高功率电磁和频发生器系统 |
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| 申请号 | CN201080058326.X | 申请日 | 2010-10-14 | 公开(公告)号 | CN102667605A | 公开(公告)日 | 2012-09-12 |
| 申请人 | 艾德瓦莱特私人有限公司; | 发明人 | 莫滕·托尔豪基; 杰斯伯·里特普·莫滕森; 杰斯伯·鲁贝奇·拉斯姆森; | ||||
| 摘要 | 一种高功率和频场发生器系统包括：至少第一电磁源，如 激光器 ，用于产生沿着传播路径发射的第一基本场和第二基本场；以及沿着所述传播路径 串联 排列的第一非线性部件和第二非线性部件，其中：第一非线性部件适合于从第一基本场和第二基本场产生第一和频场，第一和频场具有第一偏振；第二非线性部件适合于从入射的第一和第二基本场产生第二和频场，第二和频场具有第二偏振；第一和频场和第二和频场二者沿着所述传播路径传播，并且其中所述系统具有包括第一和频场和第二和频场的输出，并且其中第一偏振方向与第二偏振方向形成 角 度，使得这两个偏振不平行。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高功率和频场发生器系统，包括： |
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| 说明书全文 | 高功率电磁和频发生器系统技术领域背景技术[0002] 通过以非线性成分产生两个基本场的和频来产生光场是本领域中公知的。所产生的场的频率为两个基本场的频率之和。如果这两个基本场具有相同的频率，则该过程被称为二次谐波产生。和频产生过程中的限制效应是指当和频场达到一定功率水平时，转换一般将反转，使得功率从和频场转移到基本场。该过程被称为反转。 [0003] 2009年6月14日在美国新泽西洲皮斯卡塔韦举行的IEEE的欧洲激光和电光学会议及欧洲量子电子学会议（CLEO Europe–EQEC 2009，ISBN:978-1-4244-4079-5）中，Nishikawa等公开了一种使用周期性极化LiNbO3脊波导产生589nm和频光的系统。在所公开的系统中，来自输出波长分别为1064nm和1319nm的两个Nd:YAG激光器的光相结合并且耦合到周期性极化的铌酸锂模块中，用于产生以589nm波长输出的激光。 发明内容[0005] 根据本发明，通过一种高功率和频场发生器系统实现该目的，该和频场发生器系统包括： [0006] 至少第一电磁源，如激光器，用于产生沿着传播路径发射的第一基本场和第二基本场，以及 [0007] 沿着所述传播路径串联排列的第一非线性部件和第二非线性部件，其中： [0008] 第一非线性部件适合于从第一基本场和第二基本场产生第一和频场，第一和频场具有第一偏振， [0009] 第二非线性部件适合于从入射的第一和第二基本场产生第二和频场，第二和频场具有第二偏振， [0010] 第一和频场和第二和频场二者沿着所述传播路径传播，并且其中 [0011] 所述系统具有包括第一和频场和第二和频场的输出，并且其中第一偏振方向与第二偏振方向形成角度，使得这两个偏振不平行。这样，电磁和频场被产生为具有不同偏振方向的两个电磁场的叠加。从相关的非线性处理看到，第一和频场和第二和频场具有相同的额定频率。这有助于当第一和频场的功率水平增加时最小化从第一和频场到基本场的反转，否则的话将会限制性能。作为选择，理想地，在基本场的剩余部分与第一和频场一起入射到第二非线性部件中之前，在第一非线性部件中转换了最大功率。在非理想情况下，在剩余部分入射到第二非线性部件中之前，在第一非线性部件中转换了低于可获得的最大功率。例如在为了以可变输出功率操作而设计的系统中，将经常遇到这种非理想情况。在第二非线性部件中，额外的功率从入射的基本场转换为第二和频场，而第一和频场仅穿过该部件传播。在第二非线性部件中，第一和频场的功率将不反转，因为在该部件中它与基本场不相位匹配，而只在第一非线性部件中与基本场相位匹配。同样地，如果这两个非线性部件的顺序颠倒，那么在第一非线性部件中第二和频场不反转，因为它仅在第二非线性部件中与基本场相位匹配。 [0013] 一般来说，第一和频场的偏振方向关于第一基本场可以具有0-180度范围内的角度，并且关于第二和频场可以具有0-180范围内的角度。第一和频场的偏振方向和第二和频场的偏振方向之间的角度通常也可以在0-180度之间。这两个基本场可以以任何相互角度极化，即，在0-180度范围内。由于所有偏振方向都可以被视作两个正交分量的线性组合，所以只有当相互角度为90度时，才可以实现第一和频场与第二和频场完全去耦合。然而，可以在更宽的范围内获得该和频发生器系统的改进性能，如第一和第二和频场的偏振方向之间的相互角度在45-135度、或者60-120、或者80-100度的范围内。 [0014] 根据本发明的一实施例，第一非线性部件是III型相位匹配的非线性晶体，并且第二非线性部件是I型相位匹配的非线性晶体。因此，如果入射近基本场彼此平行地线性偏振，则沿着与基本场的偏振方向平行的方向线性偏振地产生第一和频场。相反，垂直于两个入射场线性偏振地产生第二和频场。在下文中，除非在第一和第二非线性部件之间改变入射基本场的偏振方向，否则两个和频场将以相互垂直的偏振方向产生。一般来说，这两个非线性部件沿着传播路径的顺序可以颠倒。然而，对于高功率系统，惊奇地发现，通过所述顺序可以实现较大的击穿功率阈值。这是由于以下事实：I型晶体通常具有比III型晶体高的击穿功率阈值，并且该击穿阈值在较短波长的和频场通常比在较长波长的基本场低得多。因此，优选地设置III型晶体以产生第一和频场，并且I型晶体产生第二和频场并且同时允许第一和频场一同穿过传播。 [0015] 根据本发明的另一实施例，第一非线性部件是从由周期性极化的PP铌酸锂PPLN、PP磷酸钛氧钾PPKTP、PP钽酸锂PPLTa或者适合于提供III型相位匹配的任何其它非线性晶体构成的组中选择的非线性晶体。这些晶体选择对于以高场功率和/或以高转换效率产生和频场特别有利。 [0016] 根据本发明的另一实施例，第二非线性部件是从由三硼酸锂LBO、偏硼酸钡BBO、三硼酸铋BiBO、硼酸铯锂CLBO、铌酸锂LN或者适合于提供I型相位匹配的任何其它非线性晶体构成的组中选择的非线性晶体。这些晶体选择对于以高场功率产生和频场特别有利。例如，对于在1319nm和1064nm波长的基本场之间产生和频来说，LBO是特别有利的，因为该晶体允许非临界（uncritical）的相位匹配，即，在基本场和所产生的场之间不出现走离（walk-off）。走离减小非临界相位匹配的（块状）晶体的效率。 [0017] 在用于从入射基本场产生和频场的可选实施例中，其中输入基本场彼此垂直偏振，第一和/或第二非线性部件是包括三硼酸锂LBO、偏硼酸钡BBO、三硼酸铋BiBO、硼酸铯锂CLBO或磷酸钛养钾KTP的非线性晶体。 [0018] 根据本发明的另一实施例，第一非线性晶体和/或第二非线性晶体沿着传播路径对于块状晶体具有1-50mm或者3-30mm的长度，或者对于周期性极化PP晶体具有均等的1-20mm的长度。部件长度一般应当被选择为针对入射基本场的典型功率水平，实现所产生的和频场的最大功率。然而，如果将该晶体选择得太长，则在该晶体中产生的和频场将开始反转到基本场。实际上，如果晶体更长，所产生的和频场中的功率将全部转换回到基本场。 [0019] 根据本发明的另一实施例，第一和第二非线性部件被整体形成为周期性极化的PP晶体，该PP晶体至少具有第一部分和第二部分，其中第一部分适合于产生第一和频场，并且第二部分适合于产生第二和频场。这样，可以实现特别紧凑且稳定的和频发生器，因为作为一个单元提供这两个非线性部件。因此，在组装期间不需要在两个部件之间对准，并且在存储或操作时不可能出现未对准。 [0020] 在根据前一实施例的特定实施例中，PP晶体包括多个交替的第一部分和第二部分，即，使得传播的电磁场首先穿过第一部分传播，然后穿过第二部分，然后穿过另一个第一部分，然后穿过另一个第二部分等等。 [0021] 根据本发明的另一实施例，第一部分具有第一极化周期并且第二部分具有第二极化周期，其中第一极化周期提供用于产生其偏振垂直于入射基本场的偏振的第一和频场的相位匹配，并且其中第二极化周期提供用于产生其偏振平行于入射基本场的偏振的第二和频场的相位匹配。这样，第一和频场垂直并且因此独立于第二和频场。因此，在第一和第二和频场中的辐射之间不出现反转，从而增加该装置中可以产生的最大功率。 [0022] 根据本发明的另一实施例，所述周期性极化的PP晶体包括符号为LiTaO3的碳酸锂LTa，或者可以支持用于产生第一和第二和频场的相位匹配的具有二阶磁化率张量的另一材料。由于PPLTa晶体材料的高损坏阈值，其对于高功率应用是有利的。对于产生功率大于0.5W-1.0W的可见光的情况尤其如此，在此情况下其它普通选择，如PPKTP或者PPLN不够鲁棒。然而，对于远离损坏阈值极限的较低功率水平来说，PPKTP或PPLN可能是有利的，因为其非线性系数deff比PPLTa的高。 [0023] 根据本发明的另一实施例，第一和第二非线性部件被整体形成为周期性极化的AP晶体，其中该AP晶体适合于通过在第一和第二入射基本场与第一和频场之间以及在第一和第二入射基本场与第二和频场之间同时提供相位匹配来产生第一和第二和频场。这样，可以实现特别紧凑的装置，因为可以沿着该AP晶体的整个长度产生这两个和频场。 [0024] 根据本发明的另一实施例，该系统还至少包括沿着所述传播路径并且在第一非线性部件和第二非线性部件之间的第一光学部件。在一特别实施例中，该光学部件是透镜、二色分光镜或偏振分光镜、旋转器、反射镜或者任何其它无源或有源部件中的任何一个。该系统可以包括从同一类中选择的其它光学部件。在第一和第二非线性部件之间的透镜形式的光学部件可以例如用于在电磁场入射到第二非线性部件中之前重新聚焦该电磁场。 [0025] 在另一特别实施例中，两个非线性部件中的一个或二者可以包括在一个或多个腔体中。例如，一个非线性部件在单个腔体中并且另一个非线性部件在该腔体外部，两个非线性部件都在单个腔体中，或者一个非线性部件在一个腔体中并且另一个非线性部件在另一个腔体中。根据该实施例，所述光学部件为对于和频场具有高传输并且对于基本场具有部分传输或高传输的反射镜。 [0026] 此外，根据本发明，还通过一种用于从两个入射基本场产生和频电磁场的方法实现所述目的，其中所述方法包括以下步骤： [0027] a）提供第一基本场和第二基本场， [0028] b）第一和第二基本场穿过第一非线性部件传播，从而从第一和第二基本场产生第一和频场，第一和频场具有第一偏振，以及 [0029] c）第一和第二基本场以及第一和频场穿过第二非线性部件传播，从而从第一和第二基本场产生第二和频场，第二和频场具有第二偏振，第一和第二偏振不平行。这样，由于减轻了因反转而对可获得的最大功率的限制，所以实现了和频场的有效产生。特别地，第一和频场仅在第一非线性部件中与入射基本场相位匹配，而在第二非线性部件不与入射基本场相位匹配。因此，仅在第一非线性部件中可以发生第一和频场中的功率反转回到入射基本场，而不会在第二非线性部件中发生。同样地，仅在第二非线性部件中可以发生第二和频场中的功率反转回到入射基本场，而不会在第一非线性部件中发生。 [0030] 根据本发明的方法的一实施例，第一和频场的偏振基本垂直于第二和频场的偏振。这样，第一和第二和频场之间的重叠被最小化，从而防止反转。 [0031] 根据本发明的方法的另一个实施例，第一非线性部件是III型晶体，并且第二非线性部件是I型晶体。这样，第一非线性部件适合于产生其偏振平行于入射基本场的偏振的和频场，并且第二非线性部件适合于产生其偏振垂直于入射基本场的偏振的和频场。一般来说，这两个非线性部件沿着传播路径的顺序可以颠倒。然而，对于高功率系统，惊奇地发现，通过所述顺序可以实现较大的击穿功率阈值。这是由于以下事实：I型晶体通常具有比III型晶体高的击穿功率阈值，并且该击穿阈值在较短波长的和频场通常比在较长波长的基本场低得多。因此，优选地设置III型晶体以产生第一和频场，并且I型晶体产生第二和频场并且同时允许第一和频场一同穿过传播。 [0032] 根据本发明的方法的一实施例，用于产生二次谐波，第一基本场和第二基本场是简并的。二次谐波产生是和频场产生的特殊情况，其中第一和第二基本场是简并的，即，波长、传播方向、相位和偏振相同。所产生的场的频率是基本场的频率的两倍。 [0034] 下面参照附图详细描述本发明，其中： [0035] 图1是本发明一实施例的示意图， [0036] 图2a和图2b是本发明的两个实施例中偏振方向的示意图， [0037] 图3是第一和第二非线性部件的实施例， [0038] 图4是第一和第二非线性部件的另一个实施例， [0039] 图5是第一和第二非线性部件的第三实施例， [0040] 图6是与一个实例相对应的计算数据， [0041] 图7是与另一个实例相对应的计算数据，以及 [0042] 图8是本发明的系统的另一个实施例。 具体实施方式[0043] 图1示出根据本发明的高功率电磁和频发生器系统100的示意图。电磁源101，典型地为激光器，产生沿着传播路径发射的两个基本场，即第一基本场102和第二基本场103。基本场102、103入射到第一非线性部件104中，从而产生第一和频场105。第一和频场105以一个主要偏振方向产生，例如垂直或平行于基本场102、103的偏振方向。随后，第一基本场102和第二基本场103与第一和频场105一起入射到第二非线性部件106中。在此，由基本场102、103产生第二和频场107，而第一和频场105仅穿过第二非线性部件106传播。第二和频场107还以不同于第一和频场105的偏振方向的一个主要偏振方向产生。 以这种方式防止第一和频场105参与第二非线性部件106中的非线性过程，从而使反转最小化。 [0044] 图2更详细地示出本发明的一个实施例的基本场和所产生的场的偏振方向。在图2a中，第一基本场202a和第二基本场203a以彼此平行的偏振方向线性偏振。在第一非线性部件204a内，以垂直于基本场202a、203a的偏振方向产生第一和频场205a。然后这两个基本场202a、203a中的剩余功率被发射到第二非线性部件206a中，在其中以平行于基本场 202a、203a的偏振方向产生第二和频场207a。因此，第一和频场205a和第二和频场207a彼此垂直偏振，防止两个场205a、207a之间相位匹配。在该图中，基本场202a、203a的剩余部分被示出为与第一和频场205a和第二和频场207a一起从第二非线性部件206a发射。注意，第一和第二和频场具有相同的频率，并且因此可以被看作为单个去偏振场。通过使用I型非线性晶体作为第一非线性部件204a并且使用III型非线性晶体作为第二非线性部件 206a可以实现图2a中所示的系统200a。第一和第二非线性部件204a、206a的顺序可以互换而不会偏离本发明。 [0045] 在图2b中，第一基本场202b和第二基本场203b也线性偏振，但是它们的偏振方向相互垂直。在第一非线性部件204b中，以平行于第一基本场202b的偏振方向产生第一和频场205b。在第二非线性部件206b中，以平行于第二基本场203b的偏振方向产生第二和频场207b。 [0046] 在与图2b中所示的相对应的例子中，波长为1064nm的第一基本场202b和波长为1319nm的第二基本场和频转换为波长为589nm的和频场205b、207b。这两个基本场相互垂直地线性偏振。两个非线性LBO晶体被用作第一非线性部件204b和第二非线性部件206b，并且每个具有寻常轴和非常轴。这两个晶体被对准为使得它们的寻常轴和非常轴分别对准。假定工作温度为350K计算以下参数。以角度θ=33.4°, 切割第一晶体204b。 这样，第一晶体204b适合于在沿着非常轴偏振的1319nm的光和沿着寻常轴偏振的1064nm的光之间提供相位匹配，并且产生沿着寻常轴偏振的和场。以角度θ=19.1°, 切割第二晶体206b，并且因此也适合于在沿着非常轴偏振的1319nm的光和沿着寻常轴偏振的 1064nm的光之间提供相位匹配。然而，第二晶体206b适合于产生沿着非常轴偏振的和场。 因此，在第一晶体204b中产生的和场205b与在第二晶体206b中产生的和场207b的偏振方向垂直。这两个晶体的顺序可以颠倒。 [0047] 在图2b中所示的系统的特定情况下，第一基本场202b和第二基本场203b是用于产生谐波的单个场的两个偏振成分。在此情况下，单个基本场关于第一非线性部件204b的轴以大约45度的偏振角入射到该非线性部件中。这样，这两个偏振分成将承载大约相等的功率。 [0048] 图2c示出第一和频场205c和第二和频场207c之间的最佳角度，而图2d示出可允许的角度。如图2c中所示，为了实现这两个和频场205c、205d；207c、207d的完全去耦合，这些场必须是垂直的。然而，第二和频场207c、207d可以总被描述为与第一和频场205c、205d垂直的偏振成分和平行的偏振成分的组合，反过来对于第一和频场也是如此。因此，对于垂直偏振成分有限的所有情况，即，对于两个和频场之间在30-150度范围内或者甚至在45-135度范围内的所有角度，都观察到本发明的系统的优点。注意，可以在0-180度范围中映射所有方向，因为方向的反向对应于相位变化。 [0049] 图3示出第一非线性部件304和第二非线性部件306的实施例，其中它们由单个周期极化的PP非线性晶体330整体形成。PP晶体330至少包括第一部分331和第二部分332。第一部分331适合于产生第一和频场，第二部分332适合于产生第二和频场。 [0050] 图4示出与图3中所示实施例相对应的PP晶体430的实施例，其中相同的参考标号表示相同的部分。因此，在此只描述两图之间的差别。在本实施例中，第一部分431适合于通过以第一周期Λ1周期极化晶体430来产生第一和频场，并且第二部分432适合于通过以第二周期Λ2极化来产生第二和频场。这两个极化周期必须被选择为例如使得第一周期确保垂直于基本场产生的和频场相位匹配，并且使得第二周期确保平行于基本场产生的和频场相位匹配。 [0051] 图5示出与图4中所示的实施例相对应的PP晶体530的实施例，其中相同的参考标号表示相同的部分。因此，在此只描述两图之间的差别。在本实施例中，晶体530包括顺序排列的多个第一部分531和多个第二部分532。 [0052] 图6示出根据使用单个晶体产生和频的实例，作为传播距离的函数计算出的功率水平。该实例考虑PPLN晶体，即III型晶体。两个脉冲激光器被用作产生基本场的电磁源。一个激光器发射1064nm波长的光，平均功率为6W，另一个激光器发射1319nm波长的光，平均功率为5W。已经使用例如在Springer出版社2006年出版的W.Koechner所著的"Solid-State Laser Engineering"中给出的三个耦合方程进行这三个光学场中的功率水平的计算。在两个基本场之间呈现小的相位失配。最初观察到589nm波长的和频场随着传播距离而增加，直到该场在晶体内传播了1.1mm后，获得大约3.7W的最大值。如果允许场进一步传播，则功率从和频场反转到基本场。在传播2.2mm的距离之后，观察到和频场完全耗尽，即，全部功率再次回到两个基本场中。 [0053] 图7示出与图6中所示的实例有关的计算。然而，在此PPLN晶体被缩短到1.1mm，以从该晶体获得最大转换。接下来，两个基本场和所产生的和频场入射到可以使I型过程相位匹配的LBO晶体中。现在长度刻度示出PPLN和LBO晶体的组合长度；注意，与图6相比，刻度改变。可以看到，在整个计算区域中，功率不断转换到和频场中，即，没有看到反转。这样，看到产生超过7W的功率。然而，应该指出，和频场现在包含平行和垂直于基本场的极化方向极化的成分。对于高的场功率是重要的普通应用来说，混合偏振成分是无关紧要的。 [0054] 图8示出与图1中所示的系统相对应的另一个系统实施例，其中相同的参考标号表示相同的部分。因此，在此只描述这两个实施例之间的差别。在此，在两个非线性部件之间包括光学部件。该光学部件例如是二色分光镜或偏振分光镜、旋转器、反射镜或者其它有源或无源部件。此外，两个非线性部件之一或二者可以包括在一个或多个腔体中。例如，一个非线性部件在单个腔体中并且另一个非线性部件在该腔体外部，两个非线性部件在单个腔体中，或者一个非线性部件在一个腔体中并且另一个非线性部件在另一个腔体中。在此情况下，该光学部件可以是对于和频场具有高传输性并且对于基本场具有部分传输性或高传输性的反射镜。对本领域的技术人员来说，显然在非线性部件之间和非线性部件的任一侧上，该系统还可以包括另外的光学部件。 [0055] 根据优选实施例描述了上述例子。然而，本发明不局限于这些实施例。例如，这些实施例是以用于产生两个基本场的单个电磁源示出的。然而，可以将两个分开的电磁源用于此目的。此外，术语第一和第二非线性部件不意味着表示这两个部件关于传播方向的具体顺序。 [0056] 参考标号列表 [0057] Λ1,Λ2极化周期 [0058] 100,200a,200b,800 和频场发生器系统 [0059] 101,201a,201b,801 电磁源 [0060] 102,202a,202b,802 第一基本场 [0061] 103,203a,203b,803 第二基本场 [0062] 104,204a,204b,304,804 第一非线性部件 [0063] 105,205a,205b,205c,205d,805 第一和频场 [0064] 106,206a,206b,306,806 第二非线性部件 [0065] 107,207a,207b,207c,207d,807 第二和频场 [0066] 330,430,530 周期性极化非线性晶体 [0067] 331,431,531 第一部分 [0068] 332,432,532 第二部分 [0069] 880 光学部件 |
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