本發(fā)明涉及激光，特別涉及一種不同于傳統(tǒng)非線性光學單晶的紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換元件及應用其的轉(zhuǎn)換器、激光器。

背景技術：

1、非線性光學是研究介質(zhì)在強相干光作用下產(chǎn)生的非線性現(xiàn)象及其應用。非線性光學頻率變換包括激光頻率的上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換，其中差頻技術是利用其頻率下轉(zhuǎn)換效應，以實現(xiàn)光學頻率減少、波長增大的效果，是目前實現(xiàn)紅外波段激光輸出應用最廣泛的一種手段。差頻技術的核心基礎是非線性光學頻率轉(zhuǎn)換器件。目前實現(xiàn)紅外差頻輸出的要求是頻率轉(zhuǎn)換器件需要滿足相位匹配，而主要的相位匹配方法有雙折射相位匹配和準相位匹配兩種。但上述這兩種相位匹配方法均對非線性光學晶體有諸多限制，限制了應用范圍。

2、非線性光學材料包括單晶和多晶陶瓷。其中單晶是指結(jié)晶體內(nèi)部的微粒在三維空間呈有規(guī)律地、周期性地排列，形成單一的晶體多面體。這種結(jié)構(gòu)使得單晶在整個晶體中質(zhì)點排列長程有序，晶格連續(xù)且一致，同時具有各向異性的特點。而多晶陶瓷不同于單晶，多晶陶瓷是一種由多個細小晶粒組成的無機材料，這些晶粒通過界面相互隔開，形成聚集狀態(tài)，不具有長程有序和各向異性的特點。對于非線性光學多晶透明陶瓷，多晶陶瓷相比于單晶，制備相對簡單，生長技術成熟，可以生長大尺寸(～米級)，避免了晶體質(zhì)量和尺寸限制等問題，因此，多晶陶瓷在非線性光學領域有著很好的應用基礎和前景。但是，由于透明陶瓷的雙折射率為零，無法實現(xiàn)相位匹配，而且陶瓷內(nèi)部為多晶顆粒，其顆粒大小和方向多為隨機分布，盡管可以產(chǎn)生隨機準相位匹配，但其頻率轉(zhuǎn)換效率較低，影響了實際應用。

3、因此，如何提供一種基于非線性光學多晶透明陶瓷的紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換元件及應用其的轉(zhuǎn)換器、激光器是本領域技術人員亟待解決的技術問題。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對現(xiàn)有非線性光學頻率轉(zhuǎn)換技術和非線性光學材料的不足，以非線性光學多晶透明陶瓷為研究對象，提供一種紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換元件及應用其的轉(zhuǎn)換器、激光器，可實現(xiàn)紅外波段的差頻激光輸出，采用添加周期相位方法在非線性光學多晶陶瓷中，實現(xiàn)光學頻率轉(zhuǎn)換。

2、本發(fā)明提供的一種紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換元件，采用非線性光學多晶透明陶瓷，所述非線性光學多晶透明陶瓷內(nèi)部沿通光方向設置有周期性規(guī)律分布的加工區(qū)域和未加工區(qū)域，所述加工區(qū)域和所述未加工區(qū)域的折射率不同，形成折射率周期性分布的相位光柵；所述加工區(qū)域用于提供基頻光、信號光與差頻光的相位差，且所述加工區(qū)域不具有非線性光學效應。

3、本發(fā)明由于光學頻率轉(zhuǎn)換器件中的多晶陶瓷內(nèi)部設置有周期規(guī)律分布的加工和未加工區(qū)域；加工區(qū)域無非線性光學效應，只提供相位差，從而阻斷差頻光到基頻光的“回流”過程，但該加工區(qū)域仍能提供基頻光、信號光與差頻光的相位差，彌補非線性光學多晶陶瓷相位失配不足，實現(xiàn)高效差頻的轉(zhuǎn)換。

4、優(yōu)選的，所述相位光柵沿所述非線性光學多晶透明陶瓷通光方向平行排布。

5、優(yōu)選的，一個光柵周期內(nèi)所述加工區(qū)域和所述未加工區(qū)域提供基頻光與倍頻光的相位差為π的奇數(shù)倍。通過控制破壞區(qū)域附加的周期性相位差，從而滿足相位匹配條件，實現(xiàn)有效的光學頻率轉(zhuǎn)換。

6、優(yōu)選的，所述相位光柵的周期λ＝la+lb，la是一個周期內(nèi)所述非線性光學多晶透明陶瓷沿通光方向未加工區(qū)域的寬度，lb是所述非線性光學多晶透明陶瓷沿通光方向加工區(qū)域的寬度。

7、優(yōu)選的，所述非線性光學多晶透明陶瓷的加工區(qū)域的加工方式包括激光微加工或離子刻蝕。

8、優(yōu)選的，根據(jù)入射基頻光、信號光和差頻光波長以及所述非線性光學多晶透明陶瓷的折射率色散方程，控制加工區(qū)域長度，提供附加周期相位。

9、優(yōu)選的，所述非線性光學多晶透明陶瓷包括硫化鋅陶瓷、硒化鋅陶瓷、碲化鋅陶瓷、砷化鎵陶瓷和硒化鎵陶瓷中的任意一種。

10、優(yōu)選的，加工區(qū)域的截面為拋光面，并鍍以基頻光、信號光和差頻光的高透膜或不鍍膜。

11、本發(fā)明還提供了一種紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換器，包括：沿光路依次設置的泵浦源、非線性光調(diào)節(jié)系統(tǒng)和光學頻率轉(zhuǎn)換器件；所述光學頻率轉(zhuǎn)換器件采用所述的一種紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換元件；

12、所述泵浦源產(chǎn)生基頻光；部分所述基頻光經(jīng)過所述非線性光調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行倍頻，獲得近紅外光參量振蕩激光，即信號光；所述信號光與剩余部分的所述基頻光共線、且同步入射至所述光學頻率轉(zhuǎn)換器件，并產(chǎn)生差頻，獲得紅外波段差頻激光。

13、優(yōu)選的，還包括鍺片和探測器；所述紅外波段差頻激光透過所述鍺片入射至所述探測器；探測器用于探測所述紅外波段差頻激光的參數(shù)。

14、本發(fā)明還提供了一種激光器，包括所述的一種紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換器，用于實現(xiàn)紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換。

15、本發(fā)明提出的紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換元件及應用其的轉(zhuǎn)換器、激光器相較現(xiàn)有技術具有以下有益效果：

16、1、本發(fā)明采用非線性光學多晶陶瓷，多晶陶瓷內(nèi)部設置有周期規(guī)律分布的加工和未加工區(qū)域；該加工區(qū)域無非線性光學效應，從而阻斷差頻光到基頻光的轉(zhuǎn)換過程，但該加工區(qū)域能提供基頻光與差頻光的相位差。例如：可通過激光加工、離子刻蝕等技術在非線性光學多晶陶瓷內(nèi)部形成折射率周期性分布的相位光柵，從而提供一個附加周期相位，彌補非線性光學多晶陶瓷相位失配不足，實現(xiàn)高效差頻的轉(zhuǎn)換。不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且具有加工過程容易、成本低、尺寸大等優(yōu)點，可成功實現(xiàn)紅外波段的光學頻率轉(zhuǎn)換。

17、2、本發(fā)明對于非線性光學多晶陶瓷的結(jié)構(gòu)無特別要求，對所有的非線性光學多晶陶瓷在其透過率允許范圍內(nèi)均可能夠加工實現(xiàn)紅外波段的光學頻率轉(zhuǎn)換。無需考慮結(jié)晶質(zhì)量和均勻性等問題，極大的提高了多晶陶瓷批量化生產(chǎn)和應用的優(yōu)勢。

18、3、本發(fā)明不需要借助額外的作用，例如：電場的作用，僅僅通過在非線性光學多晶陶瓷中加工周期性光柵即可實現(xiàn)紅外波段的光學頻率轉(zhuǎn)換，方法十分簡單且加工精度高，可控性強。

19、4、本發(fā)明所述附加周期相位的相位匹配方式可以對非線性光學多晶陶瓷進行優(yōu)選，如選取有效非線性系數(shù)較大的多晶陶瓷，從而提高頻率轉(zhuǎn)換效率。

20、5、本發(fā)明可以對不同的波長進行優(yōu)選，只需根據(jù)所需波長選取適當非線性多晶陶瓷通過激光光刻等工藝提供與之匹配的附加周期相位，便可實現(xiàn)相應波長的頻率轉(zhuǎn)換。

技術特征：

1.一種紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換元件，其特征在于：采用非線性光學多晶透明陶瓷，所述非線性光學多晶透明陶瓷內(nèi)部沿通光方向設置有周期性規(guī)律分布的加工區(qū)域和未加工區(qū)域，所述加工區(qū)域和所述未加工區(qū)域的折射率不同，形成折射率周期性分布的相位光柵；所述加工區(qū)域用于提供基頻光、信號光與差頻光的相位差，且所述加工區(qū)域不具有非線性光學效應。

2.根據(jù)權利要求1所述的一種紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換元件，其特征在于，所述相位光柵沿所述非線性光學多晶透明陶瓷通光方向平行排布。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換元件，其特征在于，一個光柵周期內(nèi)所述加工區(qū)域和所述未加工區(qū)域提供基頻光與倍頻光的相位差為π的奇數(shù)倍。

4.根據(jù)權利要求1所述的一種紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換元件，其特征在于，所述相位光柵的周期λ＝la+lb，la是一個周期內(nèi)所述非線性光學多晶透明陶瓷沿通光方向未加工區(qū)域的寬度，lb是所述非線性光學多晶透明陶瓷沿通光方向加工區(qū)域的寬度。

5.根據(jù)權利要求1所述的一種紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換元件，其特征在于，所述非線性光學多晶透明陶瓷的加工區(qū)域的加工方式包括激光微加工或離子刻蝕。

6.根據(jù)權利要求1所述的一種紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換元件，其特征在于，根據(jù)入射基頻光、信號光和差頻光波長以及所述非線性光學多晶透明陶瓷的折射率色散方程，控制所述加工區(qū)域長度，提供附加周期相位。

7.根據(jù)權利要求1所述的一種紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換元件，其特征在于，所述非線性光學多晶透明陶瓷包括硫化鋅陶瓷、硒化鋅陶瓷、碲化鋅陶瓷、砷化鎵陶瓷和硒化鎵陶瓷中的任意一種。

8.根據(jù)權利要求1所述的一種紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換元件，其特征在于，加工區(qū)域的截面為拋光面，并鍍以基頻光、信號光和差頻光的高透膜或不鍍膜。

9.一種紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換器，其特征在于，包括：沿光路依次設置的泵浦源、非線性光調(diào)節(jié)系統(tǒng)和光學頻率轉(zhuǎn)換器件；所述光學頻率轉(zhuǎn)換器件采用權利要求1-8中任一項所述的一種紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換元件；

10.一種激光器，其特征在于，包括權利要求9所述的一種紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換器，用于實現(xiàn)紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換。

技術總結(jié)
本發(fā)明公開了一種紅外波段光學頻率轉(zhuǎn)換元件及應用其的轉(zhuǎn)換器、激光器，采用非線性光學多晶透明陶瓷，所述非線性光學多晶透明陶瓷內(nèi)部沿通光方向設置有周期性規(guī)律分布的加工區(qū)域和未加工區(qū)域，所述加工區(qū)域和所述未加工區(qū)域的折射率不同，形成折射率周期性分布的相位光柵；所述加工區(qū)域用于提供基頻光、信號光與差頻光的相位差，且所述加工區(qū)域不具有非線性光學效應。本發(fā)明可實現(xiàn)紅外波段的差頻激光輸出，采用添加周期相位方法在非線性光學多晶陶瓷中，實現(xiàn)光學頻率轉(zhuǎn)換。

技術研發(fā)人員：于浩海,張懷金,路大治,武奎
受保護的技術使用者：山東大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/10