[發(fā)明專利]基于光學(xué)超晶格的超量子轉(zhuǎn)換極限中紅外激光器及構(gòu)造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110152212.8
• 申請日: 2011-06-08
• 公開（公告）號: CN102244354A
• 公開（公告）日: 2011-11-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉艷花;胡小鵬;謝臻達(dá);呂新杰;趙剛;祝世寧
• 申請（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號: H01S3/108
• 分類號: H01S3/108
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責(zé)任公司 32112
• 代理人: 陳建和

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于非線性頻率轉(zhuǎn)換和激光技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)光學(xué)超晶格的光參量振蕩級聯(lián)光參量放大從而獲得超量子轉(zhuǎn)換極限的中紅外激光的產(chǎn)生方法，用以構(gòu)建高轉(zhuǎn)換效率、高功率的中紅外激光器或者是多波長的近、中紅外激光器。

背景技術(shù)

在光譜學(xué)中，波長范圍在0.75μm至1000μm之間的稱為紅外線，通常人們將其劃分為近、中、遠(yuǎn)紅外三部分，近紅外波長范圍為0.75-3.0μm；中紅外波長范圍為3-20μm；遠(yuǎn)紅外波長范圍為20-1000μm。中紅外光波在遙感、探測、醫(yī)療和生物成像中有著重要的應(yīng)用，特別是中紅外激光以其高亮度、良好的相干性和極高的空間分辨力有廣泛的應(yīng)用，如激光定向紅外干擾、激光通訊、紅外測距等。中紅外光參量振蕩器(Mid-IR-OPO)由于具有調(diào)諧范圍廣，結(jié)構(gòu)緊湊，可全固化，可實(shí)現(xiàn)大功率、窄線寬輸出等特點(diǎn)，一直是研究的熱點(diǎn)[1]。在光參量振蕩器中，為了得到較高的光-光轉(zhuǎn)換效率，一般采用雙折射位相匹(BPM)或準(zhǔn)位相匹配(QPM)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)位相匹配技術(shù)的非線性晶體主要包括周期極化的鈮酸鋰(PPLN)、鉭酸鋰(PPLT)、摻鎂鈮酸鋰(PPMgO:LN)和磷酸氧鈦鉀(PPKTP)等。傳統(tǒng)的MIR-OPO，一般是采用1.0μm附近的近紅外激光泵浦非線性晶體，通過OPO(ω_p＝ω_s+ω_i)過程產(chǎn)生4.0μm左右的中紅外激光，一個泵浦光子ω_p劈裂為一個信號光子ω_s和一個閑置光子ω_i。理論上從泵浦光到閑置光的光子轉(zhuǎn)換效率η_i最高為100％，能量轉(zhuǎn)換效率最高為25％[2]。20世紀(jì)90年代，Karl?Koch等人首次提出使用兩塊非線性晶體，一塊用來實(shí)現(xiàn)OPO過程，另一塊用來實(shí)現(xiàn)OPO過程中產(chǎn)生的信號光與閑頻光的差頻(DFG)過程，從而得到了更高效率的中紅外激光輸出[3]，理論上光子效率較單個OPO過程提高了一倍。自從該方案提出，一系列的理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也相繼被報(bào)道，相關(guān)的工作有：

1998年，M.E.Dearborn等人在Optics?Letters上發(fā)表了“Greater?than?100％photon-conversion?efficiency?from?an?optical?parametric?oscillator?with?intracavity?difference-frequency?mixing”，作者采用脈寬為100皮秒的Nd:YAG激光器同步泵浦OPO-DFG振蕩器，兩塊PPLN晶體分別置于兩個控溫爐中，其提供的倒格矢用來匹配OPO、DFG過程中的位相失陪，得到了高效的波長為3.5μμm的中紅外輸出，光子效率η_i達(dá)110％[4]。

2004年，G.Arisholm等人在Optics?Express上發(fā)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級聯(lián)多個光參量放大OPA過程，使用多塊KTP晶體，實(shí)現(xiàn)信號光和閑置光的總轉(zhuǎn)化效率為52％[5]。

2004年，H.C.Guo等人在J.Phys.Condens.Matter上發(fā)表了“Mid-infrared?radiation?in?an?aperiodically?poled?LiNbO3?superlattice?induced?by?cascaded?parametric?processes”，為得到LN晶體吸收較大的4-5μm的中紅外輸出，作者采用一塊非周期的LN晶體，同時補(bǔ)償OPO-DFG兩個過程的波矢失配，并從理論上預(yù)言了其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢與該方案的可行性[6]。

2008年，北京工業(yè)大學(xué)王麗等人申報(bào)了“全固態(tài)中紅外光參量差頻激光器”的專利，該專利利用全固態(tài)激光器輸出的抽運(yùn)光與由可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器輸出的信號光在滿足相位匹配條件下共線入射到光參量放大器，由光參量放大器輸出的信號光和閑頻光在滿足相位匹配條件下，再經(jīng)過會聚透鏡后，入射到光參量差頻激光器，實(shí)現(xiàn)了中紅激光波段的連續(xù)可調(diào)諧激光輸出[7]。