技术领域
[0001] 本
发明涉及激光技术、非线性光物理技术领域和
原子物理技术领域，尤其是一种倍频光路模块及包括该模块的倍频激光系统。
背景技术
[0002] 倍频激光系统中，经常采用各种光路元器件和
电子元器件来实现对倍频和光路的调整。例如，在保证功能的前提下，尽量改进产品以使得产品小型化，往往是产品改进所追求的目标。
[0003] 减少零部件是产品小型化所经常采用的技术方案，因为减少零部件一方面不但可以使得结构更为简单和紧凑，而且还能进一步减少成本。因此，怎样在减少零部件的
基础上实现较好的技术功能成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
[0004] 为了克服上述
现有技术，为此，本发明提供一种倍频光路模块及包括该模块的倍频激光系统。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0006] 一种倍频光路模块，包括第二光纤、
准直器透镜FC、设定厚度的薄金属
垫片、第一腔镜CM1、第二腔镜CM2、第三腔镜CM3、第四腔镜CM4、设定
温度环境下的周期性极化晶体，所述第一腔镜CM1、第二腔镜CM2、第三腔镜CM3、第四腔镜CM4形成光路在腔镜内侧面传递的碟型腔，所述周期性极化晶体设置在第三腔镜CM3和第四腔镜CM4之间的光路上；所述薄金属垫片一侧面贴在第二光纤的输出端的端面上，相对的另一侧面与
准直器透镜FC之间的间距为聚焦距离f，所述第一腔镜CM1和第二腔镜CM2连线的中心与准直器透镜FC间距为L12，所述第二光纤传输的光路依次经过薄金属垫片和准直器透镜FC后从第一腔镜CM1背向碟型腔的面穿过第一腔镜CM1，然后依次经过第二腔镜CM2面向碟型腔中部的内侧面后反射到第三腔镜CM3面向碟型腔中部的内侧面、然后反射到第四腔镜CM4面向碟型腔中部的内侧面，倍频光束穿过第四腔镜CM4从背向碟型腔中部的外侧面处输出。
[0007] 优化的，所述准直器透镜FC与第一腔镜CM1之间的光路上沿着光路发射方向还依次设置有用于调整光路的第一反射镜M1和第二反射镜M2。
[0008] 优化的，第四腔镜CM4背向碟型腔中部的外侧面处输出光路上设置有双色镜DM。
[0009] 优化的，所述第二光纤为保偏光纤PMF。
[0010] 优化的，所述周期性极化晶体为PPLN。
[0011] 优化的，所述周期性极化晶体设置在温控炉内，所述温控炉的温度范围为15-120℃。
[0012] 优化的，所述第一腔镜CM1和第二腔镜CM2为平平腔，所述第三腔镜CM3和第四腔镜CM4为面向碟型腔中部的内侧面是凹面的平凹腔；所述第一腔镜CM1背向碟型腔中部的外侧面
镀有设定
波长的增透膜，内侧面镀有对该波长的透射率为T的反射膜；第二腔镜CM2面向碟型腔中部的内侧面镀有该波长的全反膜；所述第三腔镜CM3和第四腔镜CM4凹面为设定
曲率，第三腔镜CM3在曲面面向碟型腔中部的内侧面镀有该波长的全反膜，第四腔镜CM4面向碟型腔中部的内侧面镀有该波长全反、半波长高透的膜，背向碟型腔中部的外侧面镀有半波长的增透膜；周期性极化晶体外表面均镀有该波长和半波长的双增透膜，碟型腔的最佳耦合系数为 其中Pc是碟型腔内循环功率，L是除了输入碟型腔外的腔内的线性损耗；Γ为非线性转化系数，其中Γ＝ENL+Eabs；ENL是单次通过情况下的倍频系数，Eabs为非线性转换吸收系数。
[0013]
[0014] 中的诸元素；
[0015] 第二光纤输出端端面处的q参数为q0＝iZ0＝iπw02/λ；第一腔镜CM1和第二腔镜CM2的q参数为q1＝iZ1＝iπw12/λ；w0为第二光纤端面的芯径，w1为碟型腔内的第一腔镜CM1和第二腔镜CM2间的束腰半径大小，i为虚数单位，λ为倍频的设定波长，Z0和Z1为瑞丽距离；
[0016] 第一腔镜CM1和第二腔镜CM2连线的中心到准直器透镜FC为设定距离L12，L12符合公式
[0017] 在 腔 内 循 环 一 周 总 的 矩 阵 可 表 达 为式中r为第三腔镜CM3和第四腔镜CM4的
曲率半径，Lc为晶体的长度，l1为第三腔镜CM3和第四腔镜CM4的距离，其余腔镜间距离为l，距离l等于腔内循环一周总的长度减去第三腔镜CM3和第四腔镜CM4间的距离，n为周期性极化晶体的折射率，A2、B2、C2、D2为传播矩阵中的诸元素；在满足条件|A2+D2|<2，第三腔镜CM3和第四腔镜CM4之间的束腰半径大小为
[0018] 一种包括上述的倍频光路模块的倍频激光系统，还包括
激光器、第一光纤、光纤电光
调制器EOM、掺饵光纤
放大器EDFA、伺服
电路、快速接头PD、压电陶瓷PZT，所述激光器通过第一光纤与光纤电光调制器EOM的输入端连接，所述光纤电光调制器EOM包括与伺服电路连接的第一输出端和与掺饵光纤放大器EDFA输入端连接的第二输出端，所述掺饵光纤放大器EDFA的输出端与第二光纤的输入端连接，所述第一腔镜CM1背向碟型腔中部的外侧面通过快速接头PD与伺服电路的一输入端连接，所述伺服电路的输出端与压电陶瓷PZT连接，所述压电陶瓷设置在第二腔镜CM2的外侧面上。
[0019] 优化的，所述伺服电路包括本机
振荡器LO、
混频器M、依次设置的低通
滤波器LP、比例积分微分
控制器PID、高压放大器HV，光纤电光调制器EOM的第一输出端与本机振荡器LO连接，所述本机振荡器LO和快速接头PD分别与混频器M的输入端连接，所述
低通滤波器LP设置在混频器M的输出端。
[0020] 本发明的优点在于：
[0021] (1)在该发明中，设定厚度的薄金属垫片的设置可以替换另外的透镜组与碟型腔进行模式匹配，这样使用的器件少，易于集成。
[0022] (2)为了光路的对准，直接调整准直器透镜FC的
角度时，转动很小的角度就可能偏差较大，第一反射镜M1和第二反射镜M2的设置可以降低准直器透镜FC与碟型腔内的第一腔镜CM1的光路调节的难度。
[0023] (3)在碟型腔的光路输出端处设置双色镜DM，这样使得倍频激光与泄露的基频光分离。
[0024] (4)目前大功率的窄线宽激光器主要有两种方式产生，一种是利用外腔
半导体激光管加上锥形
光放大器，这种结构可以产生大功率窄线宽的激光，然而半导体激光器
辐射出来的光斑模式
质量很差，如果用单模光纤耦合，其耦合效率最高只能达到60％附近，因此在原子物理实验以及非线性光学实验需要先对模式进行整形才可以用。这就给实验带来很大的不便利。使用单模光纤时，需要在准直器透镜FC的后续光路中加入用于控制
相位的四分之一波片QWP和半波片HWP，而本发明使用保偏光纤PWF，即可省去四分之一波片QWP和半波片HWP，这样也减少了零部件的数。通过保偏光纤输出的模式使得输出的
泵浦激光质量远高于通过半导体TA放大器输出的泵浦光的质量，使得该模式匹配效率比半导体TA输出激光的模式匹配效率高很多。
[0025] (5)周期性极化PPLN晶体光束沿晶体的光轴传播，没有走离效应，倍频出来的光束，模场质量高。同时周期性极化晶体的单次通过倍频转换效率高，达到最佳倍频效率所需要的泵浦功率可以较低，极大的降低了对泵浦激光功率的要求。
[0026] (6)由于周期性极化PPLN晶体的倍频波长具有一定范围的可调谐特性，当泵浦波长发生变化时，通过温控炉改变周期性极化PPLN晶体的相位匹配温度就可在新的波长下实现最佳的倍频输出，泵浦波长的调谐范围一般在10nm左右，当需要更大范围的调节范围时，可以更换具有其他极化周期的晶体，还可以使用啁啾极化晶体实现大范围的波长可调谐特性。
[0027] (7)本发明通过各腔镜的
镀膜参数来满足阻抗匹配，通过调整部件间的距离或部件属性来满足模式匹配，从而实现整个光路模块的最佳耦合系数，实现稳定的倍频输出。
[0028] (8)本系统通过PDH
锁定技术来实现碟型腔的锁定，这种锁腔鲁棒性好，动态范围大，将碟型腔锁定在泵浦光的共振峰上。
附图说明
[0029] 图1为本发明中倍频激光系统的结构示意图；
[0030] 图2为本发明利用薄金属垫片和光纤准指头配合实现模式匹配的倍频光路模块的原理示意图；
[0031] 图3为本发明倍频激光系统中的伺服电路原理示意图；
[0032] 图4为本发明
实施例中倍频晶体温度曲线示意图；
[0033] 图5为本发明实施例中碟型腔的反射示意图；
[0034] 图6为本发明实施例中倍频光功率随着泵浦功率的变化的示意图。
[0035] 图中标注符号的含义如下：
[0036] 1-激光器2-第一光纤3-第二光纤4-薄金属垫片5-温控炉
[0037] 6-周期性极化晶体7-伺服电路
具体实施方式
[0038] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0039] 本方案以波长λ为780nm的倍频光路模块为例。
[0040] 如图1-2所示，一种倍频光路模块，包括第二光纤3、准直器透镜FC、设定厚度的薄金属垫片4、第一腔镜CM1、第二腔镜CM2、第三腔镜CM3、第四腔镜CM4、设定温度环境下的周期性极化晶体6，所述周期性极化晶体6设置在温控炉5内，所述温控炉5的温度范围为15-120℃，控温
精度2mK。所述第二光纤3为保偏光纤PMF。所述周期性极化晶体6为PPLN。所述第一腔镜CM1、第二腔镜CM2、第三腔镜CM3、第四腔镜CM4形成光路在腔镜内侧面传递的碟型腔，所述周期性极化晶体6设置在第三腔镜CM3和第四腔镜CM4之间的光路上。所述薄金属垫片4一侧面贴在第二光纤3的输出端的端面上，相对的另一侧面与准直器透镜FC之间的间距为聚焦距离f，所述第一腔镜CM1和第二腔镜CM2连线的中心到准直器透镜FC间距为L12，所述第二光纤3传输的光路依次经过薄金属垫片4和准直器透镜FC后从第一腔镜CM1背向碟型腔的面穿过第一腔镜CM1，然后依次经过第二腔镜CM2面向碟型腔中部的内侧面后反射到第三腔镜CM3面向碟型腔中部的内侧面、然后反射到第四腔镜CM4面向碟型腔中部的内侧面，倍频光束穿过第四腔镜CM4从背向碟型腔中部的外侧面处输出，第四腔镜CM4背向碟型腔中部的外侧面处输出光路上设置有双色镜DM。
[0041] 所述准直器透镜FC与第一腔镜CM1之间的光路上沿着光路发射方向还依次设置有用于调整光路的第一反射镜M1和第二反射镜M2。第一反射镜M1和第二反射镜M2均为1560nm的全反镜。
[0042] 所述第一腔镜CM1和第二腔镜CM2为平平腔，所述第三腔镜CM3和第四腔镜CM4为面向碟型腔中部的内侧面是凹面的平凹腔；所述第一腔镜CM1背向碟型腔中部的外侧面镀有1560nm的增透膜，内侧面镀有对1560nm的透射率为T的反射膜；第二腔镜CM2面向碟型腔中部的内侧面镀有1560nm的全反膜；所述第三腔镜CM3和第四腔镜CM4凹面为设定曲率，曲率半径为80mm,第三腔镜CM3在曲面面向碟型腔中部的内侧面镀有1560nm的全反膜，第四腔镜CM4面向碟型腔中部的内侧面镀有1560nm全反、780nm高透的膜，背向碟型腔中部的外侧面镀有780nm的增透膜；周期性极化晶体6外表面均镀有1560nm和780nm的双增透膜。周期性极化晶体6长度为20mm，第三腔镜CM3和第四腔镜CM4间的距离为108mm,其他腔镜间的距离l为
260mm。第三腔镜CM3和第四腔镜CM4之间的束腰w2大小为66μm，这样选择薄金属垫片4厚度使得聚焦距离f为450mm即可实现最佳的模式匹配。
[0043] 包括上述倍频光路模块的倍频激光系统还包括激光器1、第一光纤2、光纤电光调制器EOM、掺饵光纤放大器EDFA、伺服电路7、快速接头PD、压电陶瓷PZT，所述激光器1通过第一光纤2与光纤电光调制器EOM的输入端连接，所述光纤电光调制器EOM包括与伺服电路7连接的第一输出端和与掺饵光纤放大器EDFA输入端连接的第二输出端，所述掺饵光纤放大器EDFA的输出端与第二光纤3的输入端连接，所述第一腔镜CM1背向碟型腔中部的外侧面通过快速接头PD与伺服电路7的一输入端连接，所述伺服电路7的输出端与压电陶瓷PZT连接，所述压电陶瓷设置在第二腔镜CM2的外侧面上。其中第一光纤2也为保偏光纤。
[0044] 如图3所示，所述伺服电路7包括本机振荡器LO、混频器M、依次设置的低通滤波器LP、比例积分微分控制器PID、高压放大器HV，光纤电光调制器EOM的第一输出端与本机振荡器LO连接，所述本机振荡器LO和快速接头PD分别与混频器M的输入端连接，所述低通滤波器LP设置在混频器M的输出端。
[0045] 在此以780nm的倍频激光系统为例，其中激光器1产生1560nm的
种子激光，经过第一光纤2进入到光纤电光调制器EOM调制后，输入掺饵光纤放大器EDFA放大后输出作为倍频的泵浦激光。泵浦激光经过第二光纤3、准直器透镜聚焦后的激光经反射镜M1和M2耦合进碟型腔中；然后通过周期性极化晶体6进行倍频输出。
[0046] 快速
探头PD用于监测蝶型腔的反射谱
信号，并且与光纤电光调制器EOM的调制信号经过混频器M、低通滤波器LP后产生用于锁腔的误差信号，误差信号经比例积分微分控制器PID、高压放大器HV放大后用于控制压电陶瓷PZT，从而用于碟型腔的锁定。当碟型腔处于锁定状态，并且晶体温度处于相位匹配条件时，就会产生倍频激光输出，倍频激光通过双色镜DM与泄露的基频光进行分离。
[0047] 为了实现用紧凑高度集成的光路实现高效率和高模式质量的外腔倍频激光输出的目的，设计包括以下步骤。
[0048] (1)完成的设计确定蝶形腔的几何尺寸实现模式匹配。
[0049] 所述第二光纤3输出端的端面到第一腔镜CM1和第二腔镜CM2之间的光路中心点的光纤传播矩阵表示为 式中f为准直器透镜FC的聚焦距离,x为薄金属垫片4的厚度，在该实施例中X为0.2mm，A1、B1、C1、D1为传播矩阵中的诸元素；
[0050] 第二光纤3输出端端面处的q参数为q0＝iZ0＝iπw02/λ；第一腔镜CM1和第二腔镜CM2的q参数为q1＝iZ1＝iπw12/λ；w0为第二光纤3端面的芯径,w1为碟型腔内的第一腔镜CM1和第二腔镜CM2间的束腰半径大小，i为虚数单位，λ为倍频的设定波长，Z0和Z1为瑞丽距离；
[0051] 准直器透镜FC到第一腔镜CM1和第二腔镜CM2连线的中心为设定距离L12符合公式在该实施例中，L12取值为475mm。
[0052] 从周期性极化晶体6中心出发，在腔内循环一周总的ABCD矩阵可表达为式中r为第三腔镜CM3和第四腔镜CM4的曲率半径，Lc为晶体的长度，l1为第三腔镜CM3和第四腔镜CM4的距离，l为其余腔镜间距离，距离l等于腔内循环一周总的长度减去第三腔镜CM3和第四腔镜CM4间的距离，n为周期性极化晶体6的折射率，A2、B2、C2、D2为传播矩阵中的诸元素；
[0053] 在满足条件|A2+D2|<2，第三腔镜CM3和第四腔镜CM4之间的束腰半径大小为本发明选择|A+D|≈0的情形，这时碟型腔的
稳定性最好。
[0054] (2)确定各腔镜的镀膜参数，实现倍频光路模块的阻抗匹配。
[0055] (3)获得最佳的耦合系数
[0056] 碟型腔的最佳耦合系数为 其中Pc是碟型腔内循环功率，L是除了输入耦合腔镜外的腔内的线性损耗；Γ为非线性转化系数，其中Γ＝ENL+Eabs；
ENL是单次通过情况下的倍频系数，Eabs为非线性转换吸收系数。对应的倍频功率为产生的倍频光被晶体吸收的部分为
[0057] 在本发明实例中，为了得到高效率的倍频输出，首先的确定非线性PPLN晶体的相位匹配温度，通过测量单次通过倍频功率随温度的变化曲线，可以确定晶体的相位匹配温度，对于本实例中的晶体的温度曲线如图4所示，最佳匹配温度是99摄氏度，温度带宽为5度。为了表征蝶形腔的参数，我们首先需要看碟型腔的模式匹配效率。模式匹配效率可以从碟型腔的反射谱可以计算出来，用反射谱的凹陷比例与理想情况的凹陷比例的比值就是模式匹配效率，反射谱如图5所示。通过利用薄金属垫片4的厚度来实现模式匹配的效率可以达到90％左右，效果非常理想。这样可以减少透镜组的使用，使光路结构极大简化。
[0058] 要想得到稳定的倍频输出，需要将碟型腔稳定的锁在碟型腔的共振
位置，本发明实例利用成熟的PDH锁腔技术，利用射频源加载到光纤电光调制器EOM上，给光场一个边带调制，边带调制后的光场经碟型腔反射被快速探头探测到后与调制的
射频信号混频低通后产生锁腔用的误差信号，误差信号经过伺服电路7处理放大后控制压电陶瓷用于锁腔。碟型腔锁定后可以形成稳定的倍频输出。
[0059] 倍频光路模块设计的最后一步是表征，倍频效率与输入功率以及碟型腔的输入腔镜耦合系数的关系。由最佳耦合系数公式可以看出，对于给定的泵浦功率存在一个最佳的耦合系数，耦合系数依赖于腔内的线性损耗以及倍频引起的非线性损耗。泵浦功率越高，耦合系数T越大。在使用周期性极化晶体6情况下，即使泵浦功率较低，也可以实现最优化的转换效率。图6是本发明实例中，在耦合系数T＝4.5％下的泵浦功率以及转换效率随泵浦功率的关系。倍频内部转换效率最高可达大于75％，最高功率可达430mW。
[0060] 以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
