一种基于空间相位补偿提高倍频光束质量的方法技术

本发明专利技术是一种利用空间离散效应补偿空间相位畸变、提高倍频光束质量的方法。其中倍频晶体采用非周期性极化铌酸锂晶体，以准相位匹配方式实施，其晶体极化的结构参数－匹配周期根据基频光空间相位畸变参数、基频与倍频光束之间的离散角确定。本发明专利技术改善了某一方向上的光束质量，同时保持另一方向上的光束质量，从而实现真正意义上的光束质量改善。而且，波长转换和光束质量的改善在同一器件中完成，且为行波器件，调整比较容易。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种利用空间离散效应补偿空间相位畸变、提高倍频(SHG)光束质量的方法。主要适用于在两正交平面上光束质量有极大差异的非衍射极限(non-diffraction-limited)激光光源，如条状半导体激光器。光束质量以M2因子表征，它与光束的空间相位畸变相关联。对于衍射极限光束，M2＝1，光束质量越差，M2越大。囿于其结构特点，条状半导体激光器的输出光束在垂直于条状方向平面上接近衍射极限(Mx2≈1)，而在条状方向上光束质量因子为衍射极限的几十至几千倍(My2＝x10～103)。两正交方向上光束质量因子的严重失配，直接导致难以将光束聚焦成很小的圆形光斑，限制了这些激光光源潜能的充分实现。目前尚未见通过倍频提高光束质量的报道。在常规的倍频方案中，倍频光的光束质量有变坏的倾向(J.Opt.Soc.Am.B12，49(1995))。事实上，半导体激光器的频率(波长)转换和光束质量改善目前主要是以泵浦固体激光器、再结合其它技术如腔内倍频来实现的，但首先须对半导体激光光束本身进行整形，以满足端面泵浦的要求。光束整形的主要方法有(1)光纤束耦合(optical fiberbundles coupling)技术(Th.Grafand J.E.Balmer，Opt.Lett.18，1317(1993))；(2)两镜式光束整形(two-mirror beam-shaping)技术(W.A.Clarkson et.al.，Opt.Lett.21，375(1996)；W.A.Clarkson et.al.，UK patent application 9324589.2(1993))。上述两种光束整形技术的主要思路都是试图平衡两个正交方向的光束质量因子，即尽量使Mx2≈My2，以获得圆形的聚焦光斑，但总的光束质量因子乘积Mx2My2并没有减小，甚至可能有所增加，实际上是以牺牲一个方向上的光束质量(Mx2增加)来改善另一方向上的光束质量(My2减小)，总的光束质量并没有改善，同时其亮度却有一定程度的下降。方法(1)在技术上较容易，但不能较精确地控制两个方向上光束质量因子的平衡；方法(2)原则上可以较准确地平衡两个方向上的光束质量因子，因为它有多个可变参数，也正是由于这个原因，使调整难度极大，同时系统损耗较大。这两种光束整形技术都是通过线性光学系统实现的。本专利技术的目的在于提出一种调整比较容易、且能实质上提高倍频光束质量的方法。本专利技术提出的提高半导体激光倍频光束质量的方法是在倍频过程中，以空间离散(spatial walk-off)效应来补偿空间相位畸变(spatial-phase distortions)，使产生的倍频光的光束质量接近(原理上可达到)衍射极限。空间离散是发生在某一平面内的效应，对与该平面垂直方向上的空间相位没有影响，而这恰好与条状半导体激光器输出光束情形相匹配条状方向上的M2很大，或者说空间相位畸变严重，需要进行补偿；在与条状垂直方向上的M2≈1，已经接近衍射极限，不再需要补偿。因此，本专利技术是以空间离散效应补偿空间相位畸变来改善某一方向的光束质量，同时保持另一方向的光束质量，是真正意义上的光束质量改善。本专利技术中半导体激光倍频需要的倍频晶体采用非周期性极化铌酸锂晶体(Aperiodically Poled Lithium Niobate，APPLN)，以准相位匹配(Quasi-PhaseMatching，QPM)方式实施。其中，晶体极化的结构参数---匹配周期Λ(z)根据基频光空间相位畸变参数和基频与倍频光束之间的离散角确定。具体步骤如下基频光束空间相位具有对称形式，将其按Taylor级数展开φ(y)＝α2y2+α4y4+α6y6+……α2，α4，α6，……为展开系数。确定非周期性极化铌酸锂晶体各畴的二阶非线性系数符号sign(x(2))＝exp〔-i(Δk0z+d2z2+d4z4+d6z6+……))rect(z/L)其中Δk0＝4π·(n2-n1)/λ，λ为基频光波长，n1、n2分别为基频光和倍频光的折射率，L为晶体长度；函数rect(x)＝{1，如果|x|≤1/2；0，如果|x|＞1/2}。系数d2，d4，d6，……由下式计算d2＝2α2ρ2，d4＝2α4ρ4，d6＝2α6ρ6，……ρ为晶体内基频光与倍频光之间的离散角。因此局域准相位匹配周期(local quasi-phase matching period)Λ(z)为Λ(z)=2π/(Δk0+Σt=1N2td2tz2t-1)]]>其中，N＝2，3。z坐标的原点处于晶体中央。本专利技术所涉及的倍频过程原则上与使用传统的周期性极化铌酸锂(Periodically Poled Lithium Niobate，PPLN)晶体的倍频过程有相同的转换效率，但倍频光的亮度是后者的M2倍(M2为入射基频光的光束质量因子)。对目前常见的通过“光束整形+端面泵浦固体激光器+倍频”过程实现半导体激光向短波长转换和光束质量改善的方式，所涉及的系统较为复杂，且在谐振腔设计、运转模式和工作波长等方面均有诸多限制。本专利技术中，波长转换和光束质量改善在同一器件中完成，且为行波器件，调整较容易。如果将非周期性极化铌酸锂倍频晶体与半导体激光器集成在一起，则可等同于短波长半导体激光器，且输出光束具有接近衍射极限的光束质量。附图为本专利技术的倍频方案示意图。其中，1表示入射基频光，2表示出射基频光，3表示出射倍频光。实际光束是有一定宽度的，图中仅以光束中心线表示。基频光束与倍频光束之间在晶体内有一离散角ρ(为说明方便起见，图中所示角度是放大的，实际角度远小于1°)，但光斑仍有交叠。4为非周期性极化铌酸锂晶体，箭头表示极化方向，各畴在光线行进方向上的厚度由入射基频光的空间相位畸变参数和空间离散角确定。入射半导体激光光束的条状方向平行于纸面，晶体内波矢方向与极化方向的夹角≠90°。采用e+e→e的准相位匹配方式，以获得最大的转换效率。权利要求1.一种提高半导体激光倍频光束质量的方法，其特征在于在倍频过程中，以空间离散效应来补偿空间相位畸变，使产生的倍频光的光束质量接近衍射极限。2.根据权利要求1所述的提高半导体激光倍频光束质量的方法，其特征在于倍频晶体采用非周期性极化铌酸锂晶体，以准相位匹配方式实施，其晶体极化的结构参数---匹配周期根据基频光空间相位畸变参数和基频与倍频光束之间的离散角确定，具体步骤如下(1).将具有对称空间相位畸变的基频光束空间相位φ(y)按Taylor展开φ(y)＝α2y2+α4y4+α6y6+…… (1)其中α2，α4，α6，……为展开系数；(2).确定非周期性极化铌酸锂晶体各畴的二阶非线性系数符号sign(x(2))＝exp(-i(Δk0z+d2z2+d4z4+d6z6+……)〕rect(z/L) (2)其中Δk0＝4π(n2-n1)/λ，λ为基频光波长，n1、n2分别为基频光和倍频光的折射率，L为晶体长度；函数rect(x)＝{1，如果|x|≤1/2；0，如果|x|＞1/2}；(3).由下式计算系数d2，d4，d6，……d2＝2α2ρ2，d4＝2α4ρ4，d6＝2α6ρ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高半导体激光倍频光束质量的方法，其特征在于在倍频过程中，以空间离散效应来补偿空间相位畸变，使产生的倍频光的光束质量接近衍射极限。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱鹤元，钱列加，王韬，李富铭，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]