CN110244499A - 非线性频率转换晶体 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种非线性频率转换晶体，晶体包括入射窗口、第一柱面内反射窗口、第二柱面内反射窗口和出射窗口；入射窗口和第二柱面内反射窗口位于晶体的第一端，第一柱面内反射窗口位于晶体的第二端，出射窗口位于第一端或第二端。本发明实施例通过将晶体表面加工出入射窗口、第一柱面内反射窗口、第二柱面内反射窗口和出射窗口，使斜入射的基频光束在非线性频率转换晶体内被多次反射，并在晶体的相位匹配方向进行多次非线性频率转换，提高了频率转换效率。经具有特定曲率的柱面在垂直方向上聚焦，使下一次非线性频率转换时基频光的峰值功率提高，进一步提升了频率转换的频率转换效率，从而提高了整个晶体的非线性频率转换效率。

Description

非线性频率转换晶体
技术领域
本发明实施例涉及非线性频率变换技术领域，更具体地，涉及非线性频率转换晶体。
背景技术
目前许多实际应用中需要的激光波长并不能由受激辐射的激光介质直接产生，必须通过激光频率变换技术获得。基于非线性频率变换技术的激光器输出波长已覆盖深紫外到中远红外波段，而且由于某些物质对特定波长的吸收、透过以及响应等性质，人们对特殊波长激光的需求与日俱增。例如：对波长为1064nm的皮秒激光器进行三次谐波产生(ThirdHarmonic Generation，THG)可以得到波长为355nm的紫外激光，产生的紫外光可适用于透明材料的加工；波长为355nm的紫外激光进一步经过倍频，可以得到波长为177.3nm的深紫外激光，可以应用于高能量分辨角分辨光电子能谱仪。在天文上，利用波长为1064nm和1319nm的激光进行和频可以得到波长为589nm的钠黄光，该589nm钠黄光激光可用于大型地基望远镜的自适应光学系统中。现有技术中还可以通过光参量转换得到波段为3～5μm，8～12μm的中红外激光光源，是大气的窗口，可用于分子动力学与环保研究。
目前，基频光单次通过一块非线性频率转换晶体来获得特定波长的激光的技术已经被广泛应用，但这种情况下，基频光通过非线性频率转换晶体时仅聚焦一次。当晶体的非线性系数较小时，聚焦的光束在晶体内聚焦点处的光斑较大，使基频光的峰值功率较小；聚焦的光束在晶体内聚焦点处的光斑较小时，虽然会使基频光的峰值功率较大，但激光光束的瑞利长度短。上述两种情况均会导致光-光的转换效率较低，转换得到的激光功率也较低，不能满足应用需求。
现有技术中进一步提高转换效率的非线性频率转换技术有两种，分别为：基频光多次通过同一块非线性晶体的频率转换技术，以及基频光单次通过多块非线性晶体的频率转换技术。二者的基本思想均是使基频光多次经过非线性晶体，从而多次进行频率转换，提高频率转换效率。但是，二者分别存在以下问题：
1)采用基频光多次通过同一块非线性晶体的频率转换技术，基频光多次通过非线性晶体进行频率转换，但是仅在第一次通过非线性晶体时进行聚焦，以后通过非线性晶体时均不进行聚焦。若聚焦光斑大，则基频光的峰值功率低，而频率转换效率与基频光的峰值功率的平方成正比，使得频率转换效率大大降低；若聚焦光斑小，虽然基频光的峰值功率高，但激光光束的瑞利长度短，即使增大晶体的长度以增加频率转换的长度，也不能有效的进行频率转换，从而降低了频率转换效率；
2)采用单次通过多块非线性晶体的频率转换技术，每次通过晶体时均会聚焦一次。虽然能进行多次聚焦，提高了基频光的峰值功率，但基频光在第一块晶体内经频率转换后产生的信号光在晶体间的自由空间传播，会导致第一块晶体内产生的信号光与第二块晶体内产生的信号光存在相位差，产生相干相消现象，使得频率转换效率大大的降低；同时，精确实时的控制两束信号光具有相同相位的难度大。
发明内容
为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供了一种非线性频率转换晶体。
一方面，本发明实施例提供了一种非线性频率转换晶体，所述晶体包括入射窗口、第一柱面内反射窗口、第二柱面内反射窗口和出射窗口；
所述入射窗口和所述第二柱面内反射窗口位于所述晶体的第一端，所述第一柱面内反射窗口位于所述晶体的第二端，所述出射窗口位于所述第一端或所述第二端；
基频光束经所述入射窗口以预设角度斜入射至所述第一柱面内反射窗口上，所述预设角度为所述基频光束的传输方向与所述晶体的中心轴线之间的夹角；所述入射窗口用于保证入射至所述晶体内的基频光束为平行光束；所述第一柱面内反射窗口用于对入射至所述第一柱面内反射窗口上的光束进行反射，还用于对入射至所述第一柱面内反射窗口上的光束在垂直于入射平面的方向上进行聚焦；所述第二柱面内反射窗口用于对经所述第一柱面内反射窗口反射后的光束进行反射，经所述第二柱面内反射窗口反射后的光束再次入射至所述第一柱面内反射窗口上，如此往复，直至往返次数达到预设次数，所述晶体内传输的光束经所述出射窗口射出；
其中，所述晶体的相位匹配方向与经所述第一柱面内反射窗口反射后的光束的传输方向一致，以使经所述第一柱面内反射窗口反射后的光束在所述晶体内进行非线性频率转换。
优选地，所述预设次数由所述预设角度、所述晶体的长度、所述第一柱面内反射窗口的宽度、第二柱面内反射窗口的宽度确定。
优选地，所述第一柱面内反射窗口和所述第二柱面内反射窗口的曲率半径均等于所述第一柱面内反射窗口与所述第二柱面内反射窗口之间传输的光束的光程。
优选地，所述入射窗口为平面或者柱面；所述出射窗口为平面或者柱面。
优选地，所述入射窗口上镀有所述基频光束的增透膜，所述出射窗口上镀有所述基频光束和非线性频率转换得到的光束的增透膜。
优选地，所述第一柱面内反射窗口和所述第二柱面内反射窗口上均镀有所述基频光束和非线性频率转换得到的光束的增反膜。
优选地，所述基频光束为一束或多束。
优选地，在所述晶体内进行的非线性频率转换的类型包括倍频、差频、和频或光参量转换。
优选地，所述晶体的类型包括三硼酸锂晶体LBO、磷酸钛氧钾晶体KTP、偏硼酸钡晶体BBO或磷酸二氢钾KDP。
优选地，所述入射窗口、所述第一柱面内反射窗口、所述第二柱面内反射窗口和所述出射窗口均进行抛光处理。
本发明实施例提供的非线性频率转换晶体，通过将晶体表面加工切割出入射窗口、第一柱面内反射窗口、第二柱面内反射窗口和出射窗口，使斜入射的基频光束在非线性频率转换晶体内被多次反射，并在晶体的相位匹配方向进行多次非线性频率转换，提高了频率转换效率；除此以外，经具有特定曲率的柱面在垂直方向上聚焦，使下一次非线性频率转换时基频光的峰值功率提高，进一步提升了频率转换的频率转换效率，从而大大地提高了整个晶体的非线性频率转换效率，使得最终从晶体的入射面射出的光束中频率转换后的光束的比例增加。
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种非线性频率转换晶体的立体结构示意图；
图2为图1中基频光束的入射角度的俯视图；
图3为本发明另一实施例提供的一种可多次往返聚焦的倍频LBO晶体的结构示意图；
图4为本发明另一实施例提供的一种可多次往返聚焦的和频KDP晶体的结构示意图；
图5为本发明另一实施例提供的一种可多次往返聚焦的和频LBO晶体的结构示意图；
图6为本发明另一实施例提供的一种可多次往返聚焦的光参量转换LBO晶体的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，图1示出了本发明实施例中提供的一种非线性频率转换晶体的立体图，图2为晶体的俯视图，示出了图1中基频光束的入射角度。其中，图1中仅示出了预设次数为三次的光路，即入射的基频光束经过三次频率转换。本发明一实施例提供了一种非线性频率转换晶体20，所述晶体20包括入射窗口101、第一柱面内反射窗口102、第二柱面内反射窗口103和出射窗口104。
所述入射窗口101和所述第二柱面内反射窗口102位于所述晶体20的第一端10，所述第一柱面内反射窗口102位于所述晶体20的第二端11，所述出射窗口104位于所述第一端10或所述第二端11。
基频光经所述入射窗口101以预设角度斜入射至所述第一柱面内反射窗口102上，所述预设角度为所述基频光的传输方向与所述晶体20的中心轴线之间的夹角；所述入射窗口101用于保证入射至所述晶体20内的基频光为平行光；所述第一柱面内反射窗口102用于对入射至所述第一柱面内反射窗口102上的光束进行反射，还用于对入射至所述第一柱面内反射窗口102上的光束在垂直于入射平面的方向上进行聚焦，以增加基频光束的峰值功率；所述第二柱面内反射窗口103用于对经所述第一柱面内反射窗口102反射后的光束进行反射，经所述第二柱面内反射窗口103反射后的光束再次入射至所述第一柱面内反射窗口102上，如此往复，直至往返次数达到预设次数，所述晶体内传输的光束经所述出射窗口104射出；
其中，所述晶体的相位匹配方向与经所述第一柱面内反射窗口102反射后的光束的传输方向一致，以使经所述第一柱面内反射窗口102反射后的光束在所述晶体内进行非线性频率转换。
具体地，如图1所示，晶体20水平放置。第一柱面内反射窗口102和第二柱面内反射窗口103均为柱面，即相当于一个平放的柱体的侧面。第一柱面内反射窗口102和第二柱面内反射窗口103均可看作是一条水平直线(即母线)沿竖直方向上具有一定曲率的曲线(即准线)进行平移得到。
如图2所示，基频光经入射窗口101以预设角度α斜入射至第一柱面内反射窗口102上，预设角度α为基频光的传输方向与晶体的中心轴线之间的夹角。这里需要说明的是，本发明实施例中基频光的入射平面平行于第一柱面内反射窗口102和第二柱面内反射窗口103的母线，即平行于水平面。
基频光经入射窗口101入射至晶体20内，为保证光束在晶体20内传输的过程中光束的发散或会聚不对非线性频率转换的效率产生影响，入射窗口101需要保证入射至晶体20内的基频光为平行光。入射至晶体20内的基频光以预设角度α斜入射至第一柱面内反射窗口102上，经第一柱面内反射窗口102反射，平行的基频光经第一柱面内反射窗口102聚焦于经第一柱面内反射窗口102反射的光束的传输路径上，即基频光在到达第二柱面内反射窗口103之前在晶体内实现第一次聚焦，以增加基频光的峰值功率，提高第一次频率转换效率。这里的聚焦是指使光束的光斑直径变小。由于柱面的聚焦是仅在垂直于入射平面的方向上进行聚焦，即在垂直方向进行聚焦，而在水平方向上不进行聚焦，也就是说，聚焦后的光束在垂直方向上的光斑直径变小，为会聚光束，但水平方向上的光斑直径不变，为平行光束。
聚焦后的光束会再次发散并入射至第二柱面内反射窗口103上。同时，由于晶体20的相位匹配方向与经第一柱面内反射窗口102反射后的光束的传输方向一致，所以在相位匹配方向上，经第一柱面内反射窗口102反射后、且在到达第二柱面内反射窗口103之前在晶体20内会实现第一次频率转换。由于第一次频率转换的转换效率并不能达到100％，所以入射至第二柱面内反射窗口103上的光束并不完全是第一次频率转换后的第一转换光束，而是未转换的基频光束与第一转换光束的混合光束。
混合光束入射至第二柱面内反射窗口103上，经第二柱面内反射窗口103反射至第一柱面内反射窗口102上，同时，第二柱面内反射窗口103还对混合光束在竖直方向上进行聚焦，以增加基频光束的峰值功率。这里需要说明的是，本发明实施例中由于晶体的相位匹配方向的存在，只能允许特定波长的光束进行频率准换，基频光束经第一次频率转换后得到的第一转换光束的频率与基频光束的频率相比发生变化，而且混合光束的传输方向与晶体的相位匹配方向并不相同，所以经第二斜平面反射后的混合光束中无论基频光束还是第一转换光束均不会发生频率转换。
经第二柱面内反射窗口103反射至第一柱面内反射窗口102上的光束为竖直方向上发散的混合光束，再次经第一柱面内反射窗口102进行聚焦，并且再次经第一柱面内反射窗口102反射，再次经第一柱面内反射窗口102反射后的光束由于传输方向与晶体的相位匹配方向一致，所以再次经第一柱面内反射窗口102反射后的光束中的基频光束会进行第二次频率转换，进行第二次频率转换后的混合光束会再次经第二柱面内反射窗口103进行聚焦，并且再次经第二柱面内反射窗口103反射。也就是说，在晶体内，基频光束由晶体的第一端10传输至晶体的第二端11，会经过至少一次的聚焦，以及一次的频率转换，如此往复，直至往返次数达到预设次数，晶体20内的光束最终由出射窗口104射出。由于同一晶体内只能产生一种类型的频率转换，也就是说，基频光束在往返过程中每次频率转换的类型均相同，频率转换后得到的光束的频率相同、性质相同，仅仅是转换的时间不同。其中，预设次数为大于等于2。
这里需要说明的是，基频光束在晶体20内由晶体的第一端10传输至晶体的第二端11，再由晶体的第二端11传输至晶体的第一端10，这整个过程为一次往返。出射窗口104的设置位置与晶体内基频光束的往返次数有关，当往返次数为整数时，即基频光束在晶体20内由晶体20的第一端10传输至晶体的第二端11的次数，与基频光束在晶体20内由晶体20的第二端11传输至晶体的第一端10的次数相同，则出射窗口104位于晶体的第一端10，在晶体内实现频率转换的次数与往返次数相同。当往返次数为小数时，即基频光束在晶体20内由晶体20的第一端10传输至晶体的第二端11的次数，大于基频光束在晶体20内由晶体20的第二端11传输至晶体的第一端10的次数，则出射窗口位于晶体的第二端11，在晶体内实现频率转换的次数相比于往返次数少1。
需要说明的是，本发明实施例中光束在晶体内的反射可以是全内反射，也可以是在晶体表面镀有增反膜实现，本发明实施例中在此不做具体限定。
本发明实施例中在晶体内每次往返实现的频率转换均为非线性频率转换，频率转换效率为光-光频率转换效率。
若第一次非线性频率转换时的光-光转换效率为x(0<x<1)，则第二次非线性频率转换时的光-光转换效率为(1-x)x，第三次的光-光转换效率为[1-(1-x)x-x]x＝(1-x)2x，第四次的光-光转换效率为(1-x)3x，以此类推，第n次的转换效率为(1-x)n-1x。基频光束在晶体内往返n次总的光-光转换效率为x+(1-x)x+(1-x)2x+…+(1-x)n-1x>x+(1-x)x+(1-x)2x+…+(1-x)n-2x。即该晶体的转换效率随着基频光束在晶体内往返次数n的增加而增加。若n＝2，在相同条件下，相比于仅单次通过单块相同长度非线性频率转换晶体时的光-光转换效率提高了(2x-x2)/x＝2-x倍，即实现了高效率非线性频率转换。
本发明实施例中提供的非线性频率转换晶体，通过将晶体表面加工切割出入射窗口、第一柱面内反射窗口、第二柱面内反射窗口和出射窗口，使斜入射的基频光束在非线性频率转换晶体内被多次反射，并在晶体的相位匹配方向进行多次非线性频率转换，提高了频率转换效率；除此以外，经具有特定曲率的柱面在垂直方向上聚焦，使下一次非线性频率转换时基频光的峰值功率提高，进一步提升了频率转换的频率转换效率，从而大大地提高了整个晶体的非线性频率转换效率，使得最终从晶体的入射面射出的光束中频率转换后的光束的比例增加。
在上述实施例的基础上，所述预设次数由所述预设角度、所述晶体的长度、所述第一柱面内反射窗口的宽度、第二柱面内反射窗口的宽度确定。
具体地，预设次数是指基频光束在晶体内的往返次数的最大值，往返次数的最大值的确定与预设角度、晶体的长度、第一柱面内反射窗口的宽度、第二柱面内反射窗口的宽度均有关，预设角度越大、晶体的长度越长、第一柱面内反射窗口的宽度越窄、第二柱面内反射窗口的宽度越窄均会导致往返次数的最大值越小，即预设次数越小。本发明实施例中可根据需要选取合适的预设角度、晶体的长度、第一柱面内反射窗口的宽度、第二柱面内反射窗口的宽度的取值，以使基频光束在晶体内实现预设次数的频率转换。
在上述实施例的基础上，所述第一柱面内反射窗口和所述第二柱面内反射窗口的曲率半径均等于所述第一柱面内反射窗口与所述第二柱面内反射窗口之间传输的光束的光程。
具体地，由于第一柱面内反射窗口和第二柱面内反射窗口均具有聚焦作用，为保证入射至第一柱面内反射窗口上的光束具有相同的光斑直径，本发明实施例中将第一柱面内反射窗口和第二柱面内反射窗口的曲率半径均设置为等于第一柱面内反射窗口与第二柱面内反射窗口之间传输的光束的光程。也就是在第一柱面内反射窗口与第二柱面内反射窗口之间实现一个4f系统，以保证入射至第一柱面内反射窗口上的光束均具有相同的光斑直径，经过第一柱面内反射窗口与第二柱面内反射窗口的聚焦以增加基频光束的峰值功率，进而提高频率转换效率。
在上述实施例的基础上，所述入射窗口为平面或者柱面；所述出射窗口为平面或者柱面。
具体地，当入射窗口为平面时，需要保证基频光束在入射至入射窗口之前为平行光束，如此在经过入射窗口后进入晶体的光束也为平行光束。当入射窗口为柱面时，则基频光束在入射至入射窗口之前可以为会聚光束或发散光束，可根据柱面的凹凸程度进行选择，只要使经过入射窗口进入晶体的光束为平行光束即可。
在上述实施例的基础上，所述入射窗口上镀有所述基频光束的增透膜，所述出射窗口上镀有所述基频光束和非线性频率转换得到的光束的增透膜。
在上述实施例的基础上，所述第一柱面内反射窗口和所述第二柱面内反射窗口上均镀有所述基频光束和非线性频率转换得到的光束的增反膜。
具体地，为保证基频光束可以尽可能的入射至晶体内，在晶体的入射窗口上镀有增透膜，以增加所述基频光束的透过率，出射窗口上的增透膜用于增加经晶体内进行频率转换后的光束的透过率，以使经晶体内进行频率转换后的光束顺利射出。第一柱面内反射窗口和第二柱面内反射窗口上的增反膜分别用于增加入射至第一柱面内反射窗口上的光束的反射率，以及增加入射至第二柱面内反射窗口上的光束的反射率。
在上述实施例的基础上，所述基频光束为一束或多束。
具体地，由于本发明实施例中基频光束在晶体内由第一柱面内反射窗口反射至第二柱面内反射窗口之前的传输方向与晶体的相位匹配方向一致，且光束在晶体内经过的晶体侧面均实现反射，所以基频光束为一束或多束均不影响晶体内的聚焦以及进行频率转换。基频光束的光束数由晶体的厚度确定，即由第一柱面内反射窗口102在竖直方向上的跨度、第二柱面内反射窗口103在竖直方向上的跨度以及出射窗口104在竖直方向上的跨度确定。晶体的厚度越大，第一柱面内反射窗口102在竖直方向上的跨度、第二柱面内反射窗口103在竖直方向上的跨度以及出射窗口104在竖直方向上的跨度越大则晶体内可进行频率转换的光束数越多。基频光束的光束数可根据需要进行设定，本发明实施例中对基频光束的光束数不作具体限定。
在上述实施例的基础上，在所述晶体内进行的非线性频率转换的类型包括倍频、差频、和频或光参量转换等晶体可提供的其他频率转换类型。
在上述实施例的基础上，所述晶体的类型包括三硼酸锂晶体LBO、磷酸钛氧钾晶体KTP、偏硼酸钡晶体BBO或磷酸二氢钾KDP等类型的非线性频率转换晶体。
在上述实施例的基础上，所述入射窗口、所述第一柱面内反射窗口、所述第二柱面内反射窗口和所述出射窗口均进行抛光处理。
具体地，抛光是指利用机械、化学或电化学的作用，使平面的粗糙度降低，以获得光亮、平整的晶体表面。
下面通过实例对本发明实施例的方案进行进一步说明，如图3所示，为本发明另一实施例提供的一种可多次往返聚焦的倍频LBO晶体的结构示意图；其中LBO晶体21是相位匹配角为θ＝90°、的倍频LBO晶体。θ角为基频光束的传输方向k(即波矢方向)与LBO晶体21的晶轴方向之间的夹角，角为基频光束的传输方向k在垂直于晶轴方向的投影与x轴之间的夹角。
波长为1064nm的基频光束经外置的焦距为f＝150mm的柱面镜1和曲率半径为R1的柱面入射窗口201准直入射至曲率半径为R2的第一柱面内反射窗口202，第一柱面内反射窗口202使基频光束反射至曲率半径为R3的第二柱面内反射窗口203且在垂直方向上聚焦，水平方向仍为平行光，同时相位匹配方向与第一柱面内反射窗口202反射后的光束方向一致，且进行第一次非线性频率转换得到532nm倍频光。第一柱面内反射窗口202的曲率半径R2等于基频光束从第一柱面内反射窗口202反射到曲率半径为R3的第二柱面内反射窗口203的光程L，也等于柱面入射窗口201曲率半径R1，即R2＝L＝R1；第一次非线性频率转换后1064nm基频光和532nm倍频光的混合光束经第二柱面内反射窗口203准直并反射到第一柱面内反射窗口202，则有R3＝R2＝R1＝L。第一柱面内反射窗口202再次对混合光束中的基频光束反射并进行第一柱面内反射窗口202上的第二次聚焦，即第一柱面内反射窗口202上实现的第二次聚焦并反射的基频光束平行于第一柱面内反射窗口202上的第一次聚焦并反射的基频光束，第一柱面内反射窗口202上的第二次聚焦并反射的基频光束进行第二次非线性频率转换；重复如上过程，频率转换后得到的混合光束再经过第二柱面内反射窗口203和第一柱面内反射窗口202往返聚焦，使混合光束中的基频光束进行第三次非线性频率转换，最终从曲率半径为R4的柱面出射窗口204出射，且柱面出射窗口204的曲率半径R4等于柱面入射窗口201的曲率半径R1，即有R4＝R1＝R2＝R3＝L。出射的光束经分束器3分离，光收集器4用于收集1064nm基频光，功率计5用于测量倍频转换得到的532nm倍频光的功率。若第一次非线性频率转换时LBO晶体的光-光转换效率为x(0<x<1)；则n＝3时，整个晶体总的光-光转换效率为x+(1-x)x+(1-x)2x＝3x-3x2+x3。在相同条件下，相比于仅单次通过单块相同长度LBO晶体时的倍频效应，光-光转换效率提高了(3x-3x2+x3)/x＝3-3x+x2倍。综上所述，实现了高效率倍频转换。
如图4所示，为本发明另一实施例提供的一种可多次往返聚焦的和频KDP晶体的结构示意图；其中KDP晶体22是相位匹配角为θ＝58.5°的和频KDP晶体，θ角为基频光束的传输方向k(即波矢方向)与KDP晶体22的晶轴方向之间的夹角。
波长为1064nm和532nm的基频光束经外置的焦距为f＝150mm的柱面镜1和曲率半径为R1的柱面入射窗口301准直入射至曲率半径为R2的第一柱面内反射窗口302，第一柱面内反射窗口302使基频光束反射至曲率半径为R3的第二柱面内反射窗口303且在垂直方向上聚焦，水平方向仍为平行光，同时相位匹配方向与第一柱面内反射窗口302反射后的光束方向一致，且进行第一次非线性频率转换得到355nm和频光。第一柱面内反射窗口302的曲率半径R2等于基频光束从第一柱面内反射窗口302反射到曲率半径为R3的第二柱面内反射窗口303的光程L，也等于柱面入射窗口301曲率半径R1，即R2＝L＝R1；第一次非线性频率转换后1064nm、532nm基频光和355nm和频光的混合光束经第二柱面内反射窗口303准直并反射到第一柱面内反射窗口302，则有R3＝R2＝R1＝L。第一柱面内反射窗口302再次对混合光束中的基频光束反射并进行第一柱面内反射窗口302上的第二次聚焦，即第一柱面内反射窗口302上实现的第二次聚焦并反射的基频光束平行于第一柱面内反射窗口302上的第一次聚焦并反射的基频光束，第一柱面内反射窗口302上的第二次聚焦并反射的基频光束进行第二次非线性频率转换；重复如上过程，频率转换后得到的混合光束再经过第二柱面内反射窗口303和第一柱面内反射窗口302往返聚焦，使混合光束中的基频光束进行第三次非线性频率转换，最终从曲率半径为R4的柱面出射窗口304出射，且柱面出射窗口304的曲率半径R4等于柱面入射窗口301的曲率半径R1，即有R4＝R1＝R2＝R3＝L。出射的光束经分束器3分离，光收集器4用于收集1064nm和532nm基频光，功率计5用于测量倍频转换得到的355nm和频光的功率。若第一次非线性频率转换时KDP晶体的光-光转换效率为x(0<x<1)；则n＝3时，整个晶体总的光-光转换效率为x+(1-x)x+(1-x)2x＝3x-3x2+x3。在相同条件下，相比于仅单次通过单块相同长度KDP晶体时的倍频效应，光-光转换效率提高了(3x-3x2+x3)/x＝3-3x+x2倍。综上所述，实现了高效率倍频转换。
如图5所示，为本发明另一实施例提供的一种可多次往返聚焦的和频LBO晶体的结构示意图；其中LBO晶体23是相位匹配角为θ＝90°、的和频LBO晶体，θ角为基频光束的传输方向k(即波矢方向)与LBO晶体23的晶轴方向之间的夹角，角为基频光束的传输方向k在垂直于晶轴方向的投影与x轴之间的夹角。
波长为1064nm和1319nm的基频光束经外置的焦距为f＝150mm的柱面镜1和曲率半径为R1的柱面入射窗口401准直入射至曲率半径为R2的第一柱面内反射窗口402，第一柱面内反射窗口402使基频光束反射至曲率半径为R3的第二柱面内反射窗口403且在垂直方向上聚焦，水平方向仍为平行光，同时相位匹配方向与第一柱面内反射窗口402反射后的光束方向一致，且进行第一次非线性频率转换得到589nm和频光。第一柱面内反射窗口402的曲率半径R2等于基频光束从第一柱面内反射窗口402反射到曲率半径为R3的第二柱面内反射窗口403的光程L，也等于柱面入射窗口401曲率半径R1，即R2＝L＝R1；第一次非线性频率转换后1064nm、1319nm基频光和589nm和频光的混合光束经第二柱面内反射窗口403准直并反射到第一柱面内反射窗口402，则有R3＝R2＝R1＝L。第一柱面内反射窗口402再次对混合光束中的基频光束反射并进行第一柱面内反射窗口402上的第二次聚焦，即第一柱面内反射窗口402上实现的第二次聚焦并反射的基频光束平行于第一柱面内反射窗口402上的第一次聚焦并反射的基频光束，第一柱面内反射窗口402上的第二次聚焦并反射的基频光束进行第二次非线性频率转换；重复如上过程，频率转换后得到的混合光束再经过第二柱面内反射窗口403和第一柱面内反射窗口402往返聚焦，使混合光束中的基频光束进行第三次非线性频率转换，最终从曲率半径为R4的柱面出射窗口404出射，且柱面出射窗口404的曲率半径R4等于柱面入射窗口401的曲率半径R1，即有R4＝R1＝R2＝R3＝L。出射的光束经分束器3分离，光收集器4用于收集1064nm和1319nm基频光，功率计5用于测量倍频转换得到的589nm和频光的功率。若第一次非线性频率转换时LBO晶体的光-光转换效率为x(0<x<1)；则n＝3时，整个晶体总的光-光转换效率为x+(1-x)x+(1-x)2x＝3x-3x2+x3。在相同条件下，相比于仅单次通过单块相同长度LBO晶体时的倍频效应，光-光转换效率提高了(3x-3x2+x3)/x＝3-3x+x2倍。综上所述，实现了高效率倍频转换。
如图6所示，为本发明另一实施例提供的一种可多次往返聚焦的光参量转换LBO晶体的结构示意图；其中LBO晶体24是相位匹配角为θ＝90°、的光参量转换LBO晶体，θ角为基频光束的传输方向k(即波矢方向)与LBO晶体24的晶轴方向之间的夹角，角为基频光束的传输方向k在垂直于晶轴方向的投影与x轴之间的夹角。
波长为532nm的基频光束经外置的焦距为f＝150mm的柱面镜1和曲率半径为R1的柱面入射窗口501准直入射至曲率半径为R2的第一柱面内反射窗口502，第一柱面内反射窗口502使基频光束反射至曲率半径为R3的第二柱面内反射窗口503且在垂直方向上聚焦，水平方向仍为平行光，同时相位匹配方向与第一柱面内反射窗口502反射后的光束方向一致，且进行第一次非线性频率转换得到760nm信号光和1770nm闲频光。第一柱面内反射窗口502的曲率半径R2等于基频光束从第一柱面内反射窗口502反射到曲率半径为R3的第二柱面内反射窗口503的光程L，也等于柱面入射窗口501曲率半径R1，即R2＝L＝R1；第一次非线性频率转换后532nm泵浦光、760nm信号光和1770nm闲频光的混合光束经第二柱面内反射窗口503准直并反射到第一柱面内反射窗口502，则有R3＝R2＝R1＝L。第一柱面内反射窗口502再次对混合光束中的基频光束反射并进行第一柱面内反射窗口502上的第二次聚焦，即第一柱面内反射窗口502上实现的第二次聚焦并反射的基频光束平行于第一柱面内反射窗口502上的第一次聚焦并反射的基频光束，第一柱面内反射窗口502上的第二次聚焦并反射的基频光束进行第二次非线性频率转换，得到532nm泵浦光、760nm信号光和1770nm闲频光的混合光束；经第一柱面内反射窗口502反射的光束被内反射至第二柱面内反射窗口503上，经第二柱面内反射窗口503反射后，最终从曲率半径为R4的柱面出射窗口504出射，且柱面出射窗口504的曲率半径R4等于柱面入射窗口501的曲率半径R1，即R4＝R1＝R2＝R3＝L；出射的光束经分束器3分离，光收集器4用于收集532nm泵浦光和1770nm闲频光，功率计5用于测量光参量转换得到的760nm激光的功率。若第一次非线性频率转换时LBO晶体的光-光转换效率为x(0<x<1)；则n＝2时，总的光-光转换效率为x+(1-x)x＝2x-x2。在相同条件下，相对于仅单次通过单块相同长度LBO晶体时的光产量转换效应，光-光转换效率提高了(2x-x2)/x＝2-x倍。综上所述，实现了高效率光参量转换。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种非线性频率转换晶体，其特征在于，所述晶体包括入射窗口、第一柱面内反射窗口、第二柱面内反射窗口和出射窗口；
所述入射窗口和所述第二柱面内反射窗口位于所述晶体的第一端，所述第一柱面内反射窗口位于所述晶体的第二端，所述出射窗口位于所述第一端或所述第二端；
基频光束经所述入射窗口以预设角度斜入射至所述第一柱面内反射窗口上，所述预设角度为所述基频光束的传输方向与所述晶体的中心轴线之间的夹角；所述入射窗口用于保证入射至所述晶体内的基频光束为平行光束；所述第一柱面内反射窗口用于对入射至所述第一柱面内反射窗口上的光束进行反射，还用于对入射至所述第一柱面内反射窗口上的光束在垂直于入射平面的方向上进行聚焦；所述第二柱面内反射窗口用于对经所述第一柱面内反射窗口反射后的光束进行反射，经所述第二柱面内反射窗口反射后的光束再次入射至所述第一柱面内反射窗口上，如此往复，直至往返次数达到预设次数，所述晶体内传输的光束经所述出射窗口射出；
其中，所述晶体的相位匹配方向与经所述第一柱面内反射窗口反射后的光束的传输方向一致，以使经所述第一柱面内反射窗口反射后的光束在所述晶体内进行非线性频率转换。
2.根据权利要求1所述的晶体，其特征在于，所述预设次数由所述预设角度、所述晶体的长度、所述第一柱面内反射窗口的宽度、第二柱面内反射窗口的宽度确定。
3.根据权利要求1所述的晶体，其特征在于，所述第一柱面内反射窗口和所述第二柱面内反射窗口的曲率半径均等于所述第一柱面内反射窗口与所述第二柱面内反射窗口之间传输的光束的光程。
4.根据权利要求1所述的晶体，其特征在于，所述入射窗口为平面或者柱面；所述出射窗口为平面或者柱面。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的晶体，其特征在于，所述入射窗口上镀有所述基频光束的增透膜，所述出射窗口上镀有所述基频光束和非线性频率转换得到的光束的增透膜。
6.根据权利要求5所述的晶体，其特征在于，所述第一柱面内反射窗口和所述第二柱面内反射窗口上均镀有所述基频光束和非线性频率转换得到的光束的增反膜。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的晶体，其特征在于，所述基频光束为一束或多束。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的晶体，其特征在于，在所述晶体内进行的非线性频率转换的类型包括倍频、差频、和频或光参量转换。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的晶体，其特征在于，所述晶体的类型包括三硼酸锂晶体LBO、磷酸钛氧钾晶体KTP、偏硼酸钡晶体BBO或磷酸二氢钾KDP。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的晶体，其特征在于，所述入射窗口、所述第一柱面内反射窗口、所述第二柱面内反射窗口和所述出射窗口均进行抛光处理。
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