以多通道倍频周期超晶格为变频晶体的固体蓝光激光器 一、技术领域
本发明涉及一种用多通道级联周期超晶格来进行三倍频以实现短波长激光输出的装置。特别是以钽酸锂等超晶格为变频晶体的蓝光激光器。
二、背景技术
利用超晶格来实现倍频和三倍频是实现短波长激光输出的重要手段。利用二阶非线性效应实现三倍频需要包括倍频和和频两个参量过程，在此方面前人的相关工作有：
祝世宁等人1997年在Science上发表了用准周期的Fibonacci光学超晶格实现绿光三倍频的文章。利用准周期Fibonacci序列的LiTa03超晶格的两个倒格矢分别补偿了1570nm基波在倍频和和频两个参量过程中地位相失配，产生了523nm的三倍频绿光。该超晶格的基本参数是正畴1＝10.7μm，两个结构单元A＝24μm，B＝17.5μm。样品总长度是8mm，厚度为0.5mm。1570nm红外光单次通过产生的绿光功率达到了6mw，转换效率为23％。
刘照伟等人在2000年6月的ISFD-6会议上发表了名为“双周期LT晶体对1.064μm激光三倍频产生紫外激光”的文章，报导了用双周期结构实现了对1.064μm基波光的直接三倍频，两个周期分别为1＝6.77μm，L＝51.08μm，设计的匹配温度为40℃。倍频，三倍频的最高转换效率分别达到了33％和0.54％。
M.Pierrou等人在1999年的Opt.Lett上发表了“Generation of 740mw of bluelight by intercavity frequency doubling with a first-orderquasi-phase-matched KTiOP04 crystal”。所用的KTP晶体周期为6.09μm，在室温下实现了946nm激光的倍频，获得的蓝光波长为473nm，转换效率为5.7％。
罗国珍等人在2001年的Applied Physics Letters上发表了“Simultaneouslyefficient blue and red light generation in a periodically poled LiTaO3”。用周期结构的LT超晶格实现了对1342nm基波光的同时倍频和三倍频，获得了671nm的红光和447nm的蓝光。对应的转换效率分别为10.2％和41.4％。
第一篇文章是使用标准的Fibonacci准周期光学超晶格来实现523nm的三倍频绿光的直接输出；第二篇文章使用双周期的超晶格实现了355nm的三倍频紫外光的直接输出；第三篇文章使用周期超晶格实现了倍频蓝光的输出；在第四篇文章中，使用了一块周期超晶格实现了倍频红光和三倍频蓝光的同时输出。以上方案均不涉及到利用多通道的级联周期超晶格来实现1342nm的三倍频蓝光输出。
三、发明内容
本发明的目的是：利用多通道的级联周期超晶格来实现1.342μm激光的三倍频输出，利用掺Nd晶体如Nd∶YV04优异的激光晶体的性质，并且设计出具有特定周期结构的LiTaO3光学超晶格，该超晶格能对Nd:YV04晶格的1.342μm发射实现高效的三倍频，从而构造出能实现高效蓝光输出的小型固态激光器。
本发明目的是以下述方式来实现高效的三倍频蓝光输出：由一半导体激光器为泵浦光源，以掺Nd∶YV04晶体(3)的前表面镀膜和腔镜(5)一起构成1.342μm激光的谐振腔；再以一块多通道的级联周期光学超晶格组成1.342μm激光的三倍频器件(8)置于泵浦光路的控温炉(9)中，基波波长为1.342μm，不用的通道对应不用的倍频相匹配温度，从而可以选择相匹配温度与和频相匹配温度最接近的通道为工作通道，以实现高效、高稳定的蓝光三倍频。本发明可以选用不同掺Nd的激光晶体，采用4F3/2-＞4I13/2的激发谱线，根据不同晶体对应的发射波长，设计不同多通道的级联周期光学超晶格。
1.本发明适用于光学超晶格对所有含Nd离子的激光晶体所对应的4F3/2-＞4I13/2发射进行三倍频蓝光输出。比如Nd:YAG晶体和Nd:YAP晶体，他们所对应的该谱线的发射波长分别为1.325μm和1.341μm，他们分别可用这种超晶格材料来获得442nm的蓝光和447的蓝光。
2.除了LiTa03晶体，本发明也包含LiNb03，KTP，RTP等其他非线性光学晶体的光学超晶格，根据这些晶体的折射率色散关系都可以根据上述的激光晶体对对应的激光波长设计出特定结构和结构参数的光学超晶格实现激光的三倍频，获得高效蓝光输出。
周期结构的光学超晶格通常只用于倍频，和频和差频等单个参量过程的频率转换。周期结构超晶格的倒格矢可以表示为：G=m2πΛ,]]>其中Λ为周期，m为整数，也就是说所有的倒格矢是一阶倒格矢的整数倍。一般在单一频率基波入射的情况下，周期结构的倒格矢只有一个倒格矢能补偿单个参量过程的位相失配。如果要实现基波的三倍频，可以在一块超晶格上利用两段周期结构分别提供一阶倒格矢来补偿倍频和和频过程中的位相失配。
我们所使用的结构的设计思路如下：
我们设计了一个多通道级联周期结构。周期结构正负电畴的宽度比取为1∶1，为了利用最大的有效非线性系数，我们使用了两段周期结构分别提供一阶倒格矢来补偿基波倍频和基波与二次谐波的和频过程中的位相失配。对于用来倍频的周期结构，有：
2πλ(2n2-2n1)-2πΛ1=0]]>
其中λ为基波波长，Λ1为周期。n1和n2分别为基波光和倍频光的折射率。对于多通道设计，可以以理论值为中心通道的周期值，两侧通道的周期大小可以这样以此值为中心值一边递增，一边递减，相邻通道的相位匹配温度可以相差2-3度，这样的多通道结构能使倍频的相匹配温度能展宽到15-20度(以也通道为例)，保证能与和频同时实现倍频输出。第一段多通道级联周期结构中多通道的个数一般为2-10个。还可以更多。
第二段周期结构用来补偿和频过程的位相失配，同样取一阶倒格矢，即
2πλ(3n3-2n2-n1)-2πΛ2=0]]>
我们用如下的色散公式来计算折射率
ne2(λ,T)=A+B+b(T)λ2-[C+c(T)]2+Eλ2-F2+Dλ2]]>
其中的参数为：
A＝4.5284
B＝7.2449×10-3
C＝0.2453
D＝-2.3670×10-2
E＝7.7690×10-2
F＝0.1838
b(T)＝2.6794×10-8(T+273.15)2
c(T)＝1.6234×10-8(T+273.15)2
上述方程中存在两个未知参量λ和T，λ为基波的波长，T为匹配温度，在实用中匹配温度在0℃到150℃之间比较容易实现。
本发明的优越性：
1、采用其他结构的光学超晶格也可以通过倍频或三倍频实现蓝光的输出。本发明采用多通道级联周期结构的光学超晶格，其优越性在于利用级联的周期结构的两个一阶倒格矢分别来补偿倍频和和频过程的位相失配，在有效非线性系数上高于其他的准周期，双周期，非周期等复杂结构，因而更容易获得高效的三倍频蓝光输出。
2、在用级联周期结构来实现三倍频蓝光输出时，遇到的一个普遍问题就是倍频过程的匹配温度和和频过程的匹配温度很难重合，从而限制了蓝光的输出效率。其误差来源有以下几个方面：一，结构参数设计中使用的色散方程(Sellmeier equation)所提供的折射率与晶体的实际值有差距，从来带来了周期设计时的误差；二，由于光刻工艺精度的限制，在制版时会带来模板周期的误差。而匹配温度对周期是十分敏感的，周期的很小偏差就会使倍频匹配温度偏离和频匹配温度，从而限制了蓝光的输出效率。我们所设计的多通道级联周期结构(本文实施例中已七个通道为例)将用来实现倍频红光的周期结构设计成一个多通道的结构，每个通道对应不同的周期于是对应于不同的相匹配温度每个通道的相匹配温度相差三度。在实验中，可以让基波光选择通过七个通道中的一个，寻求和频过程同时实现位相匹配的同时满足，从而获得高效的蓝光输出。
3.简单的周期结构在设计以及制版，光刻和极化设备工序上比复杂结构来得方便并且易于控制。
下面是对实验装置的一些说明：
四、附图说明
图1是本发明可以产生高效蓝光输出的激光器的示意图。
(1)半导体激光器(LD)，波长是809nm；(2)聚焦系统，一般为透镜组；
(3)Nd∶YV04晶体，用来产生1.342μm激光的激光介质；
(4)调Q装置；(5)1.342μm激光的输出镜；
(6)会聚透镜；(7)控温炉，用来调谐温度；
(8)周期超晶格晶体，用来产生三倍频蓝光；(9)输出高效蓝激光；
(10)多层膜，1342nm的增透膜，671nm的高反膜；
(11)多层膜，671nm的高反膜，447nm的高透膜
图2是多通道级联周期结构的示意图，即图1中的(8)
五、具体实施方式
如图所示，左边是一个七通道的周期结构，用来实现倍频过程；右边的周期结构用来实现和频过程，在实验中，可以让基波光分别通过七个通道，寻求和频过程匹配条件的最大满足，获得高效的蓝光输出。
根据以上公式，对于第一段用来实现倍频的周期结构，我们采用了七个通道，匹配温度从89℃到131℃，以7℃为间隔依次递增。计算得到相应的周期为14.608484μm，14.630559μm，14.652308μm，14.673729μm，14.694818μm，14.715572μm，14.735989μm。对于第二段用来实现和频的周期结构，匹配温度为110℃，对应的周期为4.881003μm。