CN104730799B - 非线性频率转换(nlfc)装置和光源 - Google Patents

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Abstract

将非线性频率转换(NLFC)部件(26)结合到光源(20)中。光源包括：发光元件(21)，其发射非衍射受限的输入光束；以及NLFC部件，其表现出走离并且执行NLFC处理，例如二次谐波产生。光学部件(25)配置为将非衍射受限输入光束以确定的会聚半角会聚到NLFC部件中。在NLFC部件的非走离平面中在空气中的会聚半角大于针对衍射受限光的会聚半角。所述会聚半角可以是乘积ε×M乘以针对衍射受限光的会聚半角值，其中ε的值在等于0.4与二者中较大者的较低值与较高值5.0之间，其中M是非衍射受限光的光束质量因子的平方根。

Description

非线性频率转换(NLFC)装置和光源
技术领域
本发明涉及包括频率转换处理的发光装置。本发明涉及所述装置的设计。
背景技术
在光子器件的现有技术中存在许多示例使用材料的非线性光学性质将具有至少一个频率的输入光转换为具有与输入频率不同的至少一个频率的产生光。在一类器件中，第一频率(f1)的光通过具有非零二阶非线性磁化率的材料，并且输入光的一部分或全部被转换为具有第二频率(f2)的产生光，其中f2＝2f1。这种过程通常称作“二次谐波产生”(SHG)，并且有时称作“倍频”。在另一类器件中，包括具有两种不同频率的光在内的输入光通过具有非零二阶非线性磁化率的材料，并且输入光的一部分或全部可被转换为具有第三频率的产生光。这一过程通常称作和频产生(SFG)或者差频产生(DFG)。SHG、SFG和DFG都是非线性频率转换(NLFC)过程的示例。
已知存在各种各样的具有较大二阶非线性磁化率的材料。其中的示例包括铌酸锂(LiNbO3)、磷酸钛氧钾(KTiOPO4)、三硼酸锂(LiB3O5)、β-硼酸钡(β-BaB2O4)和磷酸二氢钾(KH2PO4)。可以表现出NLFC的部件可以由这些材料制造，并且这里称作NLFC部件。
在使用NLFC部件的光子器件中，通常重要的是高效率发生NLFC过程。NLFC的效率是产生光的功率除以输入光的功率之比。在SHG的情况下，SHG的效率是倍频光的功率除以输入光的功率之比。
NLFC的效率可以强烈地依赖于当输入光束在通过NLFC部件时的性质。在NLFC的许多示例中，使输入光束在至少一个束平面中聚焦(束平面是光束的传播方向所处的任意平面)。这在图1中说明，图1是通过NLFC部件2的聚焦输入光束1的图示，其中该附图所在的平面是光束被聚焦的束平面。当聚焦输入光束1传播通过NLFC部件2时，束宽度3首先降低，然后达到最小值，且然后增加。给定束平面中的束宽度3是沿位于所述平面内并且与光束的传播方向4垂直的方向的宽度。束半径定义为等于束宽度的一半。将沿着光束的传播方向在束平面中束宽度最小处的位置描述为所述束平面中的束腰，并且将该位置处所述平面中的束半径描述为所述平面中的束腰半径5。通常，光束可能并非关于其传播方向呈圆对称。在这种情况下，在沿光束传播方向的任意位置处，在两个不同的束平面中测量的束宽度可能不相等。
例如，可以使用一个或多个透镜来聚焦输入光束，使得当光束朝着NLFC部件传播时光束在至少一个束平面中会聚(也就是说，当光束朝着NFLC部件传播时，至少一个束平面中的束宽度减小)，从而至少一个束平面中的束腰形成于NLFC部件中。在这种情况下，在给定束平面中输入光束的聚焦强度可以用光束进入NLFC部件之前在空气中测量的光束会聚半角来量化。这也在图1中进行了说明。光束的会聚半角φc定义为tan(φc)＝1/2{w(z1)-w(z2)}/{z2-z1}，其中w(z1)和w(z1)是在沿光束传播方向4的两个位置z1和z2处测量的光束宽度，z1和z2均是光束传播进入NLFC部件2之前的位置。
在给定束平面中输入光束的聚焦强度也可以通过在光束已经从NLFC部件出射之后在空气中测量的光束发散半角来量化。光束的发散半角φd定义为tan(φd)＝1/2{w(z4)-w(z3)}/{z4-z3}，其中w(z3)和w(z4)是在沿光束传播方向4的两个位置z3和z4处测量的光束宽度，z3和z4均是光束传播离开NLFC部件2之后的位置。
NLFC的效率可以强烈地依赖于输入光束在传播通过NLFC部件时的宽度。Boyd和Kleinman[Journal of Applied Physics 39，3597(1968)]描述了识别NLFC部件内输入光束的合适宽度的方法，以针对在NLFC部件内部具有圆形“高斯光束”形式的输入光束的特定情况高效率地获得SHG。高斯光束是光强度随着相距中心的径向距离按照高斯方式改变的光束。高斯光束在沿光束传播方向的一位置处的宽度通常定义为沿与光束的传播方向垂直的方向测量的如下两点之间的距离：在所述点处，光束的强度等于沿光束传播方向的该位置处光束的最大强度的1/e2。圆形高斯光束在沿光束传播方向的具体位置处在所有束平面内具有相等的束宽度。对于在折射率为n的介质中传播的波长(在真空中测量)为λ的高斯光束，束腰半径rw和远场会聚角或发散半角φ通过等式1相关。
等式1
束半径r根据等式2改变，其中z是沿光束传播方向测量的相距束腰位置的距离。
等式2
Boyd和Kleinman描述的方法适用于NLFC部件中的NLFC，其可以表现出输入光束或产生光束的“走离(walkoff)”。走离可能是由于NLFC部件中材料的光学双折射而发生的。对于SHG的情况，如果产生光束表现出走离，那么产生光束在NLFC部件中的传播方向与输入光束在NLFC部件中的传播方向不同。走离角度ρ定义为输入光束和产生光束的传播方向之间的角度。包含输入光束传播方向和产生光束传播方向两者在内的平面称作走离平面。可以实验测量走离角度ρ。备选地，可以根据光束的传播方向、光束的偏振方向和NLFC部件中材料的折射率，使用标准方法计算走离角度ρ。
针对圆形高斯光束的情况，Boyd和Kleinman描述的方法可用于确定输入光束在NLFC部件内的合适束腰半径，以获得高SHG效率。合适的束腰半径依赖于输入光和产生光的波长、NLFC部件对于输入光和产生光的折射率、走离角度和NLFC部件的长度。NLFC对于输入光和产生光的折射率以及走离角度可以依赖于相对于NLFC部件的一个或多个光轴、输入光在NLFC部件内的传播方向。然后可以使用针对高斯光束光学的标准计算方法，例如使用射线传输矩阵(有时称作“ABCD矩阵”)，来识别输入光束在空气中的会聚半角(这将在NLFC部件内近似提供所述束腰半径)。
Freegarde等人[Journal of the Optical Society of America B 14，2010(1997)]描述了一种识别NLFC部件内输入光束的合适波长的方法，以针对具有椭圆高斯光束形式的输入光束的特定情况高效率地获得SHG。椭圆高斯光束是光的强度沿彼此垂直且与光束传播方向垂直的两个方向随着相距传播轴的距离按照高斯方式改变的光束。
Freegarde等人描述的方法适用于可以表现出输入光束或产生光束走离的NLFC部件中的NLFC。针对椭圆高斯光束的情况，Freegarde等人描述的方法可以用于确定针对NLFC部件内的输入光束沿高斯光束的两个垂直主轴限定的合适束腰半径，以获得高SHG效率。
Boyd和Kleinman以及Freegarde等人描述的方法适用于“理想”高斯光束。有时，这些理想高斯光束称作“衍射受限”光束。在使用SHG的大多数装置中，输入光束是理想高斯光束，或者非常接近高斯光束。在这些情况下，通过Boyd和Kleinman或者Freegarde等人描述的方法识别的适用于高效率获得SHG的输入光聚焦强度是合适的。
一些光束并不非常接近高斯光束。有时，将这些非高斯光束称为“非衍射受限”。光束质量因子M2可以用于描述非衍射受限光束的性质。对于波长(在真空中测量)为λ、在折射率为n的介质中传播的非衍射受限光束，束平面中的束腰半径rw和在该束平面内远场会聚角或发散角φ通过等式3相关。
等式3
束平面内的束半径r根据等式4变化，其中z是沿光束传播方向测量的相距该束平面内束腰位置的距离。
等式4
可以将非衍射受限光束描述为椭圆光束。在这种描述中，彼此垂直的两个束平面被定义为主束平面。光束质量因子、束腰半径和沿光束传播方向测量的束腰位置在两个主束平面内可以不同。
具有较大光束质量因子的光束一般被视为比具有较小光束质量因子的光束更远离衍射受限(即，“较低质量”)。具有M2＝1的光束行为如同衍射受限的高斯光束；具有M2＞1的光束是非衍射受限光束。
可以使用所谓的d4σ(d4西格玛)方法来确定非衍射受限光束的宽度，如ISO11146(2005)中所述。非衍射受限光束的半径等于通过d4σ方法确定的宽度的一半。可以通过在沿光束传播方向的几个位置处测量给定光束平面中的束半径并且识别产生对于等式4的最佳拟合的M2值，来确定该光束平面中的光束质量因子。在ISO11146(2005)中描述了准确确定光束质量因子的程序。
在德国专利申请DE102007063492B4(2010年4月15日公布)中，描述了一种对非衍射受限光束进行倍频的装置。在这种装置中，将输入光束的“聚焦会聚”从使用Boyd和Kleinman描述的方法将会获得并且将会适用于衍射受限光束的值按比例缩小。具体地，描述了等式5中的公式。
等式5
在等式5中，θopt是在适用于光束质量因子为M2的非衍射受限光束的倍频部件中输入光束的会聚半角，θkoh BK是适用于衍射受限光束并且使用Boyd和Kleinman描述的方法确定的倍频部件中的会聚半角，以及Z是取0.2和5之间的值的参数。在等式5中，使用在原始参考文件中使用的符号，这些符号不必与本申请其余部分中使用的符号一致。
从等式5的形式可以看出：针对光束质量因子(M2)较大的光束的合适会聚半角将明显小于如使用Boyd和Kleinman描述的方法确定的适用于衍射受限光束的会聚半角。
Blume等人[Proeeedings of SPIE 6875 68751C(2008)]描述了一种对非衍射受限光束进行倍频的替代装置。在这种装置中，通过实验表明了：用于非衍射受限输入光束的倍频的最适用条件对应于将输入光束聚焦为使得在倍频部件中形成的束腰半径大约是使用Boyd和Kleinman描述的方法获得的适用于衍射受限输入光束的束腰半径的M2倍。通过重新排列等式1和3，清楚地是这等价于在倍频部件中测量的针对非衍射受限输入光束的最适合会聚半角等于在倍频部件中测量的针对衍射受限输入光束的最适合会聚半角(使用Boyd和Kleinman描述的方法获得)。
NLFC的一种应用是产生波长难以或不可能通过其他方法产生的光。一个重要示例是使用SHG产生紫外光。紫外光具有小于400nm的波长。
Nishimura等人[Japanese Journal of Applied Physics 42 5079(2003)]描述了一种使用β-BaB2O4晶体作为NLFC部件对从激光二极管发射的波长为418nm的输入光束进行倍频以获得波长为209nm的产生光束的系统。该系统使用体积大且复杂的光学谐振器结构，但是产生光束的功率局限于0.009mW的较低值。选择NLFC部件的束腰半径以匹配由Boyd和Kleinman描述的方法表明合适的值(适用于圆形高斯光束)。对于这种特定的系统，输入光束束腰半径是约16μm。使用针对高斯光束光学的标准计算方法，例如使用射线传输矩阵，可以表明这对应于空气中0.48°的会聚半角。
在Mauda的美国专利No.US7110426(2006年9月19日授权)中公开了类似的光学谐振器设计来产生紫外光。使用Boyd和Kleinman描述的方法来确定合适的束腰半径。
Tangtronbenchasil等人[Japanese Journal of Applied Physics47 2137(2008)]描述了一种使用β-BaB2O4晶体作为NLFC部件对从激光二极管发射的波长为约440nm的激光束进行倍频以获得波长为约220nm的产生光束的系统。产生光束的功率局限于约0.0002mW的较低值。对于这种系统，选择NLFC部件中的束腰半径以匹配由Boyd和Kleinman描述的方法表明合适的值(适用于圆形高斯光束)。
发明内容
现有技术装置中存在一些示例在表现出走离的NLFC部件中对输入光束进行NLFC。在这些示例中，输入光束是高斯光束，或者可以很好地近似为高斯光束，并且Boyd和Kleinman或Freegarde等人描述的方法可以用于识别输入光的合适聚焦强度以高效地获得NLFC。现有技术装置中也存在一些示例在不表现出走离的NLFC部件中对非衍射受限输入光束(即，特征为在至少一个束平面内M2＞1的光束)进行NLFC。在这些示例中，Blume等人或在德国专利申请DE102007063492B4中描述的方法可以用于识别输入光的合适聚焦强度以高效地获得NLFC。
现有技术中描述的传统装置并没有在表现出走离的NLFC部件对非衍射受限输入光束(即，特征为在至少一个束平面内M2＞1的光束)进行NLFC。另外，现有技术中也没有描述可以用于识别输入光束的合适聚焦强度以在表现出走离的NLFC部件中针对非衍射受限输入光束高效地获得NLFC的方法。
本发明的一个方面是一种光源，所述光源包括表现出走离的NLFC部件，其中用于NLFC处理的输入光束是非衍射受限光束。在本发明的示例性实施例中，输入光束的光束质量因子在至少一个束平面内具有至少为2的值。在本发明的另一示例性实施例中，输入光束的光束质量因子在与NLFC部件的非走离平面平行的束平面内具有至少为2的值。
本发明的另一个方面是一种光源，所述光源包括表现出走离的NLFC部件，其中用于NLFC处理的输入光束是非衍射受限光，并且所述输入光束通过激光二极管产生。
为了实现前述和相关目的，本发明包括在所附权利要求中全面描述并且具体指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的一些说明性实施例。然而，这些实施例仅表明了可以采用本发明原理的各种方式中的一些。结合附图，根据以下对本发明的详细描述，本发明的其他目的、优点和新颖特征将变得清楚明白。
附图说明
在附图中，相同的附图标记表示相同的部件或特征：
图1是通过NLFC部件的聚焦输入光束的图示。
图2是通过NLFC部件的聚焦输入光束的图示。
图3是示出了针对示例情况所计算的产生光的功率对于输入光束在空气中的会聚半角的依赖性的等高线图。
图4是根据本发明的输入光束在空气中的合适会聚半角对于输入光束的光束质量因子的依赖性的曲线表示。
图5是根据本发明的输入光束在空气中的合适会聚半角对于输入光束的光束质量因子的依赖性的曲线表示以及与针对不表现出走离的NLFC部件的现有技术方法的比较。
图6是根据本发明示例性实施例的光源的部件配置的顶部平面图。
图7是针对不同输入波长λ1(在空气中测量输入波长)对于β-BaB2O4晶体中第一类相位匹配的θ合适值的表。
图8是从根据本发明示例性实施例的光源发射的光的光谱曲线。
图9是包括激光二极管的发光区域的图示。
图10是根据本发明示例性实施例的光源的部件配置的顶部平面图。
图11是根据本发明示例性实施例的光源的部件配置的顶部平面图。
图12是根据本发明示例性实施例的光源的部件配置的顶部平面图。
图13和图14是示出了输出功率和聚焦条件之间关系的实验数据的曲线。
附图标记的描述
1.输入光束
2.NLFC部件
3.束宽度
4.传播方向
5.束腰半径
10.输入光束
11.第一平面
12.第二平面
13.NLFC部件
14.第一表面
15.传播方向
20.光源
21.激光二极管
22.非球面透镜
23.分色部件
24.第一柱面透镜
25.第二柱面透镜
26.NLFC部件
27.第一滤光器
28.球面透镜
29.第二滤光器
30.激光二极管发射的发散光束
31.在至少一个束平面内具有低发散度的光束
32.源光束
33.输入光束
34.产生光束
35.NLFC部件的第一表面
36.NLFC部件的第二表面
37.发射光
50.激光二极管的发光表面
51.输出光
52.发光材料
53.发光区域
60.分色镜
61.反射的产生光束
62.透射的输入光束
63.透镜
64.滤光器
65.透镜
70.偏振更改元件
具体实施方式
根据本发明的装置是对非衍射受限输入光束进行NLFC的光源。NLFC处理发生在表现出走离的NLFC部件中。
如上所述，现有技术中存在传统装置在表现出走离的NLFC部件中对输入光束进行NLFC。在这些示例中，输入光束是高斯光束，或者可以很好地近似为高斯光束，并且Boyd和Kleinman或Freegarde等人描述的方法可以用于识别输入光的合适聚焦强度以高效地获得NLFC。现有技术中也存在一些传统装置在不表现出走离的NLFC部件中对非衍射受限输入光束(即，特征为在至少一个束平面内M2＞1的光束)进行NLFC。在这些示例中，Blume等人或在德国专利申请DE102007063492B4中描述的方法可以用于识别输入光的合适聚焦强度以高效地获得NLFC。
本发明通过执行NLFC，克服了这些传统装置的缺陷，其特征在于：(1)对非衍射受限输入光束(即，特征为在至少一个束平面中M2＞1的光束)执行NLFC；以及(2)在表现出走离的NLFC部件中。另外，在现有技术中还没有描述可以用于识别输入光束的合适聚焦强度以在表现出走离的NLFC部件中对于非衍射受限输入光束高效地获得NLFC的方法。
通过对表现出走离的NLFC部件中非衍射受限光束的NLFC理论的详细分析，发明人已经认识到一种识别输入光束的合适聚焦强度以获得高NLFC效率的新方法。例如，在SHG的情况下，可以使用下面的等式6来确定倍频光的功率。在图2中示出了等式6中使用的轴。输入光束的传播方向15与z轴平行；输入光束的第一平面11包含x轴；输入光束的第二平面12包含y轴。输入光束的第一和第二平面彼此垂直。输入光束10通过NLFC部件的第一表面14传播进入到NLFC部件13中；NLFC部件的第一表面的法向与z轴平行。NLFC部件的走离平面与输入光束的第一平面11平行。输入光束的第二平面12可以称作NLFC部件的非走离平面。
等式6
将等式6中的项目定义如下：
z′是z轴上计算产生光束的功率的位置；λ1和λ2分别是在空气中测量的输入光和产生光的波长；考虑光相对于NLFC中材料的任意一个或多个光轴的传播方向和偏振，n1和n2是NLFC部件对于波长为λ1和λ2的光的折射率；k1＝2πn1/λ1；k2＝2πn2/λ2；d是NLFC部件中谐波产生处理的有效非线性光学系数；
α1和α2是对于波长为λ1和λ2 的光在NLFC部件中的线性吸收系数；l是NLFC部件的长度；f是从NLFC部件的第一表面沿z轴 测量的NLFC部件内输入光束束腰的位置； φx和φy分别是以弧度为单位在输入光束的第一和第二平面中输入光束 在空气中的会聚半角和发散半角；和分别是在输入光束的第一和第二平面中输入 光束的光束质量因子；ρ是以弧度测量的NLFC部件中的走离角度。
等式6首次提供了用于针对非衍射受限输入光束识别适当的聚焦强度以在表现出走离的NLFC部件中高效地获得SHG的方法。可以针对φx和φy的不同值来计算产生光的功率P(z′)，并且因此可以找到φx和φy的合适值，在合适值下产生光的功率较高。
例如，图3中的等高线图示出了对于使用包括β-BaB2O4晶体的NLFC部件进行第一类SHG的具体情况，所计算的产生光的功率对于φx和φy的依赖性，其中输入光束具有空气中λ1＝445nm的波长，其中输入光束在第一束平面中的光束质量因子约是4，并且输入光束在第二束平面中的的光束质量因子约是6；β-BaB2O4晶体的长度(l)是约7mm；并且输入光束按照与β-BaB2O4晶体的光轴成约65°的角度(θ)传播，使得SHG走离角度(ρ)是约4°。
图13和图14示出了使用参考图3描述的配置(也就是说，使用包括l≈7mm的β-BaB2O4晶体的NLFC部件进行第一类SHG，输入光束在空气中的波长λ1≈445nm、且)，由对新等式6的可靠性的详细实验验证得出的一些结果。图13中的曲线将针对φx≈0.57°的固定值所计算的产生光(波长λ2≈222.5nm)的功率对于φy的依赖性示为实线，并且将实验测量的产生光功率示为实心圆圈。图14中的曲线将针对φy≈3.0°的固定值所计算的产生光的功率对于φx的依赖性示为实线，并且将实验测量的产生光功率示为实心圆圈。从图13和图14可以清楚地看到：在实验数据和根据新等式6的计算功率之间存在极好的相关性。
通过基于新等式6的扩展计算，发明人已经确定：为了在表现出走离的NLFC部件中获得非衍射受限输入光束的高效SHG，当与NLFC部件的非走离平面平行的输入光束平面中的光束质量因子(等式6中的)具有大于2的值时，在所述束平面中输入光在空气中的合适会聚半角(等式6中的φy)实质上不同于对于在所述束平面中的光束将会合适的、所述束平面中空气中的会聚半角。
更具体地，当与NLFC部件的非走离平面平行的输入光束平面中的光束质量因子(等式6中的)具有大于2的值以获得输入光束的高效SHG时，在所述束平面中输入光束在空气中的会聚半角(等式6中的φy)应该大于对于在所述输入光束平面中的光束将会合适的、所述束平面中空气中的会聚半角。这可以写作
此外，更具体地，当与NLFC部件的非走离平面平行的输入光束平面中的光束质量 因子(等式6中的)具有大于2的值以获得输入光束的高效SHG时，所述束平面中输入光束 在空气中的会聚半角(等式6中的φy)应该约等于ε×My乘以对于在所述输入光束平面中的光束将会合适的、所述束平面中空气中的会聚半角，其中ε的值在等于0.4与 二者中较大者的较低值与较高值5之间，并且My是光束质量因子的平方根。这可以写作
此外，更具体地，当与NLFC部件的非走离平面平行的输入光束平面中的光束质量因子(等式6中的)具有大于2的值以获得输入光束的高效SHG时，所述束平面中输入光束在空气中的会聚半角(等式6中的φy)应该约等于My乘以对于在所述输入光束平面中的光束将会合适的、所述束平面中空气中的会聚半角。这可以写作 其中My是光束质量因子的平方根。
可以使用Boyd和Kleinman描述的方法或者使用Freegarde等人描述的方法来计算其是当输入光束在与NLFC部件的非走离平面平行的束平面中具有的光束质量因子时，在所述束平面中空气中的会聚半角，所述会聚半角适于高效地获得SHG。Freegarde等人描述的方法是优选的。
对于表现出走离的NLFC部件中的SHG的情况，在与NLFC部件的非走离平面平行的束平面中输入光束的合适聚焦强度对于所述束平面中的光束质量因子的依赖性明显不同于现有技术中针对不表现出走离的NLFC部件中的SHG所描述的相应依赖性。具体地，Blume等人描述的方法导致了这样的结论：M2＞1的输入光束的合适会聚半角应该等于适用于M2≈1的会聚半角。并且，在德国专利申请DE102007063492B4中描述的方法表明了M2＞1的输入光束的合适会聚半角应该小于M2≈1的输入光束的合适会聚半角。
通过基于新等式6的进一步扩展计算，发明人已经确定：为了在表现出走离的NLFC部件中获得非衍射受限输入光束的高效SHG，当与NLFC部件的走离平面平行的输入光束平面中的光束质量因子(等式6中的)具有大于2的值时，在所述束平面内输入光在空气中的合适会聚半角(等式6中的φy)依赖于输入光束中的波长范围。可以使用等式6确定针对具体装置配置的最优值。
现在提供示例来示出为利用表现出走离的NLFC部件获得高效率SHG对于输入光束的合适聚焦强度，其中在与NLFC部件的非走离平面平行的束平面中输入光束的光束质量因子大于1。该具体示例针对NLFC部件中的空气中波长为λ1≈445nm的输入光的第一类SHG，NLFC部件包括沿与输入光束传播方向平行地测量的长度为7mm的β-BaB2O4晶体。β-BaB2O4晶体内输入光束的传播方向与β-BaB2O4晶体的光轴成约64.9°的角度(θ)。该方向适于输入光束的相位匹配第一类SHG。可以使用D.N.Nikogosyan(2005)的“Nonlinear OpticalCrystals：A Complete Survey”中的方程来计算β-BaB2O4的折射率，从而发现对于这种配置β-BaB2O4晶体中的走离角度(ρ)是约4°。
将Freegarde等人描述的方法应用于这种SHG配置得到：在与β-BaB2O4晶体的非走离平面平行的束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角并且在与β-BaB2O4晶体的走离平面平行的束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角
Freegarde等人描述的方法适于在与NLFC部件的走离平面平行的输入光束平面以及与NLFC部件的非走离平面平行的输入光束平面中光束质量因子分别为和的输入光束。
根据本发明，根据来限定在与NFFC晶体的非走离平面平行的束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角。优选地，根据来限定在与NFFC晶体的非走离平面平行的束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角，其中ε的值在等于0.4与二者中较大者的较低值与较高值5之间并且优选地ε≈1，并且My是光束质量因子的平方根。在图4中绘制了针对上述SHG配置的合适φy对于输入光束的光束质量因子的依赖性。
在现有技术中不存在针对表现出走离的NLFC部件(例如，如以上示例中包括β-BaB2O4晶体的NLFC部件)识别非衍射受限输入光束的合适聚焦强度的方法。如上所述，现有技术中用于识别非衍射受限输入光束的合适聚焦强度的传统方法局限于不表现出走离的NLFC部件：Blume等人的方法和在DE102007063492B4中描述的方法。将在后两篇参考文献中的方法应用于表现出走离的NLFC部件中的NLFC，例如用于如以上示例中包括β-BaB2O4晶体的NLFC部件，在科学上来说是不明智的。然而，如果人们错误地尝试将这些方法中的任一种应用于以上示例，将获得图5所示的结果。Blume等人的方法根据错误地识别了合适的聚焦强度。DE102007063492B4中描述的方法根据 错误地识别了合适的聚焦强度。从图5中可以清楚地看到，现有技术中的这两种方法都不适于识别针对表现出走离的NLFC部件中NLFC的合适聚焦强度，并且实际上现有技术中识别的适于不表现出走离的NLFC部件的行为与当光束质量因子增加时使用较大会聚半角的教导相反。
通过本发明的应用，甚至当输入光束是非衍射受限光束时也可以获得高NLFC效率。
上述空气中的合适会聚半角适用于通过NLFC部件的第一表面14传播进入到NLFC部件13中的输入光束10，其中所述表面是平坦表面，并且所述表面的法向与输入光束10的传播方向大致平行(参考图2)。如果NLFC部件13的第一表面14不是平坦的，或者如果所述表面的法向不与输入光束10的传播方向15大致平行，那么输入光束在空气中的合适会聚半角应该根据上述合适会聚半角来修改。可以使用标准计算方法(例如，使用射线传输矩阵，有时称作“ABCD矩阵”)来确定空气中的修改合适会聚半角，使得在传播通过不平坦的和/或表面法向不与输入光束的传播方向大致平行的NLFC部件第一表面之后、在NLFC部件中形成的第一和第二束平面中输入光束的束腰半径近似等于在NLFC部件的第一表面是平坦表面并且所述表面的法向与输入光束的传播方向大致平行的情况下具有上述空气中会聚半角的输入光束通过该第一表面传播进入NLFC部件之后、将会在NLFC部件中形成的第一和第二束平面中输入光束的束腰半径。
上述空气中的合适会聚半角适用于在NLFC部件13中传播的输入光束10，其中由输入光的吸收或产生光的吸收引起的NLFC部件的加热不会显著地影响NLFC部件对输入光和产生光的折射率。这就是当NLFC部件中所谓的“热透镜”效应不明显时的情况。如果在NLFC部件中可能发生热透镜，那么输入光束在空气中的合适会聚半角应该根据上述合适会聚半角来修改，以补偿在NLFC部件中形成的热透镜的聚焦或散焦效应。
在本发明的示例性实施例中，与NLFC部件的走离平面平行的束平面中输入光束的光束质量因子小于与NLFC部件的非走离平面平行的束平面中输入光束的光束质量因子可以是有利的。这可以表示为具体地，使用的输入光束相比于使用的其他同等输入光束，可以提供更高效率的NLFC。本发明的其他示例性实施例包括使用诸如半波片之类的偏振更改元件，以提供输入光束(其中所述输入光束具有)进行NLFC处理。
相对于以下的非限制示例进一步描述本发明。通常，本发明的一个方面是结合到光源中的非线性频率转换(NLFC)部件。光源包括：发光元件，所述发光元件发射非衍射受限输入光束；以及所述NLFC部件，所述NLFC部件表现出走离并且执行NLFC处理，例如二次谐波产生。光学部件配置为以确定的会聚半角将非衍射受限输入光束会聚到NLFC部件中。NLFC部件的非走离平面中空气中的会聚半角大于针对衍射受限光的会聚半角。所述会聚半角可以是非走离平面中输入光束的光束质量因子的平方根乘以针对衍射受限光的会聚半角。所述会聚半角还可以是非走离平面中输入光束的光束因子的乘积ε×My乘以针对衍射受限光的会聚半角值，其中ε的值在等于0.4与二者中较大者的较低值与较高值5.0之间，并且My是光束质量因子的平方根。
示例1：
第一示例是用于产生紫外光的装置，该装置比现有技术中的传统装置具有显著的优势。该装置包括发射非衍射受限光的激光二极管，并且该光在NLFC部件中进行SHG，导致了波长短于300nm的产生光束。
在图6中示出了示例性激光装置的示意图。在图6中限定了x轴、y轴和z轴，并且在以下对该第一示例的描述中对于这些轴的所有参考都是指这种定义。x轴和z轴在图6的附图平面中，而y轴与该附图平面垂直。光源20包括例如激光二极管21的发光元件、非球面透镜22、分色部件23、第一柱面透镜24、第一柱面透镜25、NLFC部件26、第一滤光器27、球面透镜28和第二滤光器29。
激光二极管发射空气中波长在410nnm和600nm之间的光。优选地，激光二极管可以包括AlyInxGa1-x-yN半导体材料。优选地，激光二极管发射约445nm的空气中波长，并且假设该波长适用于对该第一示例的描述的其余部分。典型地，激光二极管发射具有小范围波长的光，例如相距中心波长±0.5nm的范围，但是为了方便起见，将发射称作在单一波长发生。从激光二极管发射的光的路径由图6中标记为30、31、32和33的线条表示。如果激光二极管发射的光在所发射光束的一个平面中具有支配性的线性偏振，则可以选择激光二极管的取向，使得支配性电场分量的方向与y轴大致平行，或者替代地使得支配性电场分量的方向与x轴大致平行。优选地，激光二极管21发射的光在所发射光束的一个平面中具有支配性的线性偏振。优选地，选择激光二极管的取向，使得支配性的电场分量的方向与y轴大致平行，并且假设这适用于对该第一示例的描述的其余部分。
非球面透镜22收集激光二极管发射的发散光束30，并且将光束转化为在至少一个束平面内具有低发散度的光束31。非球面透镜22可以具有在0.1mm和10mm之间的等效焦距，并且优选地具有约3mm的焦距。
在至少一个束平面内具有低发散度的光束31入射到分色部件23上。光束31的一部分通过分色元件转移到反馈光束中。分色元件取向为使得反馈光束沿着与光束30和光束31相同的路径但是相反的方向传播，使得反馈光束朝着激光二极管21传播。反馈光束可以具有以下的一个或两个效应：稳定激光二极管的发射波长；以及减小激光二极管21发射的光的波长范围。优选地，反馈光束减小了激光二极管21发射的光的波长范围。优选地，激光二极管21发射的光的波长范围小于0.2nm，并且最优选地，波长范围小于0.1nm。反馈光束的功率可以在光束31的功率的1％和50％之间，并且优选地在光束31的功率的5％和15％之间。分色元件可以是表面衍射光栅，例如每毫米具有3600线。分色元件也可以是体布拉格光栅。分色部件23还将光束31的一部分反射或者透射到源光束32中，源光束32朝着第一柱面透镜24传播。
光源还包括光学部件，所述光学部件配置为将非衍射受限输入光束会聚到NLFC部件中。光学部件可以包括一个或多个透镜元件，所述透镜元件以确定的会聚半角将输入光束会聚到NLFC部件中。在示例性实施例中，源光束32传播通过第一柱面透镜24和第二柱面透镜25，并且将透镜25的输出光束称作传播进入NLFC部件26中的输入光束33。第一柱面透镜24取向为使得所述透镜或者主要沿与x轴大致平行的方向偏转(或“聚焦”)光，或者使得所述透镜主要沿与y轴大致平行的方向偏转光。如果第一柱面透镜24取向为使得所述透镜主要沿与x轴大致平行的方向偏转光，那么将第二柱面透镜25取向为主要沿与y轴大致平行的方向偏转光。替代地，如果第一柱面透镜24取向为使得所述透镜主要沿与y轴大致平行的方向偏转光，那么将第二柱面透镜25取向为主要沿与x轴大致平行的方向偏转光。在优选示例中，第一柱面透镜24取向为使得所述透镜主要沿与x轴大致平行的方向偏转光，并且假设这适用于对该第一示例的描述的其余部分。
将第一柱面透镜24定位为使得当输入光束33朝着NLFC部件26传播时，输入光束33在第一束平面中会聚，使得第一束平面中空气中的会聚半角等于φx。第一束平面与包含x轴和z轴的平面大致平行。于是，光束可以在第一束平面中形成束腰，其位于NLFC部件内。将第二柱面透镜25定位为使得当输入光束33朝着NLFC部件26传播时，输入光束33在第二束平面中会聚，使得第二束平面中空气中的会聚半角等于φy。第二束平面与包含y轴和z轴的平面大致平行。于是，光束可以在第二束平面中形成束腰，其位于NLFC部件内。优选地，第一束平面中束腰的位置和第二束平面中束腰的位置彼此在5mm的范围内，优选地彼此在1mm的范围内，并且最优选地彼此在0.1mm的范围内。
输入光束33传播进入NLFC部件26中，并且在NLFC部件26中进行SHG，导致了产生光束34的产生。对于输入光束在空气中波长为约445nm的该第一示例，产生光束具有在空气中约222.5nm的波长。输入光束33或者产生光束34在NLFC部件中表现出走离。
NLFC部件26可以包括具有非零二阶非线性磁化率的任意材料。例如，NLFC部件26可以包括β-BaB2O4晶体。β-BaB2O4晶体的切割和取向可以设置为提供输入光束33的相位匹配第一类SHG。晶体的合适取向的示例是：<2 -1 -1 0>晶向与y轴大致平行，<0 0 0 1>晶向与包含x轴和z轴的平面大致平行，以及β-BaB2O4晶体内输入光束的传播方向和<0 0 0 1>晶向之间的角度近似为θ，其中根据图7中的列表θ依赖于输入光束的波长。对于该第一示例的描述的其余部分，假设NLFC部件包括具有如上所述取向的β-BaB2O4晶体，其中θ≈64.9°。
对于β-BaB2O4晶体中的第一类SHG，当0°＜θ＜90°时，产生光束表现出相对大的走离。针对该示例，当θ≈64.9°时，产生光束的走离角度(ρ)是ρ≈4°。对于上述的β-BaB2O4晶体取向，NLFC部件的走离平面与包含x轴和z轴的平面大致平行，并且NLFC部件的非走离平面与包含y轴和z轴的平面大致平行。
输入光束33通过NLFC部件的第一表面35传播进入到NLFC部件26中。NLFC部件的第一平面35所在平面的法向与输入光束33的传播方向大致平行。NLFC部件26可以具有平行于输入光束的传播轴方向测量的在1mm和20mm之间的长度。优选地，NLFC部件26具有约5-15mm的长度。对于该第一示例的描述的其余部分，假设NLFC部件具有7mm的长度。
输入光束33和产生光束34两者都通过NLFC部件的第二表面36传播出NLFC部件，如图6中的双附图标记33/34所示。换句话说，NLFC部件的输出包括具有输入光束33的波长的第一光束分量和构成倍频产生光束34的第二光束。这两个光束可以传播到第一滤光器27中。第一滤光器27对输入光束33的功率的衰减量大于对产生光束34的功率的衰减量。在从第一滤波器27出射之后，可以通过透镜28对输入光束和产生光束之一或两者进行准直或聚焦。然后，输入光束和产生光束可以通过第二滤波器29。第二滤光器29对输入光束33的功率的衰减量大于对产生光束34的功率的衰减量。该部分产生光束34从光源发射作为发射光37。
在第一束平面中源光束32的光束质量因子是并且可以在的范 围内，优选地在的范围内。在第二束平面中源光束32的光束质量因子是 并且可以在的范围内，优选地在的范围内。如果光束质量因子 不是已知的，可以使用在ISO11146(2005)中定义的标准程序来测量第一和第二束平面中源 光束32的光束质量因子。对于该第一示例的描述的其余部分，源光束的光束质量因子是和
根据作为本发明一部分而建立的参数来确定第二束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角(φy)，以实现高SHG效率；即 可以根据Freegarde等人描述的方法来确定针对衍射受限光束在空气中的合适会聚半角。针对包括如上所述取向的7mm长β-BaB2O4晶体的NLFC部件的具体示例(其中，θ≈64.9°且走离角度ρ≈4°)，Freegarde等人的方法得到了第二束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角是因此，的输入光束在第二束平面中在空气中的合适会聚半角是
根据本发明的另一示例性实施例，为了实现高SHG效率，第二束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角(φy)是 其中ε的值在等于0.4与二者中较大者的较低值与较高值5之间，优选地ε≈1，并且My是光束质量因子的平方根。因此，的输入光束在第二束平面中空气中的合适会聚半角是在 和之间的值(或者考虑典型的测量容限，在0.9°和10.5°之间)，优选地是的值。选择第二柱面透镜25的焦距以提供第二束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角。对于上述示例的具体配置，第二柱面透镜的焦距f2可以是f2＜75mm以确保φy＞0.86°。另外，所述焦距可以在5mm＜f2＜75mm或者更优选地10mm＜f2＜50mm的范围内、或者最优选地f2≈20mm，以获得φy≈2.11°。
选择第一柱面透镜24的焦距以提供第一束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角，以高效地获得SHG。对于上述第一示例的具体配置，第一柱面透镜的焦距f1可以是在50mm和500mmm之间的范围，并且优选地为约100mm。
第一和第二柱面透镜的合适焦距依赖于源光束32的性质，例如源光束的束宽度以及源光束在空气中的会聚或发散半角。这些焦距应该选择为向输入光束提供在输入光束的第一和第二平面中空气中的合适会聚半角，以高效地获得NLFC。
使用对比实验示例来说明本发明的优点。使用与φy≈2.11°相对应的第二束平面中输入光束在空气中的会聚半角，利用上述配置产生第一光源。使用与第一光源相同的配置产生第二光源，不同之处在于使用第二束平面中输入光束在空气中的会聚半角φy≈0.86°，其对应于根据Freegarde等人描述的方法适用于衍射受限光的值。使用与第一光源相同的配置产生第三光源，不同之处在于使用第二束平面中输入光束在空气中的会聚半角φy≈0.14°，其对应于根据DE102007063492B4在不表现出走离的NLFC中针对SHG的适用于的光束质量因子的值。对第一、第二和第三光源进行仔细地优化以获得产生光束的最大功率。来自第一光源的产生光束的功率是来自第二光源的产生光束的功率的235％。来自第三光源的产生光束的功率明显小于第二光源产生的功率，并且太低以至于不能高精度地测量。这些对比示例说明了本发明具有非常显著的优点。
根据以上示例中的设计制造的光源相对于现有技术中的光源提供了非常显著的优点。第一光源提供空气中波长为约222.5nm的产生光束，并且产生光束的输出功率超过0.26mW。在图8中示出了来自这一光源的发射光谱。
在体材料β-BaB2O4晶体中使用从激光二极管发射的光的SHG来产生波长范围在210-230nm的光束的现有技术光源中最接近的示例是Tangtronbenchasil等人描述的装置[Japanese Journal of Applied Physics 47 2137(2008)]。在该装置中，根据由Boyd和Kleinman的方法识别为适用于衍射受限光的聚焦强度，来聚焦从激光二极管发射的光。所述装置中产生光束的输出功率小于0.001mW。在当前示例中描述的第一光源清楚地证明了在产生光束的光功率方面非常显著的增加。
性能增加的一个方面是本发明包括使用发射非衍射受限光的激光二极管来提供输入光束，以在表现出走离的NLFC部件中进行NLFC，例如在包括β-BaB2O4晶体的NLFC部件中进行SHG。这使得能够使用大功率激光二极管，从而实现了产生光束的功率增加。例如，这使得能够使用具有相对大发光区域的激光二极管。
在图9中示出了描述激光二极管的特征的示意图。激光二极管的发光表面50是发射输出光51的表面。激光二极管包括发光材料52和波导，波导沿(与标记为x1的方向平行的)第一方向和(与标记为x2的方向平行的)第二方向约束在激光二极管中产生的光。如果激光二极管由包括在衬底平面上沉积的不同成分的层在内的晶片制成，则第一方向与晶片的平面平行，而第二方向与晶片的平面垂直。从发光区域53发射输出光51，发光区域53是发光表面50的二维区域，并且特征在于如图9中标记的宽度(x1)和高度(x2)。在图9的示例中，发光区域53由椭圆形状来表示，但是发光区域的形状不必是椭圆的。可以通过在激光二极管正在工作时对激光二极管的输出表面成像来确定激光二极管的发光区域的尺寸。替代地，可以通过在沿光束传播方向的几个位置处测量输出光的束宽度、并且与等式4比较来确定发射表面的位置处光束的宽度和高度，从而确定激光二极管的发光区域的尺寸。在以上两种情况下，优选地是使用d4σ(d-4-西格玛)方法来确定束宽度以及发光区域的宽度和高度。
输出光的光束质量因子可以依赖于发光区域的宽度和高度。例如，如果发光区域53的宽度(x1)较大，那么输出光51的光束质量因子可以在至少一个束平面中较大，并且具体地在与标记为x1的方向平行的输出光束平面中较大。
本发明的一个方面包括使用激光二极管来产生用于NLFC处理的输入光束，其中激光二极管的发光区域具有在0.5μm和500μm之间、优选地在3μm和20μm之间、并且最优选地在5μm和15μm之间的宽度(x1)或高度(x2)。
本发明首次提出了一种装置，该装置可以使用具有这种发光区域并且因此在发射光束的至少一个平面中具有至少为2的光束质量因子的激光二极管，来提供用于NLFC处理的输入光束，可以提供高效NLFC。
在第一示例的描述中，已经按照第一和第二输入光束平面中输入光束在空气中的会聚半角，描述了输入光的聚焦强度。也可以按照输入光束在已经传播通过NLFC部件之后在空气中的发散半角，来描述聚焦强度。如果NFLC部件的第二表面36是平坦表面并且与所述表面垂直的方向与输入光束33的传播方向大致平行，那么合适的发散半角与上述合适的会聚半角大致相同。如果NLFC部件的第二表面36不是平坦的，或者与所述表面垂直的方向不与输入光束33的传播方向大致平行，那么可以按照针对上述NLFC部件的第一表面35不是平坦的或者与NLFC部件的第一表面35垂直的方向不与输入光束33的传播方向大致平行的情况类似的方式，使用标准方法如射线传输方法来确定合适的发散半角。
在第一示例的描述中，使用具有第一柱面透镜和第二柱面透镜的光学部件将第一和第二输入光束平面中空气中的会聚半角设置为合适的值。许多其他的光学部件可以用于为输入光束提供第一和第二束平面中空气中的所需会聚半角。例如，代替第一柱面透镜，两个或更多柱面透镜可以用于提供输入光束在第一束平面中的所需会聚半角。在具体的示例中，可以用焦距为f3＝20mm的第三柱面透镜接着是焦距为f4＝-3.9mm(f4＜0的值表示这是散焦透镜，例如平凹柱面透镜)的第四柱面透镜来替换焦距为f1＝100mm的第一柱面透镜。设置第三和第四柱面透镜的位置，以提供第一束平面中空气中的合适会聚半角。使用第三和第四柱面透镜来代替第一柱面透镜的优点在于从激光二极管到NLFC部件的总距离可以更小，因此发光装置可以更加紧凑。类似地，第二柱面透镜可以用两个柱面透镜来替代。另外，可以通过使用一个或多个球面透镜或者球面透镜和柱面透镜的组合来提供在第一和第二输入光束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角。另外，可以用球面透镜或一个或多个柱面透镜来代替非球面透镜。在具体的示例中，可以用第五柱面透镜和第六柱面透镜来代替非球面透镜，第五柱面透镜使从激光二极管发射的发散光在包含x轴和z轴的平面中聚焦，第六柱面透镜使从激光二极管发射的发散光在包含y轴和z轴的平面中聚焦。另外，该第一示例中描述的所有柱面透镜都可以用非柱面透镜来代替。柱面透镜和非柱面透镜都主要只在一个平面中对光进行聚焦。然而，尽管柱面透镜的弯曲表面是圆柱体一部分，而非柱面透镜的弯曲表面不必是圆柱体的一部分。
在第一示例的描述中，包括分色部件23，该分色部件23可以实现以下之一或两者：减小激光二极管发射的光的波长范围，以及稳定激光二极管发射的光的波长。可以省略分色部件23，同时仍然获得本发明的优点。如果从光源20中省略分色部分23，在至少一个束平面内具有低发散度的束30等价于源光束32。在图10中示出了不具有分色部件的光源20的示意图。图10中的标记具有与图6中的标记相同的含义。
另外，分色部件23可以如此使用，使得从激光二极管21发射的光在通过NLFC部件26之后再入射到所述分色部件。在图11中示出了这种配置，其中用相同的数字来标记与以上第一示例的描述中相同的元件，并且不再重复其描述。在传播通过NLFC部件26之后，输入光束和产生光束入射到分色镜60上，分色镜60将产生光束的一部分反射为反射产生光束61，并且透射输入光束的一部分。将输入光束的透射部分称作透射输入光束62。反射产生光束61可以通过透镜63准直或聚焦，并且可以传播通过滤光器64，滤光器64对输入光束的任意残余光的功率的衰减量大于对反射产生光束的功率的衰减量。透射输入光束62通过至少一个透镜65进行准直或聚焦，然后入射到分色部件23上。透射输入光束62的一部分通过分色元件转移到反馈光束。分色部件取向为使得反馈光束沿着与光束62、33、32和30相同的路径但是相反的方向传播，使得反馈光束朝着激光二极管21传播。反馈光束可以具有以下的一个或两个效果：稳定激光二极管的发射波长，以及减小激光二极管21发射的光的波长范围。优选地，反馈光束减小了激光二极管21发射的光的波长范围。优选地，激光二极管21发射的光的波长范围小于0.2nm，并且最优选地波长范围小于0.1nm。反馈光束的功率可以在光束62的功率的1％和100％之间，并且优选地是光束62的功率的至少70％并且最优选地是至少90％。分色元件可以是表面衍射光栅，例如每毫米具有3600线。分色元件也可以是体布拉格光栅。分色元件也可以是分色镜。
针对包括β-BaB2O4的NLFC部件描述了第一示例。NLFC部件可以包括以下材料的一种或多种：β-BaB2O4、LiB3O5、LiNbO3、KTiOPO4、AgGaS2、AgGaSe2、ZnGeP2、GaSe、AlxGa1-xN(其中0≤x≤1)、KH2PO4、NH4H2PO4、KD2PO4、CsLiB6O10、MgO：LiNbO3、KTiOAsO4、KNbO3、LiTaO3、RbTiOAsO4、BaTiO3、MgBaF4、GaAs、BiB3O6、K2Al2B2O7、KBe2BO3F2、BaAlBO3F2、La2CaB10O19、GdCa4O(BO3)3、YCa4O(BO3)3、GdxY1-xCa4O(BO3)3(其中0≤x≤1)、Li2B4O7、LiRbB4O7、CdHg(SCN)4、Nb：KTiOPO4、RbTiOPO4、LiInS2、LiInSe2、LiGaS2、LiGaSe2、AgxGaxIn1-xSe2(其中0≤x≤1)、Tl4HgI6、KB5O8.4H2O、CsB3O5、C4H7D12N4PO7、α-HIO3、LiCOOH.H2O、CsH2AsO4、CsD2AsO4、RbH2PO4、CsTiOAsO4、Ba2NaNb5O15、CO(NH2)2、LiIO3、Ag3AsS3、HgGa2S4、CdGeAs2、Tl3AsSe3、CdSe。
示例2：
现在描述本发明的第二示例。该第二示例与第一示例类似，并且将不再重复公共 特征。在本发明的该第二示例中，NLFC部件26包括具有沿输入光束33的传播方向测量的 15mm长度的β-BaB2O4晶体。β-BaB2O4晶体的取向与第一示例类似。源光束32就有与第一示例 相同的性质，例如空气中波长约445nm，在第一和第二束平面中的光束质量因子分别为以及
根据本发明的一个方面确定第二束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角(φy)以实现高SHG效率；即可以根据Freegarde等人描述的方法来确定针对衍射受限光束在空气中的合适会聚半角。对于包括如上所述取向、θ≈64.9°以及走离角度ρ≈4°的15mm长β-BaB2O4晶体的NLFC部件的具体示例，Freegarde等人的方法得到了第二束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角是因此，的输入光束在第二束平面中空气中的合适会聚半角是
根据本发明的另一个方面，为了实现高SHG效率，第二束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角(φy)是其中ε的值在等于0.4与二者中较大者的较低值与较高值5之间，优选地ε≈1，并且My是光束质量因子的平方根。因此，的输入光束在第二束平面中空气中的合适会聚半角是在和 之间的值，优选地是的值。
选择第二柱面透镜25的焦距以提供第二束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角。
示例3：
现在描述本发明的第三示例。该第三示例与第一示例类似，并且将不再重复公共特征。在本发明的该第三示例中，激光二极管发射的光的空气中波长为约416nm。源光束32的光束质量因子是和
NLFC部件26包括具有与第一示例相同取向的β-BaB2O4晶体，不同之在于θ≈79.3°以向空气中波长为416nm的输入光束提供第一类相位匹配。对于该示例，当θ≈79.3°时，产生光束的走离角度是ρ≈2°。
根据本发明的一个方面确定第二束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角(φy)以实现高SHG效率；即可以根据Freegarde等人描述的方法来确定针对衍射受限光束在空气中的合适会聚半角。对于包括如上所述取向、θ≈79.3°以及走离角度ρ≈2°的7mm长β-BaB2O4晶体的NLFC部件的具体示例，Freegarde等人的方法得到了第二束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角是因此，的输入光束在第二束平面中空气中的合适会聚半角是
根据本发明的另一个方面，为了实现高SHG效率，第二束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角(φy)是其中ε的值在等于0.4与二者中较大者的较低值与较高值5之间，优选地ε≈1，并且My是光束质量因子的平方根。因此，的输入光束在第二束平面中空气中的合适会聚半角是在和 之间的值，优选地是的值。选择第二柱面透镜25的焦距以提供第二束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角。
示例4：
现在描述本发明的第四示例。该第四示例与第一示例类似，并且将不再重复公共特征。在本发明的该第四示例中使用偏振更改元件70。偏振更改元件可以用于提供输入光束，以在在表现出走离的NLFC部件中进行NLFC处理，其中在与NLFC部件的走离平面平行的束平面中输入光束的光束质量因子小于在与NLFC部件的非走离平面平行的束平面中输入光束的光束质量因子。
在图12中示出了用于说明第四示例的示意图。图12和图6之间存在一些公共特征，并且这些公共特征用相同的数字标记来表示。偏振更改元件70位于激光二极管21和NLFC部件26之间光路上的任意位置。在图12的示例中，偏振更改元件70位于分色部件23和第一柱面透镜24之间。偏振更改元件70改变了源光束32的偏振状态。在优选示例中，偏振更改元件70包括“半波片”，也称作λ/2波片或lambda/2波片。半波片将线偏振光的偏振方向从一个束平面改变到另一个束平面。在优选示例中，偏振更改元件70包括半波片，所述半波片取向为使得当源光束传播通过偏振更改元件70时，源光束中的支配性电场分量的方向旋转了90°。例如，如果源光束的支配性电场分量在传播通过偏振更改元件70之前与x轴大致平行，则源光束的支配性电场分量在传播通过所述元件之后与y轴大致平行(参考图12中标记的轴)。
在本发明的一个方面中，在使用表现出走离的NLFC部件进行的NLFC处理中，在与NLFC部件的走离平面平行的束平面中输入光束的光束质量因子优选地小于在与NLFC部件的非走离平面平行的束平面中输入光束的光束质量因子。根据以上给出的的定义，这可以表示为
对于使用第一类NLFC部件的NLFC，输入光束的支配性电场分量优选地在与NLFC部件的非走离平面平行的输入光束平面中。对于使用第二类NLFC部件的NLFC，输入光束的支配性电场分量优选地在与NLFC部件的走离平面平行的输入光束平面中。
第一类NLFC部件的一个示例是旨在用于第一类SHG、包括如示例1中所述取向的β-BaB2O4晶体的NLFC部件。对于如示例1所述并且如图6中所示的配置，输入光束优选地在与包含y轴和z轴的平面平行的输入光束平面中具有支配性电场分量。
可以将源光束32在与所述光束的支配性电场分量的方向平行的束平面中的光束质量因子称作可以将源光束32在与所述光束的支配性电场分量的方向垂直的束平面中的光束质量因子称作
在本发明的一个方面中，如果NLFC部件26是如上所述的第一类NLFC部件，并且如果源光束32满足关系那么偏振更改元件70可以用于得到具有的输入光束33，偏振更改元件70包括半波片，当源光束传播通过该半波片时该半波片将源光束中的支配性电场分量的方向旋转90°。
在本发明的另一个方面，如果NLFC部件26是如上所述的第二类NLFC部件，并且如果源光束32满足关系那么偏振更改元件70可以用于得到具有的输入光束33，偏振更改元件70包括半波片，当源光束传播通过该半波片时该半波片将源光束中的支配性电场分量的方向旋转90°。
对于该第四示例，在图12中示出了其示意图，激光二极管21取向为使得激光二极管21发射的发散光束的支配性电场分量与包含x轴和z轴的平面大致平行。源光束32具有和在这种情况下，是在与包含x轴和z轴的平面平行的束平面中源光束的光束质量因子。在这种情况下，是在与包含y轴和z轴的平面平行的束平面中源光束的光束质量因子。该源光束满足关系 NLFC部件26与示例1中所述的NLFC部件相同并具有相同取向，并且是第一类NLFC部件。
源光束32传播通过偏正更改元件70，偏振更改元件70包括半波片，当源光束传播 通过半波片时半波片将源光束中的支配性电场分量的方向旋转90°。因此，在传播通过偏振 更改元件70之后，源光束的支配性电场分量在与包含y轴和z轴的平面大致平行的束平面 中。源光束还满足关系和因此，这种结构 提供了其中输入光束的电场的支配性偏振在第一类NLFC部件的优选取向中的输入光束，并 且也提供了其中的输入光束。
根据本发明的一个方面来确定第二束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角(φy)，以实现高SHG效率；即可以根据Freegarde等人描述的方法来确定衍射受限光束在空气中的合适会聚半角。对于包括如上所述取向、θ≈64.9°以及走离角度ρ≈4°的7mm长β-BaB2O4晶体的NLFC部件的具体示例，Freegarde等人的方法得到了第二束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角是因此，的输入光束在第二束平面中空气中的合适会聚半角是
根据本发明的另一个方面，为了实现高SHG效率，第二束平面中输入光束在空气中的合适会聚半角(φy)是其中ε的值在等于0.4与二者中较大者的较低值与较高值5之间，优选地ε≈1。因此，的输入光束在第二束平面中空气中的合适会聚半角是在和之间的值，优选地是的值。
示例5
现在描述本发明的第五示例。该第五示例与第一示例类似，并且将不再重复公共特征。在第五示例中，用于产生源光束的发光元件是一种非激光二极管的激光器。例如，发光元件可以是诸如氩离子激光器之类的气体激光器、光纤激光器或固态激光器，包括激光二极管泵浦的固态激光器。在具体示例中，从掺杂有镨的主激光晶体中产生源光束32。更具体地，源光束32可以从Pr3+掺杂的LiYF4晶体产生，并且可以具有约545.9nm或约522.6nm的波长，并且其中通过可以从激光二极管发射的空气中波长为约444nm的光来光学地泵浦LiYF4晶体。
示例6
现在描述本发明的第六示例。该第六示例与第一示例类似，并且将不再重复公共特征。在第六示例中，用于产生源光束32的发光元件是频率转换激光器。在具体示例中，通过对从Nd：YAG激光晶体发射的波长近似等于1064nm的光进行倍频来产生源光束，并且倍频输出具有约532nm的发射波长。
尽管已经参考某个或某些实施例示出和描述了本发明，但是本领域普通技术人员在阅读和理解本说明书和附图时，可以想到等价的更改和改进。此外，尽管以上仅针对若干实施例中的一个或多个描述了本发明的具体特征，但是可以将这种特征与其他实施例的一个或多个其他特征相结合，这对于任意给定或具体应用可能是期望的并且是有利的。
根据上文，本发明的一个方面是一种非线性频率转换(NLFC)装置。在示例性实施例中，NLFC装置包括：NLFC部件，其表现出走离(walkoff)；以及光学部件，配置为将非衍射受限输入光束会聚到NLFC部件中。NFLC部件输出的输出光束的至少一部分的频率与输入光束的频率不同。
在NLFC装置的示例性实施例中，输入光束的至少一个平面中的光束质量因子大于2(M2＞2)。
在NLFC装置的示例性实施例中，与NLFC部件(26)的非走离平面平行的平面中的光束质量因子大于
在NLFC装置的示例性实施例中，在与NLFC部件的走离平面平行的平面中输入光束的光束质量因子小于在与NLFC部件的非走离平面平行的平面中的输入光束的光束质量因子
在NLFC装置的示例性实施例中，该装置还包括偏振更改元件，所述偏振更改元件更改输入光束的偏振方向，使得
在NLFC装置的示例性实施例中，在NLFC部件的非走离平面中空气中的会聚半角大于针对衍射受限光的会聚半角，其中衍射受限光的光束质量因子M2等于1。
在NLFC装置的示例性实施例中，在NLFC部件的非走离平面中空气中的会聚半角是My乘以针对衍射受限光的会聚半角，其中My是非衍射受限光在非走离平面中的光束质量因子的平方根。
在NLFC装置的示例性实施例中，在NLFC部件的非走离平面中空气中的会聚半角是乘积ε×My乘以针对衍射受限光的会聚半角值，其中ε的值在等于0.4与二者中较大者的较低值与的较高值5之间，并且My是输入光束在非走离平面中的光束质量因子的平方根。
在NLFC装置的示例性实施例中，0.6＜ε＜5.0。
在NLFC装置的示例性实施例中，NLFC部件的输出光的频率是输入光的频率的两倍。
本发明的另一个方面是一种光源。在示例性实施例中，光源包括：发光元件，发射非衍射受限的输入光束；非线性频率转换(NLFC)部件，其表现出走离并且执行二次谐波产生，从而NLFC部件输出的输出光束的至少一部分具有输入光束的两倍频率；以及光学部件，配置为将非衍射受限输入光束会聚到NLFC部件中。
在光源的示例性实施例中，输入光束的波长是400-600nm，并且输出光束的波长是200-300nm。
在光源的示例性实施例中，与NLFC部件的非走离平面平行的平面中的光束质量因子大于
在光源的示例性实施例中，在NLFC部件的非走离平面中空气中的会聚半角大于针对衍射受限光的会聚半角，其中衍射受限光的光束质量因子M2等于1。
在光源的示例性实施例中，在NLFC部件的非走离平面中空气中的会聚半角是乘积ε×My乘以怎地衍射受限光的会聚半角值，其中ε的值在等于0.4与二者中较大者的较低值与较高值5之间，并且My是输入光束在非走离平面中的光束质量因子的平方根。
在光源的示例性实施例中，光学部件配置为将输入光束会聚为具有在0.9°和10.5°之间的会聚半角。
在光源的示例性实施例中，ε＝1.0，并且光学部件配置为将输入光束会聚为具有2.1±1°的会聚半角。
在光源的示例性实施例中，发光元件是包括AlyInxGa1-x-yN半导体材料的激光二极管，并且激光二极管的发光区域的一个维度是至少5μm。
在光源的示例性实施例中，NLFC部件包括β-BaB2O4晶体。
在光源的示例性实施例中，确定会聚半角，使得在传播通过非平面或者表面法向不与输入光束的传播方向平行的NLFC部件输入表面之后输入光束的束腰半径近似等于在NLFC部件的输入表面是平坦表面并且所述表面的法向与输入光束的传播方向平行的情况下具有空气中一会聚半角的输入光束传播进入该输入表面之后将会在NLFC部件中形成的输入光束的束腰半径。
在本发明的示例性实施例中，输入光束在与NLFC部件的非走离平面大致平行的束平面中空气中的会聚半角大于在输入光束是衍射受限光的情况下对于输入光束将是合适的、光束在所述束平面中空气中的会聚半角。
在本发明的另一示例性实施例中，输入光束在与NFLC部件的非走离平面大致平行的束平面中空气中的会聚半角等于ε×My乘以对于衍射受限光形式的输入光束将会是合适的、在所述束平面中空气中的会聚半角，其中是所述束平面中输入光束的光束质量因子，从而My是光束质量因子的平方根，并且ε的值在等于0.4与二者中较大者的较低值与较高值5之间。
在本发明的另一示例性实施例中，输入光束在与NLFC部件的非走离平面大致平行的束平面中空气中的会聚半角近似等于My乘以对于衍射受限光形式的输入光束将会是合适的、在所述束平面中空气中的会聚半角，其中是所述束平面中输入光束的光束质量因子，从而My是光束质量因子的平方根。
在本发明的示例性实施例中，激光二极管发射波长在400nm和600nm之间的光，其中激光二极管包括AlyInxGa1-x-yN材料。在本发明的另一示例性实施例中，NLFC处理是SHG，NLFC部件包括β-BaB2O4晶体，并且产生光束的波长在200nm和300nm之间(与深紫外光相对应)。在本发明的另一示例性实施例中，输入光束通过激光二极管产生，输入光束波长在410nm和480nnm之间，产生光束波长在205nm和240nm之间，并且NLFC部件包括约7mm长(平行于输入光束的传播方向测量)并且针对输入光束的第一类SHG而取向的β-BaB2O4晶体，在与NLFC部件的非走离平面大致平行的束平面中输入光束在空气中的会聚半角大于0.86°，优选地范围在0.86°和10.53°之间，并且最优选地为约2.11°。
在本发明的另一示例性实施例中，用于产生源光束的激光二极管具有发光区域，其中发光区域的至少一个维度是至少5μm。
在本发明的另一示例性实施例中，在与NLFC部件的走离平面大致平行的束平面中输入光束的光束质量因子小于在与NLFC部件的非走离平面平行的束平面中输入光束的光束质量因子在本发明的另一个方面中，使用偏振更改元件来提供的输入光束用于NLFC处理。
本发明相对于现有技术中的示例提供了优点。具体地，相比于现有技术中的装置，根据本发明的光源提供了功率高得多的产生光束。在表现出走离的NLFC部件中首次使用非衍射受限输入光束进行NLFC可以使得能够使用功率大得多的输入光束。第一次提出了在表现出走离的NLFC部件中对非衍射受限输入光束进行高效NLFC(例如SHG)的结构。已经实验性地验证了本发明的若干优点，如对本发明的具体描述部分所述。
工业应用性
根据本发明的频率转换激光器可以用作荧光传感器或吸收传感器中的光源。

Claims (11)

1.一种非线性频率转换NLFC装置(13)，包括：
NLFC部件(26)，所述NLFC部件表现出走离；以及
光学部件(25)，配置为将非衍射受限输入光束(33)会聚到NLFC部件中；
其中，NLFC部件输出的输出光束(34)的至少一部分的频率与输入光束的频率不同,
其中在NLFC部件(26)的非走离平面中空气中的会聚半角大于针对衍射受限光的会聚半角，其中衍射受限光的光束质量因子M2等于1。
2.根据权利要求1所述的NLFC装置(13)，其中输入光束(33)在至少一个平面中的光束质量因子大于2，即M2>2,并且与NLFC部件(26)的非走离平面平行的平面中的光束质量因子大于2，即
3.根据权利要求1至2中任一项所述的NLFC装置(13)，其中输入光束(33)在与NLFC部件(26)的走离平面平行的平面中的光束质量因子小于输入光束在与NLFC部件的非走离平面平行的平面中的光束质量因子，即
4.根据权利要求1所述的NLFC装置(13)，其中在NLFC部件(26)的非走离平面中空气中的会聚半角是My乘以针对衍射受限光的会聚半角，其中My是非衍射受限光在非走离平面中的光束质量因子的平方根。
5.根据权利要求1所述的NLFC装置(13)，其中在NLFC部件(26)的非走离平面中空气中的会聚半角是乘积ε×My乘以针对衍射受限光的会聚半角值，其中ε的值在0.4和二者中较大者与5之间，5大于所述0.4和二者中较大者，并且My是输入光束(33)在非走离平面中的光束质量因子的平方根。
6.一种光源(20)，包括：
发光元件(21)，发射非衍射受限的输入光束；以及
非线性频率转换NLFC部件(26)，所述NLFC部件表现出走离并且执行二次谐波产生，从而NLFC部件(26)输出的输出光束(34)的至少一部分具有输入光束的两倍频率；以及
光学部件，配置为将非衍射受限输入光束会聚到NLFC部件中,
其中在NLFC部件(26)的非走离平面中空气中的会聚半角大于针对衍射受限光的会聚半角，其中衍射受限光的光束质量因子M2等于1。
7.根据权利要求6所述的光源(20)，其中在NLFC部件(26)的非走离平面中空气中的会聚半角是乘积ε×My乘以针对衍射受限光的会聚半角值，其中ε的值在0.4和二者中较大者与5之间，5大于所述0.4和二者中较大者，并且My是输入光束在非走离平面中的光束质量因子的平方根。
8.根据权利要求6至7中任一项所述的光源(20)，其中所述发光元件是包括AlyInxGa1-x- yN半导体材料的激光二极管，并且激光二极管的发光区域的一个维度是至少5μm，并且在与NLFC部件的非走离表面平行的平面中的光束质量因子大于3，即并且所述光学部件配置为将输入光束会聚为具有在0.9°和10.5°之间的会聚半角。
9.根据权利要求6至7中任一项所述的光源(20)，其中确定会聚半角，使得在传播通过非平面或者表面法向不与输入光束的传播方向平行的NLFC部件(26)的输入表面(35)之后输入光束的束腰半径等于在NLFC部件的输入表面(35)是平坦表面并且所述表面的法向与输入光束的传播方向平行的情况下具有空气中一会聚半角的输入光束传播进入所述输入表面(35)之后将会在NLFC部件中形成的输入光束的束腰半径。
10.根据权利要求8所述的光源(20)，其中确定会聚半角，使得在传播通过非平面或者表面法向不与输入光束的传播方向平行的NLFC部件(26)的输入表面(35)之后输入光束的束腰半径等于在NLFC部件的输入表面(35)是平坦表面并且所述表面的法向与输入光束的传播方向平行的情况下具有空气中一会聚半角的输入光束传播进入所述输入表面(35)之后将会在NLFC部件中形成的输入光束的束腰半径。
11.根据权利要求8所述的光源，其中输出光束的输出功率大于0.002mW，且波长在210nm和230nm之间。
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