[发明专利]基于光学超晶格的超量子转换极限中红外激光器及构造方法有效

专利信息
申请号: 201110152212.8 申请日: 2011-06-08
公开(公告)号: CN102244354A 公开(公告)日: 2011-11-16
发明(设计)人: 刘艳花;胡小鹏;谢臻达;吕新杰;赵刚;祝世宁 申请(专利权)人: 南京大学
主分类号: H01S3/108 分类号: H01S3/108
代理公司: 南京天翼专利代理有限责任公司 32112 代理人: 陈建和
地址: 210093 江*** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: 基于 光学 晶格 量子 转换 极限 红外 激光器 构造 方法
【说明书】:

技术领域

本发明属于非线性频率转换和激光技术领域,具体是一种基于特殊结构设计光学超晶格的光参量振荡级联光参量放大从而获得超量子转换极限的中红外激光的产生方法,用以构建高转换效率、高功率的中红外激光器或者是多波长的近、中红外激光器。

背景技术

在光谱学中,波长范围在0.75μm至1000μm之间的称为红外线,通常人们将其划分为近、中、远红外三部分,近红外波长范围为0.75-3.0μm;中红外波长范围为3-20μm;远红外波长范围为20-1000μm。中红外光波在遥感、探测、医疗和生物成像中有着重要的应用,特别是中红外激光以其高亮度、良好的相干性和极高的空间分辨力有广泛的应用,如激光定向红外干扰、激光通讯、红外测距等。中红外光参量振荡器(Mid-IR-OPO)由于具有调谐范围广,结构紧凑,可全固化,可实现大功率、窄线宽输出等特点,一直是研究的热点[1]。在光参量振荡器中,为了得到较高的光-光转换效率,一般采用双折射位相匹(BPM)或准位相匹配(QPM)技术。实现准位相匹配技术的非线性晶体主要包括周期极化的铌酸锂(PPLN)、钽酸锂(PPLT)、掺镁铌酸锂(PPMgO:LN)和磷酸氧钛钾(PPKTP)等。传统的MIR-OPO,一般是采用1.0μm附近的近红外激光泵浦非线性晶体,通过OPO(ωp=ωsi)过程产生4.0μm左右的中红外激光,一个泵浦光子ωp劈裂为一个信号光子ωs和一个闲置光子ωi。理论上从泵浦光到闲置光的光子转换效率ηi最高为100%,能量转换效率最高为25%[2]。20世纪90年代,Karl Koch等人首次提出使用两块非线性晶体,一块用来实现OPO过程,另一块用来实现OPO过程中产生的信号光与闲频光的差频(DFG)过程,从而得到了更高效率的中红外激光输出[3],理论上光子效率较单个OPO过程提高了一倍。自从该方案提出,一系列的理论与实验结果也相继被报道,相关的工作有:

1998年,M.E.Dearborn等人在Optics Letters上发表了“Greater than 100%photon-conversion efficiency from an optical parametric oscillator with intracavity difference-frequency mixing”,作者采用脉宽为100皮秒的Nd:YAG激光器同步泵浦OPO-DFG振荡器,两块PPLN晶体分别置于两个控温炉中,其提供的倒格矢用来匹配OPO、DFG过程中的位相失陪,得到了高效的波长为3.5μμm的中红外输出,光子效率ηi达110%[4]。

2004年,G.Arisholm等人在Optics Express上发表了“Optical parametric master oscillator and power amplifier for efficient conversion of high-energy pulses with high beam quality”,作者采用OPO级联多个光参量放大OPA过程,使用多块KTP晶体,实现信号光和闲置光的总转化效率为52%[5]。

2004年,H.C.Guo等人在J.Phys.Condens.Matter上发表了“Mid-infrared radiation in an aperiodically poled LiNbO3 superlattice induced by cascaded parametric processes”,为得到LN晶体吸收较大的4-5μm的中红外输出,作者采用一块非周期的LN晶体,同时补偿OPO-DFG两个过程的波矢失配,并从理论上预言了其结构优势与该方案的可行性[6]。

2008年,北京工业大学王丽等人申报了“全固态中红外光参量差频激光器”的专利,该专利利用全固态激光器输出的抽运光与由可调谐半导体激光器输出的信号光在满足相位匹配条件下共线入射到光参量放大器,由光参量放大器输出的信号光和闲频光在满足相位匹配条件下,再经过会聚透镜后,入射到光参量差频激光器,实现了中红激光波段的连续可调谐激光输出[7]。

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