用于快速调频的嵌套腔光学参数振荡器

摘要

涉及一种用于快速调频的嵌套腔光学参数振荡器。具有消色差保相抽运辐射反射的双共振光学参数振荡器，包括抽运辐射(fp)源(11)和位于信号辐射(fs)和互补辐射(fc)(光学长度分别为ls和lc)的两个共振腔内的非线性晶体(7)，并形成单对纵向信号辐射和互补辐射模的双共振共振器，所述晶体为棱镜形且其后表面(9)相对于与辐射传播方向z正交的方向x以非零角α倾斜，其中所述晶体(7)可在平面xz内移动。所述晶体(7)沿相对于方向x形成非零角β的方向可移动，以使所述振荡器能进行快速扫频，β值为固定以使所述晶体(7)的移动伴随着所述两个共振腔各自的光学长度ls和lc以保持各腔的纵向模之间的双共振条件的比率变化，从而所述频率fs和fc的值在较宽范围内连续可调而不必使用用于监控和修正腔长度的能保持所述两个腔之间模重合的装置。

说明书

技术领域

本发明涉及由两个单独共振的腔所构成的双共振光学参数振荡器(其中所 述两个腔针对于通过二阶参数转换所产生的每个波)，尤其涉及其(关于扫描速 度和光谱范围的)调频能力的改进。

背景技术

光学中使用二阶非线性过程从主辐射源产生可大幅调频的新辐射。其中一 个过程(在先技术中称为“光学参数转换”)可从相干光源(例如激光)所发出 的辐射(称为抽运辐射(pump))中产生两个辐射(称为信号辐射(signal)和 互补辐射(complementary)或闲置辐射(idler))。所述三个辐射的频率(f_s、f_c和f_p)通过能量守恒定律相连，即：f_s+f_c＝f_p，其中下标(s、c或p)分别相 应于所述信号辐射、互补辐射和抽运辐射。

实际中通过使所述三个辐射穿过具有二阶光学非线性的非中心对称晶体传 播来获得光学参数转换。在所述辐射穿过所述晶体传播的整个过程中，为使所 述参数转换过程具有较高的效率，必需使不同辐射的波矢(记为k_j，其中j＝p、 s或c)遵从在先技术中称为“精确相位匹配条件”或“准相位匹配条件”的条 件。可在具有光学双折射的晶体中满足所述精确相位匹配条件，而在具有光学 非线性符号周期性反转的晶体中满足所述准相位匹配条件，这可通过不同方法 实现：铁电畴反转(L.E.Myers，R.C.Eckardt，M.M.Fejer，R.L.Byer，W.R. Bosenberg and J.W.Pierce，‘Quasiphasematched optical parametric oscillators in  bulk periodically poled LiNbO3’，J.Opt.Soc.Amer.B，12，pp.2102-2116，1995)、 交替晶体生长(K.L.Vodopyanov，O.Levi，P.S.Kuo，T.J.Pinguet，L.S.Harris，M. M.Fejer，B.Gerard，L.Becouarn，E.Lallier，‘Optical parametric oscillation in  quasi-phase-matched GaAs’，Opt.Lett.，29，n°16，pp 1912-1914，2004)或者是全内 反射(M.Raybaut，A.Godard，R.M.Lefebvre，Ph.Kupecek，Ph.Lemasson， E.Ro sencher，‘Generation of mid-infrared radiation by self-difference frequency  mixing in chromium-doped zinc selenide’，Opt.Lett.，31，n°2，pp 220-222，2006)。 对于目前很广泛使用的铁电材料(铌酸锂、钽酸锂等)，所述畴反转以周期性方 式实行，其反转周期等于相干长度(l_coh)的两倍，其中l_coh定义为涵盖所述三 个辐射的长度，以使它们的相对失相ΔΦ变化π，其中所述相对失相由给出，为辐射j越过长度l_coh传播的相关失相。所述准相位匹配条件 则写成k_p＝k_s+k_c+k_Λ，其中k_Λ定义为|k_Λ|＝π/l_coh。

可以通过作用于所述相位匹配或准相位匹配条件来调节所述信号辐射和互 补辐射间的能量分布(从而调节参数转换所产生的频率值f_s、f_c)。可通过几个 参数例如温度、晶向或光学非线性符号反转周期来改变相位匹配并从而能在极 广范围内调节源于主激光辐射转换的信号辐射和互补辐射频率。

在许多应用中抽运辐射波到信号辐射和互补辐射的参数转换尤其令人感兴 趣。这些应用的前沿是光谱学应用，例如探测可能以极微量存在的分子或原子 的种类。所述信号辐射和互补辐射的极广的调谱范围可以涵盖欲探测的一个或 更多个种类的不同吸收频率。然而为得知不同种类的相对丰度，必需使参数转 换产生的可调辐射呈现高光谱纯度以便能针对每个种类的吸收频率选择性地调 节参数源的频率而不至被其它化合物的吸收过渡(absorption transition)的存在 所干扰。

通过将非线性晶体插入特定的光学共振器(在先技术中称为“具有消色差 保相抽运辐射反射的光学参数振荡器”(‘Optical parametric oscillator with  achromatic phase-maintaining pump reflection’，FR2902940，PCT n° EP2007/056438))来产生结合了光谱纯度和极广的调谱范围的参数辐射。图1 代表这样的振荡器，其中所述信号辐射和互补辐射波在两个嵌套(nested)光学 腔中振荡，而所述抽运辐射往返穿过所述非线性晶体并在被消色差镜2反射后 保持最佳相对失相值ΔΦ不变，以便在往返中对于所述光学参数振荡器的任何 操作波长都能有高效的参数转换。通过选择每个腔的长度来获得高光谱纯度或 单频操作的辐射发射，其中长度选择使得参数增益曲线中所述两个腔的纵向 (longitudinal)模之间只存在一个单一重合，从而所述发射只建立在该重合上， 如图2所示。

所述具有消色差保相抽运辐射反射的光学参数振荡器有如下几个优点：低 振荡阈值，结构紧凑以及整个参数转换范围内高光谱纯度的辐射发射。通过在 所述参数增益曲线中移动该信号辐射和互补辐射腔的模重合来获得连续调频 (换言之，保持在同一重合上振荡)。为此必需十分细致地同时调节至少两个参 数，例如每个腔的长度(用压电调控器调节)或所述抽运辐射频率和一个腔的 长度或者是所述晶体的温度和一个腔的长度，以便在频率扫描的全程极精确地 保持所述两个腔间的模重合(如图2所示)。忽略晶体折射率对波长的依赖时的 一阶计算显示，所述模重合得以保持，如果输入镜1和输出镜2的位置以如下 比率变化的话：

$\frac{\delta M_1}{\delta M_2}=-(1+R),$其中$R=\left(\frac{f_s}{f_c}\frac{l_c}{l_s}\right)$

其中δM₁和δM₂是输入镜1和输出镜2的位移，而l_s和l_c分别是所述信号辐射腔 和互补辐射腔的光学长度。镜1和镜2的位移间的这一关系显示必须向相反方 向线性地改变所述信号辐射和互补辐射腔的光学长度以便保持所述模重合。

如果应用上述关系时不特别注意(换言之不修正压电调控器3和4的滞后 或非线性引起的移动缺陷)的话，则只能在有限范围(约10GHz)内获得所述 信号辐射频率和互补辐射频率的连续扫描。为了在更大范围内获得调频，需要 修正压电调控器的不利于线性移动的缺陷从而保持模重合。通过定期监控扫描 中发射的信号辐射或互补辐射的光谱纯度来进行该修正。可使用装有光谱仪或 波长计界面的微机5或使用法布里珀罗标准具(standard Fabry Perot étalon)6 自动进行这一定期控制。这在于细致地修正所述镜1或2之一的位置以便抑制 不想要的模的存在，如图3所示的情况，其中分别显示有无寄生模(情况a)和 b))时所述法布里珀罗标准具的响应。所述法布里珀罗标准具的响应显示被自 由光谱范围(free spectral range，FSR)均匀地隔开的连续峰，距离相当于法布 里珀罗标准具的等于半个波长的厚度变化。

修正后在通常80％的整个参数增益曲线宽度(记为Δf)的范围内可无模跳 变地连续调节所述振荡器的频率。从而获得连续调节范围，对于纳秒体制 (nanosecond regime)中的参数振荡器的脉冲操作，该范围通常超过一百GHz， 这是非常大的。然而该扫描方法有两个严重缺陷：与所使用的控制装置(例如 微机和法布里珀罗标准具)的价格相关的成本增加以及因必需周期性地监控光 谱输出而引起的对扫描速度的限制。此外，如果想将调节范围扩展到所述参数 增益宽度之外，则必需作用于第三个参数以便在进行频率扫描时移动所述参数 增益曲线的最大值，这使程序变得复杂化。

发明内容

本发明旨在克服上述限制，从而可以在降低实施成本的同时扩展使用此类 光源的领域(尤其是扩展其范围和其快速频率扫描能力)。

根据本发明，包括频率f_p处的抽运辐射源的具有消色差保相抽运辐射反射 的双共振光学参数振荡器在沿方向z的抽运辐射的正向传播方向上包括：

具有正面和背面的非线性晶体；

位于该晶体的背面的下游的消色差镜，该消色差镜与沉积在所述晶体的正 面上的第一镜界定针对频率f_s处的信号辐射的第一共振腔，该消色差镜与位于 所述晶体的正面的上游的第二镜界定针对频率f_c处的互补辐射的第二共振腔，

光学长度分别为l_s和l_c的所述两个腔形成单对纵向信号辐射和互补辐射模 的双共振共振器，

所述频率f_p处的抽运辐射经历自该晶体的正面进入并自该晶体的背面穿出 的正向通路，然后在所述消色差镜上被反射后，经历自所述晶体的背面进入的 反向通路穿过所述晶体，该晶体在所述信号辐射频率f_s和互补辐射频率f_c处的 光学指数分别为n_s和n_c。

所述晶体为棱镜形，其背面相对于与辐射传播方向z正交的方向x以非零 角α倾斜，其中所述晶体在平面xz内可移动。

本发明的特征在于，所述晶体在所述平面xz内沿相对于方向x以非零角β 倾斜的方向是可平行移动的，使得其中以便以使单对纵向信号辐射和互补辐射模的双共振得以保持的比率来同时改变 所述两个共振腔各自的光学长度l_s和l_c，从而所述频率f_s和f_c的值在较宽范围 内连续可调，而不必使用用于监控和修正腔长度以保证所述两个腔间模重合的 装置。

本发明的操作原理如下：在平面xz内沿相对于方向x以角β倾斜的方向平 行移动所述可移动的晶体时，同时改变了该晶体在两个腔中的横向和纵向位置 并从而改变了所述信号辐射(l_s)腔和互补辐射(l_c)腔的光学长度：

l_s的改变是因为，首先，鉴于其棱镜形状和所述移动(沿方向x)的横向分 量，所述晶体中涵盖的光程改变了；其次，纵向分量沿方向z作用于所述晶体 的位置并从而作用于沉积在所述非线性晶体的入面上的镜的位置；

l_c的改变是因为，鉴于其棱镜形状和所述移动(沿方向x)的横向分量，所 述晶体中涵盖的光程改变了。

对于给定的角α，需要选择角β的值以便以保持模重合的比率使一个腔变长 而使另一个腔变短。一阶计算(忽略所述晶体的指数作为所得波长的改变的函 数的变化以及R对l_s和l_c的微小变化的函数依赖)可以轻易发现使模重合得以 保持的角α和β间的关系：

$\mathrm{tg\beta }=\frac{(n_c-1)+R·(n_s-1)}{R}\mathrm{tg\alpha }$

其中n_s和n_c为所述非线性晶体在所述信号辐射和互补辐射频率处的光学 指数。

有利地，所述非线性晶体包括被所述辐射沿方向z连续穿越的周期性反转 畴(periodic inversion domains)，从而能以准相位匹配来操作。在这方面，可有 利地参考导致了专利申请FR 2902940的发明的教导。

根据该准相位匹配操作模式，在消色差镜上被反射前所穿越的最后一个周 期性畴的背面在与平面xy(方向y与方向x和z正交)沿平行于方向y的直线 相交的平面内取向，从而所述波之间的相对相位值ΔΦ在所述晶体的沿方向x 的任何位置上都保持不变。

为了得益于大于参数增益曲线的宽度的连续调节范围，所述晶体的反转畴 的周期性沿方向x连续变化(称为“扇出周期性极化晶体(fan-out periodic poled  crystal)”的晶体)。则所述晶体的周期性沿方向x的变化可使参数增益曲线的 最大值以与所述信号辐射和互补辐射腔的双共振比率同步的形式移动。从而可 通过作用于单个参数在不局限于参数增益曲线的宽度(Δf)的范围内连续调节 所述光学参数振荡器的频率。

显然，所述调频范围越宽，就越需要考虑因光学指数的色散和晶体自身移 动而引起的所述腔的光学长度的变化。换言之，以上所建立的α和β之间的一阶 (R、n_s和n_c假定为常数)关系对于极广的扫描不再适用。然而完整的计算显 示，对于1THz的连续调节范围，与以上建立的关系的偏差保持在1％以下。 必要时可调节抽运辐射激光的频率。然后就能够补偿所述晶体的色散和所述腔 的长度的变化以便在极广的频率范围内获得连续调节而不影响扫描速度。可用 可调节激光器例如光纤激光器给出抽运辐射激光的频率。

还可以在扫描中通过利用电光效应改变所述非线性晶体的光学长度来补偿 导致所述腔的光学长度变化的所述晶体的光学色散而不影响扫描速度。

附图说明

以下说明和非限制性示例将使本发明的其它特征和优点更为清楚。

以下附图用于说明本发明：

图1表示由在先技术所知的具有消色差保相抽运辐射回波(return)的光学 参数振荡器，及其用于连续波长扫描的频率控制装置；

图2显示通过使信号辐射腔的纵向模与互补辐射腔的纵向模在参数增益曲 线的宽度(Δf)内重合而获得的振荡器的单频操作；

图3显示在出现寄生模时(情况a)和在纯单个频率操作的情况(情况b) 下法布里珀罗标准具的响应，在等于法布里珀罗标准具的自由光谱范围(FSR) 值的频偏之后，每个透射峰被全同地复制；

图4扼要显示本发明的实施；

图5显示本发明的实施，其中使用周期性极化铌酸锂(periodically poled  lithium niobate，PPLN)晶体，a)腔的示意图，b)所述PPLN晶体的侧视图，其 中显示了反转畴；

图6显示本发明的实施，其中使用沿方向x具有连续可变的反转周期的周 期性极化铌酸锂晶体(扇出型PPLN晶体)，a)腔的一般示意图，b)反转周期沿 方向x的变化的图示，c)所述晶体的3D图示；

图7显示本发明的使用晶体的局部的实施，其中所述晶体的光学长度可通 过电光效应进行变化，a)腔的示意图，b)晶体的剖视图，其中显示了具有指挥 电极的可变光学长度部件；

图8显示本发明的实施，其中为了能通过沿方向y(垂直于平面xz)简单 移动所述晶体来调节所述波之间的相对失相值ΔΦ而使用沿方向y具有第二角γ 的晶体。

具体实施方式

图4显示实施本发明的一般示意图。抽运辐射激光器11所给出的频率f_p处的主辐射依次穿过光隔离器12和分束器13以便能过滤抽运辐射的互补辐射， 该互补辐射穿过非线性晶体7后被消色差镜2反射。所述消色差镜2在对于光 学参数振荡器的任何信号辐射或互补辐射频率均保持下述辐射间的相对失相 (ΔΦ)不变的同时，反射所述三个辐射的全部或部分。沉积在非线性晶体7的 入面上的镜8虽然对于其它两个波长是完全透明的，但在信号辐射频率处可进 行全反射，而镜1对于抽运辐射和信号辐射是透明的同时部分反射互补辐射波 长，该互补辐射波长在分束器13上被反射后能为使用者所用。为了连续调频， 非线性晶体7安装到在平面xz 14内平行移动的台上以确保相对于方向x以角β 移动。图4中相对于与辐射传播方向z正交的方向x标出角α和β，方向y与图 面正交。

图5显示本发明的第一个实施，其中使用由1.064μm的Nd:YAG (Neodymium Doped Yttrium AIuminum Garnet，掺钕钇铝石榴石)激光器抽运 的周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体，以便以常规的O型准相位匹配产生1.45μm (n_s～2.14)的信号辐射波和4μm(n_c～2.06)的互补辐射波。在消色差镜2上 反射前所穿越的最后一个周期性畴15的取向平行于晶体7的出面9，从而所述 波之间的相对相位值ΔΦ在所述晶体的沿方向x的任何位置上都保持不变。出 面9针对所述三个波长镀有抗反射膜以便减少出晶处的菲涅耳损耗(Fresnel  losses)。所述腔的光学长度的比率(l_s/l_c)选择为等于0.96(可获得稳定单频操作 的典型值)。应用角α和β间的关系显示在所述条件下β～1.5α。对于角α＝0.5° 和光学长度l_c＝12mm的典型值(腔含有5mm长的铌酸锂晶体)，当所述台移 动1mm时得到58GHz的调节范围。鉴于市售的台的移动速度约为5mm/s， 则可知扫描速度为290GHz/s，而当用压电调控器分别调节所述两个腔的长度并 且通过实施与微机相连的波长测量器来修正移动缺陷时，该扫描速度一般为0.5 GHz/s(A.Berrou，M.Raybaut，A.Godard，M.Lefebvre，Appl.Phys B，98(2010))。

图6显示本发明的实施，其中使用沿方向x具有连续可变的反转周期的铌 酸锂晶体(“扇出”型晶体)。对于前述条件(α＝0.5°和β＝0.75°以及在4μm 的互补辐射波长附近操作的5mm长铌酸锂晶体)，可推知对于台的横向移动 ＝10mm得到580GHz的连续调频范围。通过选择在10mm内反转周期在28.3 μm到28.38μm之间变化的“扇出”晶体，将使光学参数振荡器的中心波长遵 循该频率变化。这样的晶体的几何规格为例如沿方向z的长度＝5mm、沿方向y 的厚度＝1mm以及沿方向x的高度＝10mm，其中每一区域的长度在28.3μm到 28.38μm之间变化，如图6的部分b)所示。

对于在极广范围(一般大于1THz)内连续调频的情况，图7所显示的操 作模式能补偿所述晶体的光学色散以及所述比率R的变化。此处使用II型准相 位匹配的铌酸锂晶体。为补偿其光学色散，该晶体包括非周期性反转的光学长 度可变的第一畴16。对于此类II型相位匹配，互补辐射波沿着晶体的沿方向y 的晶轴c极化，而信号辐射波和抽运辐射波正交于晶轴c极化。通过用电极17A 和17B沿晶体的晶轴c施加电场来调节互补辐射共振腔的光学长度，以便补偿 所述三个辐射间的光学色散以及比率R的变化(对于极广范围内的调频不再是 可忽略的)。

图8显示的操作模式能通过改变光学腔中所述晶体沿方向y的位置来调节 所述波之间的相对于回波的相位值(ΔΦ)。可通过在所述移动的台和所述晶体 之间插入例如压电楔(piezoelectric wedge)来调节晶体7沿方向y的位置。为 此，将最后一个周期性畴15的背面9抛光以使其沿平行于平面yz的平面的任 何剖面(section)都相对于方向y形成角γ。依赖于所使用的晶体，从已知的光 学指数值来得到角γ的值。这样，对于厚度为1mm的铌酸锂晶体，角γ的值选 择为约0.6°以便能使ΔΦ值变化π并由此获得最佳相位以使往返的参数转换同样 高效。一旦完成相位调节，则如前述通过相对于方向x以角β移动所述晶体来获 得连续调频。该实施的构造能降低晶体7的抛光限制，鉴于可通过所述晶体的 垂直(vertical)移动来使最后一个畴15的厚度变化，尤其不必规定最后一个畴 15的厚度。

显然，这里所提出的实施例的种类不代表可能的实施例的详尽罗列。