CN105911793B - 一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器及其应用 - Google Patents

一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器及其应用。该光学变频器，包括沿光路方向设置的第一分束镜、磷酸盐晶体、偏振转换模块、第二分束镜和第三分束镜。本发明以磷酸盐晶体作为非线性光学介质，利用四分之一波片改变倍频光偏振态，利用折返光路进行倍频、三倍频的级联变频，在一块晶体中实现了从近红外激光到紫外激光的直接输出；磷酸盐晶体具有原料成本低、易生长、尺寸大、质量优良等优点；由于在1微米波段磷酸盐晶体的II类倍频和II类三倍频相位匹配方向基本相同，因而光转换效率高。

Description

一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器及其应用
技术领域
本发明涉及一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器及其应用，属于激光和非线性光学的技术领域。
背景技术
目前，紫外激光在精密加工、光学雕刻、快速成型、光学存储和医疗等领域具有广泛应用。获得紫外激光的方法有很多，包括：非线性光学晶体对红外激光的频率变换，二维光子晶体对红外激光的频率变换，以及反斯托克斯拉曼散射等。其中，利用非线性光学晶体进行频率变换最为常用，这种方法具有效率高，光束质量好、稳定性高等优点。目前利用非线性光学晶体进行频率变换获得紫外激光比较成熟的技术方法是对掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)或掺钕玻璃(Nd:glass)激光进行三倍频，产生355nm或351nm的紫外激光；该过程通常采用级联变频的方式进行，即首先用一块非线性光学晶体对红外激光(1064nm/1053nm)倍频，再用另一块非线性光学晶体将产生的倍频绿光(532nm/526nm)与剩余红外激光和频，最终产生355nm/351nm紫外激光。虽然利用三阶非线性的直接三倍频或准相位匹配光学超晶格的方法可以实现一块晶体从近红外到紫外的激光变频，但前者受材料本身抗光伤阈值的限制，转换效率极低，而后者存在制备工艺复杂、可靠性差、价格昂贵等缺点，因而在实际应用中，上述两种方法均受到很大限制。整体而言，利用两块非线性光学晶体先后进行倍频、和频仍是目前获得三倍频紫外激光的主流方法。
中国专利CN105549295A公开了一种兼具非临界相位匹配倍频、三倍频性能的紫外激光变频器及其工作方法。该装置和方法中使用的工作介质为GdxY1-xCOB晶体,是一种低对称性的硼酸盐晶体，单斜晶系，光学双轴晶，提拉法生长；使用的级联相位匹配方式均为非临界相位匹配，即沿Y轴(θ＝90°，φ＝90°)方向先II类倍频，再I类和频；所针对的基频光波长为1064nm和1053nm，分别对应Nd:YAG和Nd:glass激光。该装置和方法中，如果改变基频工作波长，就需要相应改变GdxY1-xCOB的晶体组分x，这意味着需要重新生长晶体，使用不方便、效率低下。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器。
本发明还提供一种利用上述级联光学变频器在1微米波段获得三倍频紫外激光的方法。
发明概述：
KH2PO4(KDP)和NH4H2PO4(ADP)这两种磷酸盐非线性光学晶体在1微米波段(1000～1100nm)的倍频、和频相位匹配角非常接近。本发明利用这一特殊性质，通过光学相位延迟器(即波片)调整倍频光的偏振态以满足偏振匹配条件，通过折返光路以实现倍频及和频的级联变频，从而用一块晶体在1微米波段获得近红外激光的高效三倍频紫外输出。
本发明的技术方案如下：
一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，包括沿光路方向设置的第一分束镜、磷酸盐晶体、偏振转换模块、第二分束镜和第三分束镜。
磷酸盐晶体采用水溶液法生长，采用传统降温法或者快速降温法都能获得高光学质量的大尺寸单晶。原料价格便宜，生长成本低，晶体的生长工艺和定向、切割、抛光、镀膜等工艺也都较为成熟。
优选的，磷酸盐晶体为KDP晶体、ADP晶体、DKDP晶体或DADP晶体。由于KDP、ADP这两种晶体氘化后折射率变化不大，所以相配匹配性质基本不变，因此本发明对于氘化KDP(DKDP)和氘化ADP(DADP)同样适用。KDP晶体和ADP晶体是中级对称性的磷酸盐晶体，四方晶系，光学单轴晶，水溶液法生长，便于获得大口径、高光学质量晶体。
优选的，磷酸盐晶体的加工方向为θ＝60°±5°，φ＝0°±5°；磷酸盐晶体的通光面镀有对1微米激光、1微米激光的倍频光、1微米激光的三倍频光增透的介质膜。其中，θ为相位匹配角中的方向角，φ为相位匹配角中的方位角。参照表1可知，选择θ＝60°±5°，φ＝0°±5°的角度范围能实现1000～1100nm波段内的级联变频。
优选的，所述偏振转换模块包括沿光路方向设置的第一反射镜、四分之一波片和第二反射镜，第二反射镜镀有对1微米激光倍频光高反的介质膜。当入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体o光方向的夹角为54.7°±5°，由于倍频光总能量是基频光总能量的2倍，倍频光单光子能量是基频光单光子能量的2倍，因此倍频光与基频光的光子数相等，理论上可以实现最大效率的和频转换。虽然倍频光路与基频光路在光程上有小的差异，但在脉宽为纳秒量级以上的长脉冲条件下对三倍频转换的影响极小，可以忽略不计。
优选的，所述偏振转换模块包括沿光路方向设置的四分之一波片和第二反射镜，第二反射镜镀有对1微米激光及其倍频光高反的介质膜；四分之一波片通光面镀有对1微米激光及其倍频光增透的介质膜。此时需将入射基频光的偏振方向与变频晶体o光方向的夹角调整为45°±5°，即入射基频光的偏振方向、变频晶体o光和e光角平分线方向、四分之一波片的光轴方向三者一致，基频光与倍频光会有相同的传播光路，光程差为0。
进一步优选的，第一反射镜、第二反射镜镀在四分之一波片上。在脉宽为皮秒量级以下的短脉冲条件下，将第一反射镜、第二反射镜直接镀到典型厚度仅为几十微米的四分之一波片上，可大幅减小反射倍频光与反射基频光的光程差。
进一步优选的，四分之一波片的光轴方向与磷酸盐晶体o光和e光角平分线的夹角为0～5°。倍频光往返两次经过四分之一波片，相当于经过一个半波片，线偏振方向旋转90°，相对变频晶体偏振态由e光变为o光，满足II类和频相位匹配条件。
进一步优选的，四分之一波片是1微米激光倍频光的四分之一波片，通光面镀有对1微米激光倍频光增透的介质膜。
进一步优选的，第一反射镜镀有对1微米激光高反，并对1微米激光的倍频光高透的介质膜。
优选的，第一分束镜与光路中心轴的夹角为35～55°；第一分束镜镀有对1微米激光高透，对1微米激光的倍频光、1微米激光的三倍频光高反的介质膜；第二分束镜与输出光路中心轴的夹角为35～55°；第二分束镜镀有对1微米激光、1微米激光的倍频光高反的介质膜，以及对1微米激光的三倍频光高透的介质膜；第三分束镜与输出光路中心轴的夹角为35～55°；第三分束镜镀有对1微米激光、1微米激光的三倍频光高透的介质膜，以及对1微米激光的倍频光高反的介质膜。
进一步优选的，第一分束镜与光路中心轴的夹角为45°；所述第二分束镜与输出光路中心轴的夹角为45°；第三分束镜与输出光路中心轴的夹角为45°。
一种利用上述级联光学变频器在1微米波段获得三倍频紫外激光的方法，包括步骤如下：
1)入射基频光；
入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体o光方向的夹角为54.7°±5°；根据最优级联三倍频条件下所产生倍频光能量应该为剩余基频光能量的2倍，同时考虑到光强等于电场能量的平方，可以计算出此时基频光电场能量方向(即线偏振方向)与变频晶体o光方向夹角约为54.7°。
2)II类倍频；
入射的基频光的三分之一能量为基频o光，三分之二能量为基频e光，部分基频光转换为倍频e光，并与剩余基频e光一起出射；理想情况下经过晶体II类倍频后三分之二能量的基频光会变为倍频e光，并与剩余的三分之一能量的基频e光一起出射；理论上，倍频转换效率可达66.7％。
3)倍频光往返两次经过所述四分之一波片，线偏振方向旋转90°，相对变频晶体偏振态由倍频e光变为倍频o光；
4)基频e光经第一反射镜反射后以不变的偏振态返回磷酸盐晶体并与倍频o光沿和频相位匹配方向进行和频,得到最大三倍频紫外激光输出；
三倍频紫外激光经第一分束镜、第二分束镜后输出，剩余的倍频光经第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜后输出。
优选的，入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体o光方向的夹角为45°±5°。在脉宽为皮秒量级以下的短脉冲条件下，有两套方案可供选择，第一是将第一反射镜、第二反射镜直接镀到典型厚度仅为几十微米的四分之一波片上，从而大幅减小反射倍频光与反射基频光的光程差；第二是不使用第一反射镜。此时入射的基频光的偏振方向、磷酸盐晶体o光和e光角平分线方向、四分之一波片的光轴方向三者一致，由磷酸盐晶体出射的基频光的偏振方向沿四分之一波片的光轴方向，往返两次通过四分之一波片后偏振态不变，其在磷酸盐晶体e轴上的分量仍为线偏振光，可与倍频o光有效和频。实际应用表明，该方法能够获得30％以上的高转换效率。
优选的，入射的基频光由基频光源产生，基频光源的工作波长为1000～1100nm。KDP和ADP具有光转换效率高、透光波段宽、抗激光损伤阈值高、可以超大尺寸生长等优点，是目前为数不多的尺寸能够达到米级的人工晶体，综合性能优良。根据这两种晶体的折射率色散方程，可以计算出1微米波段典型激光波长对应的II类倍频，II类三倍频(基频与倍频的和频)的相位匹配角θ，如表1所示。对于表中的任一波长，II类倍频与II类三倍频相位匹配角都非常接近，其差别不超过4°，考虑晶体折射率(～1.5)之后可以得到外角差不超过6°，对于折返光路而言意味着全反镜光轴与光路的倾角在3°以内，这正好对应普通二维光学调整架的可调范围，因此我们将1000～1100nm作为本发明的工作波段。
进一步优选的，基频光源的工作波长为1030～1064nm。在1030～1064nm这个最常用的近红外波段内，相位匹配角的差别不超过2°，我们将其作为本发明的优选工作波段。
进一步优选的，所述基频光源为Nd:YAG(1064nm)或Nd:glass(1053nm)脉冲激光器。
优选的，当所述偏振转换模块包括沿光路方向设置的四分之一波片和第二反射镜时，在1微米波段获得三倍频紫外激光的方法，包括步骤如下：
1)入射基频光；
入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体o光方向的夹角为45°±5°；
2)II类倍频；
入射的基频光的二分之一能量为基频o光，二分之一能量为基频e光，经过晶体II类倍频后部分基频光变为倍频e光，并与剩余的基频光一起出射；
3)倍频光往返两次经过所述四分之一波片，线偏振方向旋转90°，相对变频晶体偏振态由倍频e光变为倍频o光；
4)倍频后剩余的基频光穿过四分之一波片，经第二反射镜反射，再次穿过四分之一波片，以不变的偏振态返回磷酸盐晶体，基频e光与倍频o光在磷酸盐晶体内和频，得到三倍频紫外激光输出。
表1 KDP晶、ADP晶体在1微米波段典型激光波长对应的II类倍频，II类三倍频(基频与倍频的和频)的相位匹配角中的方向角θ(单位：度)
本发明的有益效果为：
1、本发明以磷酸盐晶体作为非线性光学介质，利用四分之一波片(倍频光波长)改变倍频光偏振态，利用折返光路进行倍频、三倍频的级联变频，在一块晶体中实现了从近红外激光到紫外激光的直接输出；磷酸盐晶体具有原料成本低、易生长、尺寸大、质量优良等优点；由于在1微米波段磷酸盐晶体的II类倍频和II类三倍频相位匹配方向基本相同，因而光转换效率高；
2、本发明所述基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，只需根据相位匹配角的变化调整晶体切角，即可实现基频工作波长的改变，无需重新生长晶体，使用起来更加快捷、便利；
3、本发明所述基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，增加了基频光反射光学元件，以及特殊的基频偏振分配设计，从而避免了基频光的能量损失，进一步提高了光学转换效率；原材料成本低、光束口径大、工作波段宽、使用方便、转换效率进一步提高；
4、本发明所述基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，使用的级联相位匹配方式均为临界相位匹配，即沿(θ＝60°±5°，φ＝0°)方向先II类倍频，再II类和频；所针对的基频光为1000～1100nm范围内的任意波长，这一波段覆盖了多数重要固体激光介质的主要发射谱线(包括Yb:YAG的1030nm，Nd:YLF、Nd:glass的1053nm，Nd:YAG、Nd:YVO4的1064nm，以及Nd:YAP的1080nm等)；
5、本发明所述基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，用一块晶体获得近红外光的高效三倍频紫外输出，非线性光学晶体是光学变频器的核心部件，也是光学变频器中价格最为昂贵的光学元件，相对传统的由两块晶体制成的光学变频器，本发明将晶体减少到一块能够使生产成本大为降低，同时节约了原材料；另外，四分之一波片、分束镜、反射镜等都是成熟的光学元件，价格远远低于非线性晶体，因此，本器件的生产成本远低于目前使用两块非线性光学晶体的三倍频器件，且器件尺寸越大所节约的成本越多，利于大规模生产和应用。
附图说明
图1为本发明所述基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器的结构示意图；
图2(a)为II类倍频发生时基频光和倍频光的偏振示意图；
图2(b)为II类和频发生时基频光、倍频光和三倍频光的偏振示意图；
图3为实施例1所述基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器的结构示意图；
图4为实施例10所述基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器的结构示意图；
图5为实施例6所述基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器的结构示意图；
图6为实施例8所述基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器的结构示意图；
图7为本实施例8所述的级联光学变频器的使用效果图；其中，主图为三倍频光学转换效率，插图为三倍频光谱。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步阐述，但不限于此。
实施例1
如图1-3所示。
一种基于单块磷酸盐晶体的1064nm纳秒激光的级联光学变频器，包括沿光路方向设置的第一分束镜、磷酸盐晶体、偏振转换模块、第二分束镜和第三分束镜。磷酸盐晶体为KDP晶体；所述偏振转换模块包括沿光路方向设置的第一反射镜、四分之一波片和第二反射镜。第二反射镜镀有对532nm激光高反的介质膜。磷酸盐晶体沿II类倍频相位匹配方向切割；所述II类倍频相位匹配方向为θ＝58.9°，φ＝0°；II类三倍频相位匹配角为θ＝58.4°，φ＝0°；磷酸盐晶体的通光面镀有对1064nm激光、532nm激光、355nm激光增透的介质膜。基频光源为Nd:YAG电光调Q激光器，波长1064nm，脉冲宽度10ns。
KDP晶体采用水溶液法生长，采用传统降温法或者快速降温法都能获得高光学质量的大尺寸单晶。原料价格便宜，生长成本低，晶体的生长工艺和定向、切割、抛光、镀膜等工艺也都较为成熟。
实施例2
如实施例1所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其区别在于，磷酸盐晶体为ADP晶体；所述II类倍频相位匹配方向为θ＝61.6°，φ＝0°；II类三倍频相位匹配角为θ＝60.0°，φ＝0°。
ADP晶体采用水溶液法生长，采用传统降温法或者快速降温法都能获得高光学质量的大尺寸单晶。原料价格便宜，生长成本低，晶体的生长工艺和定向、切割、抛光、镀膜等工艺也都较为成熟。
实施例3
如实施例1所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其区别在于，四分之一波片的光轴方向与磷酸盐晶体o光和e光角平分线的夹角为0°。倍频光往返两次经过四分之一波片，相当于经过一个半波片，线偏振方向旋转90°，相对变频晶体偏振态由e光变为o光，满足II类和频相位匹配条件。四分之一波片是石英制成的532nm四分之一波片，通光面镀有对532nm激光增透的介质膜。第一反射镜镀有对1064nm激光高反、532nm激光高透的介质膜。
实施例4
如实施例1所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其区别在于，第一分束镜与光路中心轴的夹角为45°；第一分束镜镀有对1064nm激光高透，对532nm激光、355nm激光高反的介质膜。
第二分束镜与输出光路中心轴的夹角为45°；第二分束镜由紫外高透的熔石英制成，镀有对355nm激光高透，对1064nm激光、532nm激光高反的介质膜。
第三分束镜与输出光路中心轴的夹角为45°；第三分束镜镀有对1064nm激光、355nm激光高透的介质膜，以及对532nm激光高反的介质膜。
实施例5
一种利用实施例1-4所述级联光学变频器获得355nm激光的方法(偏振转换模块包括第一反射镜、四分之一波片和第二反射镜)，包括步骤如下：
1)入射基频光；
入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体o光方向的夹角为54.7°；根据最优级联三倍频条件下所产生倍频光能量应该为剩余基频光能量的2倍，同时考虑到光强等于电场能量的平方，可以计算出此时基频光电场能量方向(即线偏振方向)与变频晶体o光方向夹角约为54.7°。
2)II类倍频；
入射的基频光的三分之一能量为基频o光，三分之二能量为基频e光，部分基频光转换为倍频e光，并与基频e光一起出射；理想情况下，经过晶体II类倍频后三分之二能量的基频光会变为倍频e光，并与剩余的三分之一能量的基频e光一起出射；理论上，倍频转换效率可达66.7％。参与倍频相互作用的各光波的偏振态如图2(a)所示。
3)倍频光往返两次经过所述四分之一波片，线偏振方向旋转90°，相对变频晶体偏振态由倍频e光变为倍频o光；
4)基频e光经第一反射镜反射后以不变的偏振态返回磷酸盐晶体并与倍频o光沿和频相位匹配方向进行和频，得到最大三倍频紫外激光输出；参与和频相互作用的各光波的偏振态如图2(b)所示。
三倍频紫外激光经第一分束镜、第二分束镜后输出，剩余的倍频光经第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜后输出。
由于第一分束镜、第三分束镜都镀有对1064nm高透的介质膜，因此输出光路中和频后剩余的1064nm基频光在这两处被有效滤除(第一分束镜起主要作用)，不会出现在第二分束镜的透射三倍频光，或者第三分束镜的反射倍频光中，保证了输出光的光谱纯度。此外，反向光路与正向光路并不完全一致，存在细微差别，这个特点保护了基频光源，同时又避免了反向传播光束对正向传播光束的干扰，有助于提高变频输出的稳定性。
实施例6
如图5所示。
如实施例1所述的基于单块磷酸盐晶体的1064nm纳秒激光的级联光学变频器，其区别在于，第一反射镜、第二反射镜镀在四分之一波片上；四分之一波片为石英制成的532nm四分之一波片，两通光端面抛光后，前端面镀1064nm高反、532nm增透的介质膜，代替第一反射镜；后端面镀532nm高反的介质膜，代替第二反射镜；在脉宽为皮秒量级以下的短脉冲条件下，将第一反射镜、第二反射镜直接镀到典型厚度仅为几十微米的四分之一波片上，可大幅减小反射倍频光与反射基频光的光程差。
实施例7
一种利用实施例6所述级联光学变频器获得355nm激光的方法，包括步骤如下，
1)入射基频光；
入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体o光方向的夹角为54.7°；
2)II类倍频；
入射的基频光的三分之一能量为基频o光，三分之二能量为基频e光，经过晶体II类倍频后三分之二能量的基频光会变为倍频e光，并与剩余的三分之一能量的基频e光一起出射；
3)倍频光往返两次经过所述四分之一波片，线偏振方向旋转90°，相对变频晶体偏振态由倍频e光变为倍频o光；
4)基频e光经四分之一波片的前端面反射后以不变的偏振态返回磷酸盐晶体并与倍频o光沿和频相位匹配方向进行和频，得到最大三倍频紫外激光输出。
实施例8
如图6所示。
如实施例1所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其区别在于，所述偏振转换模块包括沿光路方向设置的四分之一波片和第二反射镜。基频光源为Nd:YAG锁模调Q激光器，波长1064nm，脉冲宽度40ps。四分之一波片是石英制成的532nm四分之一波片，通光面镀有对1064nm、532nm激光增透的介质膜。第二反射镜镀有对1064nm激光、532nm激光高反的介质膜。
实施例9
一种利用实施例8所述级联光学变频器获得355nm激光的方法，包括步骤如下，
1)入射基频光；
入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体o光方向的夹角为45°；
2)II类倍频；
入射的基频光的二分之一能量为基频o光，二分之一能量为基频e光，经过晶体II类倍频后部分基频光变为倍频e光，并与剩余的基频光一起出射；
3)倍频光往返两次经过所述四分之一波片，线偏振方向旋转90°，相对变频晶体偏振态由倍频e光变为倍频o光；
4)倍频后剩余的基频光穿过四分之一波片，经第二反射镜反射，再次穿过四分之一波片，以不变的偏振态返回磷酸盐晶体，基频e光与倍频o光在磷酸盐晶体内和频，得到三倍频紫外激光输出。
本实施例是专门针对超快基频光脉冲(脉宽为皮秒量级以下)的设计方案。结合光速可知，本实施例40ps的基频脉冲仅对应1.2cm的空间光程，如果再沿用实施例1的器件结构，即使反射基频光束与反射倍频光束之间的光程差为mm量级，也会造成通过KDP晶体时反射基频脉冲与反射倍频脉冲在时间上的不同步，大幅降低和频效率。在本实施例中，基频光束与倍频光束所经历的光路完全一致，光程差为0，保证了和频的有效实现。虽然理论上有小部分剩余基频光(在晶体o轴上的分量)无法有效利用，但实际应用表明，这种方法仍能获得30％以上的高转换效率。图7是本实施例的级联变频效果：在第二分束镜处，测量了三倍频转换效率随基频光能量的变化，以及三倍频激光光谱。中心波长为355nm，当基频光能量为2.5mJ时，获得了最高的三倍频转换效率31％。
实施例10
如图4所示。
一种基于单块磷酸盐晶体的1053nm纳秒激光的级联光学变频器，包括沿光路方向设置的第一分束镜、磷酸盐晶体、偏振转换模块、第二分束镜和第三分束镜。基频光源为Nd:glass电光调Q激光器，波长1053nm，脉冲宽度10ns。磷酸盐晶体为ADP晶体；所述偏振转换模块包括沿光路方向设置的第一反射镜、四分之一波片和第二反射镜。磷酸盐晶体沿II类倍频相位匹配方向切割；所述II类倍频相位匹配方向为θ＝61.6°，φ＝0°；II类三倍频相位匹配角为θ＝60.8°，φ＝0°。磷酸盐晶体的通光面镀有对1053nm激光、526.5nm激光、351nm激光增透的介质膜。四分之一波片是石英制成的526.5nm四分之一波片，通光面镀有对526.5nm激光增透的介质膜。
第一反射镜镀有对1053nm激光高反、526.5nm激光高透的介质膜；第二反射镜镀有对526.5nm激光高反的介质膜。
第一分束镜与光路中心轴的夹角为45°；第一分束镜镀有对1053nm激光高透，对526.5nm激光、351nm激光高反的介质膜。
第二分束镜与输出光路中心轴的夹角为45°；第二分束镜由紫外高透的熔石英制成，镀有对351nm激光高透，对1053nm激光、526.5nm激光高反的介质膜。
第三分束镜与输出光路中心轴的夹角为45°；第三分束镜镀有对1053nm激光、351nm激光高透的介质膜，以及对526.5nm激光高反的介质膜。
实施例11
一种利用实施例10所述级联光学变频器获得351nm激光的方法，包括步骤如下，
1)入射基频光；
入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体o光方向的夹角为54.7°；
2)II类倍频；
入射的基频光的三分之一能量为基频o光，三分之二能量为基频e光，经过晶体II类倍频后三分之二能量的基频光会变为倍频e光，并与剩余的三分之一能量的基频e光一起出射；
3)倍频光往返两次经过所述四分之一波片，线偏振方向旋转90°，相对变频晶体偏振态由倍频e光变为倍频o光；
4)基频e光经第一反射镜反射后以不变的偏振态返回磷酸盐晶体并与倍频o光沿和频相位匹配方向进行和频，得到最大三倍频紫外激光输出。
由于第一分束镜、第三分束镜都镀有对1053nm高透的介质膜，因此输出光路中和频后剩余的1053nm基频光在这两处被有效滤除(第一分束镜起主要作用)，不会出现在第二分束镜的透射三倍频光，或者第三分束镜的反射倍频光中，保证了输出光的光谱纯度。此外，反向光路与正向光路并不完全一致，存在细微差别，这个特点保护了基频光源，同时又避免了反向传播光束对正向传播光束的干扰，有助于提高变频输出的稳定性。

Claims (9)

1.一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其特征在于，包括沿光路方向设置的第一分束镜、磷酸盐晶体、偏振转换模块、第二分束镜和第三分束镜；所述偏振转换模块包括沿光路方向设置的第一反射镜、四分之一波片和第二反射镜；第二反射镜镀有对1微米激光的倍频光高反的介质膜；四分之一波片的光轴方向与磷酸盐晶体o光和e光角平分线的夹角为0～5°；四分之一波片是1微米激光的倍频光的四分之一波片，通光面镀有对1微米激光的倍频光增透的介质膜；第一反射镜镀有对1微米激光高反，并对1微米激光的倍频光高透的介质膜；第一分束镜与光路中心轴的夹角为35～55°；第一分束镜镀有对1微米激光高透，对1微米激光的倍频光、1微米激光的三倍频光高反的介质膜；第二分束镜与输出光路中心轴的夹角为35～55°；第二分束镜镀有对1微米激光、1微米激光的倍频光高反的介质膜，以及对1微米激光的三倍频光高透的介质膜；第三分束镜与输出光路中心轴的夹角为35～55°；第三分束镜镀有对1微米激光、1微米激光的三倍频光高透的介质膜，以及对1微米激光的倍频光高反的介质膜。
2.根据权利要求1所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其特征在于，磷酸盐晶体为KDP晶体、ADP晶体、DKDP晶体或DADP晶体。
3.根据权利要求1所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其特征在于，磷酸盐晶体的加工角度为θ＝60°±5°，φ＝0°±5°；磷酸盐晶体的通光面镀有对1微米激光、1微米激光的倍频光、1微米激光的三倍频光增透的介质膜，其中，θ为相位匹配角中的方向角，φ为相位匹配角中的方位角。
4.根据权利要求1所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其特征在于，第一反射镜、第二反射镜镀在四分之一波片上。
5.一种利用权利要求1-4任意一项所述级联光学变频器在1微米波段获得三倍频紫外激光的方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)入射基频光；
入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体o光方向的夹角为54.7°±5°；
2)II类倍频；
入射的基频光的三分之一能量为基频o光，三分之二能量为基频e光，部分基频光转换为倍频e光，并与剩余的基频e光一起出射；
3)倍频光往返两次经过所述四分之一波片，线偏振方向旋转90°，相对变频晶体偏振态由倍频e光变为倍频o光；
4)基频e光经第一反射镜反射后以不变的偏振态返回磷酸盐晶体并与倍频o光沿和频相位匹配方向进行和频，得到最大三倍频紫外激光输出。
6.一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其特征在于，包括沿光路方向设置的第一分束镜、磷酸盐晶体、偏振转换模块、第二分束镜和第三分束镜；所述偏振转换模块包括沿光路方向设置的四分之一波片和反射镜，反射镜镀有对1微米激光及其倍频光高反的介质膜；四分之一波片通光面镀有对1微米激光及其倍频光增透的介质膜；四分之一波片的光轴方向与磷酸盐晶体o光和e光角平分线的夹角为0～5°；第一分束镜与光路中心轴的夹角为35～55°；第一分束镜镀有对1微米激光高透，对1微米激光的倍频光、1微米激光的三倍频光高反的介质膜；第二分束镜与输出光路中心轴的夹角为35～55°；第二分束镜镀有对1微米激光、1微米激光的倍频光高反的介质膜，以及对1微米激光的三倍频光高透的介质膜；第三分束镜与输出光路中心轴的夹角为35～55°；第三分束镜镀有对1微米激光、1微米激光的三倍频光高透的介质膜，以及对1微米激光的倍频光高反的介质膜。
7.一种利用权利要求6所述级联光学变频器在1微米波段获得三倍频紫外激光的方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)入射基频光；
入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体o光方向的夹角为45°±5°；
2)II类倍频；
入射的基频光的二分之一能量为基频o光，二分之一能量为基频e光，经过晶体II类倍频后部分基频光变为倍频e光，并与剩余的基频光一起出射；
3)倍频光往返两次经过所述四分之一波片，线偏振方向旋转90°，相对变频晶体偏振态由倍频e光变为倍频o光；
4)倍频后剩余的基频光穿过四分之一波片，经反射镜反射，再次穿过四分之一波片，以不变的偏振态返回磷酸盐晶体，基频e光与倍频o光在磷酸盐晶体内和频，得到三倍频紫外激光输出。
8.根据权利要求1-4或6之一所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其特征在于，入射基频光由基频光源产生；基频光源的工作波段为1000～1100nm。
9.根据权利要求8所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其特征在于，所述基频光源的工作波段为1030～1064nm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106959166B (zh) * 2017-02-22 2019-04-19 中国科学院上海光学精密机械研究所 任意重复频率飞秒激光时间抖动的测量装置及方法
CN106825943B (zh) * 2017-02-23 2018-10-09 江苏大学 应用于plc晶圆激光切割装置及带有该装置的皮秒激光器
CN107748472B (zh) * 2017-11-16 2023-11-21 山东大学 一种特殊切角的bbo晶体、一种三倍频光学变频器及其工作方法
CN111906306A (zh) * 2020-06-10 2020-11-10 上海航天设备制造总厂有限公司 一种熔化增材制造设备的多波长激光加工光路系统
CN112260042B (zh) * 2020-09-14 2022-01-25 深圳联品激光技术有限公司 紫外脉冲激光器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010135380A (ja) * 2008-12-02 2010-06-17 Omron Corp 固体レーザ発振器
CN102214892A (zh) * 2011-05-12 2011-10-12 中国科学院理化技术研究所 一种基于块状激光自变频材料级联效应的激光器
CN105549295A (zh) * 2016-03-14 2016-05-04 山东大学 一种兼具非临界相位匹配倍频、三倍频性能的紫外激光变频器及其工作方法
CN205827028U (zh) * 2016-06-28 2016-12-21 山东大学 一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010135380A (ja) * 2008-12-02 2010-06-17 Omron Corp 固体レーザ発振器
CN102214892A (zh) * 2011-05-12 2011-10-12 中国科学院理化技术研究所 一种基于块状激光自变频材料级联效应的激光器
CN105549295A (zh) * 2016-03-14 2016-05-04 山东大学 一种兼具非临界相位匹配倍频、三倍频性能的紫外激光变频器及其工作方法
CN205827028U (zh) * 2016-06-28 2016-12-21 山东大学 一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Non-critical phase-matched second-harmonic-generation and third-harmonic-generation of 1053 nm lasers in GdxY1-xCOB crystal;Hongwei Qi 等;《OPTICAL MATERIALS EXPRESS》;20160412;第6卷(第5期);第1576-1586页 *

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