[发明专利]一种基于空间相位补偿提高倍频光束质量的方法

说明书

本发明是一种利用空间离散效应补偿空间相位畸变、提高倍频(SHG)光束质量的方法。主要适用于在两正交平面上光束质量有极大差异的非衍射极限(non-diffraction-limited)激光光源，如条状半导体激光器。

光束质量以M²因子表征，它与光束的空间相位畸变相关联。对于衍射极限光束，M²＝1，光束质量越差，M²越大。囿于其结构特点，条状半导体激光器的输出光束在垂直于条状方向平面上接近衍射极限(M_x²≈1)，而在条状方向上光束质量因子为衍射极限的几十至几千倍(M_y²＝x10～10³)。两正交方向上光束质量因子的严重失配，直接导致难以将光束聚焦成很小的圆形光斑，限制了这些激光光源潜能的充分实现。

目前尚未见通过倍频提高光束质量的报道。在常规的倍频方案中，倍频光的光束质量有变坏的倾向(J.Opt.Soc.Am.B12，49(1995))。事实上，半导体激光器的频率(波长)转换和光束质量改善目前主要是以泵浦固体激光器、再结合其它技术如腔内倍频来实现的，但首先须对半导体激光光束本身进行整形，以满足端面泵浦的要求。光束整形的主要方法有：(1)光纤束耦合(optical fiberbundles coupling)技术(Th.Grafand J.E.Balmer，Opt.Lett.18，1317(1993))；(2)两镜式光束整形(two-mirror beam-shaping)技术(W.A.Clarkson et.al.，Opt.Lett.21，375(1996)；W.A.Clarkson et.al.，UK patent application 9324589.2(1993))。

上述两种光束整形技术的主要思路都是试图平衡两个正交方向的光束质量因子，即尽量使M_x²≈M_y²，以获得圆形的聚焦光斑，但总的光束质量因子乘积M_x²M_y²并没有减小，甚至可能有所增加，实际上是以牺牲一个方向上的光束质量(M_x²增加)来改善另一方向上的光束质量(M_y²减小)，总的光束质量并没有改善，同时其亮度却有一定程度的下降。方法(1)在技术上较容易，但不能较精确地控制两个方向上光束质量因子的平衡；方法(2)原则上可以较准确地平衡两个方向上的光束质量因子，因为它有多个可变参数，也正是由于这个原因，使调整难度极大，同时系统损耗较大。这两种光束整形技术都是通过线性光学系统实现的。

本发明的目的在于提出一种调整比较容易、且能实质上提高倍频光束质量的方法。

本发明提出的提高半导体激光倍频光束质量的方法是在倍频过程中，以空间离散(spatial walk-off)效应来补偿空间相位畸变(spatial-phase distortions)，使产生的倍频光的光束质量接近(原理上可达到)衍射极限。空间离散是发生在某一平面内的效应，对与该平面垂直方向上的空间相位没有影响，而这恰好与条状半导体激光器输出光束情形相匹配：条状方向上的M²很大，或者说空间相位畸变严重，需要进行补偿；在与条状垂直方向上的M²≈1，已经接近衍射极限，不再需要补偿。因此，本发明是以空间离散效应补偿空间相位畸变来改善某一方向的光束质量，同时保持另一方向的光束质量，是真正意义上的光束质量改善。

本发明中半导体激光倍频需要的倍频晶体采用非周期性极化铌酸锂晶体(Aperiodically Poled Lithium Niobate，APPLN)，以准相位匹配(Quasi-PhaseMatching，QPM)方式实施。其中，晶体极化的结构参数---匹配周期Λ(z)根据基频光空间相位畸变参数和基频与倍频光束之间的离散角确定。具体步骤如下：

基频光束空间相位具有对称形式，将其按Taylor级数展开：

         φ(y)＝α₂y²+α₄y⁴+α₆y⁶+……α₂，α₄，α₆，……为展开系数。