CN105071216B - 一种提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器，包括第一BaF2晶体棱镜、KBBF晶体和第二BaF2晶体棱镜；KBBF晶体呈平板状；两个BaF2晶体棱镜分别设置于KBBF晶体的两侧面，两个BaF2晶体棱镜的顶角和底角两两相邻，且两个BaF2晶体棱镜与KBBF晶体的两侧面光胶接触；KBBF晶体的c轴晶向垂直于两个BaF2晶体棱镜与KBBF晶体的接触面；两个BaF2晶体棱镜的与KBBF晶体的接触面、KBBF晶体的两侧面、光束入射面、以及光束出射面都为抛光面；通光方向为两个BaF2晶体棱镜的内禀双折射率为零的晶向。所述倍频晶体耦合器能够有效减少KBBF晶体与BaF2晶体棱镜处接触面的反射损失，从而提高倍频光的转换效率和输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及光学晶体耦合器件技术领域。更具体地，涉及一种提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器。
背景技术
现有技术中，产生紫外﹑深紫外激光的最有效的途径之一是通过非线性光学晶体的激光变频(包含倍频、和频、光参量振荡和放大)技术实现，而倍频由于操作简单而优于和频等方法，最具有实用价值。常用的方法是将非线性光学晶体按位相匹配角切割，基频激光按一定的角度入射，精确转动晶体调整入射角到位相匹配角(称角度调谐)或控制晶体温度，使晶体达到位相匹配温度而实现有效变频输出。但是，有的非线性光学晶体存在解理等特性不易切割，有的非线性光学晶体体积有限或造价昂贵，不能从中切割出一定尺寸以满足特定入射角下的位相匹配角要求。
例如，在波长小于200nm的深紫外区域，目前只有KBe2BO3F(KBBF)和RbBe2BO3F(RBBF)两种非线性光学晶体可实现波长短于200nm的直接倍频输出，但是KBBF和RBBF晶体具有层状习性，晶体沿c方向厚度一般仅1-2mm，无法按照相位匹配方向进行切割，直接采用斜入射方式，随着入射角的增大，会发生全反射，斜入射的最短倍频波长在235nm。为了实现深紫外激光输出，陈创天等发明了棱镜耦合技术来解决这一难题(一种非线性光学晶体激光变频耦合器，ZL 01115313.X)，采用和非线性光学晶体KBBF折射率接近的玻璃、熔石英SiO2或CaF2做棱镜，棱镜的角度根据相位匹配角确定，基频光按一定角度或者垂直棱镜入射，在不用斜切割KBBF晶体的情况下实现了包括Nd-YAG激光的六倍频177.3nm，钛宝石激光四倍频宽调谐175～235nm等深紫外激光输出。
但这种耦合器件在实现短波深紫外激光(波长小于170nm)输出时遇到挑战，由于熔石英和玻璃吸收严重，只能选取CaF2晶体作为棱镜，但CaF2晶体与KBBF晶体在基波和倍频波波长处折射率仍有显著差别，在实现短波深紫外倍频输出时，当基波光由折射率大的光密介质KBBF晶体进入折射率小的光疏介质CaF2晶体时会发生明显的反射损失(例如167nm处的损失约30％，参见表1)，甚至会发生全反射(例如165nm处的透过率将为0)，基波光损失对腔外倍频等单次通过方式影响可以克服，但对为提高转换效率必需采取的腔内倍频等基波光多次通过倍频方式影响是致命的。比如对165nm输出而言，腔内倍频完全无法实现，对167nm输出基波损失过大(达30％)，实际上也无法实现。
表1.CaF2-KBBF棱镜耦合器件折射率匹配及出射透过率
在采用前述专利技术(ZL 01115313.X)实现短波深紫外输出时遇到的另一个问题是，所采用的CaF2晶体具有內禀双折射(Phys.Rev.B64,241102)，如在165.7nm处，折射率n＝-8.3x10-7，当采用任意切割的CaF2棱镜制作耦合器件后，165.7nm激光在其中传输1cm后偏振方向最大会偏转18°，造成相位失配，从而导致输出效率降低。
因此，需要提供一种提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器，包括第一BaF2晶体棱镜、KBBF晶体和第二BaF2晶体棱镜；KBBF晶体呈平板状；
两个BaF2晶体棱镜分别设置于KBBF晶体的两侧面，两个BaF2晶体棱镜的顶角和底角两两相邻，且两个BaF2晶体棱镜与KBBF晶体的两侧面光胶接触；KBBF晶体的c轴晶向垂直于两个BaF2晶体棱镜与KBBF晶体的接触面；
两个BaF2晶体棱镜的与KBBF晶体的接触面、KBBF晶体的两侧面、光束入射面、以及光束出射面都为抛光面；
通光方向为两个BaF2晶体棱镜的内禀双折射率为零的晶向。
优选地，所述第一BaF2晶体棱镜与所述第二BaF2晶体棱镜的形状相同。
进一步优选地，所述第一BaF2晶体棱镜和所述第二BaF2晶体棱镜均为直角棱镜。
进一步优选地，所述第一BaF2晶体棱镜和所述第二BaF2晶体棱镜均为布儒斯特角棱镜。
更进一步优选地，所述第一BaF2晶体棱镜和第二BaF2晶体棱镜的顶角α的角度均为14.9度；二者的底角γ的角度均为75.1度。
更进一步优选地，通光方向为所述第一BaF2晶体棱镜和所述第二BaF2晶体棱镜的111晶向。
优选地，所述第一BaF2晶体棱镜为直角棱镜；所述第二BaF2晶体棱镜为布儒斯特角棱镜。
进一步优选地，所述第一BaF2晶体棱镜和所述第二BaF2晶体棱镜的顶角α的角度均为12度；所述第一BaF2晶体棱镜和所述第二BaF2晶体棱镜的底角γ的角度均为78度。
进一步优选地，通光方向为所述第一BaF2晶体棱镜和所述第二BaF2晶体棱镜的100晶向。
优选地，所述倍频晶体耦合器还包括用于固定所述第一BaF2晶体棱镜、所述KBBF晶体和所述第二BaF2晶体棱镜的镜架。
本发明的有益效果如下：
与传统的棱镜耦合装置相比，本发明的所述倍频晶体耦合器采用KBBF晶体和BaF2晶体棱镜，且BaF2的折射率较SiO2和CaF2在紫外波段更接近KBBF晶体，因此能够有效减少KBBF晶体与BaF2晶体棱镜接触面的反射损失，从而提高倍频光的转换效率和输出功率。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例1提供的提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器的剖面示意图。
图2为本发明实施例2提供的提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器的剖面示意图。
图3为本发明实施例2和3提供的提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器的第二BaF2晶体棱镜的立体示意图。
图4为本发明实施例2提供的提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器的俯视图。
图5为本发明实施例3提供的提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器的剖面示意图。
图6为本发明实施例3提供的提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器的俯视图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供的提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器包括第一BaF2晶体棱镜1、KBBF晶体2和第二BaF2晶体棱镜3。KBBF晶体2呈平板状。
第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3分别设置于KBBF晶体2的两侧面，两个BaF2晶体棱镜的顶角和底角两两相邻，且两个BaF2晶体棱镜与KBBF晶体的两侧面光胶接触。KBBF晶体的c轴晶向垂直于两个BaF2晶体棱镜与KBBF晶体的接触面。通光方向为第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3的内禀双折射率为零的晶向。
第一BaF2晶体棱镜1的与KBBF晶体2的接触面、第二BaF2晶体棱镜3的与KBBF晶体2的接触面、KBBF晶体2的两侧面、光束入射面、以及光束出射面都为抛光面。
在本实施例中，第一BaF2晶体棱镜1与第二BaF2晶体棱镜3的形状相同，且第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3均为直角棱镜。需要说明的是，本实施例以第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3均为直角棱镜为例来说明本发明的技术方案和发明思想，但第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3的形状不限于直角棱镜，即第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3可以具有除直角棱镜之外的其它形状。
在本实施例中，第一BaF2晶体棱镜1的顶角α与其底角γ的角度之和为90度；且第二BaF2晶体棱镜3的顶角α与其底角γ的角度之和为90度。在本实施例中，第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3的顶角α的角度均优选为14.9度；第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3的底角γ的角度均优选为75.1度。
在本实施例的另一种优选实施方式中，通光方向优选为第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3的(111)晶向。此处的通光方向指的是光束的传播方向。需要说明的是，本实施例以通光方向为第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3的(111)晶向为例来说明本发明的技术方案和发明思想，但通光方向不限于第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3的(111)晶向，第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3的内禀双折射率为零的任意晶向都可以作为通光方向。
在本实施例的另一种优选实施方式中，所述倍频晶体耦合器还包括镜架，用于固定第一BaF2晶体棱镜1、KBBF晶体2和第二BaF2晶体棱镜3。
使用时，如图1所示，入射光束从例如第一BaF2晶体棱镜1的左侧的直角面射入，然后继续传播依次射入KBBF晶体2和第二BaF2晶体棱镜3，出射光束从例如第二BaF2晶体棱镜3的右侧直角面射出，且反之亦然。
本实施例的所述倍频晶体耦合器可作为脉冲或连续激光腔外倍频器使用，其实现倍频后的深紫外激光的波长为167nm。
实施例2：
如图2和图3所示，本实施例提供的提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器包括第一BaF2晶体棱镜1、KBBF晶体2和第二BaF2晶体棱镜3。KBBF晶体2呈平板状。
第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3分别设置于KBBF晶体2的两侧面，两个BaF2晶体棱镜的顶角和底角两两相邻，且两个BaF2晶体棱镜与KBBF晶体的两侧面光胶接触。KBBF晶体的c轴晶向垂直于两个BaF2晶体棱镜与KBBF晶体的接触面。通光方向为第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3的内禀双折射率为零的晶向。
第一BaF2晶体棱镜1的与KBBF晶体2的接触面、第二BaF2晶体棱镜3的与KBBF晶体2的接触面、KBBF晶体2的两侧面、光束入射面、以及光束出射面都为抛光面。
在本实施例中，第一BaF2晶体棱镜1为直角棱镜；第二BaF2晶体棱镜3为布儒斯特角棱镜，如图4所示，且第二BaF2晶体棱镜3的布儒斯特角β优选为58.3度。
在本实施例中，第一BaF2晶体棱镜1的顶角α与其底角γ的角度之和为90度；且第二BaF2晶体棱镜3的顶角α与其底角γ的角度之和为90度。在本实施例中，第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3的顶角α的角度均优选为12度；第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3的底角γ的角度均优选为78度。
在本实施例的另一种优选实施方式中，通光方向优选为第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3的(100)晶向。此处的通光方向指的是光束的传播方向。
在本实施例的另一种优选实施方式中，所述倍频晶体耦合器还包括镜架，用于固定第一BaF2晶体棱镜1、KBBF晶体2和第二BaF2晶体棱镜3。
使用时，如图2和图3所示，入射光束从例如第一BaF2晶体棱镜1的左侧的直角面射入，然后继续传播依次射入KBBF晶体2和第二BaF2晶体棱镜3，出射光束从例如第二BaF2晶体棱镜3的右侧面射出，且反之亦然。
本实施例的所述倍频晶体耦合器可作为脉冲或连续激光腔外倍频器使用，其实现倍频后的深紫外激光的波长为165nm。
实施例3：
如图5和图6所示，本实施例提供的提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器包括第一BaF2晶体棱镜1、KBBF晶体2和第二BaF2晶体棱镜3。KBBF晶体2呈平板状。
第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3分别设置于KBBF晶体2的两侧面，两个BaF2晶体棱镜的顶角和底角两两相邻，且两个BaF2晶体棱镜与KBBF晶体的两侧面光胶接触。KBBF晶体的c轴晶向垂直于两个BaF2晶体棱镜与KBBF晶体的接触面。通光方向为第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3的内禀双折射率为零的晶向。
第一BaF2晶体棱镜1的与KBBF晶体2的接触面、第二BaF2晶体棱镜3的与KBBF晶体2的接触面、KBBF晶体2的两侧面、光束入射面、以及光束出射面都为抛光面。
在本实施例中，第一BaF2晶体棱镜1与第二BaF2晶体棱镜3的形状相同，且第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3均为布儒斯特角棱镜，如图4所示，且第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3的布儒斯特角β均优选为56.2度。
在本实施例中，第一BaF2晶体棱镜1的顶角α与其底角γ的角度之和为90度；且第二BaF2晶体棱镜3的顶角α与其底角γ的角度之和为90度。在本实施例中，第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3的顶角α的角度均优选为14.9度；第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3的底角γ的角度均优选为75.1度。
在本实施例的另一种优选实施方式中，通光方向优选为第一BaF2晶体棱镜1和第二BaF2晶体棱镜3的(111)晶向。此处的通光方向指的是光束的传播方向。
在本实施例的另一种优选实施方式中，所述倍频晶体耦合器还包括镜架，用于固定第一BaF2晶体棱镜1、KBBF晶体2和第二BaF2晶体棱镜3。
使用时，如图5和图6所示，入射光束从例如第一BaF2晶体棱镜1的左侧面射入，然后继续传播依次射入KBBF晶体2和第二BaF2晶体棱镜3，出射光束从例如第二BaF2晶体棱镜3的右侧面射出，且反之亦然。
本实施例的所述倍频晶体耦合器可作为脉冲或连续激光腔外倍频器使用，其实现倍频后的深紫外激光的波长为167nm。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器，其特征在于，包括第一BaF2晶体棱镜、KBBF晶体和第二BaF2晶体棱镜；KBBF晶体呈平板状；
两个BaF2晶体棱镜分别设置于KBBF晶体的两侧面，两个BaF2晶体棱镜的顶角和底角两两相邻，且两个BaF2晶体棱镜与KBBF晶体的两侧面光胶接触；KBBF晶体的c轴晶向垂直于两个BaF2晶体棱镜与KBBF晶体的接触面；
两个BaF2晶体棱镜的与KBBF晶体的接触面、KBBF晶体的两侧面、两个BaF2晶体棱镜中一个的光束入射面、以及两个BaF2晶体棱镜中另一个的光束出射面都为抛光面；
通光方向为两个BaF2晶体棱镜的内禀双折射率为零的晶向。
2.根据权利要求1所述的提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器，其特征在于，所述第一BaF2晶体棱镜与所述第二BaF2晶体棱镜的形状相同。
3.根据权利要求2所述的提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器，其特征在于，所述第一BaF2晶体棱镜和所述第二BaF2晶体棱镜均为直角棱镜。
4.根据权利要求2所述的提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器，其特征在于，所述第一BaF2晶体棱镜和所述第二BaF2晶体棱镜均为布儒斯特角棱镜。
5.根据权利要求3或4所述的提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器，其特征在于，所述第一BaF2晶体棱镜和第二BaF2晶体棱镜的顶角的角度均为14.9度；二者的底角的角度均为75.1度。
6.根据权利要求3或4所述的提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器，其特征在于，通光方向为所述第一BaF2晶体棱镜和所述第二BaF2晶体棱镜的111晶向。
7.根据权利要求1所述的提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器，其特征在于，所述第一BaF2晶体棱镜为直角棱镜；所述第二BaF2晶体棱镜为布儒斯特角棱镜。
8.根据权利要求7所述的提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器，其特征在于，所述第一BaF2晶体棱镜和所述第二BaF2晶体棱镜的顶角的角度均为12度；所述第一BaF2晶体棱镜和所述第二BaF2晶体棱镜的底角的角度均为78度。
9.根据权利要求7所述的提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器，其特征在于，通光方向为所述第一BaF2晶体棱镜和所述第二BaF2晶体棱镜的100晶向。
10.根据权利要求1-4和7中任一项所述的提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器，其特征在于，所述倍频晶体耦合器还包括用于固定所述第一BaF2晶体棱镜、所述KBBF晶体和所述第二BaF2晶体棱镜的镜架。
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