專利名稱：一種基于空間相位補償提高倍頻光束質量的方法
技術領域：
本發明是一種利用空間離散效應補償空間相位畸變、提高倍頻(SHG)光束質量的方法。主要適用于在兩正交平面上光束質量有極大差異的非衍射極限(non-diffraction-limited)激光光源，如條狀半導體激光器。
光束質量以M2因子表征，它與光束的空間相位畸變相關聯。對于衍射極限光束，M2＝1，光束質量越差，M2越大。囿于其結構特點，條狀半導體激光器的輸出光束在垂直于條狀方向平面上接近衍射極限(Mx2≈1)，而在條狀方向上光束質量因子為衍射極限的幾十至幾千倍(My2＝x10～103)。兩正交方向上光束質量因子的嚴重失配，直接導致難以將光束聚焦成很小的圓形光斑，限制了這些激光光源潛能的充分實現。
目前尚未見通過倍頻提高光束質量的報道。在常規的倍頻方案中，倍頻光的光束質量有變壞的傾向(J.Opt.Soc.Am.B12，49(1995))。事實上，半導體激光器的頻率(波長)轉換和光束質量改善目前主要是以泵浦固體激光器、再結合其它技術如腔內倍頻來實現的，但首先須對半導體激光光束本身進行整形，以滿足端面泵浦的要求。光束整形的主要方法有(1)光纖束耦合(optical fiberbundles coupling)技術(Th.Grafand J.E.Balmer，Opt.Lett.18，1317(1993))；(2)兩鏡式光束整形(two-mirror beam-shaping)技術(W.A.Clarkson et.al.，Opt.Lett.21，375(1996)；W.A.Clarkson et.al.，UK patent application 9324589.2(1993))。
上述兩種光束整形技術的主要思路都是試圖平衡兩個正交方向的光束質量因子，即盡量使Mx2≈My2，以獲得圓形的聚焦光斑，但總的光束質量因子乘積Mx2My2并沒有減小，甚至可能有所增加，實際上是以犧牲一個方向上的光束質量(Mx2增加)來改善另一方向上的光束質量(My2減小)，總的光束質量并沒有改善，同時其亮度卻有一定程度的下降。方法(1)在技術上較容易，但不能較精確地控制兩個方向上光束質量因子的平衡；方法(2)原則上可以較準確地平衡兩個方向上的光束質量因子，因為它有多個可變參數，也正是由于這個原因，使調整難度極大，同時系統損耗較大。這兩種光束整形技術都是通過線性光學系統實現的。
本發明的目的在于提出一種調整比較容易、且能實質上提高倍頻光束質量的方法。
本發明提出的提高半導體激光倍頻光束質量的方法是在倍頻過程中，以空間離散(spatial walk-off)效應來補償空間相位畸變(spatial-phase distortions)，使產生的倍頻光的光束質量接近(原理上可達到)衍射極限。空間離散是發生在某一平面內的效應，對與該平面垂直方向上的空間相位沒有影響，而這恰好與條狀半導體激光器輸出光束情形相匹配條狀方向上的M2很大，或者說空間相位畸變嚴重，需要進行補償；在與條狀垂直方向上的M2≈1，已經接近衍射極限，不再需要補償。因此，本發明是以空間離散效應補償空間相位畸變來改善某一方向的光束質量，同時保持另一方向的光束質量，是真正意義上的光束質量改善。
本發明中半導體激光倍頻需要的倍頻晶體采用非周期性極化鈮酸鋰晶體(Aperiodically Poled Lithium Niobate，APPLN)，以準相位匹配(Quasi-PhaseMatching，QPM)方式實施。其中，晶體極化的結構參數---匹配周期Λ(z)根據基頻光空間相位畸變參數和基頻與倍頻光束之間的離散角確定。具體步驟如下基頻光束空間相位具有對稱形式，將其按Taylor級數展開φ(y)＝α2y2+α4y4+α6y6+……α2，α4，α6，……為展開系數。
確定非周期性極化鈮酸鋰晶體各疇的二階非線性系數符號sign(x(2))＝exp〔-i(Δk0z+d2z2+d4z4+d6z6+……))rect(z/L)其中Δk0＝4π·(n2-n1)/λ，λ為基頻光波長，n1、n2分別為基頻光和倍頻光的折射率，L為晶體長度；函數rect(x)＝{1，如果|x|≤1/2；0，如果|x|＞1/2}。系數d2，d4，d6，……由下式計算d2＝2α2ρ2，d4＝2α4ρ4，d6＝2α6ρ6，……ρ為晶體內基頻光與倍頻光之間的離散角。
因此局域準相位匹配周期(local quasi-phase matching period)Λ(z)為Λ(z)=2π/(Δk0+Σt=1N2td2tz2t-1)]]>其中，N＝2，3。z坐標的原點處于晶體中央。
本發明所涉及的倍頻過程原則上與使用傳統的周期性極化鈮酸鋰(Periodically Poled Lithium Niobate，PPLN)晶體的倍頻過程有相同的轉換效率，但倍頻光的亮度是后者的M2倍(M2為入射基頻光的光束質量因子)。對目前常見的通過“光束整形+端面泵浦固體激光器+倍頻”過程實現半導體激光向短波長轉換和光束質量改善的方式，所涉及的系統較為復雜，且在諧振腔設計、運轉模式和工作波長等方面均有諸多限制。本發明中，波長轉換和光束質量改善在同一器件中完成，且為行波器件，調整較容易。如果將非周期性極化鈮酸鋰倍頻晶體與半導體激光器集成在一起，則可等同于短波長半導體激光器，且輸出光束具有接近衍射極限的光束質量。
附圖
為本發明的倍頻方案示意圖。其中，1表示入射基頻光，2表示出射基頻光，3表示出射倍頻光。實際光束是有一定寬度的，圖中僅以光束中心線表示。基頻光束與倍頻光束之間在晶體內有一離散角ρ(為說明方便起見，圖中所示角度是放大的，實際角度遠小于1°)，但光斑仍有交疊。4為非周期性極化鈮酸鋰晶體，箭頭表示極化方向，各疇在光線行進方向上的厚度由入射基頻光的空間相位畸變參數和空間離散角確定。入射半導體激光光束的條狀方向平行于紙面，晶體內波矢方向與極化方向的夾角≠90°。采用e+e→e的準相位匹配方式，以獲得最大的轉換效率。
權利要求
1.一種提高半導體激光倍頻光束質量的方法，其特征在于在倍頻過程中，以空間離散效應來補償空間相位畸變，使產生的倍頻光的光束質量接近衍射極限。
2.根據權利要求1所述的提高半導體激光倍頻光束質量的方法，其特征在于倍頻晶體采用非周期性極化鈮酸鋰晶體，以準相位匹配方式實施，其晶體極化的結構參數---匹配周期根據基頻光空間相位畸變參數和基頻與倍頻光束之間的離散角確定，具體步驟如下(1).將具有對稱空間相位畸變的基頻光束空間相位φ(y)按Taylor展開φ(y)＝α2y2+α4y4+α6y6+…… (1)其中α2，α4，α6，……為展開系數；(2).確定非周期性極化鈮酸鋰晶體各疇的二階非線性系數符號sign(x(2))＝exp(-i(Δk0z+d2z2+d4z4+d6z6+……)〕rect(z/L) (2)其中Δk0＝4π(n2-n1)/λ，λ為基頻光波長，n1、n2分別為基頻光和倍頻光的折射率，L為晶體長度；函數rect(x)＝{1，如果|x|≤1/2；0，如果|x|＞1/2}；(3).由下式計算系數d2，d4，d6，……d2＝2α2ρ2，d4＝2α4ρ4，d6＝2α6ρ6，……(3)ρ為晶體內基頻光與倍頻光之間的離散角；(4).將(1)式截斷至y4或y6，則局域準相位匹配周期Λ(z)為Λ(z)=2π/(Δk0+Σt=1N2td2tz2t-1)]]>其中，N＝2，3，z坐標的原點處于晶體中央。
全文摘要
本發明是一種利用空間離散效應補償空間相位畸變、提高倍頻光束質量的方法。其中倍頻晶體采用非周期性極化鈮酸鋰晶體,以準相位匹配方式實施,其晶體極化的結構參數—匹配周期根據基頻光空間相位畸變參數、基頻與倍頻光束之間的離散角確定。本發明改善了某一方向上的光束質量,同時保持另一方向上的光束質量,從而實現真正意義上的光束質量改善。而且,波長轉換和光束質量的改善在同一器件中完成,且為行波器件,調整比較容易。
文檔編號H01S5/00GK1267107SQ0011501
公開日2000年9月20日 申請日期2000年3月21日 優先權日2000年3月21日
發明者朱鶴元, 錢列加, 王韜, 李富銘 申請人:復旦大學