CN103050880A

CN103050880A - 一种激光走离效应补偿方法

Info

Publication number: CN103050880A
Application number: CN2012105863395A
Authority: CN
Inventors: 巩马理; 柳强; 陈海龙; 黄磊; 闫平; 张海涛; 刘欢
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2013-04-17

Abstract

本发明提出一种利用非线性光学晶体内全反射特性的激光走离效应补偿方法，其技术要点在于：第一束激光和第二束激光注入非线性光学晶体，在晶体内表面发生全反射前，不满足相位匹配条件，不产生新的激光；在所述晶体内表面发生全反射后，满足相位匹配条件，通过非线性频率变换，产生第三束激光，根据晶体的双折射特性，通过调整两束激光的入射角，就可以改变反射后两束激光的能流方向，减小能流方向之间的夹角，从而可以补偿走离效应，提升非线性相互作用的效率。

Description

一种激光走离效应补偿方法

技术领域

本发明涉及非线性光学领域，具体涉及一种激光走离效应补偿方法。

背景技术

全固态紫外激光器在激光加工方面有三个优势：一是紫外激光器的波长较短，能加工很小的部件；二是紫外激光器进行激光加工时直接破坏材料的化学键，是“冷”处理过程，具有很小的热影响区；三是大多数材料能有效地吸收紫外光，可以加工许多红外和可见光激光器加工不了的材料，而且全固态紫外激光器的结构越来越紧凑、平均功率高、易维护、操作简便、成本低、生产率高。因此它在生物工程、材料制备、全光光学器件制作、集成电路板及半导体工业等激光加工领域获得了广泛应用。

一般产生全固态紫外激光谱线的方法是采用非线性光学频率变换技术：先将基频波注入二倍频晶体，产生部分二次谐波，再将剩余的基频波和产生的二次谐波注入三倍频晶体，得到三次谐波，即紫外激光。基频波、二次谐波和三次谐波在三倍频晶体内的相互作用，可以用以下的三波相互作用方程来描述：

\frac{&PartialD; A_{1}}{&PartialD; z} = i σ_{1} A_{2}^{*} A_{3} e^{iΔkz}

\frac{&PartialD; A_{2}}{&PartialD; z} = i σ_{2} A_{1}^{*} A_{3} e^{iΔkz}

\frac{&PartialD; A_{3}}{&PartialD; z} = i σ_{3} A_{1}^{*} A_{2} e^{- iΔkz}

一般情况下，要描述基频波到三次谐波的转换效率η比较困难，但是在小信号近似下，基频波到三次谐波的转换效率η可以用下式估算：

η = \frac{ω^{2} μ_{0}}{c^{2} n^{2}} d_{eff}^{2} l^{2} I_{1} \frac{\sin^{2} (Δkl / 2)}{{(Δkl / 2)}^{2}}

其中，l为基频波和二次谐波相互作用的距离。在非线性晶体内，一般都存在双折射，导致基频波或者二次谐波的波矢方向和能流方向不一致，即所谓走离效应。一般情况下，基频波和二次谐波在非线性晶体内的波矢方向是相互平行，但是，由于走离效应的影响，基频波和二次谐波的能流方向并不一致。能流方向的夹角（简称能流夹角）会导致基频波和二次谐波在晶体内的传输过程中逐渐分开，甚至不再有交叠的区域，迫使三波相互作用的提前终止，严重影响到了基频波到三次谐波的转换效率。因而，研究如何有效地补偿走离效应带来的效率损失一直是本领域的研究热点。

Spectra Physics公司的Jan-William Pieterse在美国专利US5835513的“Q-switched lasersystem providing UV light”中提出，采用两块串联放置的三倍频晶体，其中第二块三倍频晶体通过合适的切割和放置，对第一块晶体中由走离效应而分开的基频波和二次谐波进行反方向的补偿以提高基频波到三次谐波的转换效率。尽管该方法在一定程度提高了效率，但是由于在三倍频过程中采用了两块非线性晶体，导致成本较高，并且系统复杂，实际应用价值偏低。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的目的在于提出一种系统结构简单、非线性频率转换效率高的激光走离效应补偿方法。

根据本发明实施例的激光走离效应补偿方法，包括以下步骤：一种激光走离效应补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：第一束激光和第二束激光在非线性光学晶体内表面发生全反射后，满足相位匹配条件，通过非线性频率变换，产生第三束激光，其中，根据晶体的双折射特性，通过调整所述第一束激光和所述第二束激光在所述非线性光学晶体内表面的入射角，改变全反射后所述第一束激光和所述第二束激光的能流方向，减小能流方向的夹角，补偿走离效应。

在本发明的一个实施例中，所述第一束激光和所述第二束激光的频率相同或不同。

在本发明的一个实施例中，第三束激光是所述第一束激光和第二束激光通过非线性频率变换产生的。

在本发明的一个实施例中，所述非线性光学晶体为双折射晶体，当所述第一束激光和所述第二束激光以相同的入射角或者相同的入射位置在所述非线性光学晶体的内表面发生全反射后，所述第一束激光和所述第二束激光的反射角不相等。

在本发明的一个实施例中，所述第一束激光和所述第二束激光在所述非线性光学晶体内表面发生全反射前，不满足相位匹配条件，不产生第三束激光。

在本发明的一个实施例中，所述非线性频率变换为三倍频变换、四倍频变换、五倍频变换、光参量振荡变换、光参量放大变换或拉曼变换。

在本发明的一个实施例中，所述相位匹配条件为临界相位匹配、非临界相位匹配，非共线相位匹配或准相位匹配。

在本发明的一个实施例中，所述非线性光学晶体为磷酸二氢钾、磷酸二氘钾、磷酸二氢铵、铌酸锂、碘酸锂、偏硼酸钡、三硼酸锂、硼酸铯锂、磷酸氧钛钾、砷酸氧钛钾、砷酸氧钛铷或铌酸钾。

本发明的实施例的激光走离效应补偿方法，利用非线性晶体内全反射减小两束激光的能流夹角，增加两束激光在晶体内部的相互作用距离，更多地产生两束激光的合频光或者差频光，从而提高了合频或者差频效率的方法。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明一个实施例的结构示意图；

图2为基频波、二次谐波在晶体内表面发生全反射的示意图；

图3为全反射后，满足非共线相位匹配条件的波矢方向；和

图4为不同入射角下，基频波和二次谐波的能流夹角。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

根据本发明实施例的激光走离效应补偿方法，包括以下步骤：一种激光走离效应补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：第一束激光和第二束激光在非线性光学晶体内表面发生全反射后，满足相位匹配条件，通过非线性频率变换，产生第三束激光，其中，根据晶体的双折射特性，通过调整第一束激光和第二束激光在非线性光学晶体内表面的入射角，改变全反射后第一束激光和第二束激光的能流方向，减小能流方向的夹角，补偿走离效应。

在本发明的一个实施例中，第一束激光和第二束激光的频率相同或不同。

在本发明的一个实施例中，第三束激光是第一束激光和第二束激光通过非线性频率变换产生的。

在本发明的一个实施例中，非线性光学晶体为双折射晶体，当第一束激光和第二束激光以相同的入射角或者相同的入射位置在非线性光学晶体的内表面发生全反射后，第一束激光和第二束激光的反射角不相等。

在本发明的一个实施例中，第一束激光和第二束激光在非线性光学晶体内表面发生全反射前，不满足相位匹配条件，不产生第三束激光。

在本发明的一个实施例中，非线性频率变换为三倍频变换、四倍频变换、五倍频变换、光参量振荡变换、光参量放大变换或拉曼变换。

在本发明的一个实施例中，相位匹配条件为临界相位匹配、非临界相位匹配，非共线相位匹配或准相位匹配。

在本发明的一个实施例中，所述非线性光学晶体为磷酸二氢钾（KH₂PO₄—KDP）、磷酸二氘钾（KD₂PO₄—KD*P）、磷酸二氢铵（NH₄H₂PO₄—ADP）、铌酸锂（LiNbO₃—LN）、碘酸锂（α-LiIO₃—LI）、偏硼酸钡(BaB₂O₄—BBO)、三硼酸锂(LiB₃O₅—LBO)、硼酸铯锂(LiC_SB₆O₁₀—CLBO)、磷酸氧钛钾(KTiOPO₄—KTP)、砷酸氧钛钾（KTiOAsO₄—RTA）、砷酸氧钛铷（RbTiOAsO₄—RTA）或铌酸钾（KNbO₃—KN）。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

图1为本发明提供的可以利用非线性晶体内全反射补偿走离效应的一个实施例。基频波1为全固态激光器输出的脉冲激光，波长为1064nm，具有窄线宽、线偏振的特性。1/2波片7可以调整基频波1的偏振方向。基频波经过聚焦透镜8的汇聚后注入到二倍频晶体9中。二倍频晶体采用LBO晶体，按照第一类相位匹配角进行切割（o+o→e），在大约150摄氏度下，可以满足非临界相位匹配条件。非临界相位匹配的优点是可以消除离散角的影响，对晶体角度的调整精度和入射光的发散角要求都有所降低。通过仔细调整二倍频晶体9的温度以及二倍频晶体9到聚焦透镜8的距离，能够产生一定功率的二次谐波4，波长为532nm。剩余的基频波2与产生的二次谐波4从二倍频晶体9的端面输出后，相互交叠，即两束激光在空气中共线传播。因为采用的是第一类相位匹配，产生的二次谐波4的偏振方向与剩余的基频波2的偏振方向互相垂直。

三倍频晶体10同样采用LBO晶体，相位匹配方案为第二类相位匹配（o+e→o），优点是有效非线性系数高，能获得高功率的三倍频紫外激光。剩余的基频波2与产生的二次谐波4从三倍频晶体10的左端面注入，在三倍频晶体的内表面12上发生全反射后，满足非共线相位匹配条件，合频产生波长为355nm的三次谐波6。剩余的基频波3、二次谐波5以及产生的三次谐波6在三倍频晶体的内表面13上再次发生全反射，从三倍频晶体10的右端面得以输出。

在三倍频晶体内基频波是o光而二次谐波是e光。如果不发生全反射，基频波的波矢（能流）方向与二次谐波的波矢方向共线，但是与二次谐波的能流方向不共线，这也就导致了基频波与二次谐波在晶体内传播一段距离后，能流之间不再相互交叠的原因。

图2为基频波、二次谐波在晶体内表面发生全反射的示意图。二倍频后剩余的基频波2和产生的二次谐波4以共线的方式入射到三倍频晶体的内表面12上，且入射角为γ。由于基频波是o光，在三倍频晶体中不存在双折射，反射角等于入射角，反射后波矢方向与能流方向仍然共线。而二次谐波是e光，反射角不等于入射角，反射后波矢方向与能流方向不再共线。二次谐波的波矢方向11与二次谐波的能流方向4的夹角δ称为走离角。全反射后，基频波的波矢方向与二次谐波的波矢方向也不再共线，在这种情况下产生三次谐波的方式称为非共线相位匹配。由于二次谐波的走离效应，二次谐波的能流方向往三倍频晶体的主轴z偏转。通过合适地选择主轴z的方向以及入射角γ，有可能使二次谐波的能流方向更靠近基频波的波矢（能流方向）。

在满足非共线相位匹配条件下，当基频波的波矢方向和二次谐波的波矢方向的夹角从-1.5°变化到1.5°时，基频波的波矢方向、二次谐波的波矢方向以及三次谐波的波矢方向与主轴z的夹角如图3所示。二次谐波在三倍频晶体10中的走离角大约等于0.53°，当且仅当基频波的波矢方向和二次谐波的波矢方向的夹角等于0.53°，基频波的流方向和二次谐波的能流方向才能重合。由图3可知，此时基频波的波矢方向和二次谐波的波矢方向与主轴z的夹角分别等于42.0°和42.5°。

在三倍频晶体内表面12反射后，基频波的能流方向2和二次谐波的能流方向4的夹角随入射角γ的变化如图4所示。当入射角γ等于61.8°时,基频波的能流方向2和二次谐波的能流方向4的夹角恰好等于零，说明，此时基频波和二次谐波的能流方向是相同的。在三倍频晶体中传播时，能流之间不会分离，非共线相位匹配条件也一直得到满足，因而，非线性相互作用一直都能够进行，基频波到三次谐波的转换效率会比较高。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种激光走离效应补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：第一束激光和第二束激光在非线性光学晶体内表面发生全反射后，满足相位匹配条件，通过非线性频率变换，产生第三束激光，其中，根据晶体的双折射特性，通过调整所述第一束激光和所述第二束激光在所述非线性光学晶体内表面的入射角，改变全反射后所述第一束激光和所述第二束激光的能流方向，减小能流方向的夹角，补偿走离效应。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一束激光和所述第二束激光的频率相同或不同。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第三束激光是所述第一束激光和第二束激光通过非线性频率变换产生的。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非线性光学晶体为双折射晶体，当所述第一束激光和所述第二束激光以相同的入射角或者相同的入射位置在所述非线性光学晶体的内表面发生全反射后，所述第一束激光和所述第二束激光的反射角不相等。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一束激光和所述第二束激光在所述非线性光学晶体内表面发生全反射前，不满足相位匹配条件，不产生第三束激光。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非线性频率变换为三倍频变换、四倍频变换、五倍频变换、光参量振荡变换、光参量放大变换或拉曼变换。

7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述相位匹配条件为临界相位匹配、非临界相位匹配，非共线相位匹配或准相位匹配。

8.如权利要求1-7所述的方法，其特征在于，所述非线性光学晶体为磷酸二氢钾、磷酸二氘钾、磷酸二氢铵、铌酸锂、碘酸锂、偏硼酸钡、三硼酸锂、硼酸铯锂、磷酸氧钛钾、砷酸氧钛钾、砷酸氧钛铷或铌酸钾。