CN104092092B - 一种氟硼铍酸钾族晶体斜入射激光倍频器 - Google Patents

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Abstract

一种氟硼铍酸钾族晶体斜入射激光倍频器，其由具有相互平行的前、后抛光表面的片状氟硼铍酸钾族晶体；分别镀于前、后抛光表面上的前增透膜和后增透膜；内开有方形卡槽且沿中心轴线方向设有贯穿晶体的通光孔的柱状晶体架和外加热套组成；晶体置于方形卡槽中，且晶体前、后表面和方形卡槽大面一致，卡槽大面法线和晶体架中心轴线成θ角；基频激光直接经前增透膜斜入射至晶体，在晶体中产生的倍频光经后增透膜射出，可避免现有技术中基频激光通过耦合棱镜射入晶体而引起的光胶界面损耗甚至界面损坏；加热套将晶体架和晶体加热到恒定温度，可提高晶体的热稳定性，提高倍频激光输出功率稳定性；且结构简单、成本低，适用于中高功率激光系统。

Description

一种氟硼铍酸钾族晶体斜入射激光倍频器
技术领域
本发明涉及一种激光倍频器，特别涉及一种氟硼铍酸钾(简称KBBF)族晶体斜入射激光倍频器。
背景技术
通过非线性光学晶体的变频技术(包括倍频、和频、差频等)产生新波段激光，已经得到广泛应用，这里的关键之一是非线性光学晶体及其变频器设计。非线性光学晶体在进行光学频率变换时要满足动量守恒也就是满足相位匹配条件。匹配的方式主要有：角度相位匹配、温度相位匹配和准相位匹配。例如对于常用的倍频过程，角度匹配是将特定偏振方向的激光沿非线性光学晶体的某一特定方向(相位匹配方向)通过，即可产生倍频激光；温度相位匹配是通过控制晶体的温度改变折射率满足匹配条件，但通常晶体折射率椭球随着温度的改变非常有限，所以温度匹配其实可以看做是角度匹配的一个有限修正；准相位匹配在介电超晶格中实现，通过人工调制超晶格倒格失，用于弥补晶体折射率色散引起的相位失配，这种方法实用性较差，应用较少。所以通常来说，倍频器需要沿着相位匹配方向切割加工成所需形状，并将两个通光面精密抛光，乃至镀覆各种所需光学膜层。这种倍频器激光一般是在入射表面上正入射或接近正入射进入非线性光学晶体。
一些非线性光学晶体由于其本征的结构特性，呈现强烈的层状习性，形态为片状晶体而沿某个面极易解理，因此难以沿相位匹配方向进行加工。例如氟硼铍酸钾族晶体(本文指两种：氟硼铍酸钾KBe2BO3F2，简称KBBF；氟硼铍酸铷RbBe2BO3F2，简称RBBF)由于层状生长习性，沿结晶学c面极易解理，沿c方向(即晶体光轴方向)难以长厚，晶体呈现薄片状，两个裸露的自然面为结晶学c面，也叫(001)面，或a-b面。利用KBBF族晶体进行激光倍频时很难按着该晶体的相位匹配方向进行切割。为解决上述困难，一种非线性光学晶体光接触棱镜耦合技术(PCT)及其器件被发明(ZL01115313.X；US6，859，305B2；日本专利4074124)，成功解决了KBBF族晶体相位匹配的难题，使得不易切割的KBBF族晶体与一定形状的棱镜结合，用于激光倍频实现深紫外激光(即波长短于200纳米)输出。该技术也属于角度相位匹配。
上述棱镜耦合器件中，KBBF族晶体和棱镜(一般为石英玻璃或氟化钙晶体)通过普通光胶耦合，由于是非同种材料光胶，结合力不强，而且界面两边材料的热膨胀系数不一样，在受热时会产生不一致的膨胀，导致两个光学元件分离或界面损坏。特别是当KBBF族棱镜耦合器件工作在中、高功率激光系统时，激光功率大，持续时间长，光胶界面处吸收大，温度过高，常常最先在界面处造成损坏，轻者影响激光光束质量，重者导致两个界面脱离，整个器件作废。尽管也发展了所谓的深度光胶技术(US8,773,750)，相比普通光胶提高了棱镜耦合器件的激光损伤阈值，但是相对于KBBF晶体本身的抗光损伤阈值来说，还是太低。例如，KBBF晶体本身的抗光损伤阈值非常高，对于1064纳米，脉冲宽度为80皮秒，重复频率1KHz的激光脉冲而言，其损伤阈值高达900GW/cm2；在基频光波长为390纳米，脉宽200飞秒，重复频率1KHz的激光辐照下，其损伤阈值也高达60GW/cm2。KBBF晶体比在相同条件下BBO晶体的抗激光损伤阈值大了将近一个数量级，在目前已知的非线性光学晶体中，KBBF具有最高的抗光损伤阈值。但是KBBF棱镜耦合器件对于1064纳米，脉冲宽度0.9纳秒，重复频率6KHz激光的损伤阈值只有300MW/cm2。
此外，棱镜耦合器件还有一个缺点，由于光胶了石英玻璃或氟化钙晶体棱镜，器件体积大，而且氟化钙和石英玻璃的导热性能差，在实用过程中不便于对KBBF晶体进行温度控制等热管理技术，从而不利于维持激光倍频输出功率的稳定性。
目前，利用KBBF族晶体实现1064纳米的四倍频266纳米输出也是通过棱镜耦合技术实现的，其最大的障碍就是棱镜器件光胶面率先损坏。棱镜耦合技术对于使用KBBF族晶体倍频实现深紫外激光输出是唯一的技术路线，但是当需要倍频输出266纳米激光时，棱镜耦合技术并非是唯一途径。
发明内容
本发明目的在于提供一种非线性光学晶体激光倍频器，该激光倍频器无需对非线性光学晶体按相位匹配角度进行切割加工，因而可以使得不易切割的非线性光学晶体能够实现相位匹配，实现激光倍频。
非线性光学晶体激光倍频器的原理是：片状非线性光学晶体固定于柱状晶体架的方形卡槽中。根据光的折射定律(Snell'sLaw)，光从一种介质传播到另一种介质时会发生折射，其入射角和折射角满足折射定律。根据此原理，对于某个波长激光的倍频，假设相配匹配角是θPM，我们只需使得卡槽大面的法线方向和晶体架中心轴线成某一特定角度θ，并使得sinθ/sinθPM＝n，n为晶体折射率，由于片状非线性光学晶体插入卡槽中且前后表面法线方向和卡槽大面法线方向一致，此时激光沿晶体架轴线方向通光孔射入晶体后将自动沿着相位匹配方向传播，实现倍频；同样根据光的折射定律，倍频光从晶体另一个面出射后将继续沿着晶体架轴线方向传播；当然，θ的最大值只能取到90°，所以θPM限制在0°到某一角度范围，因而只能实现一定波长范围的倍频；根据计算，对于KBBF晶体，本发明的激光倍频器可以实现最短238纳米(476纳米→238纳米)倍频光输出；对RBBF可以实现最短254纳米(508纳米→254纳米)倍频光输出；根据非线性光学晶体种类以及所要实现倍频波长不同，θ有不同的值。例如，对于532纳米→266纳米的倍频过程，使用KBBF晶体时，θ＝62.16°,而使用RBBF晶体时，θ＝73.02°。
为此本发明的技术方案如下：
本发明提供的氟硼铍酸钾族晶体斜入射激光倍频器，其由具有相互平行的前抛光表面和后抛光表面的片状KBBF族晶体、分别镀于所述片状KBBF族晶体前抛光表面和后抛光表面上的前增透膜及后增透膜、柱状晶体架以及套装于所述柱状晶体架外表面上的外加热套组成；其特征在于，所述柱状晶体架沿中心轴线方向设有贯穿所述柱状晶体架的通光孔；柱状晶体架内开有方形卡槽，所述方形卡槽与通光孔相通，方形卡槽大面的法线与柱状晶体架中心轴线成θ角；
所述片状KBBF族晶体置于所述柱状晶体架的方形卡槽内，所述片状KBBF族晶体的前、后表面的法线方向与所述方形卡槽大面法线方向一致；
基频激光沿着柱状晶体架中心轴线方向射入至所述KBBF族晶体前表面的前增透膜，在所述KBBF族晶体内部实现相位匹配后，并沿柱状晶体架的中心轴线方向由所述KBBF族晶体后表面的后增透膜出射倍频光；
所述KBBF族晶体为氟硼铍酸钾晶体或氟硼铍酸铷晶体；对于氟硼铍酸钾晶体，所述θ角为62.16°；对于氟硼铍酸铷晶体，所述θ角为73.02°；
所述前增透膜对532纳米激光高透；所述后增透膜同时对532纳米激光和266纳米激光高透。
所述KBBF族晶体前抛光表面和后抛光表面均为KBBF族晶体的结晶学c面；表面粗糙度Ra小于0.5纳米，面型精度小于1/8光圈。
所述柱状晶体架形状为圆柱体，方柱体或多棱柱体。
所述柱状晶体架由水平方向将所述方形卡槽等分的上下两部分构成；或由垂向将所述方形卡槽等分的左右两部分构成。
所述的柱状晶体架的材料为紫铜或铝。
所述的外加热套上缠绕加热丝，加热丝与控温仪表相连以精确控温。
本发明的氟硼铍酸钾族晶体斜入射激光倍频器，其优点是：
1、无需对KBBF族晶体按相位匹配角度切割加工，而只需将两个自然的结晶学c面抛光即可；为了减少激光在晶体两个表面的菲涅尔反射，可以在晶体两个抛光的前后表面上镀覆增透膜。
2、无需通过棱镜耦合技术即可实现倍频，工艺简单，并且由于没有棱镜和晶体的接触界面，可以大幅度提高器件的抗光损伤阈值。
3、晶体通过方形卡槽固定于晶体架中，外层加热套可以方便控温加热，以维持晶体的温度恒定，从而使倍频光输出功率得以稳定。
4、特别适合产生钕离子激光的四倍频266纳米输出。当今中高功率的266纳米输出缺乏实用的倍频晶体；KBBF晶体具有大的抗光损伤阈值大，宽的温度带宽，大的热导率，无潮解等等优点，采用本发明技术可以将KBBF晶体用于产生中高功率四倍频266纳米输出。
附图说明
图1为本发明的激光倍频器的结构示意图；
图2a和图2b分别为整体结构的方柱体晶体架和圆柱体晶体架示意图；
图3为两个半圆柱组合而成晶体架示意图；
图4为半圆柱体视图；
图5为两个近三棱柱组合而成方柱体晶体架示意图；
图6a和图6b分别为外加热套的结构示意图。
具体实施方式
实施实例1：本发明的激光倍频器的一实施例：KBBF晶体外腔四倍频：
首先将一块c方向厚度为3mm的片状KBBF晶体1的前、后表面进行抛光，使前后表面粗糙度Ra小于0.5纳米，面型精度小于1/8光圈；
然后在KBBF晶体1的前表面上镀一层前增透膜2，后表面上镀一层后增透膜21；增透膜对以入射角θ＝62.16°入射的激光和以同样角度出射的激光增透；KBBF晶体前表面上的前增透膜对532纳米激光高透，透射率大于99.9％；KBBF晶体后表面上的后增透膜同时对532纳米激光和266纳米激光高透，透射率大于99.9％；
如图2a，整体结构的方柱体晶体架3沿中心轴线方向设有贯穿的通光孔4；方柱体晶体架3从顶部竖直向下开一个方形卡槽6和通光孔4相通，卡槽大面的法线方向和晶体架中心轴线夹角θ角为62.16°；晶体架材质为紫铜；
将镀好前、后增透膜的KBBF晶体放置在方柱体晶体架中的方形卡槽中，片状KBBF晶体前、后表面法线方向和方形卡槽大面的法线方向一致，然后在柱体晶体架3外表面上套装上外加热套5(图6a)。维持KBBF晶体温度恒定在120℃；
将重复频率为10千赫兹、脉冲宽度为10纳秒的功率为63瓦的线偏振532纳米激光经过一焦距为300毫米的聚焦透镜后，沿柱体晶体架3的中心轴线方向的通光口4射入至KBBF晶体的前表面的前增透膜2，经KBBF晶体前表面折射后即可在KBBF晶体内部实现相位匹配，产生266纳米激光从KBBF晶体后表面的后增透膜21沿柱体晶体架3的中心轴线方向射出，从而得到11.9瓦的266纳米激光的稳定输出，转换效率为18.9％。
实施例2：本发明的激光倍频器的另一实施例：KBBF晶体外腔四倍频：
首先将一块c方向厚度为3mm的片状KBBF晶体1的前、后表面进行抛光，使其前后表面粗糙度Ra小于0.5纳米，面型精度小于1/8光圈；
然后在KBBF晶体前后表面上分别镀上一层增透膜，增透膜对以θ＝62.16°入射的激光和以同样角度出射的激光增透；KBBF晶体前表面的前增透膜2对532纳米激光高透，透射率大于99.9％；KBBF晶体后表面的后增透膜21同时对532纳米激光和266纳米激光高透，透射率大于99.9％；
如图3，圆柱体晶体架3为由两个相同的半圆柱体轴线截面对接构成的圆柱体晶体架；如图4，每个半圆柱体的轴线截面上沿轴线开有贯通槽，使得两个半圆柱体轴线截面对接而成的圆柱体晶体架3沿中心轴线方向具有贯穿晶体的通光孔4；每个半圆柱体的轴线截面上还开有与其垂直的方形卡槽和通光孔相通，方形卡槽大面的法线和晶体架轴线夹角θ＝62.16°；所述两个半圆柱体对接的轴线截面上分别设有两个凸起和与凸起对应的两个凹槽；两个凸起插入与凸起对应的两个凹槽中以构成圆柱体晶体架3；
所述圆柱体晶体架3材质为铝；
将镀好增透膜的片状KBBF晶体放置在半圆柱体的方形卡槽6中，片状KBBF晶体前后表面的法线方向和方形卡槽大面的法线方向一致，合上另一个半圆柱体，半圆柱体上的两个凸起分别嵌合于另一个半圆柱体的两个凹槽中，以使两个半圆柱体固定对接成一个同心结构的圆柱体晶体架，然后晶体架外表面装上外加热套5(图6b)。实验过程中将KBBF晶体温度恒定在100℃；
将重复频率为10千赫兹，脉冲宽度为10纳秒的功率为65瓦的线偏振532纳米激光经过一焦距为250毫米的聚焦透镜后，沿柱体晶体架3的中心轴线方向射入通光口4至KBBF晶体前表面的前增透膜2，经KBBF晶体前表面折射后即可在KBBF晶体内部实现相位匹配，产生266纳米激光从KBBF晶体后表面的后增透膜沿柱体晶体架3的中心轴线方向射出，从而得到12.6瓦266纳米激光的稳定输出，转换效率为19.4％。
实施例3：本发明激光倍频器的又一实施例，RBBF外腔四倍频：
首先将一块c方向厚度为2.2mm的片状RBBF晶体的前后表面进行抛光，使其前后表面粗糙度Ra小于0.5纳米，面型精度小于1/8光圈；
然后在RBBF晶体前后表面分别镀上一层增透膜，增透膜对以θ＝73.02°入射的激光和对以同样角度出射的激光增透；RBBF晶体前表面的前增透膜2对532纳米激光高透，透射率大于99.9％；RBBF晶体后表面的后增透膜21同时对532纳米激光和266纳米激光高透，透射率大于99.9％；
如图2b，整体结构的圆柱体晶体架3沿中心轴线方向设有贯穿晶体的通光孔4；晶体架从顶部竖直向下开一个方形卡槽6和通光孔相通，方形卡槽大面的法线方向和晶体架中心轴线夹角θ角为73.02°；晶体架材质为紫铜；
将镀好增透膜的片状RBBF晶体放置在晶体架中的方形卡槽中，片状晶体前后表面法线方向和方形卡槽大面的法线方向一致，然后晶体架外表面装上外加热套5(图6b)。实验过程中维持RBBF晶体恒温于80℃；
将重复频率为10千赫兹，脉冲宽度为10纳秒的功率40瓦的线偏振532纳米激光经过一焦距为300毫米的聚焦透镜后，沿晶体架轴线方向射入倍频器通光口，经RBBF前表面折射后即可在RBBF晶体内部实现相位匹配，产生的266纳米激光从RBBF晶体后表面沿晶体架轴线方向射出，从而得到功率6.1瓦的266纳米激光的稳定输出，转换效率为15.3％。
实施例4：本发明的激光倍频器的第四个实施例，RBBF晶体外腔四倍频：
首先将一块c方向厚度为2.2mm的片状RBBF晶体进行抛光，使其前后表面粗糙度Ra小于0.5纳米，面型精度小于1/8光圈；
然后在RBBF晶体前后表面分别镀上一层增透膜，增透膜对以θ＝73.02°入射的激光和对以同样角度出射的激光增透；RBBF晶体前表面的前增透膜2对532纳米激光高透，透射率大于99.9％；RBBF晶体后表面的后增透膜同时对532纳米激光和266纳米激光高透，透射率大于99.9％；
如图5，晶体架为两个近三棱柱沿相同轴线方向共矩形表面(即近三棱柱的一个柱面)构成的方柱体，每个近三棱柱均沿着轴线方向开有贯穿通孔，使得两个近三棱柱体共矩形表面对接而成的方柱体晶体架沿中心轴线方向具有贯穿的通光孔4；每个近三棱柱体的共矩形表面的法线方向与轴线方向夹角θ＝73.02；每个近三棱柱体的共矩形表面上还开有与矩形表面平行的方形卡槽和通光孔相通，故方形卡槽大面的法线和晶体架轴线夹角也为θ；所述两个近三棱柱体上按图5开有四个带螺旋的小孔，用于两个近三棱柱体的对接固定；晶体架材质为紫铜。
将镀好增透膜的片状RBBF晶体放置在一个近三棱柱体的方形卡槽中，片状晶体前后表面法线方向和方形卡槽大面法线方向一致，合上另外一个近三棱柱体，用四个螺钉拧入四个小孔固定，使得两近三棱柱体沿相同轴线方向共矩形表面对接后形成一个方柱体晶体架，然后晶体架外表面装上外加热套5(图6a)，外加热套5内缠绕加热丝，加热丝与控温仪表7相连，实验过程中将RBBF晶体温度精确恒定在65℃；
将重复频率为10千赫兹，脉冲宽度为10纳秒的功率41瓦的线偏振532纳米激光经过一焦距为300毫米的聚焦透镜后，沿晶体架轴线方向射入倍频器通光口，经RBBF前表面折射后即可在RBBF晶体内部实现相位匹配，产生的266纳米激光从RBBF晶体后表面沿晶体架轴线方向射出，从而得到功率6.4瓦的266纳米激光的稳定输出，转换效率为15.6％。

Claims (7)

1.一种氟硼铍酸钾族晶体斜入射激光倍频器，其由具有相互平行的前抛光表面和后抛光表面的片状KBBF族晶体、分别镀于所述片状KBBF族晶体前抛光表面和后抛光表面上的前增透膜及后增透膜、柱状晶体架以及套装于所述柱状晶体架外表面上的外加热套组成；其特征在于，所述柱状晶体架沿中心轴线方向设有贯穿所述柱状晶体架的通光孔；柱状晶体架内开有方形卡槽，所述方形卡槽与通光孔相通，方形卡槽大面的法线与柱状晶体架中心轴线成θ角；
所述片状KBBF族晶体置于所述柱状晶体架的方形卡槽内，所述片状KBBF族晶体的前、后表面的法线方向与所述方形卡槽大面法线方向一致；
基频激光沿着柱状晶体架中心轴线方向射入至所述KBBF族晶体前表面的前增透膜，在所述KBBF族晶体内部实现相位匹配后，并沿柱状晶体架的中心轴线方向由所述KBBF族晶体后表面的后增透膜出射倍频光；
所述KBBF族晶体为氟硼铍酸钾晶体或氟硼铍酸铷晶体；对于氟硼铍酸钾晶体，所述θ角为62.16°；对于氟硼铍酸铷晶体，所述θ角为73.02°；
所述前增透膜对532纳米激光高透；所述后增透膜同时对532纳米激光和266纳米激光高透。
2.按权利要求1所述的氟硼铍酸钾族晶体斜入射激光倍频器，其特征在于，所述KBBF族晶体前抛光表面和后抛光表面均为KBBF族晶体的结晶学c面；表面粗糙度Ra小于0.5纳米，面型精度小于1/8光圈。
3.按权利要求1所述的氟硼铍酸钾族晶体斜入射激光倍频器，其特征在于，所述柱状晶体架形状为圆柱体，方柱体或多棱柱体。
4.按权利要求1或3所述的氟硼铍酸钾族晶体斜入射激光倍频器，其特征在于，所述柱状晶体架由水平方向将所述方形卡槽等分的上下两部分构成；或由垂向将所述方形卡槽等分的左右两部分构成。
5.按权利要求1或3所述的氟硼铍酸钾族晶体斜入射激光倍频器，其特征在于，所述的柱状晶体架的材料为紫铜或铝。
6.按权利要求4所述的氟硼铍酸钾族晶体斜入射激光倍频器，其特征在于，所述的柱状晶体架的材料为紫铜或铝。
7.按权利要求1所述的氟硼铍酸钾族晶体斜入射激光倍频器，其特征在于，所述的外加热套上缠绕加热丝，加热丝与控温仪表相连以精确控温。
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