CN108732845A - 一种倍频晶体耦合器 - Google Patents

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CN108732845A CN201710257167.XA CN201710257167A CN108732845A CN 108732845 A CN108732845 A CN 108732845A CN 201710257167 A CN201710257167 A CN 201710257167A CN 108732845 A CN108732845 A CN 108732845A
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刘旭超
张丰丰
宗楠
张申金
杨峰
彭钦军
许祖彦
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Abstract

本发明提供一种倍频晶体耦合器，包括沿光束照射方向依次设置的第一耦合棱镜、倍频晶体以及第二耦合棱镜，所述倍频晶体呈平板状，所述第一耦合棱镜和第二耦合棱镜分别设置在所述倍频晶体的两侧面；所述第一耦合棱镜的材料为可见光高透或紫外光高透的晶体；所述第二耦合棱镜为紫外光高透或深紫外光高透的晶体；所述第一耦合棱镜的光束入射面、所述倍频晶体的两侧面以及所述第二耦合棱镜的光束出射面、所述第一耦合棱镜与倍频晶体的接触面以及第二耦合棱镜与倍频晶体的接触面均为抛光面。本发明可以有效减小棱镜与倍频晶体胶合面的热积累效应，从而大大提高耦合器整体的损伤阈值，进而提高倍频光的转换效率和输出功率。

Description

一种倍频晶体耦合器
技术领域
本发明涉及光学耦合器技术领域，更具体地，涉及倍频晶体耦合器。
背景技术
非线性频率变换是随着激光技术发展而产生的一门学科，其在现有材料的基础上，可获得更多波段范围的激光输出，自诞生以来就备受关注。基于非线性晶体的和频、倍频以及光参量振荡等激光变频技术是产生紫外、深紫外激光最有效的手段，特别是倍频，已成为激光技术研究及应用的重要方向。
频率变换需要满足相位匹配条件。但是，有些非线性晶体存在体积不足或造价昂贵的限制，不能按指定方向或特定形状切割，以满足特定入射角下的相位匹配角要求。例如：基于KBe2BO3F(KBBF)和RbBe2BO3F(RBBF)两种非线性光学晶体实现短波长(紫外、深紫外)直接倍频输出时，由于KBBF和RBBF晶体具有层状习性，晶体沿c轴方向厚度一般小于3mm，无法按照相位匹配方向进行切割；而如果采用直接斜入射方式，随着入射角的增大，反射损耗又会增强；事实上，直接斜入射的方式只能实现波段长于235nm的倍频激光输出，难以发挥KBBF和RBBF晶体在深紫外具有高透射率的优势。为了实现深紫外激光输出，陈创天、许祖彦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，ZL01115313.X)。采用和非线性光学晶体KBBF折射率接近的光学玻璃、熔石英(SiO2)玻璃或CaF2晶体做棱镜，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。李如康等又添加BaF2晶体做棱镜，试图解决在深紫外激光(波长小于170nm)输出时，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，发生明显反射损失的问题(一种提高短波深紫外激光输出效率的倍频晶体耦合器，ZL201510573902.9)。
但是，现有技术中的耦合器件均存在损伤阈值较低的问题,使KBBF晶体的倍频转化效率和输出功率均很小，产业化发展大大受限。
然而事实上，KBBF晶体本身的激光损伤阈值很高，可达GW/cm2，造成当前耦合器件损伤阈值较低的主要原因之一是因为采用了热导率较低的石英玻璃棱镜，导致所用棱镜与KBBF晶体光胶截面的热积累效应严重，特别是长脉冲或连续的运转方式，器件的损伤阈值更低，在ms脉宽条件下，损伤阈值约1MW/cm2。
因此，需要提供一种提高短波紫外或深紫外激光倍频器件损伤阈值的耦合器。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的提高短波紫外或深紫外激光倍频器件损伤阈值的耦合器。
根据本发明的一个方面，提供一种倍频晶体耦合器，包括沿光束照射方向依次设置的第一耦合棱镜、倍频晶体以及第二耦合棱镜，所述倍频晶体呈平板状，所述第一耦合棱镜和第二耦合棱镜分别设置在所述倍频晶体的两侧面；
其中，所述第一耦合棱镜的材料为可见光高透或紫外光高透的晶体；所述第二耦合棱镜为紫外光高透或深紫外光高透的晶体；
所述第一耦合棱镜的光束入射面、所述倍频晶体的两侧面以及所述第二耦合棱镜的光束出射面、所述第一耦合棱镜与倍频晶体的接触面以及第二耦合棱镜与倍频晶体的接触面均为抛光面。
优选地，所述倍频晶体为KBBF、RBBF、NBBF、NSBBF、ABBF或ABF晶体中的一种。
优选地，所述第一耦合棱镜的材料为SiO2晶体、Al2O3晶体、YAG晶体、SiC晶体、GGG晶体、LiF晶体、MgF2晶体、CdF2晶体、CaF2晶体或BaF2晶体中的一种。
优选地，所述第二耦合棱镜的材料为LiF晶体、MgF2晶体、CdF2晶体、CaF2晶体或BaF2晶体中的一种。
优选地，所述第一耦合棱镜为直角棱镜，所述第二耦合棱镜为直角梯形棱镜且经所述第二耦合棱镜的倍频光的出射角为布儒斯特角。
优选地，所述第一耦合棱镜和第二耦合棱镜相对于基频光均为布儒斯特角棱镜。
优选地，所述第一耦合棱镜相对于基频光为布儒斯特角棱镜，所述第二耦合棱镜相对于倍频光为布儒斯特角棱镜。
优选地，还包括用于固定所述第一耦合棱镜、倍频晶体以及第二耦合棱镜的固定架。
本申请提出一种倍频晶体耦合器，通过将耦合棱镜设置为热导率较高的晶体，较熔融SiO2玻璃或光学玻璃高一个量级，可以有效减小棱镜与倍频晶体胶合面的热积累效应，从而大大提高耦合器整体的损伤阈值，进而提高倍频光的转换效率和输出功率，并且本发明中的耦合棱镜形状进行特殊设计，满足基频光或倍频光在耦合器的入射面的入射角和出射面的出射角为布儒斯特角，从而提高耦合器的光束透射率，有助于提高倍频光的转换效率和输出功率。
附图说明
图1为根据本发明实施例的倍频晶体耦合器的剖面示意图；
图2为根据本发明实施例1的倍频晶体耦合器的剖面示意图；
图3为根据本发明实施例2的倍频晶体耦合器的剖面示意图；
图4为根据本发明实施例3的倍频晶体耦合器的剖面示意图；
图5为根据本发明实施例4的倍频晶体耦合器的剖面示意图；
图6为根据本发明实施例4的倍频晶体耦合器的俯视示意图；
图7为根据本发明实施例5的倍频晶体耦合器的剖面示意图；
图8为根据本发明实施例5的倍频晶体耦合器的俯视示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
为了克服现有技术中耦合器损伤阈值较低的问题，本发明实施例提供一种倍频晶体耦合器，本发明提供一种倍频晶体耦合器，包括沿光束照射方向依次设置的第一耦合棱镜、倍频晶体以及第二耦合棱镜，所述倍频晶体呈平板状，所述第一耦合棱镜和第二耦合棱镜分别设置在所述倍频晶体的两侧面；
其中，所述第一耦合棱镜的材料为可见光高透或紫外光高透的晶体；所述第二耦合棱镜为紫外光高透或深紫外光高透的晶体；
所述第一耦合棱镜的光束入射面、所述倍频晶体的两侧面以及所述第二耦合棱镜的光束出射面、所述第一耦合棱镜与倍频晶体的接触面以及第二耦合棱镜与倍频晶体的接触面均为抛光面。
在一个可选实施例中，如图1所示，一种倍频晶体耦合器包括：
倍频晶体102，呈平板形；
第一耦合棱镜101，与倍频晶体102的一个侧面接触，第一耦合棱镜1的材料为可见光高透或紫外光高透的晶体；以及
第二耦合棱镜103，与倍频晶体102的另一个侧面接触，第二耦合棱镜103的材料为紫外光高透或深紫外光高透的晶体；
其中，所述第一耦合棱镜101的光束入射面、所述倍频晶体102的两侧面以及所述第二耦合棱镜103的光束出射面、所述第一耦合棱镜101与倍频晶体102的接触面以及第二耦合棱镜103与倍频晶体102的接触面均为抛光面。
在本实施例中，基频光以频率ω经第一耦合棱镜101的光束入射面直射入第一耦合棱镜101，经第一耦合棱镜101与倍频晶体102的接触面进入倍频晶体102中，在倍频晶体102的非线性作用下产生频率为2ω的倍频光，并经第二耦合棱镜103的光束出射面出射。
需要注意的是，本发明的倍频晶体耦合器中耦合棱镜的热导率系数高，较熔融SiO2玻璃或光学玻璃高一个量级，可以有效减小棱镜与倍频晶体胶合面的热积累效应，从而大大提高耦合器整体的损伤阈值，进而提高倍频光的转换效率和输出功率。
在一个可选实施例中，所述倍频晶体为KBBF、RBBF、NBBF、NSBBF、ABF晶体或ABBF晶体中的一种。其中，KBBF全称为氟硼铍酸钾，化学式为KBe2BO3F2；RBBF的全称是氟硼铍酸铷，化学式为RbBe2BO3F2；NBBF的全称是氟硼铍酸钠，化学式为NaBe2BO3F2；NSBBF的全称是氟硼铍酸锶钠，化学式为NaSr3Be3B3O9F4；ABF的全称是氟硼铍酸铵，化学式为(NH4)2BeF4；ABBF的全称是氟硼铍酸铵，化学式为NH4Be2BO3F2。
在一个可选实施例中，所述第一耦合棱镜的材料为SiO2晶体、Al2O3晶体、YAG晶体、SiC晶体、GGG晶体、LiF晶体、MgF2晶体、CdF2晶体、CaF2晶体或BaF2晶体中的一种。
在一个可选实施例中，所述第二耦合棱镜的材料为LiF晶体、MgF2晶体、CdF2晶体、CaF2晶体或BaF2晶体中的一种。
在一个可选实施例中，所述第一耦合棱镜为直角棱镜，所述第二耦合棱镜为直角梯形棱镜且经所述第二耦合棱镜的倍频光的出射角为布儒斯特角。
在一个可选实施例中，所述第一耦合棱镜和第二耦合棱镜相对于基频光均为布儒斯特角棱镜，即基频光与光束入射面的法线成布儒斯特角，同时基频光与光束出射面的法线成布儒斯特角。
在一个可选实施例中，所述第一耦合棱镜相对于基频光为布儒斯特角棱镜，即基频光与光束入射面的法线成布儒斯特角，所述第二耦合棱镜相对于倍频光为布儒斯特角棱镜，即倍频光与光束出射面的法线成布儒斯特角。
需要说明的是，本发明中倍频晶体耦合器的耦合棱镜形状进行特殊设计，满足基频光或倍频光在耦合器的入射面的入射角和出射面的出射角为布儒斯特角，从而提高耦合器的光束透射率，有助于提高倍频光的转换效率和输出功率。
在一个可选实施例中，所述第一耦合棱镜与所述倍频晶体通过光胶粘接。
在一个可选实施例中，所述第二耦合棱镜与所述倍频晶体通过光胶粘接。
在一个可选实施例中，所述倍频晶体耦合器还包括用于固定所述第一耦合棱镜、倍频晶体以及第二耦合棱镜的固定架。
下面结合具体实施例对本发明进行进一步的说明
实施例1
如图2所示，本实施例提供的一种提高266nm短波紫外激光倍频器件损伤阈值的耦合器，包括：第一耦合棱镜201、倍频晶体202和第二耦合棱镜203；第一耦合棱镜201采用高热导率的Al2O3晶体，倍频晶体202采用平板状KBBF晶体，第二耦合棱镜203采用深紫外吸收小的高热导率的CaF2晶体；两个耦合棱镜分别设置于倍频晶体202两侧面，并与倍频晶体202的两侧面光胶接触；倍频晶体202的c轴晶向垂直于两个耦合棱镜与倍频晶体202的接触面；其中，第一耦合棱镜的光束入射面、倍频晶体的两侧面以及第二耦合棱镜的光束出射面、第一耦合棱镜与倍频晶体的接触面以及第二耦合棱镜与倍频晶体的接触面均为抛光面。
第一耦合棱镜201为直角棱镜，第二耦合棱镜203为梯形棱镜，基频光ω直射入第一耦合棱镜201，经第一耦合棱镜201与倍频晶体202的交界面进入倍频晶体202中，在倍频晶体202的非线性作用下产生2ω倍频光，并经第二耦合棱镜203出射。第一耦合棱镜201的顶角α与底角β的角度之和为90度；第二耦合棱镜203的内角θ1和θ2为直角、θ3与θ4之和为180度，且满足2ω倍频光的出射角γ为布儒斯特角。对于266nm紫外倍频器件，基频光ω的波长为532nm，倍频光2ω波长为266nm，经计算，第一耦合棱镜201的α的角度优选为60.02度；β的角度优选为29.98度，γ角度优选为55.63度。
实施例2
如图3所示，本实施例提供的一种提高193nm深紫外激光倍频器件损伤阈值的耦合器，包括：第一耦合棱镜301、倍频晶体302和第二耦合棱镜303；第一耦合棱镜301采用高热导率的Al2O3晶体，倍频晶体302采用平板状KBBF晶体，第二耦合棱镜303采用深紫外吸收小的高热导率的CaF2晶体；两个耦合棱镜分别设置于倍频晶体302的两侧面，并与倍频晶体302的两侧面光胶接触；倍频晶体302的c轴晶向垂直于两个耦合棱镜与倍频晶体302的接触面；其中，第一耦合棱镜的光束入射面、倍频晶体的两侧面以及第二耦合棱镜的光束出射面、第一耦合棱镜与倍频晶体的接触面以及第二耦合棱镜与倍频晶体的接触面均为抛光面。
第一耦合棱镜301为直角棱镜，第二耦合棱镜303为梯形棱镜，基频光ω直射入第一耦合棱镜301，经第一耦合棱镜301与倍频晶体302的交界面进入倍频晶体302中，在倍频晶体302的非线性作用下产生2ω倍频光，并经第二耦合棱镜303出射。第一耦合棱镜301的顶角α与底角β的角度之和为90度；第二耦合棱镜303的内角θ1和θ2为直角、θ3与θ4之和为180度，且满足2ω倍频光的出射角γ为布儒斯特角。对于193nm深紫外倍频器件，基频光ω的波长为386nm，倍频光2ω波长为193nm，经计算，第一耦合棱镜301的α的角度优选为46.54度；β的角度优选为43.46度，γ角度优选为56.34度。
实施例3
如图4所示，本实施例提供的一种提高177.3nm深紫外激光倍频器件损伤阈值的耦合器，包括：第一耦合棱镜401、倍频晶体402和第二耦合棱镜403；第一耦合棱镜401采用高热导率的SiO2晶体，倍频晶体402采用平板状KBBF晶体，第二耦合棱镜403采用深紫外吸收小的高热导率的BaF2晶体；两个耦合棱镜分别设置于倍频晶体402的两侧面，并与倍频晶体402的两侧面光胶接触；倍频晶体402的c轴晶向垂直于两个耦合棱镜与倍频晶体402的接触面；其中，第一耦合棱镜的光束入射面、倍频晶体的两侧面以及第二耦合棱镜的光束出射面、第一耦合棱镜与倍频晶体的接触面以及第二耦合棱镜与倍频晶体的接触面均为抛光面。
第一耦合棱镜401为直角棱镜，第二耦合棱镜403为三角棱镜，基频光ω直射入第一耦合棱镜401，经第一耦合棱镜401与倍频晶体402的交界面进入倍频晶体402中，在倍频晶体402的非线性作用下产生2ω倍频光，并经第二耦合棱镜403出射。第一耦合棱镜401的顶角α与底角β的角度之和为90度；第二耦合棱镜403的内角θ1、θ2、θ3无特别要求，但满足2ω倍频光的出射角γ为布儒斯特角。对于177.3nm深紫外倍频器件，基频光ω的波长为354.6nm，倍频光2ω波长为177.3nm，经计算，第一耦合棱镜401的α的角度优选为30.5度；β的角度优选为59.5度，γ角度优选为57.9度。
实施例4
如图5和图6所示，本实施例提供的一种提高167.0787nm深紫外激光倍频器件损伤阈值的耦合器，包括：第一耦合棱镜501、倍频晶体502和第二耦合棱镜503；第一耦合棱镜501采用高热导率的SiO2晶体，倍频晶体502采用平板状KBBF晶体，第二耦合棱镜503采用深紫外吸收小的高热导率的CaF2晶体；两个耦合棱镜分别设置于倍频晶体502的两侧面，并与倍频晶体502的两侧面光胶接触；倍频晶体502的c轴晶向垂直于两个耦合棱镜与倍频晶体502的接触面；其中，第一耦合棱镜的光束入射面、倍频晶体的两侧面以及第二耦合棱镜的光束出射面、第一耦合棱镜与倍频晶体的接触面以及第二耦合棱镜与倍频晶体的接触面均为抛光面。
第一耦合棱镜501为布儒斯特角棱镜，第二耦合棱镜503为梯形布儒斯特角棱镜，基频光ω直射入第一耦合棱镜501，经第一耦合棱镜501与倍频晶体502的交界面进入倍频晶体502中，在倍频晶体502的非线性作用下产生2ω倍频光，并经第二耦合棱镜503出射。对于167.0787nm深紫外倍频器件，基频光ω的波长为334nm，倍频光2ω波长为167.0787nm，经计算，第一耦合棱镜501的α的角度优选为23.5度；β的角度优选为66.5度，δ角度优选为57.49度，γ角度优选为56.94度。
实施例5
如图7和图8所示，本实施例提供的一种提高167.0787nm深紫外激光倍频器件损伤阈值的耦合器，包括：第一耦合棱镜601、倍频晶体602和第二耦合棱镜603；第一耦合棱镜601采用高热导率的SiO2晶体，倍频晶体602采用平板状KBBF晶体，第二耦合棱镜603采用深紫外吸收小的高热导率的CaF2晶体；两个耦合棱镜分别设置于倍频晶体602的两侧面，并与倍频晶体602的两侧面光胶接触；倍频晶体602的c轴晶向垂直于两个耦合棱镜与倍频晶体602的接触面；其中，第一耦合棱镜的光束入射面、倍频晶体的两侧面以及第二耦合棱镜的光束出射面、第一耦合棱镜与倍频晶体的接触面以及第二耦合棱镜与倍频晶体的接触面均为抛光面。
第一耦合棱镜601和第二耦合棱镜603均为布儒斯特角棱镜，基频光ω直射入第一耦合棱镜601，经第一耦合棱镜601与倍频晶体602的交界面进入倍频晶体602中，在倍频晶体602的非线性作用下产生2ω倍频光，并经第二耦合棱镜603出射。第一耦合棱镜601的顶角α与底角β的角度之和为90度，且满足ω基频光的入射角δ为布儒斯特角；第二耦合棱镜603的顶角α与底角β的角度之和为90度，且满足基频光的出射角γ为布儒斯特角。基频光ω的波长为334.1574nm，倍频光2ω波长为167.0787nm，经计算，α的角度优选为6.61度，β的角度均选为83.39度，δ角度优选为55.38度，γ角度优选为55.38度。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种倍频晶体耦合器，其特征在于，包括沿光束照射方向依次设置的第一耦合棱镜、倍频晶体以及第二耦合棱镜，所述倍频晶体呈平板状，所述第一耦合棱镜和第二耦合棱镜分别设置在所述倍频晶体的两侧面；
其中，所述第一耦合棱镜的材料为可见光高透或紫外光高透的晶体；所述第二耦合棱镜为紫外光高透或深紫外光高透的晶体；
所述第一耦合棱镜的光束入射面、所述倍频晶体的两侧面以及所述第二耦合棱镜的光束出射面、所述第一耦合棱镜与倍频晶体的接触面以及第二耦合棱镜与倍频晶体的接触面均为抛光面。
2.如权利要求1所述的倍频晶体耦合器，其特征在于，所述倍频晶体为KBBF、RBBF、NBBF、NSBBF、ABBF或ABF晶体中的一种。
3.如权利要求1所述的倍频晶体耦合器，其特征在于，所述第一耦合棱镜的材料为SiO2晶体、Al2O3晶体、YAG晶体、SiC晶体、GGG晶体、LiF晶体、MgF2晶体、CdF2晶体、CaF2晶体或BaF2晶体中的一种。
4.如权利要求1所述的倍频晶体耦合器，其特征在于，所述第二耦合棱镜的材料为LiF晶体、MgF2晶体、CdF2晶体、CaF2晶体或BaF2晶体中的一种。
5.如权利要求1所述的倍频晶体耦合器，其特征在于，所述第一耦合棱镜为直角棱镜，所述第二耦合棱镜为直角梯形棱镜且经所述第二耦合棱镜的倍频光的出射角为布儒斯特角。
6.如权利要求1所述的倍频晶体耦合器，其特征在于，所述第一耦合棱镜和第二耦合棱镜相对于基频光均为布儒斯特角棱镜。
7.如权利要求1所述的倍频晶体耦合器，其特征在于，所述第一耦合棱镜相对于基频光为布儒斯特角棱镜，所述第二耦合棱镜相对于倍频光为布儒斯特角棱镜。
8.如权利要求1所述的倍频晶体耦合器，其特征在于，还包括用于固定所述第一耦合棱镜、倍频晶体以及第二耦合棱镜的固定架。
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