[发明专利]波长转换元件

说明书

技术领域

本发明涉及非线性光学元件。本发明具体地涉及用于光波长转换的波长转换元件。

背景技术

近年来，已经专注于高输出激光光源作为用于处理应用、激光显示等的光源。诸如YAG激光器的固态激光器、使用具有诸如Yb和Nd之类的稀土元素光纤的光纤激光器已经发展成为红外光区域中的激光光源。另一方面，在可见光区域的激光光源中，具体地已经发展了红光和蓝光区的激光光源、使用砷化镓和氮化镓等的半导体激光器，并且也已经研究了这些光源的高输出性能。然而，仍然难以从半导体激光器直接产生绿光。因此，通常使用的方法包括：使用上述固态激光器或光纤激光器以首先获得红外光激光器；然后将红外光通过非线性光学晶体的波长转换元件以实现波长转换；从而获得绿光激光。

回到在开发上述半导体激光器之前的年代，除了使用非线性光学晶体的波长转换之外，几乎没有从可见光区域产生紫外区域激光的方法。在这种技术背景下，已经积极地开发和利用了诸如铌酸锂(LiNbO₃)、钽酸锂(LiTaO₃)、三硼酸锂(LiB₃O₅)、β-硼酸钡(β-BaB₂O₄)、磷酸钛氧基钾(KTiOPO₄：KTP)和硼酸铯锂(CsLiB₆O₁₀：CLBO)。

在作为以上示例取得的多种光学材料中，具体地公知的是铌酸锂晶体具有较大的非线性光学常数。因为其较大的非线性光学常数，包含铌酸锂晶体的非线性光学晶体表现出较高的转换效率，并且另外能够简单地构造使用该晶体的设备。因此，在具有100mW量级输出的设备中频繁使用采用铌酸锂晶体的偏振反转技术来形成准相位匹配(QPM)波长转换元件。

例如，使用铌酸锂(LN)晶体或钽酸锂(LT)晶体的准相位匹配(QPM)铌酸锂元件(QPM-LN元件)具有比LBO晶体或KTP晶体更大的非线性光学常数。因此，高效率和高输出的波长转换是可能的。然而，QPM-LN元件要求将光能量会聚到较窄的区域中。同样充分地，由基波和在晶体内部根据基波产生的二次谐波引起的晶体损坏和解构(destruction)与KTP晶体等的晶体损坏和解构相比易于出现。

此外，具有几W量级输出的设备使用诸如硼酸锂(LBO)和磷酸钛氧基钾(KTP)之类的非线性光学晶体。前一种LBO晶体具有下述有利的特征：由基波和在晶体内部根据基波产生的二次谐波引起的晶体损坏和解构几乎不会出现。然而，所述晶体的非线性光学常数较小。因此，为了获得高转换效率，配置了谐振器，并且将所述晶体放置在谐振器中。因此，设备的结构变得复杂，并且所述设备也具有需要精细调节的缺点。后一种KTP晶体的非线性光学常数与LBO晶体的非线性光学常数相比较大。因此，KTP晶体与LBO晶体不同，可以无需谐振器就获得高转换效率。然而，KTP晶体具有以下缺点：由基波和在晶体内部根据基波产生的二次谐波引起的晶体损坏和解构易于出现。

上述晶体解构包括由光(光折射)引起的折射率变化。通常为了限制作为晶体解构的一种的光折射，尽可能地去除在晶体内部产生吸收峰的杂质；为了补偿甚至当进行去除时产生的空穴或者由对位缺陷(anti-site defect)产生的电荷的目的，所述对位缺陷是在其中最初组成晶体的另一种元素已经存在的位置存在的不同元素，通常执行由氧化镁或氧化锌的掺杂实现的透射率的吸收端向短波长区域移动的控制、或者可见光区域透射率的改善。

JP06-016500A(专利文献1)通过向晶体(铌酸锂LN和钽酸锂LT)中引入添加剂来尝试限制由光(光折射)引起的折射率改变，以及JP2002-072266A(专利文献2)也通过使用能够使晶体成分接近理想成分(化学计量法：按化学计量组成所需的成分)的方法生长晶体来尝试进行限制。

然而目前，甚至在以上专利文献1和2中的尝试还没有完全地限制晶体损坏和解构。

如上所述，每一种非线性光学晶体均具有优点和缺点。在目前还没有成功地限制这些确定的情况下，非线性光学晶体的优点和缺点是一种折衷的关系。因此目前我们不得不在考虑这种折衷关系的同时根据应用来确定将要使用的晶体。