CN110068979A - 一种可见到紫外波段光学频率转换器 - Google Patents

一种可见到紫外波段光学频率转换器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种可见到紫外波段光学频率转换器。通过控制非线性光学晶体的加工周期提供附加周期相位满足相位匹配条件，从而实现有效光学频率转换。附加周期相位是通过激光微加工、离子刻蚀等技术于晶体内部形成不同折射率周期排布的相位光栅，由相位光栅中晶体周期性结构破坏来阻止非线性频率转换的逆过程并提供附加周期相位，弥补非线性光学晶体自然双折射不足造成的相位失配，实现有效的倍频或和频输出。本发明可以对非线性光学材料进行优选，也可以根据所需波长选取适当晶体通过激光光刻等工艺提供与之匹配的附加周期相位，从而实现对特定波长的有效输出。本发明为非线性光学频率转换器件提供新品种，具有光学频率转换效率高、易制备等优势。

Description

一种可见到紫外波段光学频率转换器
技术领域
本发明涉及非线性光学晶体器件，尤其涉及一种可见到紫外波段光学频率转换器，属于激光技术领域。
背景技术
非线性光学频率变换是通过材料对光学的非线性响应，实现光的频率上转换或者下转换，其中倍频是利用其上转换效应，以实现光学频率增加一倍、波长缩短一倍的效果，是非线性光学领域研究最多、应用最广泛的一种效应。倍频效应的材料基础是非线性光学频率转换器件。在该效应中，动量守恒即相位匹配条件是高效光学频率转换的基本要求，一般基于双折射效应的色散关系，以特殊切角下实现基频光o光或者e光与倍频光e光或者o光的折射率相等，从而实现相位匹配，实现高效倍频光输出。目前基于双折射已经可以实现可见到紫外波段激光，并在关系国民经济和国家安全的众多领域获得应用，但晶体的双折射的相位匹配方式，要求晶体具有合适的双折射，而排除了大部分不具有合适双折射的晶体，限制了高效激光的获得特别是紫外甚至深紫外激光方面的应用。受相位匹配条件的限制，只有层状氟硼酸铍钾(KBBF)晶体实现了深紫外的有效倍频，但由于其层状习性使得晶体生长困难，并且原料的毒性也极大的限制了晶体的获得。
发明内容
针对现有非线性光学频率转换技术和非线性光学材料的不足，发明提供一种可见到紫外波段光学频率转换器，该器件可实现从可见光到紫外甚至深紫外波段的倍频及和频频率转换。
发明概述：
本发明所用晶体为非线性光学晶体，根据所利用非线性系数将晶体沿着一定方向切割，垂直于切向的表面抛光并镀膜或不镀膜，以激光加工或者离子束刻蚀等方式，破坏晶体内部均匀性，使其破坏区域不具有有效非线性效应，无法实现有效倍频过程，而实现基频光和倍频(或和频)光的相位变化，通过控制基频光和倍频光的相位差，以调节晶体内部光的相位并实现相位匹配，获得有效光学频率转换。
术语说明：
o光：振动方向垂直于晶体光轴与入射方向构成的主平面的偏振光。
e光：振动方向平行于于晶体光轴与入射方向构成的主平面的偏振光。
紫外光：是指波长短于400纳米的光。
光栅周期：即光栅常数，如图2所示，通过采用激光加工、离子刻蚀等技术对晶体进行加工，于晶体内部形成不同折射率周期排布的光栅，光栅周期Λ＝lc+lb，lc是晶体通光方向未加工部分的宽度，lb是晶体通光方向加工部分的宽度。
本发明的技术方案如下：
一种可见到紫外波段光学频率转换器件，采用非线性光学晶体，所述光学晶体内部设置有周期规律分布的无定型区域；该无定型区域不能实现非线性光学效应的相干叠加，从而阻断倍频光到基频光的转换过程，但该无定型区域能提供基频光与倍频光的相位差。
根据本发明，优选的，所述的无定型区域提供基频光与倍频光的相位差m为整数。
根据本发明，优选的，所述的周期规律分布的无定型区域为垂直于通光方向的折射率周期性分布的相位光栅，所述的相位光栅沿晶体通光方向平行排布，一个光栅周期内加工区域和未加工区域传输的相位差均为m为整数。本发明的周期分布的光栅既包括加工的无定型区域，又包括未加工的区域，这两部分的折射率是不一样的，所以才会形成折射率的周期分布，而这两部分都可以提供π的奇数倍的相位差，在未加工部分不仅有相位差，还有有效非线性效应，即基频光向倍频光的持续转化，而在加工区域无有效非线性效应，只提供相位差。
根据本发明，优选的，所述的光栅是通过加工晶体的方式获得，即添加附加周期相位；加工方式可以但不限于激光微加工、离子刻蚀等可以实现晶体局域破坏的技术。
本发明通过破坏晶体本身的结构形成周期规律分布的无定型区域，使得该区域无非线性光学效应，从而阻断倍频光到基频光的转换过程，但该区域可以提供基频光与倍频光的相位差。
进一步的，本发明利用激光加工、离子刻蚀等技术于晶体内部形成不同折射率周期排布的光栅。利用加工区域的折射率随波长的色散关系实现基频光与倍频光(或和频光)的相位差，以满足相位匹配，实现高效倍频输出。
如图2所示，本发明的光栅周期Λ＝lc+lb，lc是晶体通光方向未加工部分的宽度，lb是晶体通光方向加工部分的宽度。通过控制通光方向上的光栅加工长度控制光在晶体内部传输时的相位，晶体在一个光栅周期内传输的相位差可以表示为其中Δk为非线性光学晶体相位失配倒格矢量，Λ为光栅周期。优选的，未加工部分的宽度lc＝0.1-50μm，加工部分的宽度lb＝0.1-50μm。
根据本发明，优选的，所述非线性光学晶体可以采用石英(SiO2)晶体、三硼酸锂(LBO)晶体、偏硼酸钡(β-BBO)晶体、四硼酸锶(SBO)晶体、铌酸锂(LiNbO3)晶体、氟硼铍酸钾(KBBF)晶体、磷酸二氢钾(KDP)晶体、氟化钡镁(MgBaF4)晶体等非线性光学晶体，但不仅限于上述晶体。根据所用非线性系数将晶体沿着一定方向切割，垂直于切向的表面抛光。沿着通光方向，通过激光光刻、离子刻蚀等技术加工垂直于通光方向的周期相位光栅。根据入射基频光波波长和非线性光学晶体的折射率色散方程，控制加工区域长度，提供附加周期相位，从而满足相位匹配条件，实现从可见到紫外、深紫外波段的频率转换。
根据本发明，优选的，所述的非线性光学晶体表面镀以对基频光和倍频光均高透过的介质膜或不镀膜。
根据本发明，优选的，所述的非线性光学晶体通光方向长度为0.1-100mm，进一步优选的是3-10mm，晶体的截面为圆形、方形或者任意形状。
根据本发明，优选的，上述可见到紫外波段光学频率转换器件的制备方法，包括步骤如下：
根据非线性系数将非线性光学晶体沿一定方向切割，利用激光加工、离子刻蚀等技术于晶体内部形成不同折射率周期排布的光栅；通过破坏晶体本身的结构形成周期规律分布的无定型区域，使得该区域无非线性光学效应，从而阻断倍频光到基频光的转换过程，但该区域能提供基频光与倍频光的相位差，相位差为m为整数。
如图2所示，本发明通过控制通光方向上的光栅加工长度控制光在晶体内部传输时的相位，晶体在一个光栅周期内传输的相位差可以表示为其中Δk为非线性光学晶体相位失配倒格矢量，Λ为晶体光栅周期，Λ＝lc+lb，lc是晶体通光方向未加工部分长度，lb是晶体通光方向加工破坏部分长度。通过改变破坏区域的加工长度，使得破坏区域基频光和倍频光的相位差和未破坏区域的相位差均为(2m+1)π，其中m为整数。通过控制破坏区域附加的周期相位差为从而满足相位匹配条件，实现有效的光学频率转换。
根据本发明，上述可见到紫外波段光学频率转换器件在光学频率转换器中的应用，进一步的，在可见到紫外波段光学频率转换器中的应用。
根据本发明，上述可见到紫外波段光学频率转换器件还可用于能实现可见到紫外波段光学频率转换的激光器。
根据本发明，一种可见到紫外波段光学频率转换的激光器，包括沿光路依次设置的泵浦源、光学频率转换器件、棱镜和探测计；所述的光学频率转换器件、棱镜和探测计设置在头套箱中。
根据本发明的激光器，所述的泵浦源和光学频率转换器件之间还设置有聚焦系统。
根据本发明的激光器，优选的，所述的泵浦源连续激光泵浦源或脉冲激光泵浦源，所述的棱镜为氟化钙棱镜，所述的聚焦系统为凸透镜。
根据本发明，上述可见到紫外波段光学频率转换的激光器工作时，泵浦源发出激光，可通过聚焦系统聚焦后激光进入光学频率转换器件中，由于光学频率转换器件中的光学晶体内部设置有周期规律分布的无定型区域；该无定型区域无非线性光学效应，从而阻断倍频光到基频光的转换过程，但该无定型区域能提供基频光与倍频光的相位差，弥补非线性光学晶体相位失配不足，实现高效倍频及和频的转换；转换后的激光进入棱镜，将不同波长的光分开以便于观测，棱镜分出泵浦光和倍频光，进入到探测计中进行检测功率或能量以确定是否实现了光学频率的转换。其中光学频率转换器件、棱镜和探测计设置在头套箱中，以提供过程在真空或氮气环境中进行。
本发明的有益效果：
1、本发明采用非线性光学晶体，光学晶体内部设置有周期规律分布的无定型区域；该无定型区域无非线性光学效应，从而阻断倍频光到基频光的转换过程，但该无定型区域能提供基频光与倍频光的相位差。例如：可通过激光加工、离子刻蚀等技术在非线性光学晶体内部形成折射率周期性分布的相位光栅，从而提供一个附加周期相位，弥补非线性光学晶体相位失配不足，实现高效倍频及和频的转换，特别是可实现深紫外激光输出。不仅结构简单，而且加工过程容易，可成功实现从可见到紫外波段的光学频率转换。
2、本发明对于非线性光学晶体的结构无特别要求，对所有的非线性光学晶体在其透过率允许范围内均可能够加工实现从可见到紫外波段的光学频率转换。
3、本发明不需要借助额外的作用，例如：电场的作用，仅仅通过在晶体中加工周期性光栅即可实现从可见到紫外的光学频率转换，方法十分简单且加工精度高，可控性强。
4、本发明所述附加周期相位的相位匹配方式可以对非线性光学材料进行优选，如选取有效非线性系数较大的晶体或者选取晶体的较大的有效非线性系数，从而提高频率转换效率。
5、本发明可以对不同的波长进行优选，只需根据所需波长选取适当非线性晶体通过激光光刻等工艺提供与之匹配的附加周期相位，便可实现相应波长的频率转换。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是实施例1的石英晶体加工示意图。其中，1是泵浦光源方向；2是加工区域，X、Y、Z为石英晶体光学主轴。
图2是实施例1的晶体光刻后折射率周期分布示意图。其中3是泵浦光；4是晶体未加工部分，折射率为n1，宽度为lc；5是晶体加工部分，折射率为n2，宽度为lb；光栅周期为Λ＝lc+lb；6是倍频输出光。
图3是实施例1中的实验装置图。其中，7是泵浦源，波长为355nm；8是聚焦系统；9是光学频率转换器件；10是氟化钙棱镜，可以将不同波长的光分开以便于观测；11是泵浦光；12是棱镜分出的倍频光；13是探测计，可探测功率和能量；14是手套箱，提供真空或者氮气环境。
图4是实施例1中355nm倍频177.3nm的激光输出图谱，横坐标是波长(nm),纵坐标是相对强度。
图5是实施例2中426nm倍频213nm的激光输出图谱，横坐标是波长(nm),纵坐标是相对强度。
图6是实施例3中1540nm倍频770nm的激光输出图谱，横坐标是波长(nm),纵坐标是相对强度。
图7是实施例5中1064nm和532nm和频355nm的激光输出图谱，横坐标是波长(nm),纵坐标是相对强度。
图8是实施例7中1064nm倍频532nm的激光输出图谱，横坐标是波长(nm),纵坐标是相对强度。
图9是实施例9中484nm倍频242nm的激光输出图谱，横坐标是波长(nm),纵坐标是相对强度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：石英晶体深紫外波长177.3nm倍频转换器
光学频率转换器件的制备过程：采用石英晶体作为非线性光学晶体，晶体加工方式如图1所示，利用最大非线性系数d11，石英晶体按Z方向切割，在通光方向Z方向上通过激光刻蚀形成折射率周期性分布的光栅结构，其中光刻区域提供附加周期相位，其中加工区域和未加工区域宽度均为0.7μm。加工区域可提供的基频光与倍频光的附加周期相位差为π，整个加工区间晶体长度为1mm，晶体截面为3mm×3mm，表面抛光。折射率的周期排布如图2所示。
实验装置如图3所示，由泵浦源7、聚焦系统8、光学频率转换器件9、氟化钙棱镜10、探测计13沿光路顺序依次排列而成。光学频率转换器件9、棱镜10和探测计13设置在手套箱14中。
泵浦源7是波长为355nm的紫外脉冲激光器，其脉冲宽度为6ns，重复频率为10Hz；聚焦系统8是焦距为10cm的聚焦镜；手套箱14可以通过抽真空提供一个真空环境或者充氮气提供一个氮气环境，减少深紫外波段在空气中的吸收损耗。氟化钙棱镜10是根据晶体色散方程，不同波长的光波在晶体中的折射率不同，将泵浦光和倍频光波分出来，方便倍频光的有效输出和运用。
泵浦源7发出激光，可通过聚焦系统8聚焦后激光进入光学频率转换器件9中，由于光学频率转换器件9中的光学晶体内部设置有周期规律分布的无定型区域；该无定型区域无非线性光学效应，从而阻断倍频光到基频光的转换过程，但该无定型区域能提供基频光与倍频光的相位差，弥补非线性光学晶体相位失配不足，实现高效倍频及和频的转换；转换后的激光进入棱镜10，将不同波长的光分开以便于观测，棱镜10分出泵浦光11和倍频光12，进入到探测计13中进行检测功率或能量以确定是否实现了光学频率的转换。
加大泵浦功率，可实现深紫外177.3nm激光输出，输出波长如图4所示。
实施例2：石英晶体紫外波长213nm倍频转换器
如实施例1所述，所不同的是：泵浦源7为波长426nm的脉冲激光器，其脉冲宽度为10ns，重复频率为50Hz，石英晶体截面为5×3mm，其中每个周期内加工区域和未加工区域宽度均为1.4μm，加工区域可提供的基频光与倍频光的相位差为π，加大泵浦功率，可实现紫外波长为213nm的激光输出，输出波长如图5所示。
实施例3：石英晶体可见波长770nm倍频转换器
如实施例1所示，所不同的是，泵浦源7为波长为1540nm的飞秒脉冲激光器，脉冲宽度为500fs，重复频率为200MHz，石英晶体截面为4×4mm，晶体长度为50mm，晶体表面镀以对1540nm和770nm高透过的介质膜，不需要氟化钙棱镜分光和手套箱，在通光方向Z方向上通过离子束刻蚀形成折射率周期性分布的光栅结构，其中每个周期内加工区域和未加工区域宽度均为34.4μm，所实现的基频光与倍频光的相位差为π，加大泵浦功率，可实现可见波长为770nm的激光输出，输出波长如图6所示。
实施例4：SBO晶体深紫外波长177.3nm倍频转换器
如实施例1所述，所不同的是：非线性光学晶体为SBO晶体，利用最大非线性系数d33，晶体按X方向切割，晶体截面为3×4mm，晶体长度为10mm，在通光方向X方向上通过激光刻蚀形成折射率周期性分布的光栅结构，其中每个周期内加工区域和未加工区域宽度均为2.9μm，加工区域可提供的基频光与倍频光的相位差为5π，加大泵浦功率，可实现深紫外波长为177.3nm的激光输出。
实施例5：LBO晶体紫外波长355nm和频转换器
如实施例1所述，所不同的是：非线性光学晶体为LBO晶体，通过波长为1064nm和532nm的共向激光和频产生355nm激光，利用最大非线性系数d32，晶体按X方向切割，晶体截面为5×5mm，晶体长度为20mm，在通光方向X方向上通过激光刻蚀形成折射率周期性分布的光栅结构，其中每个周期内加工区域和未加工区域的宽度均为4.4μm，加工区域可提供的基频光与和频光的相位差为π，加大泵浦功率，可实现紫外波长为355nm的激光输出,输出波长如图7所示。
实施例6：KBBF晶体紫外波长205nm倍频转换器
如实施例1所述，所不同的是：非线性光学晶体为KBBF晶体，利用最大非线性系数d11，晶体按Z方向切割，晶体截面为2×3mm，晶体长度为2.5mm，在通光方向Z方向上通过激光刻蚀形成折射率周期性分布的光栅结构，其中每个周期内加工区域和未加工区域宽度均为1.6μm，加工区域可提供的基频光与倍频光的相位差为π，泵浦源7为波长410nm的光参量振荡器，其脉冲宽度为20ns，重复频率为20Hz，加大泵浦功率，可实现紫外波长为205nm的激光输出。
实施例7：LiNbO3晶体可见波长532nm倍频转换器
如实施例1所述，所不同的是：非线性光学晶体为LiNbO3晶体，利用最大非线性系数d33，晶体按X方向切割，泵浦源7为波长为1064nm的连续激光器，晶体截面为圆形，直径10mm，晶体表面镀以对1064nm和532nm高透过的介质膜，不需要氟化钙棱镜分光和手套箱，晶体长度为20mm，在通光方向X方向上通过离子束刻蚀形成折射率周期性分布的光栅结构，其中每个周期内加工区域的宽度为3.5μm，未加工区域宽度均为10.5μm，加工区域可提供的基频光与倍频光的相位差为π，未加工区域可提供的基频光与倍频光的相位差为3π，加大泵浦功率，可实现可见波长为532nm的激光输出，输出波长如图8所示。
实施例8：MgBaF4晶体紫外波长266nm倍频转换器
如实施例1所述，所不同的是：非线性光学晶体为MgBaF4晶体，利用最大非线性系数d32，晶体按X方向切割，泵浦源7为波长为532nm的脉冲激光器，其脉冲宽度为50ns，重复频率为1kHz，晶体截面6×6mm，晶体长度为30mm，在通光方向X方向上通过激光刻蚀形成折射率周期性分布的光栅结构，其中每个周期内加工区域和未加工区域宽度均为10.7μm，加工区域可提供的基频光与倍频光的相位差为3π，加大泵浦功率，可实现紫外波长为266nm的激光输出。
实施例9：β-BBO晶体紫外波长242nm倍频转换器
如实施例1所述，所不同的是：非线性光学晶体为β-BBO晶体，利用最大非线性系数d22，晶体按Z方向切割，晶体截面为3×4mm，晶体长度为15mm，在通光方向Z方向上通过激光刻蚀形成折射率周期性分布的光栅结构，其中每个周期内加工区域和未加工区域宽度均为3.3μm，加工区域可提供的基频光与倍频光的相位差为3π，泵浦源7为波长484nm的脉冲激光器，其脉冲宽度为10ns，重复频率为100Hz，加大泵浦功率，可实现紫外波长为242nm的激光输出，输出波长如图9所示。
而且，由以上实施例可知，本发明通过控制基频和倍频光的相位差，提供了一种可见到紫外波段光学频率转换器，可以实现可见-紫外-深紫外的倍频或和频激光输出，特别是为稀缺的紫外和深紫外晶体器件提供了新品种。

Claims (9)

1.一种可见到紫外波段光学频率转换器件，其特征在于，该光学频率转换器件采用非线性光学晶体，所述光学晶体内部设置有周期规律分布的无定型区域；该无定型区域不能实现非线性光学效应的相干叠加，从而阻断倍频光到基频光的转换过程，但该无定型区域能提供基频光与倍频光的相位差。
2.根据权利要求1所述的可见到紫外波段光学频率转换器件，其特征在于，所述的无定型区域提供基频光与倍频光的相位差m为整数。
3.根据权利要求1所述的可见到紫外波段光学频率转换器件，其特征在于，所述的周期规律分布的无定型区域为垂直于通光方向的折射率周期性分布的相位光栅，所述的相位光栅沿晶体通光方向平行排布，一个光栅周期内加工区域和未加工区域传输的相位差均为m为整数；
所述的相位光栅是通过对晶体进行加工，于晶体内部形成不同折射率周期排布的光栅，光栅周期Λ＝lc+lb，lc是一个周期内晶体通光方向未加工部分的宽度，lb是晶体通光方向加工部分的宽度。
4.根据权利要求3所述的可见到紫外波段光学频率转换器件，其特征在于，对晶体加工的方式为激光微加工或离子刻蚀等。
5.根据权利要求3所述的可见到紫外波段光学频率转换器件，其特征在于，未加工部分的宽度lc＝0.1-50μm，加工部分的宽度lb＝0.1-50μm。
6.根据权利要求1所述的可见到紫外波段光学频率转换器件，其特征在于，所述非线性光学晶体可以但不限于采用石英晶体、三硼酸锂晶体、偏硼酸钡晶体、四硼酸锶晶体、铌酸锂晶体、氟硼铍酸钾晶体、磷酸二氢钾晶体或氟化钡镁晶体。
7.根据权利要求1所述的可见到紫外波段光学频率转换器件，其特征在于，所述的非线性光学晶体表面镀以对基频光和倍频光均高透过的介质膜或不镀膜。
8.根据权利要求1所述的可见到紫外波段光学频率转换器件，其特征在于，所述的非线性光学晶体通光方向长度为0.1-100mm，进一步优选的为3-10mm。
9.根据权利要求1所述的可见到紫外波段光学频率转换器件，其特征在于，所述的非线性光学晶体的截面为圆形、方形或其他任意形状。
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