非线性光学频率变换及准相位匹配技术

第31卷第3期 人 工 晶 体 学 报 Vol.31 No.3 2002年6月 JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS June,2002

非线性光学频率变换及准相位匹配技术

姚建铨

(天津大学,天津300072)

摘要:本文综述了非线性光学频率变换技术的发展及在激光与光电子领域中的地位与作用,概述了它们的基本原理、特点及关键技术,展示了其广阔的应用前景。

关键词:非线性光学频率变换技术;光学参量振荡器;准相位匹配;周期极化晶体;全固态激光器;可调谐固体激光器

中图分类号:O734 文献标识码:A 文章编号:1000 985X(2002)03 0201 07

Development of Nonlinear Optical Frequency

Conversion and Quasi phase Matching Technology

Y AO Jian quan

(Tianjin Universi ty,Tianjin300072,China)

(Re ceive d10April2002)

Abstract:The development of nonlinear optical frequency conversion and quasi phase matching tec hnology as well as their important status in the laser and optoelectronic fields is summarized in this paper.The basic principle,characteristics,critical technology and their e xtensively useful perspective are also described.

Key words:nonlinear optical frequency conversion technology;optical parametric oscilla tor;quasi phase matching;periodical poled crystal;all solid state laser;tunable solid state laser.

1 引 言

激光谐波变换技术是激光及非线性光学领域的一个重要分支,通过频率变换能够获得各种波长的相干辐射,满足各种实际应用的需要。近年来,随着非线性光学及激光晶体的成熟,非线性光学频率变换技术得到了飞速的发展。

2 光学参量振荡(OPO)技术

光学参量振荡器是利用非线性晶体的混频特性实现频率变换的器件,它既是非线性光学频率变换的器件,又是波长可调谐的光源,具有调谐范围宽、结构简单及工作可靠等特点,随着近年来一些新型而高效的非线性晶体的出现及发展,OPO以其宽调谐范围、高效率、高重复频率、高分辨率及小型固体化等特点日益引起国际光学界的重视,已被广泛应用于各科研领域(如新材料、生物、化学及共振光谱等)。

80年代以后,非线性晶体研究的重大突破使OPO进入了实用阶段。涌现出许多透明范围更宽、匹配波长更长的参量振荡晶体,如KTP、BBO、LBO、KTA、MgO:LiNbO3、AgGaSe2、AgGaS2、CdSe、ZnGeP2、Urea、CsTiOAsO4收稿日期:2002 04 10

作者简介:姚建铨(1939 ),男,江苏省人,中国科学院院士。

等。另外,值得注意的是近几年迅速发展起来的光学超晶格材料技术,为人们呈现了一种全新的准相位匹配(Quasi Phase Match,QPM)光学参量振荡器。到目前为止,人们采用不同的泵浦波长、不同的非线性晶体及调谐方式,已实现0.4~18 m 的宽调谐输出,谱线宽度一般达几个波数,激光脉宽由连续到纳秒、皮秒、甚至于飞秒量级。一般来说,单模、窄线宽、窄脉宽、高峰值脉冲泵浦的光学参量振荡器可获得较高的转换效率。

光学参量振荡器的谐振类型有单谐振和双谐振之分,相位匹配方式也有 类 类之别,OPO 已成为可调谐激光的主流,是实现可调谐激光输出的有效技术手段,它的发展趋势主要是:用组合调谐方式进行红外波段的扩展和紫外波段的延伸、PPLN 技术、新型参量振荡晶体的开发及全固态OPO 。目前,一些技术已趋于成熟,国际上一些大的光电公司也已先后推出了商品化的OPO 产品。

天津大学激光与光电子研究所采用700~980nm 的脉冲可调谐钛宝石激光作为泵浦光,泵浦由一块KTP 晶体组成的单谐振参量振荡器,采用 (B)类相位匹配,通过改变泵浦光波长作为参量振荡器的调谐方式,根据泵浦光波长范围确定了KTP 晶体最佳切割角度( =62.5 , =0 ),通过更换5组参量谐振腔膜片,实验上获得了1261~2532nm 的宽波段连续调谐单谐振参量光输出,如图1

所示。

Fi g.1 The setup of wide multi wavelength laser system

1、1.06微米全反镜;

2、YA G 激光棒;

3、1.06微米输出镜;

4、可推拉1.06微米45度全反镜;

5、1.06微米45度全反镜;

6、KTP 倍频晶体;

7、可推拉0.532微米45度全反镜;

8、0.532微米45度全反镜;

9、三倍频晶体(BBO);

10、0.355微米45度全反镜(与9一起构成可推拉结构);11、0.355微米45度全反镜;12、1.06微米全反及0.532微米高透镜;

13、OPO 全反镜;14、OPO 晶体(MgO:LN);15、OPO 输出镜;16、BBO 倍频晶体

总之,实践中对可调谐激光光源的强烈需求,使得光学参量振荡器得以迅速地发展,而光学参量振荡器的飞速发展又为可调谐激光开辟更广阔的应用领域,并且在应用过程中对光学参量振荡器提出更高的指标。随着OPO 技术的不断成熟与发展,OPO 必将会进一步的充实激光的应用领域,让激光这一神奇之光更好的为人类造福。

3 高功率RGB 激光技术

红(R)、绿(G)、蓝(B)激光光源有巨大的应用前景,就高功率(大于瓦级)的RGB 激光光源而言,仅有气体与固体激光器两类。瓦级以上的高功率RGB 激光器,采用DPL 再加上非线性光学频率变换技术将是最佳方案。其中高功率绿光光源已达到百瓦量级,被认为是分离同位素铀中泵浦染料激光器的最佳光源。3种光源中,红、蓝激光光源技术难度较大。国际上红、蓝激光已达到3~7瓦的量级。实现红、蓝激光运转一般采用ns 、ps 的倍频Nd:YAG 激光器为基础(输出基波1064nm 、二次谐波532nm),再加上非线性光学频率变换(光学参量振荡器、倍频或和频)来实现红、蓝激光输出(如图2所示)。

激光显示是投影显示领域的最新技术。由于激光的特性,它比其他显示技术具有更多的优越性:(1)超大屏幕、高亮度;(2)色域宽,高度饱和色彩;(3)高分辨率,可在任意形状表面显示;(4)高对比度(>1000:1);202人工晶体学报 第31卷