)的基頻光進(jìn)行相位補(bǔ)償，以使從所述第一非線性102晶體通過的基頻光的第一偏振光分量和第二偏振光分量的相位差為2π的整數(shù)倍；

所述第二非線性晶體103用于使通過所述第二非線性晶體103內(nèi)的基頻光滿足第ⅱ類非臨界相位匹配條件，以得到從所述第二非線性晶體103產(chǎn)生并輸出的倍頻光；

所述輸出耦合鏡104用于將所述共振增強(qiáng)腔內(nèi)的倍頻光輸出。

本實(shí)施例中，第一非線性晶體102和第二非線性晶體103的位置可調(diào)換，共振增強(qiáng)腔內(nèi)的光路不一定是如圖1中所示的光路，只要使第一非線性晶體102和第二非線性晶體103處于共振增強(qiáng)腔的光路上即可。

本實(shí)施例提供的一種基于ⅱ類非臨界相位匹配的共振增強(qiáng)腔倍頻裝置，在共振增強(qiáng)腔內(nèi)除倍頻用晶體外，再插入一個(gè)用于光學(xué)相位補(bǔ)償?shù)木w，對基頻光中的兩種偏振光進(jìn)行相位補(bǔ)償，得到兩種偏振光為2π整數(shù)倍的基頻光，再使其滿足相位匹配條件，得到倍頻光。這種倍頻裝置通過對兩種偏振光相位的補(bǔ)償作用實(shí)現(xiàn)了ⅱ類非臨界相位匹配共振增強(qiáng)的高效倍頻，設(shè)計(jì)簡單，實(shí)用，具有普適性。

進(jìn)一步地，所述第一偏振光分量與所述第二偏振光分量之間的相位差變化量和所述第一非線性晶體的溫度變化量之間滿足如下關(guān)系式：

δφ＝al·δt

其中，a為所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量在所述第一非線性晶體的相位延遲系數(shù)，表示單位長度的倍頻晶體，單位溫度改變量引起的兩個(gè)偏振光分量的相位差變化量；l為所述第一非線性晶體的長度；δt為所述第一非線性晶體的溫度變化量；δφ為所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量的相位差變化量。

第一偏振光分量和第二偏振光分量為o光和e光，第一非線性晶體通過溫度的變化對o光和e光的光程差進(jìn)行調(diào)節(jié)。

事實(shí)上，第一非線性晶體和第二非線性晶體對兩個(gè)偏振光分量的相位差均會(huì)產(chǎn)生影響，例如，光線通過第一非線性晶體產(chǎn)生的相位差為φ1，通過第二非線性晶體產(chǎn)生的相位差為φ2，為了得到高效倍頻光，需要使兩個(gè)晶體產(chǎn)生的總相位差φ＝φ1+φ2為2π的整數(shù)倍。然而，在本實(shí)施例提供的共振增強(qiáng)腔中，由于第二非線性晶體的溫度為一固定值不能調(diào)節(jié)，因此在本實(shí)施例中只需要考慮第一非線性晶體對相位的影響。

第一非線性晶體對相位的補(bǔ)償通過第一非線性晶體的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本實(shí)施例提供第一非線性晶體調(diào)節(jié)相位差的原理。

進(jìn)一步地，所述相位延遲系數(shù)a定義為：

其中，ko、ke分別為所述第一偏振光分量與所述第二偏振光分量在所述第一非線性晶體內(nèi)的波矢，αl為晶體在光傳播方向的熱膨脹系數(shù)，

令：

則：

其中，λ為基頻光在真空中的波長；no為所述第一偏振光分量在所述第一非線性晶體中的折射率；ne所述第二偏振光分量在所述第一非線性晶體中的折射率；為所述第一偏振光分量在所述第一非線性晶體中的折射率隨溫度的變化率；所述為所述第二偏振光分量在所述第一非線性晶體中的折射率隨溫度的變化率；αl為所述第一非線性晶體在光傳播方向的熱膨脹系數(shù)。

例如，第一非線性晶體的材質(zhì)可以為lbo(三硼酸鋰)，對于lbo，在切割角為θ＝0°，時(shí)，溫度在312.7k時(shí)，對于1.3μm激光的相位延遲系數(shù)a＝0.01491/(mm·k)。

更進(jìn)一步地，所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量之間的相位差變化量δφ的穩(wěn)定性滿足如下關(guān)系：

其中，δδφ為在控制所述第一非線性晶體的溫度變化時(shí)，所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量之間的相位差變化量δφ的穩(wěn)定性，f為所述倍頻裝置的精細(xì)度。

進(jìn)一步地，所述共振增強(qiáng)腔為駐波腔或者行波腔。

作為一種具體的實(shí)施例，圖2是本實(shí)施例提供的基于ⅱ類非臨界相位匹配的共振增強(qiáng)腔為行波腔的倍頻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，參見圖2，該共振增強(qiáng)腔還包括第一反射鏡202和第二反射鏡205；

所述第一反射鏡202用于將從所述輸入耦合鏡201入射的基頻光反射至所述第二非線性晶體203；

所述輸出耦合鏡204用于輸出從所述第二非線性晶體203透射的倍頻光，并將剩余的基頻光反射至所述第二反射鏡205；

所述第二反射鏡205用于將從所述輸出耦合鏡204反射的基頻光反射至所述第一非線性晶體206。

其中，非臨界相位匹配條件具體為：非臨界相位匹配是指相位匹配的方向使得基頻光與倍頻光的波矢垂直于晶體的折射率橢球面的匹配方式，此時(shí)θ和為0°或者90°，激光以這種方式在晶體中傳輸時(shí)無走離。由于有些晶體可以通過調(diào)節(jié)其溫度使其相位匹配方向調(diào)整到如上所述的某一個(gè)方向上，因此非臨界相位匹配又稱為溫度相位匹配。

本實(shí)施例中第一反射鏡和第二反射鏡可以替換為實(shí)現(xiàn)相同作用的其他鏡的組合，只要使第一非線性晶體和第二非線性晶體處于共振增強(qiáng)腔的光路上即可。

進(jìn)一步地，所述第一非線性晶體是lbo晶體，切割角為θ＝0°，

其中，θ為基頻光或倍頻光在所述第一非線性晶體中的傳播方向與所述第一非線性晶體的三個(gè)介電主軸中的z軸的夾角，為基頻光或倍頻光在所述第一非線性晶體中的傳播方向在所述三個(gè)主軸中的x軸和y軸組成的平面上的投影與所述三個(gè)主軸中的x軸的夾角。

所述第二非線性晶體是lbo晶體，切割角為θ＝0°，

其中，θ為基頻光或倍頻光在所述第一非線性晶體中的傳播方向與所述第二非線性晶體的三個(gè)主軸中的z軸的夾角，為基頻光或倍頻光在所述第二非線性晶體中的傳播方向在所述三個(gè)主軸中的x軸和y軸組成的平面上的投影與所述三個(gè)主軸中的x軸的夾角。

第一非線性晶體和第二非線性晶體的切割均使得進(jìn)入其中的光不發(fā)生走離。如圖3所示，沿著lbo晶體301的x軸和y軸所在的平面對lbo晶體301進(jìn)行打磨，使光線沿著z軸所在方向傳播。

具體地，圖4是lbo晶體切割時(shí)的角度關(guān)系示意圖，參見圖4，a0為光線在第一非線性晶體或者第二非線性晶體中的傳播方向的單位矢量，單位矢量a0在x軸和y軸組成的平面上的投影與x軸的夾角為單位矢量a0與z軸的夾角為θ。

其中，x軸、y軸和z軸是晶體的介電主軸坐標(biāo)系的三個(gè)軸。

晶體的長度對兩個(gè)偏振光的相位差也有影響，例如，第一非線性晶體的晶體長度為10mm，第二非線性晶體的晶體長度為20mm。

進(jìn)一步地，

還包括：溫控儀207，用于控制所述第一非線性晶體和所述第二非線性晶體的溫度。

其中，為了實(shí)現(xiàn)精確的控制，溫控儀需進(jìn)行高精度的控制，例如，溫控儀具有小于0.1度的步長和穩(wěn)定度。

其中，步長是指溫控儀可以調(diào)節(jié)一步的最小值；穩(wěn)定度是指當(dāng)溫控儀設(shè)定在某一值之時(shí)，在較長的時(shí)間內(nèi)實(shí)際溫度的均方差。

通過調(diào)節(jié)第一非線性晶體的溫度并觀察倍頻光強(qiáng)度的方式找到o光與e光的相位差為零的點(diǎn)。當(dāng)倍頻光最強(qiáng)時(shí)，將晶體溫度穩(wěn)定下來。

對于具有蝶形的倍頻腔的倍頻裝置，所述第一非線性晶體設(shè)置在所述蝶形的倍頻腔較大的束腰位置處(圖2中的第二反射鏡和輸入耦合鏡中間)，所述第二非線性晶體設(shè)置在所述蝶形的倍頻腔較小的束腰位置處(圖2中的第一反射鏡和透射鏡中間)。

第二反射鏡是一個(gè)驅(qū)動(dòng)腔鏡，設(shè)置在鋯鈦酸鉛壓電陶瓷上，以利用pzt壓電陶瓷材料的性能可以實(shí)現(xiàn)倍頻裝置中倍頻腔長短的調(diào)節(jié)。

進(jìn)一步地，

所述第一非線性晶體和所述第二非線性晶體的兩個(gè)端面均鍍有基頻光和倍頻光的增透膜；

所述輸入耦合鏡鍍有基頻光部分透過膜，輸出耦合鏡鍍有基頻光的高反膜和倍頻光的高透膜。

更為具體的，對于1336nm激光的ⅱ類lbo非臨界相位匹配共振增強(qiáng)腔為環(huán)形腔的倍頻裝置，該裝置包括如圖2所示的輸入耦合鏡201；第二反射鏡205，是pzt驅(qū)動(dòng)基頻光高反鏡；第一反射鏡202，是基頻光凹面高反鏡；透射鏡204，是基頻光凹面高反鏡倍頻光高透鏡；第二非線性晶體203是lbo非線性晶體；第一非線性晶體206是lbo相位差補(bǔ)償晶體；溫控儀207。

其中的輸入耦合鏡201的鍍膜應(yīng)滿足基頻光的阻抗匹配條件且腔鏡為楔形平面鏡；第二反射鏡205應(yīng)裝在pzt上面，并鍍有基頻光高反膜，且腔鏡為平面鏡；第一反射鏡202為曲率等于100mm的凹面鏡，并鍍有基頻光高反鏡；透射鏡204為曲率等于100mm的凹面鏡，并鍍有基頻光高反倍頻光高透膜；第二非線性晶體203是lbo晶體，鍍有基頻光高透膜，切割角為θ＝0°，φ＝0°，晶體長度為20mm；第一非線性晶體206鍍有基頻光高透膜，切割角為θ＝0°，φ＝0°，晶體長度為10mm；溫控儀207具有小于0.1度的步長和穩(wěn)定度。

第二非線性晶體203，的溫度設(shè)為312.5k。

第一非線性晶體206的控溫周期根據(jù)式δφ＝al·δt可得為41.2k，可以設(shè)定工作區(qū)間為50.0℃到91.2℃。

溫控儀207具有30.0℃到100.0℃的控溫范圍和小于0.1℃的步長和穩(wěn)定性。

通過調(diào)節(jié)晶體溫度并觀察倍頻光強(qiáng)度的方式找到o光與e光的相位差為零的點(diǎn)。當(dāng)倍頻光最強(qiáng)時(shí)，將晶體溫度穩(wěn)定下來。

本實(shí)施例提供的倍頻裝置的結(jié)構(gòu)簡單、器件易得、操作簡便，應(yīng)用范圍廣，普通實(shí)驗(yàn)室中便于實(shí)現(xiàn)?？梢詫?shí)現(xiàn)1.3μm激光ⅱ類lbo非臨界相位匹配共振增強(qiáng)腔倍頻。

在應(yīng)用中，本實(shí)施例提供的倍頻裝置解決了o光與e光的相位差變化2π對應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)范圍大于非臨界相位匹配條件溫度容限范圍的非線性晶體，直接調(diào)節(jié)倍頻用晶體的溫度無法同時(shí)滿足共振條件與相位匹配條件的問題。

具體來說，o光與e光的相位差變化2π對應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)范圍小于非臨界相位匹配溫度容限范圍的非線性晶體，可以在相位匹配點(diǎn)附近調(diào)節(jié)溫度，實(shí)現(xiàn)共振條件。例如，用1.08μm激光ktp外腔倍頻，由于ktp晶體在1.08μm處滿足非臨界相位匹配條件，且在溫度調(diào)節(jié)使得o光與e光的相位差變化2π時(shí)，ktp的相位匹配條件仍可以得到滿足，因此可以通過控制晶體溫度以補(bǔ)償o光和e光的相位差，從而使得ktp晶體在1.08μm處實(shí)現(xiàn)高效的外腔倍頻。

然而對于o光與e光的相位差變化2π對應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)范圍大于非臨界相位匹配條件溫度容限范圍的非線性晶體，直接調(diào)節(jié)倍頻用晶體的溫度無法同時(shí)滿足共振條件與相位匹配條件。例如，1.3μm激光ⅱ類lbo非臨界相位匹配倍頻，相位匹配條件對溫度的變化比較敏感，而o光和e光的相位差隨溫度變化較慢，因而無法通過單純調(diào)節(jié)倍頻用非線性晶體溫度，在不破壞相位匹配條件的情況下，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)偏振方向的共振條件。本實(shí)施例中的倍頻裝置可以解決上述問題。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。