以超晶格為變頻晶體的全固態紅、藍雙色雷射器

《以超晶格為變頻晶體的全固態紅、藍雙色雷射器》是南京大學於2001年1月5日申請的專利，該專利的申請號為011080248，公布號為CN1306326，公布日為2001年8月1日，發明人是祝世寧、何京良、朱永元、王惠田、羅國珍、閔乃本，該專利涉及一種用超晶格來進行倍頻和三倍頻是實現短波長雷射輸出的裝置。

《以超晶格為變頻晶體的全固態紅、藍雙色雷射器》是以一塊周期光學超晶格組成的腔外紅藍兩色轉換的雷射器，由一半導體雷射器為泵浦光源，以摻Nd:YVO₄晶體（3）的前表面鍍膜和腔鏡（5）一起構成1.342微米雷射的諧振腔;再以一塊周期為14.778微米LiTaO₃超晶格（8）置於泵浦光路的控溫爐（9）中。紅、綠、藍是三種基本顏色，紅、綠、藍雷射器在高亮度雷射顯示，彩色列印等光電子產業中具有重要的套用前景。

2005年，《以超晶格為變頻晶體的全固態紅、藍雙色雷射器》獲得第四屆江蘇省專利項目獎優秀獎。

（概述圖為《以超晶格為變頻晶體的全固態紅、藍雙色雷射器》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：以超晶格為變頻晶體的全固態紅、藍雙色雷射器
• 公布號：CN1306326
• 公布日：2001年8月1日
• 申請號：011080248
• 申請日：2001年1月5日
• 申請人：南京大學
• 地址：江蘇省南京市漢口路22號
• 發明人：祝世寧、何京良、朱永元、王惠田、羅國珍、閔乃本
• 分類號：H01S3/0941、H01S3/08、H01S3/16、H01S3/10
• 代理機構：南京大學專利事務所
• 類別：發明專利
• 代理人：陳建和

專利背景

超晶格來進行倍頻和三倍頻是實現短波長雷射輸出的重要手段，一向為人們所重視。利用二階非線性效應實現三倍頻必須包含倍頻和和頻兩個參量過程，在此之前相關的研究工作有：

祝世寧等人1997年在Science上發表了用準周期Fibonacci光學超晶格（QPOS）實現綠光三倍頻的文章，利用準周期Fibonacci序列的LiTaO₃超晶格的兩個倒格矢分別補償了1570納米基波在倍頻和和頻兩個參量過程中的位相失配，產生了有效的523納米三倍頻綠光。該超晶格的基本參數是正疇l=10.7微米，兩個結構單元A=24微米，B=17.5微米。樣品總長度為8毫米，厚度為0.5毫米。1570納米紅外光單次通過產生的綠光功率達6兆瓦，轉換效率為23％。

劉照偉等人在2000年6月的ISFD-6會議上發表了名為“雙周期LT晶體對1.064微米雷射三倍頻產生紫外雷射”的文章，報導了用雙周期結構實現對1.064微米的基波光的直接三倍頻，兩個周期分別為l=6.77微米，L=51.08微米，設計的匹配溫度為40℃。倍頻、三倍頻的最高轉換效率分別為33％和0.54％。

M.Pierrou等人在1999年的Opt.Lett上發表了“用一階準位相匹配的KTP晶體通過腔內倍頻產生740兆瓦輸出的藍光”的文章。所用的KTP晶體周期為6.09微米，獲得的藍光波長為473納米，轉換效率為5.7％。

在第一篇文章中，使用的是標準的Fibonacci準周期光學超晶格實現523納米的三倍頻綠光直接輸出；第二篇文章使用雙周期超晶格實現了355納米的三倍頻紫外光的直接輸出；第三篇文章使用一塊周期超晶格實現倍頻的藍光輸出。以上方案均不涉及到利用周期超晶格來同時實現1.342微米的倍頻和直接三倍頻。

發明內容

專利目的

《以超晶格為變頻晶體的全固態紅、藍雙色雷射器》的目的是：利用周期超晶格來同時實現1.342微米雷射的倍頻和直接三倍頻輸出，利用摻Nd晶體如Nd:YVO4優異的雷射晶體的性質，並根據設計出具有特定周期的LiTaO₃鐵電疇超晶格，該超晶格能對Nd:YVO4晶體的1.342微米發射同時實現高效的倍頻和三倍頻，從而出構造能實現紅、藍雙色雷射輸出的小型全固態雷射器。

技術方案

《以超晶格為變頻晶體的全固態紅、藍雙色雷射器》目的是以下述方式實現的：以鉭酸鋰等材料的超晶格為變頻晶體的全固態紅、藍雙色雷射器，其特徵是以一塊周期光學超晶格組成的腔外紅藍兩色轉換的雷射器，由一半導體雷射器為泵浦光源，以摻Nd:YVO₄晶體（3）的前表面鍍膜和腔鏡（5）一起構成1.342微米雷射的諧振腔；再以一塊周期為14.778微米LiTaO₃超晶格（8）置於泵浦光路的控溫爐（9）中，基波雷射的波長為1.342微米。該發明可選用不同摻Nd雷射晶體，採用F_3/2-＞I_13/2的激發譜線，根據不同晶體所對應的發射波長，設計不同周期的LiTaO₃超晶格。

1.Nd:YVO₄晶體波長為1.342微米的發射正好位於此範圍以內，對應的匹配溫度為74.1℃，對應的周期為14.778微米。又由以上分析可知，1.342微米附近幾納米的波長均可以用周期的LiTaO₃超晶格進行倍頻和三倍頻（附圖），由於在不同晶體中Nd離子對應的F_3/2-＞I_13/2發射譜線相對於1.342微米有少量位移，這意味其他摻Nd的雷射晶體也可以用這種周期LiTaO₃超晶格產生倍頻紅光和三倍頻藍光Nd:YVO₄只是對應的基波波長、相匹配溫度和超晶格周期略有差異。此設計方案也適用於其它的非線性晶體，如LiNbO₃。

2.該發明適用於光學超晶格對所有含Nd離子的雷射晶體所對應的F_3/2-＞I_13/2發射進行倍頻和三倍頻，同時獲得紅、藍二束雷射。如Nd:YAG晶體和Nd:YAP晶體，它們對應的該譜線的發射波長分別為1.325微米和1.341微米，它們分別可用這種超晶格材料獲得663納米的紅光與442納米的藍光和671納米的紅光與447納米的藍光。

除了周期超晶格，該發明也包含所有其他準周期、雙周期和其他系列非周期光學超晶格對上述雷射進行倍頻和三倍頻，同時獲得紅、藍二束雷射。如可採用LiNbO₃晶體，利用準周期超晶格，同樣也可對Nd的這一譜線實現倍頻與三倍頻。對應於Nd:YVO₃晶體，該準周期的結構參數為D=15.329微米，D_A=16.300微米，D_B=12.493微米，正疇寬度Lc=6.2微米與投影角有關的參數τ=0.17395，相匹配溫度為120℃。對準周期參數的選擇條件是使其倒空間中倒格矢滿足耦合光參量過程中準位相匹配條件：且為二組元周期結構，二組元準周期結構是由A、B兩個基元按準周期序列排列構成，該序列可以用投影的方法得到。即在一個二維正方點陣中做一條斜率為tanθ的直線，投影區域寬度為sinθ+cosθ。區域內的格點向直線投影點就構成了一個投影角為θ的二組元準周期序列。該發明所述的準周期介電體超晶格材料即是以上述設定方法製備的具有微結構的材料，以LT和LN晶格材料為典型。例如參見該申請人的0019006.7和0019007.5周期和準周期結構的介電體超晶格材料的設定和製備方法。

3.除了LiTaO₃晶體，該發明也包含LiNbO₃KTP、RTP等其他非線性光學晶體的光學超晶格，根據這些晶體的折射率色散關係都可以針對上述的雷射晶體所對應的雷射波長設計出特定結構和結構參數的光學超晶格實現雷射的倍頻和三倍頻，同時獲得紅、藍二束雷射。

周期光學超晶格通常只用於倍頻、和頻或差頻等單個參量過程的頻率轉換。周期超晶格的倒格矢可以表示為G=m2πΛ]]>，其中Λ為周期，m為整數，即所有的倒格矢都是第一階倒格矢的整數倍。一般在單一頻率基波入射情況下，周期結構的倒格矢中只有一個倒格矢能補償單個參量過程的位相失配。在材料正常色散區域，每種晶體只可能在某一特點波長附近十幾納米的狹窄區間利用兩個不同的倒格矢分別補償基波的倍頻和基波與二次諧波的和頻兩個參量過程的位相失配，使得這兩個參量過程相互耦合，直接實現三倍頻，並同時獲得部分剩餘倍頻光的輸出。

該結構的設計思路如下：周期結構正負電疇的寬度比取1:1，因偶數階的倒格矢消光，只取奇數階的倒格矢。倍頻的位相失配比和頻的小，為了利用最大的有效非線性係數，用周期結構的一階倒格矢補償倍頻的位相失配，即

（1）

λ為基波波長，Λ為周期。n₁和n₂分別為基波光和倍頻光的折射率。補償和頻位相失配的倒格矢取三階，即

（2）

由方程（1）和（2）得

（3）

用如下的色散公式來計算折射率

其中的參數為：A=4.5284，B=7.2449×10，C=0.2453，D=-2.3670×10，E=7.7690×10，F=0.1838，b（T）=2.6794×10（T+273.15），c（T）=1.6234×10（T+273.15）。

上述方程中存在兩個未知參數λ和T，λ為基波光的波長，T為溫度。因為在實用中匹配溫度在0℃到150℃之間較容易實現，根據（1）、（2）、（3）式算得的對應基波光波長為1.336微米到1.349微米（如圖2所示）。Nd:YVO₄晶體波長為1.342微米的發射正好位於此範圍以內，對應的匹配溫度為74.1℃，對應的周期為14.778微米。又由以上分析可知，1.342微米附近幾納米的波長均可以用周期的LiTaO₃超晶格進行倍頻和三倍頻，由於在不同晶體中Nd離子對應的F_3/2-＞I_13/2發射譜線相對於1.342微米有少量位移，這意味其他摻Nd的雷射晶體也可以用這種周期LiTaO₃超晶格產生倍頻紅光和三倍頻藍光，只是對應的基波波長、相匹配溫度和超晶格周期略有差異。此設計方案也適用於其它的非線性晶體，如LiNbO₃。只是由於對應的折射率公式不同，能滿足位相匹配條件的波長範圍也不同。

《以超晶格為變頻晶體的全固態紅、藍雙色雷射器》的優越性：

1.紅、綠、藍是三種基本顏色，紅、綠、藍雷射器在高亮度雷射顯示，彩色列印等光電子產業中具有重要的套用前景。目前在三色雷射器中僅有綠光雷射器技術較為成熟，並已形成商品，而紅、藍雷射器都還是處於技術探索階段。該發明從一台雷射器能產生紅、藍二色雷射，因而具有極高的套用價值。

2.採用其他結構的光學超晶格也可1.342微米附近的雷射倍頻和直接三倍頻，實現紅光和藍光的同時輸出。該發明採用周期結構的光學超晶格，其優越性首先在於周期結構的有效非線性係數高於其它準周期、雙周期、非周期等複雜結構，因此更容易獲得較高的倍頻、三倍頻輸出。

3.簡單的周期結構在設計以及製版、光刻和極化製備工序上比複雜結構方便且易於控制。

4.Nd:YVO₄晶體具有吸收係數大，吸收頻寬，發射載面大，輸出為線偏振等優點，該晶體中對應於1.342微米發射的Nd離子F_3/2-＞I_13/2能級躍遷具有較強的相對強度，因而可以在較低的閾值條件下獲得較高功率的該波長的雷射輸出。LiTaO₃晶體適用的1.342微米的雷射，是Nd:YVO₄晶體的四能級結構，吸收截面較大，光-光轉換效率較高，因而容易產生較高的基波輸出，也容易獲得較高的倍頻、三倍頻輸出。

附圖說明

圖1為使用《以超晶格為變頻晶體的全固態紅、藍雙色雷射器》同時輸出準連續紅光和藍光的雷射器的示意圖。

圖2為周期鉭酸鋰超晶格藍光三倍頻相匹配關係圖，且周期為14.778微米的LiTaO₃的超晶格產生倍頻紅光和三倍頻藍光的基波波長所對應的相匹配溫度，橫座標，縱座標分別是相匹配溫度波長和所對應的周期。

圖1如下：

（1）半導體雷射器（LD），波長為809納米；

（2）聚焦系統，一般為透鏡組；

（3）Nd:YVO₄晶體，產生1.342微米雷射的雷射介質；

（4）調Q裝置（如聲光裝置）；

（5）1342納米雷射的輸出鏡（如T=8％）；

（6）會聚透鏡（如f=25毫米）；

（7）控溫爐，用來調諧溫度；

（8）周期超晶格晶體，產生倍頻紅光，三倍頻藍光；

（9）輸出紅藍雙色雷射；

（10）多層膜1342納米的增透膜，671納米的高反膜；

（11）多層膜，671納米的高反膜，447納米的高透膜。

權利要求

1、以超晶格為變頻晶體的全固態紅、藍雙色雷射器，其特徵是以一塊周期光學超晶格組成的腔外紅藍兩色轉換的雷射器，由一半導體雷射器為泵浦光源，以摻Nd:YVO₄晶體（3）的前表面鍍膜和腔鏡（5）一起構成1.342微米雷射的諧振腔；再以一塊周期為14.778微米LiTaO₃超晶格（8）置於泵浦光路的控溫爐（9）中。

2、由權利要求1所述的以超晶格為變頻晶體的全固態紅、藍雙色雷射器，其特徵是以超晶格（結構包括周期、準周期、非周期和串聯周期等，材料包括鉭酸鋰、鈮酸鋰和KTP等）為變頻晶體，以摻Nd晶體為雷射介質（包括Nd:YAG，Nd:YLF，Nd:YAP等）。

3、由權利要求1所述的以超晶格為變頻晶體的全固態紅、藍雙色雷射器，其特徵是所述光學超晶格晶體為以Nd離子F_3/2-＞I_13/2躍遷所激發的波長為基波（通常在1.3微米-1.4微米之間，取決於不同的寄主晶體），通過準位相匹配方式實現藍光三倍頻的所有半導體雷射器泵浦的全固態藍光雷射器。

4、由權利要求1所述的以超晶格為變頻晶體的全固態紅、藍雙色雷射器，其特徵是雷射介質為摻Nd晶體，且在包括Nd:YAG，Nd:YLF，Nd:YAP的雷射器中工作。

實施方式

實施例1

按照圖1製作一台用一塊周期光學超晶格組成的腔外紅藍兩色轉換的雷射器（這一過程已經在實驗上實現）。LD的型號為OPC-DO15-809，輸出的波長為809納米，最大輸出功率為15W，Nd:YVO₄晶體（3）的前表面鍍膜，和腔鏡（5）一起構成1.342微米雷射的諧振腔。經聲光開關，在腔鏡（5）後能產生平均功率約為500兆瓦的準連續1.342微米的雷射，重複頻率為10KHz，脈寬約30ns。一塊製備好的周期為14.778微米LiTaO₃超晶格（8）（長度為1.8厘米）置於控溫爐（9）中。調節控溫爐的溫度，在相匹配溫度，紅光和藍光輸出達到最大，其轉換效率分別為41.9％，10.3％。

實施例2

按照圖1製作一台用周期超晶格組成的紅藍光雷射器。與實施例1不同的是，在超晶格的前後兩個面分別鍍上多層膜。前表面鍍1.342微米的增透膜，671納米的高反膜；後表面鍍671納米的高反膜，447納米的高透膜。這樣在超晶格內部使倍頻所得671納米紅光產生諧振，使其強度增加，這能增加三倍頻藍光的轉換效率。同時，改變後表面對671納米的透過率，可以改變紅光藍光輸出的比例。

榮譽表彰

2005年，《以超晶格為變頻晶體的全固態紅、藍雙色雷射器》獲得第四屆江蘇省專利項目獎優秀獎。