CN107748472A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种特殊切角的BBO晶体、一种三倍频光学变频器及其工作方法，当基频光波长从750nm逐渐增加到1200nm过程中，BBO晶体的相位匹配角θ从42.1°‑52.1°逐渐减小到24.2°‑34.2°，BBO晶体的方位角φ为6°‑16°；BBO晶体通光方向上的长度为6‑14mm。本发明单块BBO晶体可以实现上述波段近红外激光的高效级联三倍频，输出紫外或者紫色激光。本发明制成的三倍频光学变频器具有成本低、抗光损伤阈值高、可用波段宽、有效非线性光学系数大、输出能量大、转换效率高等优点，整体性能优于以ADP、KDP或者GdxY1‑xCOB晶体制成的同类器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种特殊切角的BBO晶体、一种三倍频光学变频器及其工作方法，属于激光和非线性光学技术领域。
背景技术
目前，体块非线性光学(NLO)晶体仍然是光学频率上转换的主要介质，比较常用的有KTP、KDP、BBO、LBO等。对于近红外激光的三倍频(THG)，通常采用级联变频方式实现，传统情况下需要两块非线性光学晶体：第一块晶体产生倍频波(SHG)，第二块对基频波与倍频波进行和频(SFG)，产生三倍频波。
中国专利文献CN105911793A公开了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；
中国专利文献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，包括基频光源、缩束系统、第一反射镜、非线性光学晶体、四分之一波片、第二反射镜及滤波片，非线性光学晶体X轴和Z轴的角平分线，与基频光的偏振方向的夹角为0-5°，四分之一波片的光轴方向与基频光的偏振方向的夹角为0-5°；第一反射镜与光路的中心轴的夹角为35-55°；非线性光学晶体为GdxY1-xCOB晶体，当基频光波长为1064nm时，x的取值范围为0.18-0.22,当基频光波长为1053nm时，x的取值范围为0.11-0.15。
上述两篇专利文献公开了两种仅用一块非线性光学晶体实现三次谐波转换的装置，分别应用于KDP、ADP类,以及GdxY1-xCOB晶体。这几种晶体共同特征是：其倍频与和频的最佳切向(即有效二阶非线性光学系数最大的方向)比较相近。对于KDP、ADP类晶体，切割角在主平面内(θ＝60°，φ＝0°)附近，所实现的级联三倍频先后由II类倍频和II类和频构成。对于GdxY1-xCOB晶体，切割角在主轴Y、上，即(θ＝90°，φ＝90°)，为非临界相位匹配方向，所实现的级联三倍频先后由II类倍频和I类和频构成。整体而言，上述晶体的有效非线性光学系数普遍不高，并且KDP、ADP类晶体有潮解性能，而GdxY1-xCOB晶体对组分的依懒性高、紫外光辐照时易出现灰迹损伤，这些因素不同程度地限制了上述器件的应用，通过寻找新的非线性晶体及切型有望弥补上述不足。
发明内容
针对现有单晶体级联三倍频技术中存在的潮解、非线性系数小、抗光伤阈值低等问题，本发明设计了一种特殊切角的BBO晶体，沿特殊空间方向加工，可实现高效级联三倍频输出。本发明提供BBO晶体的切割方式及其单晶体三倍频光学变频器的组装方法。
发明概述：
本发明用特殊方向切割的单块BBO晶体实现光学级联三倍频。BBO晶体在超宽近红外波段(750～1200nm)内II类倍频与I类和频的相位匹配角θ相差不超过3°，可作为该波段三倍频光学变频器的非线性介质，高效输出紫外或者紫色三倍频光。本发明提供了BBO晶体切割角度、长度的优选过程和研究结果。本发明还提供了基于上述特殊切角BBO晶体的三倍频光学变频器的组装和工作方法。测试表明，这种光学变频器的效果优于此前公布的ADP、KDP、GdxY1-xCOB晶体。
本发明的技术方案为：
一种特殊切角的BBO(β-BaB2O4)晶体，其相位匹配角随基频光工作波长增加而减小。当基频光工作波长从750nm逐渐增加到1200nm过程中，所述BBO晶体对应的相位匹配角θ从A逐渐减小到B，A的取值范围为42.1°-52.1°，B的取值范围为24.2°-34.2°，所述BBO晶体的方位角φ为6°-16°；极坐标(θ,φ)表示所述BBO晶体的空间方向，相位匹配角θ为该方向与光学Z轴的夹角，方位角φ为该方向在XY平面内的投影与X轴的夹角；所述BBO晶体通光方向上的长度为6-14mm。
基于上述BBO晶体可以实现上述波段近红外激光的高效级联三倍频，输出波长范围在250-400nm的紫外或者紫色激光。
根据本发明优选的，当基频光波长为750nm时，所述BBO晶体的相位匹配角θ为42.1°-52.1°；当基频光波长为950nm时，所述BBO晶体的相位匹配角θ为30.8°-40.8°；当基频光波长为1064nm时，所述BBO晶体的相位匹配角θ为27.1°-37.1°；当基频光波长为1200nm时，所述BBO晶体的相位匹配角θ为24.2°-34.2°。
根据本发明优选的，当基频光波长为1064nm时，所述BBO晶体的相位匹配角θ为32.1°；所述BBO晶体的方位角φ为11°。
当基频光波长为1064nm时，θ＝32.1°，φ＝11°，II类倍频BBO晶体的有效非线性光学系数|deff,II|、I类和频BBO晶体的有效非线性光学系数|deff,I|值分别为1.38、0.79pm/V，远远优于KDP、ADP和GdxY1-xCOB晶体(<0.6pm/V)。
根据本发明优选的，所述BBO晶体通光方向上的长度为10mm。
一种三倍频光学变频器，包括沿光路传播方向依次放置的分束镜、上述特殊切角的BBO晶体、四分之一波片、全反镜；
基频光穿过所述分束镜入射到所述BBO晶体上，所述BBO晶体将基频光转化为倍频光，倍频光与剩余基频光入射到所述四分之一波片，剩余基频光被全反射，倍频光通过全反镜往返两次通过所述四分之一波片，与被所述四分之一波片全反射的剩余基频光在所述BBO晶体中反向传播，实现I类和频，产生基频光的三倍频波，离开所述BBO晶体后，反向传播的三倍频波与剩余基频波、剩余倍频波在分束镜处分离，反射后输出。
根据本发明优选的，入射基频光的线偏振方向与所述BBO晶体的o轴方向的夹角为25.3°-45.3°；
进一步优选的，入射基频光的线偏振方向与所述BBO晶体的o轴方向的夹角为35.3°。
入射基频光的线偏振方向与所述BBO晶体的o轴方向的夹角为35.3°，这是理想情况下实现最佳三倍频输出的夹角，考虑晶体质量(如光学吸收)、光束质量、基频光能量水平等具体应用条件的差异，这一夹角可在35.3±10°的范围内进行优化调整，以实现最大三倍频输出。
根据本发明优选的，所述BBO晶体通光端面在抛光之后镀以宽带增透膜。以减小损耗。
根据本发明优选的，所述四分之一波片的光轴与入射倍频光偏振方向的夹角为45°；在朝向所述BBO晶体的所述四分之一波片的通光表面镀有基频光高反膜和倍频光增透膜，在朝向所述全反镜的所述四分之一波片的通光表面镀有基频光增透膜。
根据本发明优选的，所述分束镜是与光路呈45°角倾斜放置的谐波分离器，镀有基频光、倍频光增透膜，以及三倍频高反膜。
根据本发明优选的，在朝向所述四分之一波片的所述全反镜的通光表面镀有基频光高反膜。
上述三倍频光学变频器的工作方法，包括：
(1)基频光穿过分束镜后入射到所述BBO晶体上；所述BBO晶体将入射到所述BBO晶体内的基频光转化为倍频光；
(2)步骤(1)产生的倍频光与剩余基频光第一次入射到所述四分之一波片；在所述四分之一波片前表面剩余基频光被全反射；倍频光穿过所述四分之一波片后进入所述全反镜；
(3)在所述全反镜的作用下，倍频光第二次通过四分之一波片，往返两次通过四分之一波片，总相位延迟为π，倍频光第二次通过四分之一波片后，倍频光的线偏振沿BBO晶体的慢轴旋转90°，与步骤(2)中被所述四分之一波片全反射的剩余基频光在所述BBO晶体中反向传播，实现I类和频，产生基频光的三倍频波；
(4)离开所述BBO晶体后，反向传播的三倍频波与剩余基频波、剩余倍频波在所述分束镜处分离，反射后输出。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过大量计算和实验，筛选出满足相位匹配要求的、具有更强非线性性能的BBO(β-BaB2O4)晶体作为工作介质，并解决了切型优化的问题，实现了迄今为止效率最高的单晶体级联三倍频。
2、相对传统的双晶体级联三倍频，本发明只使用一块非线性光学晶体，成本低，工作波段宽。
3、相对现有的KDP、ADP类晶体、GdxY1-xCOB晶体，本发明使用不潮解、非线性系数更大、紫外抗光伤阈值更高的BBO晶体，并且切割角不在主平面内，不在主轴上，不在最佳倍频方向上(φ＝0°)，不在最佳和频方向上(φ＝30°)，不在最佳倍频方向与最佳和频方向的平均位置(φ＝15°)，而是在φ＝11°的特殊空间方向(θ角根据基频波长选择)，这种特殊切角的BBO有效非线性系数更大，抗光伤阈值更高，倍频、和频相位匹配角在更宽的波段内接近，因而制成的单晶体级联三倍频器具有转换效率高、输出能量大、应用波段宽等显著优势。
附图说明
图1为BBO晶体不同倍频、和频过程的相位匹配角随基频光波长的变化示意图。
图2为BBO单晶体级联变频器的(deff,I)2(deff,II)4参数随方位角φ的变化示意图。
图3为BBO晶体非线性相互作用长度LNL随基频光功率密度的变化示意图。
图4为本发明基于BBO晶体的三倍频光学变频器结构及偏振示意图。
图5为本发明实施例9的三倍频输出能量随基频光能量的变化效果图。
图6为本发明实施例9的三倍频转换效率随基频光能量的变化效果图。
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限定，但不限于此。
实施例1
一种特殊切角的BBO(β-BaB2O4)晶体，其相位匹配角随基频光工作波长增加而减小。当基频光工作波长从750nm逐渐增加到1200nm过程中，所述BBO晶体对应的相位匹配角θ从A逐渐减小到B，A的取值范围为42.1°-52.1°，B的取值范围为24.2°-34.2°，BBO晶体的方位角φ为6°-16°；极坐标(θ,φ)表示BBO晶体的空间方向，相位匹配角θ为该方向与光学Z轴的夹角，方位角φ为该方向在XY平面内的投影与X轴的夹角；BBO晶体通光方向上的长度为6-14mm。
基于上述BBO晶体可以实现上述波段近红外激光的高效级联三倍频，输出波长范围在250～400nm的紫外或者紫色激光。
关于相位匹配角θ的推理如下：
作为三方对称性的光学单轴晶，BBO晶体的Z轴与光轴重合，相位匹配(PM)条件仅由参数θ决定。基于BBO晶体的色散方程，针对倍频SHG(ω+ω→2ω)以及和频(ω+2ω→3ω)过程，可以计算出相位匹配角θ随基频光波长的变化规律，如图1所示。在所有可能的五种相位匹配方式中，II类倍频和I型和频的相位匹配方向最为接近，如图1中的粗线和细线所示。在750nm处相位匹配角相差-3.0°，在1200nm处相差相位匹配角2.9°。如果以△θ<3.0°(光学调整架的可调范围)作为单晶体级联三倍频技术的应用标准，那么BBO晶体的可用基频光波段覆盖750-1200nm，光谱宽度大于450nm。该数值显著优于KDP、ADP、GdxY1-xCOB晶体(<150nm)。
关于方位角φ的推理如下：
有效非线性光学系数deff除了与相位匹配角θ有关，还与方位角φ有关。对于II类倍频和I类和频，BBO晶体deff的计算公式分别为：
deff,II＝d22cos2θcos3φ (1)
deff,I＝d31sinθ-d22cosθsin3φ (2)
d22＝2.3pm/V,d31＝-0.16pm/V。
从以上公式可知，当相位匹配角θ确定时，deff，II在φ＝0°方向上具有最大值，deff，I在φ＝30°方向上具有最大值。因此，要实现有效的单晶体级联三倍频，必须对方位角φ进行优化。对于KDP、ADP和GxY1-xCOB晶体，这一难题从未遇到过，因为对于那些晶体，倍频与和频的最大deff值出现在相同的φ角，无需对φ进行优化。由非线性光学理论可知，倍频输出E2、和频输出E3遵循以下规律：
E2∝(deff,II)2(E1)2 (3)
E3∝(deff,I)2E’1E2 (4)
E1是原始的入射基频光能量，E'1是倍频以后剩余的基频光能量，即参与和频的基频光能量。
要使整体转换效率最高，需要满足E'1＝0.5E2。将这种关系和方程(3)代入方程(4)，得到
E3∝(deff,I)2(deff,II)4 (5)
利用等式(1)和(2)，可以得到(deff,I)2(deff,II)4随φ角的变化规律，结果如图2所示。图2中计算以1064nm的基频光为例(θ取32.1°)，选择其它波长时变化规律不变，最大(deff,I)2(deff,II)4值出现在φ＝11°，而不是中间角φ＝15°。在(θ＝32.1°,φ＝11°)方向上，BBO晶体的|deff,II|、|deff,I|值分别为1.38、0.79pm/V，远远优于KDP、ADP和GdxY1-xCOB晶体(<0.6pm/V)。以上研究表明，当基频光波长从750nm变化到1200nm时，BBO的最佳切角φ保持在11°±5°。BBO切角φ在中心角度的±5°内变化，原因是受晶体个体质量差异、工作温度、折射率色散方程测量及拟合精度、相位匹配角计算精度等因素的影响，为实现最优变频效果，晶体实际切角与计算出来的上述中心切角可能会存在一定偏差。
关于晶体长度的推理如下：
准静态相互作用长度Lqs可由下式计算，
Lqs＝τ/ν (6)
τ是脉冲宽度，ν是逆群速失配。对于BBO晶体，ν最大为1ps/mm，当基频光脉冲宽度为常用的皮秒和纳秒量级时(20ps以上)，Lqs最小为20mm。因此选择晶体长度应小于20mm,这样可以避免群度失配的影响，保持高转换效率。
孔径长度La可由下式获得
La＝d0/tan(ρ) (7)
d0是光束直径，ρ是离散角。以1微米激光为例，对于II类倍频和随后的I类和频，BBO晶体的离散角ρ约为4°。常用激光器的光束直径d0大于2mm，所以孔径长度La大于28.6mm，晶体加工长度应小于这一数值。
非线性相互作用长度LNL由下式计算
LNL＝(σ3α0)-1 (8)
σ3是产生波的非线性耦合系数，它正比于有效非线性光学系数deff，反比于折射率n。对于KDP晶体，deff≈0.35pm/V，n≈1.5，σ3约为10-6V-1。对于BBO晶体，当基频光波长位于750nm到1200nm时，在本专利权利要求1所述的切向上，II类倍频与I类和频的deff≈0.7-1.5pm/V,n≈1.6，σ3约为2～4×10-6V-1。在等式(8)中，α0是在晶体入射表面处基频激光的波振幅，可由下式计算
P1是基频波功率，ω0是光束半径。将表达式(9)代入等式(8)，可以绘制出LNL随输入功率密度P1/πω0 2变化的函数曲线，如图3所示。其中σ3取平均值3×10-6V-1，折射率n取1.6。正常使用时，激光功率密度既不能太低(维持高转换效率)也不能太高(避免晶体损伤)，对于BBO晶体而言500–2000MW/cm2是比较恰当、安全的工作条件，由图3可知LNL的变化范围为7～3mm，理论上最佳晶体长度为LNL的两倍，即14～6mm。
综上所述(准静态相互作用长度Lqs、孔径长度La、非线性相互作用长度LNL)，可以确定当基频光脉冲宽度为皮秒和纳秒量级时，对于本专利权利要求1所述的特殊切角的BBO晶体，通光方向的优选长度为10±4mm。
实施例2
根据实施例1所述的一种特殊切角的BBO晶体，其区别在于，
当基频光波长为750nm时，BBO晶体的相位匹配角θ为42.1°-52.1°；当基频光波长为950nm时，BBO晶体的相位匹配角θ为30.8°-40.8°；当基频光波长为1064nm时，BBO晶体的相位匹配角θ为27.1°-37.1°；当基频光波长为1200nm时，BBO晶体的相位匹配角θ为24.2°-34.2°。
实际加工角度可在II类倍频和I型和频相位匹配方向之间选择，为调整方便最佳切角为两者的平均值。结合图1，可以得到本实施例技术方案。
BBO切角θ在中心角度的±5°内变化，原因是受晶体个体质量差异、工作温度、折射率色散方程测量及拟合精度、相位匹配角计算精度等因素的影响，为实现最优变频效果，晶体实际切角与计算出来的上述中心切角可能会存在一定偏差。
实施例3
根据实施例1或2所述的一种特殊切角的BBO晶体，其区别在于，
当基频光波长为1064nm时，BBO晶体的相位匹配角θ为32.1°；BBO晶体的方位角φ为11°。
当基频光波长为1064nm时，θ＝32.1°，φ＝11°，II类倍频BBO晶体的有效非线性光学系数|deff,II|、I类和频BBO晶体的有效非线性光学系数|deff,I|值分别为1.38、0.79pm/V，远远优于KDP、ADP和GdxY1-xCOB晶体(<0.6pm/V)。
BBO晶体通光方向上的长度为9mm
实施例4
一种三倍频光学变频器，如图4所示，包括沿光路传播方向依次放置的分束镜、实施例3所述特殊切角的BBO晶体、四分之一波片、全反镜；
入射基频光的线偏振方向与BBO晶体的o轴方向的夹角为35.3°。
基频光源为1064nm的Nd:YAG激光：
分束镜是与光路呈45°角倾斜放置的谐波分离器，镀有1064nm、532nm增透膜，以及355nm高反膜；
BBO晶体通光端面在抛光之后镀以宽带增透膜。以减小损耗；
四分之一波片的光轴与入射倍频光偏振方向的夹角为45°，倍频光往返通过四分之一波片后偏振方向旋转90°。在朝向BBO晶体的四分之一波片的通光表面镀有1064nm高反膜和532nm增透膜，在朝向全反镜的四分之一波片的通光表面镀有532nm增透膜。
全反镜对532nm高反。
实施例5
一种三倍频光学变频器，包括沿光路传播方向依次放置的分束镜、实施例3所述特殊切角的BBO晶体、四分之一波片、全反镜；
入射基频光的线偏振方向与BBO晶体的o轴方向的夹角为35.3°。
基频光源为1053nm的Nd:glass激光：
分束镜是与光路呈45°角倾斜放置的谐波分离器，镀有1053、526nm增透膜，以及351nm高反膜；
BBO晶体通光端面在抛光之后镀以宽带增透膜。以减小损耗；
四分之一波片的光轴与入射倍频光偏振方向的夹角为45°，倍频光往返通过四分之一波片后偏振方向旋转90°。在朝向BBO晶体的四分之一波片的通光表面镀有1053nm高反膜和526nm增透膜，在朝向全反镜的四分之一波片的通光表面镀有526nm增透膜。
全反镜对526nm高反。
实施例6
一种三倍频光学变频器，包括沿光路传播方向依次放置的分束镜、实施例1所述特殊切角的BBO晶体、四分之一波片、全反镜；BBO晶体的最佳切角为(θ＝43.4°,φ＝11°)。
入射基频光的线偏振方向与BBO晶体的o轴方向的夹角为35.3°。
基频光源为800nm的钛宝石激光：
分束镜是与光路呈45°角倾斜放置的谐波分离器，800、400nm增透膜，以及267nm高反膜；
BBO晶体通光端面在抛光之后镀以宽带增透膜。以减小损耗；
四分之一波片的光轴与入射倍频光偏振方向的夹角为45°，倍频光往返通过四分之一波片后偏振方向旋转90°。在朝向BBO晶体的四分之一波片的通光表面镀有800nm高反膜和400nm增透膜，在朝向全反镜的四分之一波片的通光表面镀有400nm增透膜。
全反镜对400nm高反。
实施例7
根据实施例4所述的一种三倍频光学变频器，其区别在于，
将一个1064nm高反、532nm高透的镜片放置在BBO晶体与四分之一波片之间，替代四分之一波片反射基频的功能，这样四分之一波片的两个通光面都镀532nm增透膜即可，既降低了波片的镀膜要求，又减少了波片所承受的激光能量，有利于提高工作稳定性，提升三倍频输出。
实施例8
根据实施例4所述的一种三倍频光学变频器，其区别在于，四分之一波片朝向全反射镜的通光表面改镀532nm高反膜，替代全反镜反射倍频的功能，这样可以省去全反镜，既节约了生产成本，又减小了变频器尺寸，同时将基频光与倍频光在光路中传播的光程差降到最低，有利于三倍频转换效率的提高，有利于飞秒量级超短脉冲基频光的使用。
实施例9
实施例4所述的三倍频光学变频器的工作方法，包括：
(1)1064nm的基频光穿过分束镜后入射到BBO晶体上；BBO晶体将入射到BBO晶体内的基频光转化为II类倍频；
(2)532nm倍频光与剩余1064nm基频光入射到四分之一波片上；在四分之一波片前表面剩余1064nm基频光被全反射；532nm倍频光穿过四分之一波片后进入全反镜；
(3)在全反镜的作用下，532nm倍频光第二次通过四分之一波片，往返两次通过四分之一波片，总相位延迟为π，由于四分之一波片的光轴与532nm入射倍频光偏振方向成45°夹角，倍频光第二次通过四分之一波片后，532nm倍频光的线偏振沿BBO晶体的慢轴旋转90°，与步骤(2)中被四分之一波片全反射的剩余1064nm基频光在BBO晶体中反向传播，实现I类和频，产生1064nm基频光的三倍频波；
(4)离开BBO晶体后，反向传播的355nm三倍频波与剩余1064nm基频波、剩余532nm倍频波在分束镜处分离，反射后输出。
在基频光单脉冲能量4mJ，脉宽100ps，光束半径1mm的测试条件下，功率密度为1.3×109W/cm2，由图3可知BBO晶体的最佳长度为8.6mm(2LNL)。
图5为三倍频输出能量随基频光能量的变化效果图；图6为三倍频转换效率随基频光能量的变化效果图；体现了BBO晶体的切向和长度对三倍频输出能量和转换效率的影响。总共测试了6种BBO晶体样品，分(32.1°,11°)和(32.1°,15°)两个切向，每个切向选6mm、9mm、12mm三个长度。如图5所示，所有6个样品都实现了有效的级联三倍频，转换效率大于10％，证明了对相位匹配角θ的选择是可靠的。在相同晶体长度下，(32.1°,11°)样品的性能优于(32.1°,15°)样品。例如，6mm、(32.1°,11°)BBO晶体三倍频最大输出能量和最高转换效率分别为0.95mJ，38.1％，而6mm、(32.1°,15°)BBO晶体的相应数据为0.62mJ和20.0％。这种性质证明了最优级联三倍频方位角φ位于11°，而不是最优倍频方位角(φ＝0°)，或者最优和频方位角(φ＝30°)，或者两者的平均位置(φ＝15°)。对于相同切割方向的BBO样品，9mm晶体的输出能量和转换效率明显优于6mm和12mm晶体的结果，证明了BBO晶体的最佳长度在9mm左右，与上文8.6mm的计算结果相符。总之，利用切向优化、长度优化的BBO样品，即(32.1°,11°)、9mm晶体，获得了最佳的1064nm级联三倍频效果，最大输出能量为1.17mJ，最高转换效率为42.3％，这也是迄今为止单晶体级联三倍频的最好结果，优于此前在KDP、ADP、GdxY1-xCOB晶体中得到的数据，证实了本方案的技术优势。
实施例10
实施例5所述的三倍频光学变频器的工作方法，包括：
(1)1053nm的基频光穿过分束镜后入射到BBO晶体上；BBO晶体将入射到BBO晶体内的基频光转化为II类倍频；
(2)526nm倍频光与剩余1053nm基频光入射到四分之一波片上；在四分之一波片前表面剩余1053nm基频光被全反射；526nm倍频光穿过四分之一波片后进入全反镜；
(3)在全反镜的作用下，526nm倍频光第二次通过四分之一波片，往返两次通过四分之一波片，总相位延迟为π，由于四分之一波片的光轴与526nm入射倍频光偏振方向成45°夹角，倍频光第二次通过四分之一波片后，526nm倍频光的线偏振沿BBO晶体的慢轴旋转90°，与步骤(2)中被四分之一波片全反射的剩余1053nm基频光在BBO晶体中反向传播，实现I类和频，产生1053nm基频光的三倍频波；
(4)离开BBO晶体后，反向传播的351nm三倍频波与剩余1053nm基频波、剩余526nm倍频波在分束镜处分离，反射后输出。
实施例11
实施例6所述的三倍频光学变频器的工作方法，包括：
(1)800nm的基频光穿过分束镜后入射到BBO晶体上；BBO晶体将入射到BBO晶体内的基频光转化为II类倍频；
(2)400nm倍频光与剩余800nm基频光入射到四分之一波片上；在四分之一波片前表面剩余800nm基频光被全反射；400nm倍频光穿过四分之一波片后进入全反镜；
(3)在全反镜的作用下，400nm倍频光第二次通过四分之一波片，往返两次通过四分之一波片，总相位延迟为π，由于四分之一波片的光轴与526nm入射倍频光偏振方向成45°夹角，倍频光第二次通过四分之一波片后，400nm倍频光的线偏振沿BBO晶体的慢轴旋转90°，与步骤(2)中被四分之一波片全反射的剩余800nm基频光在BBO晶体中反向传播，实现I类和频，产生800nm基频光的三倍频波；
(4)离开BBO晶体后，反向传播的267nm三倍频波与剩余800nm基频波、剩余400nm倍频波在分束镜处分离，反射后输出。
Claims (10)
1.一种特殊切角的BBO晶体，其特征在于，当基频光工作波长从750nm逐渐增加到1200nm过程中，所述BBO晶体对应的相位匹配角θ从A逐渐减小到B，A的取值范围为42.1°-52.1°，B的取值范围为24.2°-34.2°，所述BBO晶体的方位角φ为6°-16°；极坐标(θ,φ)表示所述BBO晶体的空间方向，相位匹配角θ为该方向与光学Z轴的夹角，方位角φ为该方向在XY平面内的投影与X轴的夹角；所述BBO晶体通光方向上的长度为6-14mm。
2.根据权利要求1所述的一种特殊切角的BBO晶体，其特征在于，当基频光波长为750nm时，所述BBO晶体的相位匹配角θ为42.1°-52.1°；当基频光波长为950nm时，所述BBO晶体的相位匹配角θ为30.8°-40.8°；当基频光波长为1064nm时，所述BBO晶体的相位匹配角θ为27.1°-37.1°；当基频光波长为1200nm时，所述BBO晶体的相位匹配角θ为24.2°-34.2°。
3.根据权利要求1所述的一种特殊切角的BBO晶体，其特征在于，当基频光波长为1064nm时，所述BBO晶体的相位匹配角θ为32.1°；所述BBO晶体的方位角φ为11°；
所述BBO晶体通光方向上的长度为10mm。
4.一种三倍频光学变频器，其特征在于，包括沿光路传播方向依次放置的分束镜、权利要求1-3任一所述特殊切角的BBO晶体、四分之一波片、全反镜；
基频光穿过所述分束镜入射到所述BBO晶体上，所述BBO晶体将基频光转化为倍频光，倍频光与剩余基频光入射到所述四分之一波片，剩余基频光被全反射，倍频光通过全反镜往返两次通过所述四分之一波片，与被所述四分之一波片全反射的剩余基频光在所述BBO晶体中反向传播，实现I类和频，产生基频光的三倍频波，离开所述BBO晶体后，反向传播的三倍频波与剩余基频波、剩余倍频波在分束镜处分离，反射后输出。
5.根据权利要求4所述的一种三倍频光学变频器，其特征在于，入射基频光的线偏振方向与所述BBO晶体的o轴方向的夹角为25.3°-45.3°；
进一步优选的，入射基频光的线偏振方向与所述BBO晶体的o轴方向的夹角为35.3°。
6.根据权利要求4所述的一种三倍频光学变频器，其特征在于，所述BBO晶体通光端面镀有宽带增透膜。
7.根据权利要求4所述的一种三倍频光学变频器，其特征在于，所述四分之一波片的光轴与入射倍频光偏振方向的夹角为45°；在朝向所述BBO晶体的所述四分之一波片的通光表面镀有基频光高反膜和倍频光增透膜，在朝向所述全反镜的所述四分之一波片的通光表面镀有基频光增透膜。
8.根据权利要求4所述的一种三倍频光学变频器，其特征在于，所述分束镜是与光路呈45°角倾斜放置的谐波分离器，镀有基频光、倍频光增透膜，以及三倍频高反膜。
9.根据权利要求4所述的一种三倍频光学变频器，其特征在于，在朝向所述四分之一波片的所述全反镜的通光表面镀有基频光高反膜。
10.权利要求4-9所述的三倍频光学变频器的工作方法，其特征在于，包括：
(1)基频光穿过分束镜后入射到所述BBO晶体上；所述BBO晶体将入射到所述BBO晶体内的基频光转化为倍频光；
(2)步骤(1)产生的倍频光与剩余基频光第一次入射到所述四分之一波片；在所述四分之一波片前表面剩余基频光被全反射；倍频光穿过所述四分之一波片后进入所述全反镜；
(3)在所述全反镜的作用下，倍频光第二次通过四分之一波片，往返两次通过四分之一波片，总相位延迟为π，倍频光第二次通过四分之一波片后，倍频光的线偏振沿BBO晶体的慢轴旋转90°，与步骤(2)中被所述四分之一波片全反射的剩余基频光在所述BBO晶体中反向传播，实现I类和频，产生基频光的三倍频波；
(4)离开所述BBO晶体后，反向传播的三倍频波与剩余基频波、剩余倍频波在所述分束镜处分离，反射后输出。
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