CN101794959A - 基于多片结构的非线性光学晶体激光变频耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多片结构的非线性光学晶体激光变频耦合器，其包括N块非线性光学晶体，N为≥2正整数，该非线性光学晶体具有呈平板形的光束入射面和出射面，在光束入射面上或同时在光束入射面及光束出射面上置有一耦合棱镜；所述N块非线性光学晶体的c面采用光胶或离子键合粘合成一体，N块非线性光学晶体的a轴相互平行并上下对准，其对准度为≤1°；N块非线性光学晶体的c轴相互平行并上下对准，其对准度为≤0.1°。本发明将N块厚度很薄的非线性光学晶体KBBF光胶或离子键合粘接为一体，KBBF晶体厚度加大使其更具实用化，其多层结构的非线性光学晶体KBBF激光变频耦合器，可实现高效率、高功率紫外及深紫外激光输出。
Description
技术领域
本发明涉及紫外及深紫外全固态激光领域，特别涉及一种能产生高效率、高功率紫外、深紫外激光的非线性光学晶体变频耦合器件。
背景技术
目前波长200nm以下的深紫外全固态激光器，在物理、化学、材料、信息等学科领域具有重大的应用价值，并将促进一些交叉学科和一些新领域的发展(参见文献1和文献2)。
氟硼铍酸钾晶体(KBe2BO3F2以下简称KBBF)棱镜耦合(PCT)技术是目前唯一可通过直接倍频产生波长200nm以下深紫外激光的方法(参见文献3和文献4)。
基于KBBF-PCT直接倍频技术的深紫外全固态激光源具有实用化与精密化的突出优点。近年来，大量研究及应用领域对高功率深紫外激光提出了迫切的需求，如193nm光刻技术、拉曼光谱技术、高精度能谱分析、光化学反应仪等。另一方面，Nd:YAG激光的四倍频266nm紫外激光具有波长短、光子能量大、聚焦特性好、热效应小等优点，在激光精细精密加工技术中有重大的应用价值。目前，获得四倍频266nm激光输出的非线性光学晶体主要有BBO、CLBO等，然而，对于BBO晶体，当四倍频输出功率超过300mW左右时将会出现严重的光折变效应，大大限制了266nm激光输出功率；采用CLBO晶体虽已可以获得几十瓦的266nm激光输出，但是CLBO晶体具有严重的潮解性，很难实现实用化与产业化应用。近年来，KBBF晶体以其优良的特性在四倍频266nm激光产生上展示出了极大的潜力(如文献5所示)，有望成为一种产生高功率四倍频激光的实用化晶体。
然而，目前通过KBBF-PCT技术高效率地产生高功率深紫外激光及四倍频266nm激光主要受限于KBBF晶体厚度，原因是，目前可实用的KBBF晶体厚度太薄(小于3mm)，远小于倍频所允许的孔径长度。例如，对于177.3nm、193.5nm及266nm激光的产生，当基频光光斑直径为500um时，倍频的孔径长度分别为9.3mm、7.8mm、8.1mm，远大于目前所能得到的KBBF晶体厚度。
文献6公开的非线性光学晶体激光变频耦合器，其包括一非线性光学晶体，及非线性光学晶体的前端面上或后端面上单独或同时刻有衍射光栅；或者非线性光学晶体的前端面上刻有衍射光栅，后端面上放置一输出耦合棱镜；或非线性光学晶体的后端面上刻有衍射光栅，前端面上放置一输出耦合棱镜；其优点是：可以使没有按照位相匹配方向切割的非线性光学晶体实现位相匹配，获得变频输出；可以把那些不易切割、不能切割或由于造价昂贵而不便切割的非线性晶体使用起来，使之有效地应用于激光变频领域，为非线性光学晶体材料的充分应用提供一种重要途径。但是却存在的缺陷是：所述的非线性光学晶体为一块，对于不易长厚的非线性光学晶体，限制了激光变频的转换效率，不易获得高平均功率激光输出。
文献7公开的非线性光学晶体激光变频耦合器，虽然所述的非线性光学晶体可以为M块(M≥1)，非线性光学晶体之间使用匹配液粘接，然而，至今仍未发现可以适用于184nm以下光波的匹配液，限制了其在深紫外波段的应用，且匹配液无法将晶体真正粘接为一体，使用极不方便，因此，基于匹配液粘接的晶体难以实用化。
发明内容
本发明的目的在于，针对非线性光学晶体KBBF的厚度瓶颈及文献7中涉及到的基于匹配液粘接的晶体无法实用化的缺点，提出了采用光胶(超光滑表面光接触)粘接或离子键合粘接多块KBBF晶体以增加KBBF晶体厚度而制作基于多片结构的非线性光学晶体激光变频耦合器，从而实现高效率、高功率紫外、深紫外激光输出。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的基于多片结构的非线性光学晶体激光变频耦合器，其包括N块非线性光学晶体，N为≥2的正整数，该非线性光学晶体具有呈平板形的光束入射面和出射面，在非线性光学晶体的光束入射面上或同时在光束入射面及光束出射面上置有一耦合棱镜；其特征在于，所述N块非线性光学晶的c面光胶或离子键合粘合成一体，所述N块非线性光学晶体的a轴相互平行并上下对准，所述N块非线性光学晶体的a轴相互平行并上下对准的对准度为≤1°；所述N块非线性光学晶体的c轴相互平行并上下对准，所述N块非线性光学晶体的c轴相互平行并上下对准的对准度为≤0.1°。
所述的非线性光学晶体为具有片状或层状结构的非线性光学晶体。所述具有片状或层状结构的非线性光学晶体为KBBF、RBBF、CBBF或NBBF等。
本发明的基于多片结构的非线性光学晶体激光变频耦合器的制作步骤如下(以非线性光学晶体KBBF为例)：
1、晶体切割
KBBF非线性光学晶体属负单轴晶体，生长出来的晶体毛坯为六边形薄片形状，具有层状结构、厚度0.1-3mm，如图1所示，其晶体c轴严格垂直于薄片表面，a轴严格平行于六边形的一条边。利用这种特性，以a轴作为一基准边将KBBF晶体毛坯切割为矩形(长方形)结构；
2、多块晶体的光胶或离子键合粘接
将N块切割成矩形结构的KBBF非线性光学晶体的c面光胶或离子键合粘接成一体，N≥2，如图2所示，如果晶体解理面光洁度不够，可适当进行抛光加工。图2所示为4块KBBF非线性光学晶体1的c面光胶或离子键合粘接成一体；其中，光束入射面2，光束出射面3；
在N块切割成矩形的KBBF非线性光学晶体的光胶或离子键合粘接过程中，保证N块KBBF晶体的a轴相互平行且上下对准，其对准度≤0.1°；N块KBBF晶体的c轴相互平行且上下对准，其对准度≤1°；
也可将N块切割成矩形的KBBF非线性光学晶体光胶或离子键合粘接成如图3所示的阶梯状形状，这样可以增加晶体在a轴方向上的尺寸，适用于某些需要大尺寸晶体的场合，如基于KBBF晶体的宽调谐深紫外激光输出。N块KBBF非线性光学晶体的c轴和a轴的对准误差将影响倍频效率；图4及图5分别给出了对准误差对倍频效率的影响；图中，Δθ角表示c轴误差，Δ
角表示a轴误差；Δθ、Δ
可导致倍频有效非线性系数deff降低，deff的降低以平方关系引起倍频效率η的降低；从图3、4可知，当N块KBBF非线性光学晶体的c轴误差为0.1°时，对于倍频产生177.3nm激光，引起转换效率η降低～0.8％；当N块KBBF非线性光学晶体的a轴误差为1°时，引起转换效率η降低～0.6％；这些误差不会带来超过1％的效率降低，对于应用而言，本发明的N块KBBF非线性光学晶体的光胶或离子键合粘接过程中的N块KBBF晶体的a轴和c轴的对准误差引起的倍频效率降低均在可接受的范围之内；而KBBF晶体在孔径长度范围内厚度的增加带来的倍频转换效率的增加将超过线性关系。
3、KBBF变频耦合器件制作
将光胶或离子键合粘接成一体的KBBF晶体，代替文献6所示的非线性光学晶体激光变频耦合器，或者文献7所示的非线性光学晶体激光变频光栅耦合器中的单块KBBF晶体，制作成多层结构的KBBF-PCT器件或KBBF光栅耦合器件；图6所示为多层结构的KBBF-PCT器件结构示意图，该KBBF-PCT器件相对于现有的KBBF-PCT器件，非线性光学晶体KBBF倍频作用长度大大加长，可用以实现高效率、高功率紫外及深紫外激光输出。
本发明的优点在于：
本发明将N(N≥2)块厚度很薄的非线性光学晶体KBBF光胶或离子键合粘接为一体，KBBF晶体厚度大大加长且具有实用化优点，制作成多层结构的非线性光学晶体KBBF激光变频耦合器，可以实现高效率、高功率紫外及深紫外激光输出。
附图说明
图1为生长出来的KBBF晶体毛坯结构示意图；
图2为根据本发明对多块KBBF晶体进行粘接的示意图；
图3为根据本发明将多块KBBF晶体粘接成阶梯状结构示意图；
图4为计算得到的KBBF晶体倍频效率变化与晶体c轴对准误差之间的关系曲线；
图5为计算得到的KBBF晶体倍频效率变化与晶体a轴对准误差之间的关系曲线；
图6为本发明一个实施例的387nm到193.5nm变频的新型KBBF-PCT器件结构示意图；
图7为本发明另一个实施例的355nm到177.3nm变频的新型KBBF-PCT器件结构示意图；
图8为本发明的又一个实施例的170-210nm宽调谐激光输出的新型KBBF-PCT器件结构示意图；
图9为本发明的再一个实施例的532nm到266nm变频的新型KBBF光栅耦合器件结构示意图；
其中：切割好的长方形结构KBBF晶体1 光束入射面2
光束出射面3 粘接好的多层结构KBBF晶体4
入射SiO2棱镜5 出射CaF2棱镜6
入射CaF2棱镜7 入射衍射光栅8
出射衍射光栅9
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步描述本发明。
实施例1
按图5制作一种基于4片非线性光学晶体KBBF的激光变频耦合器。将4块1.8mm厚度的KBBF晶体毛坯以a轴作为一基准边割为尺寸16×6×1.8mm3的长方形结构晶体，其中长边沿着晶体a轴方向，c轴垂直于晶体薄片表面。再将其中2块KBBF晶体的c面进行光胶，光胶过程中保证a轴和c轴分别平行，a轴平行度优于1°，c轴平行度优于0.1°。依此过程，将4块晶体光胶成一体，如图2所示，从而形成一厚度为7.2mm的KBBF非线性光学晶体4。再在KBBF晶体4的光束入射面2上光胶粘接一SiO2棱镜5作为输入耦合棱镜，其光束出射面3上同样光胶粘接一CaF2棱镜6作为输出耦合棱镜，如图5所示。耦合棱镜5、6的一个顶角均切割为55.8°，使得在光线接近垂直入射的情况下可实现KBBF晶体从387nm到193.5nm的倍频匹配。本实施例中KBBF晶体厚度为四块晶体厚度之和，相对于单块KBBF-PCT器件，其倍频有效作用长度大大加长。基于此多层结构KBBF-PCT器件，可以获得高效率、高平均功率深紫外193.5nm激光输出。
实施例2
按图6制作一种基于3片非线性光学晶体KBBF的激光变频耦合器。将3块2.1mm厚度的KBBF晶体毛坯以a轴作为一基准边割为尺寸20×10×2.1mm3的长方形结构晶体，其中长边沿着晶体a轴方向，c轴垂直于晶体薄片表面。再将其中2块KBBF晶体的c面进行离子键合粘接，离子键合过程中保证a轴和c轴分别平行，a轴平行度优于0.5°，c轴平行度优于0.08°。依此过程，将3块晶体离子键合成一体，如图2所示，从而形成一厚度为6.3mm的KBBF非线性光学晶体4。再在KBBF晶体4的光束入射面2上离子键合粘接一CaF2棱镜7作为输入耦合棱镜，其光束出射面3上同样离子键合粘接一CaF2棱镜6作为输出耦合棱镜，如图6所示。耦合棱镜6、7的一个顶角均切割为68.6°，使得在光线接近垂直入射的情况下可实现KBBF晶体从355nm到177.3nm的倍频匹配。本实施例中KBBF晶体厚度为3块晶体厚度之和，相对于单块KBBF-PCT器件，其倍频有效作用长度大大加长。文献8中使用2.1mm厚单块KBBF晶体制作的PCT器件得到了41mW 177.3nm激光输出，倍频转换效率0.54％，如果用本实施例中的新型KBBF-PCT器件，有望将倍频转换效率提高3倍以上，得到百毫瓦177.3nm激光输出。基于此多层结构KBBF-PCT器件，可以获得高效率、高平均功率深紫外177.3nm激光输出。
实施例3
按图7制作一种基于3片非线性光学晶体RBBF的激光变频耦合器。将3块mm厚度的KBBF晶体毛坯以a轴作为一基准边割为尺寸25×10×2mm3的长方形结构晶体，其中长边沿着晶体a轴方向，c轴垂直于晶体薄片表面。将2块KBBF晶体的c面进行光胶，光胶过程中保证a轴和c轴分别平行，a轴平行度优于0.8°，c轴平行度优于0.06°。得到一厚度为6mm的阶梯状KBBF非线性光学晶体4，再在KBBF晶体4的光束入射面2上光胶粘接一SiO2棱镜5作为输入耦合棱镜，其光束出射面3上同样光胶粘接一CaF2棱镜6作为输出耦合棱镜，如图7所示。耦合棱镜5、6的一个顶角均切割为60°。此KBBF-PCT器件用于实现170-210nm宽调谐深紫外激光输出，器件绕中心旋转就可以实现宽调谐倍频角度匹配。本实施例中KBBF晶体厚度为3块晶体厚度之和，相对于单块KBBF-PCT器件，其倍频有效作用长度大大加长。并且KBBF晶体在a轴方向的尺寸也加长了。基于此多层结构KBBF-PCT器件，可以获得高效率、高平均功率宽调谐170-210nm深紫外激光输出。
实施例4
按图8制作一种基于3片非线性光学晶体KBBF的激光变频耦合器。
将3块2.5mm厚度的KBBF晶体毛坯以a轴作为一基准边割为尺寸20×10×2.5mm3的长方形结构晶体，其中长边沿着晶体a轴方向，c轴垂直于晶体薄片表面。将2块KBBF晶体的c面进行光胶5，光胶5过程中保证a轴和c轴分别平行，a轴平行度优于1°，c轴平行度优于0.1°。得到一厚度为7.5mm的KBBF非线性光学晶体6。在KBBF晶体4的光束入射面2上刻上入射衍射光栅8，在光束出射面3上刻上出射衍射光栅9，通过选择适当的光栅常数可以实现水平入射的基频光1级衍射的方向正好满足532nm到266nm的相位匹配方向，具体见专利“非线性光学晶体激光变频光栅耦合器【7】”。本实施例中，KBBF晶体厚度大大增加，基于此多层结构KBBF光栅耦合器件，可以获得高效率、高平均功率四倍频266nm激光输出。
由上述实施例可知，本发明的基于多片结构的非线性光学晶体激光变频耦合器，其中的非线性光学晶体可以根据需要为N块，N为≥2的正整数。N块非线性光学晶体均可以采用光胶或离子键合的方法粘接成一体。
上述实施方法适用于所有具有片状或层状结构的非线性光学晶体，如KBBF、RBBF、CBBF或NBBF等。
参考文献：
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Claims (3)
1.一种基于多片结构的非线性光学晶体激光变频耦合器，其包括N块非线性光学晶体，N为≥2的正整数，该非线性光学晶体具有呈平板形的光束入射面和出射面，在非线性光学晶体的光束入射面上或同时在光束入射面及光束出射面上置有一耦合棱镜；其特征在于，所述N块非线性光学晶体的c面采用光胶或离子键合粘合成一体，所述N块非线性光学晶体的a轴相互平行并上下对准，所述N块非线性光学晶体的a轴相互平行并上下对准的对准度为≤1°；所述N块非线性光学晶体的c轴相互平行并上下对准，所述N块矩形的非线性光学晶体的c轴相互平行并上下对准的对准度为≤0.1°。
2.按权利要求1所述的基于多片结构的非线性光学晶体激光变频耦合器，其特征在于，所述非线性光学晶体为具有片状或层状结构的非线性光学晶体。
3.按权利要求1所述的基于多片非线性光学晶体KBBF的激光变频耦合器，其特征在于，所述具有片状或层状结构的非线性光学晶体为KBBF、RBBF、CBBF或NBBF。
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