CN103066489A - 一种防止晶体损伤的激光分光方法 - Google Patents

一种防止晶体损伤的激光分光方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种防止晶体损伤的激光分光方法，包括以下步骤：第一基频光与第二基频光在非线性光学晶体内，在满足相位匹配条件下部分地进行非线性频率变换，产生转换光；在非线性光学晶体的内表面发生全反射前，转换光、剩余的第一基频光和剩余的第二基频光相互平行或者近似平行，在空间上相互交叠地传播；在非线性光学晶体的内表面发生全反射后，转换光、剩余的第一基频光和剩余的第二基频光相互之间有一定夹角，在空间上相互分离地出射。本发明降低了非线性光学晶体出射面的功率密度，保护非线性光学晶体不受损伤的同时，获得了纯的频率转换光的输出。

Description

一种防止晶体损伤的激光分光方法
技术领域
本发明涉及非线性光学领域，具体涉及一种防止晶体损伤的激光分光方法。
背景技术
不同领域需要不同波长的激光，例如激光生物显微镜需要的560nm激光、激光测距需要的532nm激光、激光直接制版印制需要的400nm激光以及工业微加工领域需要的355nm甚至更短波长的激光，而激光器能够直接输出的激光波长很有限，现有技术往往利用非线性频率变换的方法，对激光频率进行变换和扩展。
设第一束光的频率为ω1，第二束光的频率为ω2，利用非线性晶体的双折射以补偿折射率的色散，可以满足相位匹配条件ω1n1+ω2n2=ω3n3，获得频率为ω3的激光。一般地，在非线性晶体出射面镀有三束光的增透膜以减少反射损耗，并利用腔内或者腔外的分光元件（例如布儒斯特棱镜或者双色镜）将三束光分离开，以获得纯的激光输出。但是，三束光在出射面上相互交叠，功率密度很高，易对晶体出射面造成损伤，限制了非线性频率变换功率的扩展。同时，分光元件的加入也增加了激光的损耗，使整体系统趋于复杂。因此，研究如何减小非线性晶体出射面的损伤，以及如何有效地将三束光分离开一直是本领域的热点。
Lightwave Electronics Corporation的William M.Grossman在美国专利US5850407A“Third-harmonic generation with uncoated Brester-cut dispersiveoutput facet”中提出，在出射面上不再镀增透膜，而是在出射面上切一个斜角，使p偏振的三倍频光与出射面法线方向的夹角等于布儒斯特角，从而实现三倍频光的无损输出。这种方法的优点在于不使用增透膜，避免了因增透膜损伤而导致的出射面损坏，提高了非线性晶体的损伤阈值。缺点是三束光在出射面上相互交叠，功率密度很高，长时间工作会导致出射面损伤甚至炸裂。
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，本发明的一个目的在于提出一种防止晶体损伤的激光分光方法。该方法具有操作简单，分光效果好的优点。
根据本发明实施例的防止晶体损伤的激光分光方法，包括以下步骤：第一基频光与第二基频光在非线性光学晶体内，在满足相位匹配条件下部分地进行非线性频率变换，产生转换光；在所述非线性光学晶体的内表面发生全反射前，所述转换光、剩余的所述第一基频光和剩余的所述第二基频光相互平行或者近似平行，在空间上相互交叠地传播；在所述非线性光学晶体的内表面发生全反射后，所述转换光、剩余的所述第一基频光和剩余的所述第二基频光相互之间有一定夹角，在空间上相互分离地出射。
在本发明的一个实施例中，所述第一基频光、第二基频光和转换光为线偏振光。
在本发明的一个实施例中，所述第一基频光与第二基频光的光源相同或不同，并且所述第一基频光与第二基频光的频率相同或不同。
在本发明的一个实施例中，所述相位匹配条件为一类相位匹配或二类相位匹配。
在本发明的一个实施例中，所述非线性频率变换为合频转换或差频转换。
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中的一种或多种的组合。
在本发明的一个实施例中，所述非线性光学晶体为三倍频变换、四倍频变换、五倍频变换、光参量振荡、光参量放大或拉曼变换。
在本发明的一个实施例中，所述非线性光学晶体的出射面具有镀增透膜，或者具有与所述转换光全透射方向匹配的布儒斯特斜面。
本发明降低了非线性光学晶体出射面的功率密度，保护非线性光学晶体不受损伤的同时，获得了纯的频率转换光的输出。本发明至少具有以下优点：
1、利用非线性晶体内全反射分光，可以有效地将三束光分开，降低了晶体出射面上的功率密度，提高了非线性晶体的损伤阈值。
2、无需插入分光元件就能分离出纯的第三束激光，避免了分光元件引起的损耗，提高了激光输出功率，降低了系统复杂度。
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为本发明实施例的防止晶体损伤的激光分光方法的原理示意图；
图2为基频光（倍频光）和三倍频光在晶体内表面发生全反射的示意图；
图3为全反射后，激光不发生分裂的两个晶体内表面方向；
图4为三倍频光与基频光（倍频光）的夹角与入射角的关系；和
图5为两个不发生激光分裂的晶体内表面的分光效果对比图。
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防止晶体损伤的激光分光方法，包括以下步骤：第一基频光与第二基频光在非线性光学晶体内，在满足相位匹配条件下部分地进行非线性频率变换，产生转换光；在所述非线性光学晶体的内表面发生全反射前，所述转换光、剩余的所述第一基频光和剩余的所述第二基频光相互平行或者近似平行，在空间上相互交叠地传播；在所述非线性光学晶体的内表面发生全反射后，所述转换光、剩余的所述第一基频光和剩余的所述第二基频光相互之间有一定夹角，在空间上相互分离地出射。
在本发明的一个实施例中，第一基频光、第二基频光和转换光为线偏振光。
在本发明的一个实施例中，第一基频光与第二基频光的光源相同或不同，并且第一基频光与第二基频光的频率相同或不同。
在本发明的一个实施例中，相位匹配条件为一类相位匹配或二类相位匹配。
在本发明的一个实施例中，非线性频率变换为合频转换或差频转换。
在本发明的一个实施例中，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(LiCSB6O10-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）中的一种或多种的组合。
在本发明的一个实施例中，非线性光学晶体为三倍频变换、四倍频变换、五倍频变换、光参量振荡、光参量放大或拉曼变换。
在本发明的一个实施例中，非线性光学晶体的出射面具有镀增透膜，或者具有与转换光全透射方向匹配的布儒斯特斜面。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，现结合图1-图5做进一步介绍。为理解的方便，下述实施例中，定义指定频率的基频光为第一基频光，该光线通过倍频晶体之后得到的倍频光为第二基频光。
图1为本发明实施例的防止晶体损伤的激光分光方法的原理示意图。基频光振荡器1采用双端泵浦z型谐振腔，产生所需的基频光2（第一束激光，频率为ω1）。腔内的脉冲调制器件8用来周期性改变腔内损耗，产生基频光2的光脉冲。本实施例中脉冲调制器件8采用石英晶体声光调制Q开关，衍射效率约为80%，增益介质9采用掺杂浓度为0.3at.％，尺寸为3×3×16mm3的Nd:YVO4晶体。其他可以选用的增益介质包括端泵和侧泵的液体或者气体材料，例如Nd：YAG，Nd：YLF，Nd:YALO，钛宝石，CrLiSAF等。
采用的倍频晶体3和三倍频晶体10均为LBO晶体，都按照第一类相位匹配角进行切割（o+o→e）：其中倍频晶体为90度相位匹配，优点是可以消除离散角的影响，对晶体角度调整精度和入射光发散角要求都有所降低；三倍频晶体为临界相位匹配，优点是非线性系数高，能获得高功率的三倍频激光。在倍频晶体和三倍频晶体之间加入一片双波长波片4（λ=1064nm，λ/2=532nm），使基频光与倍频光在三倍频晶体内的偏振方向相同。
基频光2在倍频晶体3内满足相位匹配条件，产生的倍频光12（第二束激光，频率为ω2）。产生的倍频光12与剩余基频光11的偏振方向垂直，一起经过双波长波片4后，与剩余基频光11的偏振方向平行。基频光11和倍频光12在三倍频晶体10内满足相位匹配条件，产生三倍频光7（第三束激光，频率为ω3)。剩余基频光5和剩余倍频光6的偏振方向平行，且都与产生的三倍频光7的偏振方向垂直。
在发生全反射前，三束激光在三倍频晶体10内的相位匹配条件一直都得到满足，不断有三倍频光7被产生出来，即使三倍频光7会出现走离，在内表面13上三倍频光7与剩余基频光5和剩余倍频光6仍会有交叠，功率密度很高。发生全反射后，相位匹配条件不再被满足，三倍频光也不再被产生，同时，根据双折射特性，三倍频光7与剩余基频光5和剩余倍频光6有一定夹角，空间上出现分离，因而在晶体出射面上，三倍频光7不再与剩余基频光5和剩余倍频光6交叠，功率密度得到了降低。
根据三倍频晶体的相位匹配条件，全反射前，基频光、倍频光和三倍频光的波矢方向平行。波矢方向满足反射定律：
Figure BDA00002677261500071
图2(a)为基频光（倍频光）在晶体内表面发生全反射的示意图。对于基频光和倍频光，有n1=n0，所以
Figure BDA00002677261500072
同时，能流方向14与波矢方向15平行，不发生走离。
图2(b)为三倍频光在晶体内表面发生全反射的示意图。对于三倍频光，有n1≠n0，所以
Figure BDA00002677261500073
则三倍频光波矢方向17与基频光（倍频光）波矢方向15的夹角为
注意到，全反射后，三倍频光会出现走离，其能流方向16偏离波矢方向17，设走离角为δs，则三倍频光能流方向16与基频光（倍频光）能流方向14的夹角为δ=δk+δs。
根据晶体双折射特性，激光在晶体内有两个可能的偏振方向，发生全反射后，有可能会分裂为两束激光。如图3所示，晶体主轴方向21表明全反射前，基频光18、倍频光23和三倍频光19满足相位匹配条件，此时，只存在两个晶体内表面方向20和22（基频光和倍频光平行于表面方向20和22），可以保证三束激光发生全反射后都不发生分裂。
以图3(a)所示的内全反射（内表面方向20）为例，当入射角
Figure BDA00002677261500081
从40度变到80度时，可以计算出三倍频光波矢方向17与基频光（倍频光）波矢方向15的夹角δk、三倍频光走离角δs以及三倍频光能流方向16与基频光（倍频光）能流方向14的夹角δ随入射角的变化（图4所示）。
图5为内表面方向20和22对应的三倍频光能流方向16与基频光（倍频光）能流方向14的夹角δ随入射角的变化。内表面方向20的分光效果要远好于内表面方向22，当入射角
Figure BDA00002677261500082
时，三倍频光能流方向16与基频光（倍频光）能流方向14的夹角δ达到最大值1.44度（25.2md）。这说明，在晶体内传播20mm后，产生的三倍频光与剩余的基频光（倍频光）之间的距离达到0.5mm，足够将产生的三倍频光与剩余的基频光（倍频光）完全分开，从而大大降低了晶体出射面的功率密度，提高了晶体的抗损伤阈值，同时获得了纯的三倍频激光输出。
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 (8)

1.一种防止晶体损伤的激光分光方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一基频光与第二基频光在非线性光学晶体内，在满足相位匹配条件下部分地进行非线性频率变换，产生转换光；
在所述非线性光学晶体的内表面发生全反射前，所述转换光、剩余的所述第一基频光和剩余的所述第二基频光相互平行或者近似平行，在空间上相互交叠地传播；
在所述非线性光学晶体的内表面发生全反射后，所述转换光、剩余的所述第一基频光和剩余的所述第二基频光相互之间有一定夹角，在空间上相互分离地出射。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一基频光、第二基频光和转换光为线偏振光。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一基频光与第二基频光的光源相同或不同，并且所述第一基频光与第二基频光的频率相同或不同。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相位匹配条件为一类相位匹配或二类相位匹配。
5.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合频转换或差频转换。
6.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中的一种或多种的组合。
7.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述非线性光学晶体为三倍频变换、四倍频变换、五倍频变换、光参量振荡、光参量放大或拉曼变换。
8.根据权利要求1-7所述的方法，其特征在于，所述非线性光学晶体的出射面具有镀增透膜，或者具有与所述转换光全透射方向匹配的布儒斯特斜面。
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