阅读说明：本技术 光参量振荡器 (Optical parametric oscillator ) 是由 约翰·乔治·德什·奥努瓦 本杰明·希曼斯基 于 2019-02-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及双谐振光参量振荡器(1),包括具有二阶光学非线性并置于能反射泵浦波(2)的光腔(6)中的扇出晶体(5,55,105),晶体(5,55,105)包括光轴穿过的入射面(59)和出射面(60)、上面(57)和下面(58)。根据本发明的光参量振荡器(1)的主要特征为晶体(105)具有极性反转线(106)的网,极性反转线(106)分开且靠近地始于与晶体(105)上面(57)平行的上虚拟直线(61)并分开且彼此远离地结束于与晶体(105)下面(58)平行的下虚拟直线(63)或晶体入射面(59),且两相继线(106)彼此形成恒定角度,网从起始于晶体(105)出射面(60)并通过从出射面(60)发散而朝下虚拟直线(63)延伸的第一线(108)开始,所有其它线从第一线(108)向晶体(105)入射面(59)逐渐且单调倾斜。(The invention relates to a dual-resonant optical parametric oscillator (1) comprising a fan-out crystal (5, 55, 105) having a second order optical nonlinearity and arranged in an optical cavity (6) capable of reflecting a pump wave (2), the crystal (5, 55, 105) comprising an entrance face (59) and an exit face (60) through which an optical axis passes, an upper face (57) and a lower face (58). The main feature of the optical parametric oscillator (1) according to the invention is that the crystal (105) has a network of lines of polarity inversion (106), the lines of polarity inversion (106) starting separately and closely from an upper virtual straight line (61) parallel to the upper face (57) of the crystal (105) and ending separately and far away from each other at a lower virtual straight line (63) or at the crystal entrance face (59) parallel to the lower face (58) of the crystal (105), and the two successive lines (106) forming a constant angle with each other, the network starting from a first line (108) starting at the crystal (105) exit face (60) and extending towards the lower virtual straight line (63) by diverging from the exit face (60), all other lines being gradually and monotonically inclined from the first line (108) towards the crystal (105) entrance face (59).)

光参量振荡器

技术领域

本发明涉及光参量振荡器。

背景技术

光参量振荡器(OPO)是一种频率转换器，其从角频率为的激光波(泵浦波)产生角频率分别为

和的被称为“信号波”和“闲频波”的两个新波，使得

通过使泵浦波传播通过二阶光学非线性的部件(通常是晶体)来获得参量频率转换。如果修改晶体的物理参量，诸如温度、相对于泵浦辐射的角度或者甚至是铁电畴的周期性(例如，在诸如铌酸锂等晶体的情况下的周期性畴反转)，则可以在非常宽的范围内调整值和

因此，OPO是一种可在非常宽且比激光宽得多的光谱范围内调谐的相干光源。这一重要特征为OPO开辟了许多应用领域，例如气体的光谱分析。

发明内容

根据本发明的光参量振荡器是一种内嵌腔式光参量振荡器(NesCOPO)，即，基于两个单独的谐振腔的OPO，每个谐振腔在通过二阶参量转换产生的波长之一处展现出谐振。这种OPO是具有泵浦波的双通过的双谐振式。

欧洲专利申请EP2503387描述了一种NesCOPO参量振荡器，其采用连续可变节距的铌酸锂扇出型晶体。这种振荡器的缺点为：包括晶体，该晶体的铁磁畴不是最佳取向的，这导致在不改变参数(例如，晶体的温度)的情况下源不能发射的波数。

根据本发明的光参量振荡器包括晶体，该晶体的铁磁图案已经被优化以提供对整个期望波长范围的采用，而不必修改某些与晶体有关的参数，例如温度。

“上”、“下”、“前”和“后”的概念必须解释为，就像将晶体放在光参量振荡器的光腔中的操作位置中那样。

本发明的一个目的是一种双谐振式的光参量振荡器，该振荡器包括扇出型的晶体，晶体具有二阶光学非线性并置于能够反射泵浦波的光腔中，所述晶体包括入射面和出射面、上面和下面，光轴穿过入射面和出射面。

根据本发明的光参量振荡器的主要特征在于，所述晶体包括极性反转线的格栅，极性反转线分开地且以窄间隔的方式起始于与晶体的上面平行的上虚拟直线，并且分开地且以宽间隔的方式结束于与晶体的下面平行的下虚拟直线或者结束于晶体的入射面，两条相继的线在彼此之间形成恒定角度，所述格栅从第一条线开始，第一条线起始于晶体的出射面并且在从所述出射面发散的同时朝向下虚拟直线延伸，所有的其它线从所述第一条线朝向晶体的入射面逐渐且单调地倾斜。

换句话说，格栅的第一条线在晶体的出射面处开始并从所述出射面发散，并且所有其它线均从该第一条线以从出射面越来越发散的方式朝向晶体的入射面倾斜。第一条线是唯一的一条起始于出射面的线，格栅的所有其它线都远离所述出射面。换句话说，线的格栅给人的印象是从晶体的出射面朝向晶体的入射面旋转，它从与晶体的出射面仅具有一个接触点的第一条线开始。需要注意的是，格栅的所有线起始于上虚拟直线，包括第一极性反转线。

有利地，晶体的四个面是平面的。

优选地，上面和下面是平行的，并且入射面和出射面是平行的。以这种方式，晶体是具有小厚度的平行六面体形状。

优选地，极性反转线位于第一条线的紧之后并且所述第一条线也结束于下虚拟直线，以后的线都结束于入射面。表述“结束于入射面”必须理解为是指“出现在入射面上”。

有利地，两条相继的线之间的倾斜的恒定角度为大约0.1mrad。表述“大约0.1mrad”是指等于0.1mrad+/－0.05mrad。

优选地，晶体由铌酸锂制成。该材料特别但并非唯一地适合于根据本发明的光参量振荡器。

优选地，格栅包括置于第一条线之前的原始线，所述原始线在上虚拟直线的下方起始于出射面并结束于下虚拟直线。

有利地，第一条线相对于出射面以大于或等于恒定角度的角度倾斜，从而将两种相继的线分开。该倾斜角度优选地介于格栅的两条相继的线之间的恒定倾斜角度的1倍到2倍之间。

本发明的另一目的是一种用于制造根据本发明的光参量振荡器的晶体，所述晶体包括入射面和出射面、上面和下面，光轴穿过入射面和出射面。

根据本发明的晶体的主要特征在于，所述晶体包括极性反转线的格栅，极性反转线以窄间隔的方式起始于与晶体的上面平行的上虚拟直线，并且以宽间隔的方式结束于与晶体的下面平行的下虚拟直线或者结束于晶体的入射面，两条相继的线在彼此之间形成恒定角度，所述格栅从第一条线开始，第一条线起始于晶体的出射面并且朝向下虚拟直线延伸，所有的其它线从所述第一条线朝向晶体的入射面逐渐且单调地倾斜。

根据本发明的光参量振荡器具有如下优势：能获得给定波长范围内的每个波数，去除了利用现有光参量振动器观察到的不可利用区域。这种成就是利用格珊的极性反转线的特定设计来获得的，因此允许避免对设定晶体温度的需求。

附图说明

下面参考以下附图给出根据本发明的光参量振荡器的详细描述：

-图1是现有技术的光参量振荡器的示意图，

-图2是现有技术的光参量振荡器中使用的扇出型晶体的正视图，

-图3是示出在现有技术的OPO中，作为图2的晶体在光腔中的位置的函数的可获得波数的实例的曲线图，

-图4是根据本发明的扇出型晶体的正视图，

-图5是示出作为图4的晶体在光腔中的位置的函数的可获得波数的实例的曲线图。

具体实施方式

在本描述的其余部分中，术语“OPO”和“光参量振荡器”是等同的。

参考图1，光参量振荡器1是一种系统，其允许由激光束产生的泵浦波2通过非线性晶体5(可以例如由铌酸锂制成)而被转换成两个波，即“信号”波3和“闲频”波4。该晶体5放置在由第一反射镜M1和第二反射镜M3界定的光腔6中。这两个反射镜M1和M3安装在压电元件7上，以便允许光腔6被调谐。在图1所示的实例中，晶体5包括第三反射镜M2。泵浦波2在放置于光腔6中的晶体5内被转换。在根据本发明的OPO 1的背景下，晶体5是周期性极化的铌酸锂(PPLN)。

根据本发明的OPO 1的体系结构也用缩写NesCOPO(内嵌腔式(nested cavity)光参量振荡器)来指代。泵浦波2具有起始于第一反射镜M1的入射分量8，以及在所述入射波8从光腔6的第二反射镜M3上反射之后获得的反射分量9。作为说明性且非限制性实例，泵浦波2的波长为1μm，信号波3的波长在1.4μm至1.6μm的范围内，并且闲频波4的波长在3.2μm至4.2μm的范围内。

根据本发明的OPO 1利用在放置于光腔6中的晶体5内进行的非线性频率转换。该OPO 1是具有泵浦波2的双通过(入射分量8和反射分量9)的双谐振式。

参考图2，现有的扇出型晶体55具有极性反转线56的格栅，这些极性反转线56允许通过使所述晶体55在光腔6内移动而获得所产生波长上的连续变化。示意性地，这样的晶体55具有平行六面体形状，并具有：

-平面的上面57，

-平面的下面58，其平行于上面57，

-平面的入射面59，通过第一反射镜M1的泵浦波2将透过该入射面59进入晶体55，

-平面的出射面60，其平行于入射面59，

-两个矩形且平行的侧面61，每个侧面由上面57、下面58、入射面59和出射面60界定。

这样的晶体55可以例如具有10mm的长度L、5mm的宽度l以及1mm的厚度。这些尺寸示出了适合于根据本发明的OPO的实例，但这些是非限制性的。

极性反转线56在晶体55内被组织成使得它们起始于与上壁57平行且位于上壁57附近的上虚拟直线61。这些线56在所述直线61上分开地且以窄间隔的方式起始，并且在晶体55的整个宽度上都如此。中心线62从上直线61的中间开始，并且平行于入射面59或出射面60朝向下虚拟直线63延伸，下虚拟直线63与上虚拟直线61平行且位于晶体55的下面58附近。线56中的在上虚拟直线61上位于中心线62的一侧的一些线朝向下虚拟直线63延伸，这些线是最靠近所述中心线62的那些线，而其它线则朝向出射面60延伸，这些是离所述中心线62最远的那些线。线56中的在上虚拟直线61上位于中心线62的另一侧的一些线朝向下虚拟直线63延伸，这些线是最靠近所述中心线62的那些线，而其它线则朝向入射面59延伸，这些是离所述中心线62最远的那些线。格栅的两条相继的线56随着它们从在上虚拟直线61上的位置朝向下虚拟直线63或朝向入射面59或出射面60延伸而相互发散。以这种方式，两条相继的极性反转线56在其间形成恒定的角度，该角度优选地等于0.1mrad。

总而言之，线56的格栅具有由中心线62体现的对称轴线，线56中的一些线(这些线位于所述中心线62的一侧)具有朝向入射面59延伸的趋势，而所述线56中的其余线(这些线位于所述中心线56的另一侧)具有朝向出射面60延伸的趋势。

泵浦波2(其光束尺寸可以例如为大约100μm)到达入射面59并且通过晶体55以便经由出射面60从晶体55出射。晶体55可以沿着所述晶体55的纵向轴线在光腔6内平移，以便改变转换的参量并获得给定的波数。

现在，参考图3，利用这种扇出型晶体55，NesCOPO内的转换条件通常仅仅允许获得某些波长范围64，这些范围被不可获得的范围65分隔开，因为曲线图中的孔指示出晶体55在光腔6中的各种位置。具体来讲，晶体55可以沿着与所述晶体55的纵向轴线平行的轴线在光腔6内平移，以便获得给定范围内的所有可能的波长。然而，可利用的区域并不重叠，并且观察到出现了无法获得的波数。这是三个波(泵浦波，信号波，闲频波)之间的相对相位条件的结果，在NesCOPO中要考虑这一点很重要。

目前存在避免这些孔65的方法，但是它们要么非常昂贵，要么在工业上不适用，要么很慢。

根据本发明的OPO包括晶体105，其极性反转线106在所述晶体105中以如下方式组织：使得当晶体105沿晶体105的纵向轴线在光腔6内平移时，它们允许获得所有波长。

参考图4，根据本发明的OPO的晶体105与上述晶体的不同之处仅在于，极性反转线106在晶体105内的布置。具体来讲，极性反转线106在晶体105内被组织成使得它们起始于与上壁57平行且位于上壁57附近的上虚拟直线61。这些线106在所述直线61上分开地且以窄间隔的方式起始，并且在晶体105的整个宽度上都如此。根据本发明的OPO的晶体105的格栅的每条极性反转线106均从上述晶体55的格栅的每条极性反转线56开始、通过围绕每条极性反转线与上虚拟直线61的交叉点沿顺时针方向旋转1°至10°之间的恒定角度而获得。以这种方式，根据本发明的晶体105的每条极性反转线106从其在图2所示的现有晶体55中的位置朝向入射面59枢转1°至10°之间的角度。对于具有10mm的长度、5mm的宽度和1mm的厚度的晶体，该角度优选地等于2.8°。

换句话说，极性反转线106的格栅从第一条线108开始，该第一条线108在上虚拟直线61处起始于晶体105的出射面60，并且朝向上述下虚拟直线63延伸，所有其它线均从所述第一条线108朝向入射面59逐渐且单调地倾斜。两条相继的线106随着它们从在上虚拟直线61上的位置朝向下虚拟直线63或朝向入射面59延伸而相互发散。以这种方式，两条相继的极性反转线106在彼此之间形成恒定的角度，该角度优选地等于0.1mrad，与上述现有晶体55中一样。位于第一条线108紧之后的线106延伸到下虚拟直线63，而其它线出现在晶体105的入射面59上。

格栅还包括置于第一条线108与出射面60之间的原始线109，该原始线109在第一条线108于所述出射面60上的起始点的下方起始于出射面60，并结束于下虚拟直线63上。该原始线109比第一条线108短。

总而言之，在根据本发明的晶体105中，所有的极性反转线106相对于沿着出射面60延伸的轴线朝相同方向且在相同侧(朝向入射面59)倾斜。在现有的晶体55中，它们相对于与入射面59或出射面60平行的中心轴线在所述轴线的两侧对称地且朝两个相反的方向(朝向入射面59和出射面60)倾斜。

PPLN晶体105中的图案的典型周期为30μm。

参考图5，通过使晶体105沿着与出射面60或入射面59平行的轴线平移，根据本发明的OPO允许获得在给定范围内的所有波长。具体来讲，各种试验已表明，凭借使用具有如上所述的极性反转线106的新格栅的PPLN晶体105，可以达到每个波数。着眼于在相位匹配条件是完全非建设性的晶体105中的位置120，由于可利用的区域121重叠，因此仍然可以获得期望的波长。