[发明专利]一种级联三次谐波的产生装置

说明书

技术领域

本发明属于非线性光学领域，特别涉及一种利用一块多周期结构非线性晶体实现级联三次谐波产生的装置。

背景技术

三次谐波广泛应用于非线性光学的各个领域中，例如：三阶非线性极化率的测量、非线性相移的累积研究、多色孤子的传播等。另外，三次谐波是产生高次谐波的中间手段。例如：三次谐波与基波混频产生的四次谐波可用于通讯光纤的光栅制造。三次谐波与倍频光波混频产生的五次谐波深紫外激光可以用于光阻材料刻蚀等。

三次谐波激光产生方式可分为两种，一种是直接利用晶体的三阶非线性，直接产生三次谐波。但是由于三阶非线性系数χ⁽³⁾很小，所以三次谐波产生过程的效率很低。另外一种方法是通过级联来产生三次谐波的方案。级联三次谐波的产生，指的是先通过倍频(SHG:ω+ω→2ω)得到二次谐波，再通过基波和二次谐波的和频(SFG:ω+2ω→3ω)得到三次谐波。在整个级联过程中，使用的都是二阶非线性系数χ⁽²)，由于晶体的二阶非线性系数要比三阶非线性系数χ⁽³⁾大很多，所以级联三次谐波产生的效率要比直接三次谐波产生的效率高很多。

2001年，G.Z.Luo等人在《Simultaneously efficient blue and red light generations in a periodically poled LiTaO₃》一文中利用1342nm的调Q的Nd:YVO4激光器为基频光源，在周期极化的LiTaO₃晶体中，通过倍频和三倍频获得了447nm的蓝光和671nm的红光输出。2009年，Y.Sheng等人在《Cascaded third-harmonic generation in a single short-range-ordered nonlinear photonic crystal》一文中，利用一块SRO(short-range-ordered)LiNbO₃非线性光子晶体，实现了526.7nm的转换效率为12％的三次谐波输出。微纳器件也被尝试用来实现级联三次谐波的有效产生。2011年，Solntsev等人在《Cascaded third harmonic generation in lithium niobate nanowaveguides》一文中利用未周期极化的LiNbO₃纳米波导，有效地产生了级联三次谐波。

以上的研究都是针对连续光或者长脉冲，国内外的研究者们通过不同的方式实现了级联三次谐波的产生，比如：双周期的准相位匹配材料、非线性光子晶体等。对于超短脉冲，由于其高的峰值功率和非常窄的脉宽，必然引起很强的高阶非线性效应。频率转换过程变得十分复杂，需要考虑的因素很多。目前国内外的很多研究都是使用两块晶体分别实现倍频与和频过程的相位匹配，从而实现级联三次谐波的产生。但是两块晶体级联的结构会影响三次谐波的产生效率和光波质量。另外，这种方法结构不够紧凑，不利于集成化设计。

发明内容

本发明目的是解决现有的级联三次谐波产生装置通常由两块晶体组成，存在结构复杂，不利于结构集成化，调谐难度高，三次谐波输出不稳定，并且转换效率较低等问题，提供一种能获得稳定输出、光转换效率高、光束质量好的级联三次谐波激光的产生方法，以及结构更简单、调谐更方便的级联三次谐波频率转换装置。

本发明提供的级联三次谐波的产生装置，以非线性晶体为变频晶体的级联三次谐波激光产生装置，包括基频光源系统、控温炉和一块多周期级联晶体，所述的多周期级联晶体置于控温炉中，用于改变在某一极化周期下倍频与和频过程的相位失配量，以实现高效的宽带三次谐波转化输出；所述基频光源系统到多周期级联晶体的光路上依次设有半波片、格兰棱镜、小孔光阑和第一聚焦透镜，多周期级联晶体的输出光路上依次设有第二聚焦透镜、高反镜、带通滤光片和探测器。

所述的基频光源系统为光纤激光器或者固体激光器，激光器以脉冲运转、准连续运转或连续运转中的任意一种状态工作；波长输出范围可调谐，用以实现在某一极化周期下倍频与和频过程相位失配量的调节，以获得高效率三次谐波输出。

所述的多周期级联晶体的畴结构具有多周期结构，包括均匀周期和非均匀周期，级联晶体的结构包括体结构和波导结构，级联晶体的基质材料包括同成分铌酸锂或钽酸锂晶体、近化学计量比铌酸锂晶体或钽酸锂晶体、掺镁铌酸锂晶体、掺镁钽酸锂晶体以及磷酸钛氧钾晶体。