[发明专利]通过闲频光倍频实现高效率非线性频率下转换的方法和装置

说明书

一种通过闲频光倍频实现高效率非线性频率下转换的方法和装置，该方法为：将频率下转换过程和闲频光的倍频过程集成在一块非线性晶体内，利用倍频过程吸收频率下转换过程产生的闲频光，抑制频率下转换的倒流现象，极大地提高泵浦到信号的能量转换效率。由于不涉及闲频光的吸收，这种闲频光倍频型非线性频率下转换可工作在非常高的平均功率下，同时可保障信号光的脉冲质量和光束质量。本发明可以用于将成熟的近红外波段(1μm)高功率激光高效地频率下转换至中红外波段(2μm)，作为基于半导体晶体的5‑15μm波段中红外超短超强激光的泵浦源。

技术领域

本发明涉及非线性频率下转换,特别是一种通过闲频光倍频实现高效率非线性频率下转换的方法和装置。

背景技术

激光输出脉冲的中心波长是激光器的一个重要参数，其往往决定了激光器的应用价值和使用范围。现有能级型激光器输出高能量脉冲光或连续光的中心波长往往依赖于激光器内部增益介质的发射光谱。在实际使用中，能稳定输出高能量的增益介质的种类十分有限。例如，利用钛宝石制作的高功率激光器，其输出的激光波长为800nm，利用钕玻璃制作的激光器输出波长为1053nm。常用的增益介质产生的激光中心波长的覆盖范围大多在可见光及近红外波段，无法满足各种不同的科研及民用需要。

基于三波非线性耦合效应的频率上转换过程(比如倍频,简称为SHG)或频率下转换过程(比如光参量放大,简称为OPA)是拓展激光器波长范围的重要途径。与SHG的高效率(50％)相比，OPA过程受限于非线性倒流现象，泵浦到信号的转换效率通常在10-20％。为了提升OPA的转换效率，必须抑制非线性倒流过程。为此，我们课题组曾发展了利用闲频光吸收来抑制倒流的准参量放大(简称为QPA)技术。QPA可以支持能量从泵浦光到信号光的单向流动，理论上可以支持量子极限的转换效率，实验上也实现了41％的超高转换效率。然而，这种通过闲频光吸收提升转换效率的方式增加了热负载，使得QPA技术难以应用于高于200W的高平均功率情况。

高效率、高平均功率的频率下转换过程正面临着重要应用需求。例如，研制5-15μm波段的中红外超短超强激光通常采用红外透明范围极宽的半导体晶体(比如ZGP晶体)，但是这类半导体的短波透明波长通常高于1.8μm，导致无法采用当前发展成熟的1μm附近的近红外激光(比如1030nm的Yb:YAG激光)作为泵浦源，必须专门发展高功率2μm泵浦源。若能发展一种高效率且非吸收型的频率下转换过程，将成熟的1μm激光高效率转换至2μm，则可使此问题迎刃而解。

发明内容

本发明针对上述需求，提出一种利用闲频光倍频实现高效率非线性频率下转换的装置和方法。该装置能实现对OPA过程倒流现象的抑制，具有更高的能量转换效率。由于闲频光倍频过程也是一个非线性过程，不涉及能量的吸收，因此这种闲频光倍频型OPA可以承受非常高的平均功率。

本发明方法原理如下：

将高能量的泵浦光和低能量的信号光以合适的角度入射到非线性晶体内部进行非线性光波耦合作用。该过程中，一个泵浦光光子湮灭，产生一个信号光光子及一个闲频光光子。闲频光同时会发生倍频作用，即两个闲频光光子湮灭，产生一个倍频光光子，该过程是简并的，不会存在倒流现象。闲频光被消耗后，无法和信号光作用合成泵浦光，从而抑制了OPA过程的倒流现象。以上两个过程持续发生，直到泵浦光被消耗完。实际使用时的步骤为下：选择某一晶体，计算晶体内不同闲频光波长下的自倍频入射角度；计算在一定泵浦波长下，不同待放大波长的共线入射角度；寻找以上二者在相同待放大波长下存在相同入射角的解；根据寻找到的解，确定晶体的设置角度；根据该方案结构，设计实验仪器制作高效非线性频率下转换装置。

本发明的技术解决方案如下：