[发明专利]切换基波、二倍频与三倍频激光的超晶格结构设置方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种在级联周期结构的光学超晶格中产生二倍频与三倍频激光并利用入射基波偏振进行基波、二倍频与三倍频激光高效切换的超晶格结构设置方法，涉及非线性光学与超晶格材料技术的交叉领域。

背景技术

为了拓展激光器的用途，一台激光器有时需要输出不同波长的激光。对基波的二倍频与三倍频是拓展激光波长范围的最有效的方法之一[参考文献：S.N.Zhu,Y.Y.Zhu,Y.Q.Qin,H.F.Wang,C.Z.Ge,and N.B.Ming,Physical Review Letters78,2752(1997)；S.N.Zhu,Y.Y.Zhu,and N.B.Ming,Science278,843(1997)]。目前商用Nd：YAG/YVO4激光器的基波、二倍频与三倍频之间的切换是通过更换激光晶体来实现的[参考文献：D.Eimerl,J.M.Auerbach,and P.W.Milonni,Journal of Modern Optics42,1037(1995)]。频繁地更换激光晶体不仅容易影响光路和出光效率，也容易造成晶体的污染与损坏。

光学超晶格通过畴结构的设计，可以基于准相位匹配原理利用基波直接产生二倍频[参考文献：S.N.Zhu,Y.Y.Zhu,and N.B.Ming,Science278,843(1997)]，还可以通过基波与二倍频的耦合在超晶格中直接产生三倍频。在申请号为00119006.7的专利文献“双周期超晶格及其在激光变频中的应用”中提出以铁电晶体为基质，通过一种特定双调制结构的设置，能够同时提供用来匹配倍频与和频波矢失配的两个倒格矢，从而使三倍频能够持续的增长，实现高效的三倍频。具有这种结构的钽酸锂超晶格可用于对Nd：YAG/YVO4激光器的1064nm激光实行三倍频，输出355nm的紫外激光。

在二倍频与三倍频的切换方面，在超晶格的光轴方向上施加外加电场，可以利用晶体的电光效应对二倍频与三倍频的产生过程进行调制[参考文献：C.P.Huang,Y.H.Wang,and Y.Y.Zhu,Applied Optics44,4980(2005)；F.Xu,J.L.He,J.Liao,Q.Wang,Q.Xu,N.H.Shen,H.T.Wang,and N.B.Ming,Physical Review A68,053803(2003)]。但由耦合效应的存在，这两个过程耦合在一起，相互影响，很难实现高效率的切换。同时由于电光效应需要加的电压通常较高，因而限制了其实际的应用。在申请号为97107134.9的专利文献“准位相匹配光学参量过程中的周期加场电调谐方法及其应用”中利用了超晶格样品制备时的周期性电极，通过周期性外加电场调制样品的折射率，实现了准位相匹配光学参量过程的电光调谐，在0.5mm厚铌酸锂光学超晶格上施加4KV电压实现了20nm的波长调谐。

利用二倍频与三倍频准相位匹配温度的差异，用温度调谐的办法也可以实现二倍频与三倍频的切换[参考文献：G.Z.Luo,S.N.Zhu,J.L.He,Y.Y.Zhu,H.T.Wang,Z.W.Liu,C.Zhang,and N.B.Ming,Applied Physics Letters78,3006(2001)]。但温度调谐存在着调谐精度不高，调谐速度慢的问题。另外温度调谐的本质是改变晶体的折射率，从而影响匹配波矢失配的倒格矢，这一过程很难避免耦合过程中相位失配的增大，因此切换效率往往不高。在申请号为200710170773.4的专利文献“可温度调谐的周期性光学超晶格多波长滤波器”中将周期性光学超晶格表面分为两个不同的温度区域，分别平铺有第一温度控制装置和第二温度控制装置，每一个区域作为一个单波长索科型滤波器。配合超晶格两端的两个正交偏振片，可以在较大的波长范围内实现多个中心波长的可调谐输出。调谐效率为约-0.598nm/℃，可调谐波长范围达几十纳米。该专利利用了温度调谐，但实现的是滤波的功能，并且效率较低。

综上所述，光学超晶格可以利用基波单独产生高效率的二倍频或者三倍频，也可以利用电光效应或者温度调谐实现二倍频与三倍频的切换，但由于耦合效应的存在，切换效率始终不高。目前尚没有方案可以在同一个超晶格结构中既可以产生高效率的二倍频也可以产生高效率的三倍频，并且基波、二倍频与三倍频三者之间可以方便地进行切换。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提出一种由入射基波偏振方向调控的可以实现基波、二倍频与三倍频三波长激光高效切换的超晶格结构设置方法。