CN111934184B - 一种利用全内反角的多程棱镜耦合器 - Google Patents

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Abstract

一种利用全内反角的多程棱镜耦合器，包括沿光束照射方向依次设置的第一耦合棱镜、非线性变频晶体以及第二耦合棱镜，非线性变频晶体呈平板状，所述第一耦合棱镜和第二耦合棱镜分别设置在非线性变频晶体相对的两个板面；非线性变频晶体，用于将射入到其内的光束以相位匹配角传播，在所述第一反射区和第二反射区之间沿光路实现多程全内反射后，经第一耦合棱镜或者第二耦合棱镜输出。本发明实施例提供的耦合器，利用全内反角使入射光线在非线性变频晶体中形成多次反射，成倍增加了倍频晶体有效长度，进而提高倍频光的转换效率和输出功率。

Description

一种利用全内反角的多程棱镜耦合器
技术领域
本发明涉及非线性光学变频激光技术领域，更具体涉及一种利用全内反角的多程棱镜耦合器。
背景技术
深紫外激光(200nm以下)的波长短，因而具有光子能量大的特点，这让深紫外激光在材料、物理、化学、生物、资环等众多领域得以大展身手。所以，为开发更短波段的激光领域，科研人员不断地寻求着新型深紫外非线性光学材料。KBBF(KBe2BO3F2，氟硼铍酸钾)和RBBF(氟硼铍酸铷，RbBe2BO3F2)是目前仅有的两种可以直接倍频实现深紫外激光输出的非线性光学晶体。为克服KBBF晶体由于层状结构特性、不能按相位匹配方向切割而进行谐波的难题，出现了棱镜耦合技术、光栅耦合技术等多种方法可使得KBBF在DUV/VUV波段的相位匹配得以满足。其中棱镜耦合技术还获得了美国、日本和中国专利，并在科研工作中得到了广泛的应用。KBBF－PCT(KBBF-棱镜耦合器件)技术是目前唯一可通过直接倍频有效产生深紫外激光的方法。应用该技术，我国研制成功了多种国际首创、精密化、实用化的深紫外全固态激光DUV－DPL。
然而，该KBBF晶体呈现出很明显的层状生长的性质，且沿z方向不易生长。因此，很难获得大厚度的KBBF晶体(～4mm)，激光倍频效率与非线性晶体的有效长度的平方成正比，而非线性晶体的生长厚度与非线性晶体的有效长度正相关，由于非线性晶体的生长厚度的限制导致深紫外激光的效率很低。现有技术中的耦合器件均存在倍频晶体有效长度较小的问题,使KBBF晶体的倍频输出功率很小，产业化发展大大受限。
因此，需要提供一种提高深紫外激光倍频器件效率的耦合器。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种耦合器，相比于现有技术，本发明实施例提供的耦合器，通过设置射入到非线性变频晶体的光束以相位匹配角传播，能够使得射入到晶体内的光束实现全反射，并且通过设置与非线性变频晶体内反射点对应的反射区与空气接触，使得光束能够在晶体中实现多程全反射，解决了激光倍频效率低的问题，提高了短波紫外或深紫外激光的倍频效率。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种利用全内反角的多程棱镜耦合器，包括沿光束照射方向依次设置的第一耦合棱镜、非线性变频晶体以及第二耦合棱镜，所述非线性晶体呈平板状，所述第一耦合棱镜和第二耦合棱镜分别与所述非线性变频晶体相对的两个板面贴合；与所述第一耦合棱镜接触的所述非线性变频晶体的板面上，设置有至少一个第一反射区；每个所述第一反射区用于与空气接触；与所述第二耦合棱镜接触的所述非线性变频晶体的板面上，设置有至少一个第二反射区；每个所述第二反射区用于与空气接触；所述非线性变频晶体，用于将射入到其内的光束以相位匹配角传播，在所述第一反射区和第二反射区之间沿光路实现多程全内反射后，经第一耦合棱镜输出。
优选的，与所述非线性变频晶体接触的所述第一耦合棱镜的面上设置有用于容纳空气的第一凹槽；与所述非线性变频晶体接触的所述第二耦合棱镜的面上设置有用于容纳空气的第二凹槽；所述第一凹槽，用于至少覆盖所有的第一反射区；所述第二凹槽，用于至少覆盖所有的第二反射区。
优选的，所述第一凹槽的个数为多个；多个所述第一凹槽和多个第一反射区一一对应，每个第一凹槽均用于为一个所述第一反射区提供空气，以使射入到所述第一反射区的光束沿光路传播方向反射；多个所述第二凹槽和多个第二反射区一一对应；每个第二凹槽为一个所述第二反射区提供空气，以使射入到所述第二反射区的光束沿光路传播方向反射。
优选的，所述第一耦合棱镜由对深紫外光高透材料制成；所述第二耦合棱镜由对深紫外光高透材料制成；所述第一耦合棱镜的光束入射面、所述非线性变频晶体的两个板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非线性变频晶体的接触面以及第二耦合棱镜与非线性变频晶体的接触面均为抛光面。
优选地，所述非线性变频晶体为KBBF、RBBF、NBBF、NSBBF、ABBF，ABF或CBF晶体中的一种。
优选地，所述第一耦合棱镜由SiO2晶体、Al2O3晶体、SiC晶体、LiF晶体、MgF2晶体、CdF2晶体、CaF2晶体或BaF2晶体中的一种制成。
优选地，所述第二耦合棱镜的由SiO2晶体、Al2O3晶体、SiC晶体、LiF晶体、MgF2晶体、CdF2晶体、CaF2晶体或BaF2晶体中的一种制成。
优选地，所述第一耦合棱镜为直角棱镜，所述第一凹槽设置在所述直角棱镜的与直角相对的面上，所述第二耦合棱镜为直角棱镜，所述第二凹槽设置在所述直角棱镜的与直角相对的面上。
优选地，射入到所述非线性变频晶体的光束为基频光，且射入到所述非线性变频晶体的基频光以相位匹配角传播，以使所述基频光和经过所述非线性变频晶体所产生的谐波在非线性变频晶体的相对的两个板面的第一反射区和第二反射区均发生全反射。
优选地，还包括用于固定所述第一挖槽耦合棱镜、倍频晶体以及第二挖槽耦合棱镜的固定架。
(三)有益效果
本发明实施例提供了一种利用全内反角的多程棱镜耦合器，光束以相位匹配角在非线性变频晶体内传播，实现倍频，而对于深紫外光，相位匹配角大于全反射的临界角，所以在晶体中会实现全内反射，因此，本发明利用全内反角，入射光在非线性变频晶体中形成多次反射，使得非线性变频晶体的有效长度成倍增加，有助于提高倍频光的转换效率和输出功率。而且可以设置基频光从第一耦合棱镜射入，并通过第二耦合棱镜输出，使得产生的深紫外激光与基频光的方向基本同向，未偏转大角度，便于使用。
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为本发明的一个较佳实施例的一种利用全内反角的多程棱镜耦合器的剖面结构示意图；
图2为本发明的另一个较佳实施例的一种利用全内反角的多程棱镜耦合器的剖面结构示意图；
图3为本发明的又一个较佳实施例的一种利用全内反角的多程棱镜耦合器的剖面结构示意图；
图4为本发明的再一个较佳实施例的一种利用全内反角的多程棱镜耦合器的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
图1为本发明的一个较佳实施例的一种利用全内反角的多程棱镜耦合器的剖面结构示意图。
如图1所示，该一种利用全内反角的多程棱镜耦合器，包括沿光束照射方向依次设置的第一耦合棱镜101、非线性变频晶体102及第二耦合棱镜103。其中非线性变频晶体也可以称作倍频晶体。
所述非线性变频晶体呈平板状，所述第一耦合棱镜和第二耦合棱镜分别与所述非线性晶体的两个板面贴合。
可以理解的是，本实施例中非线性变频晶体的两个板面是指垂直于非线性变频晶体102的厚度方向的两个面，即面积最大的面。
其中，在本实施例中，光束从第一耦合棱镜的侧面射入到棱镜中，并从第一耦合棱镜101的另一侧面射入到非线性变频晶体中。
其中，与所述第一耦合棱镜接触的所述非线性变频晶体的板面上，设置有至少一个第一反射区102A；每个所述第一反射区102A用于与空气接触。
在如图1所示的实施例中，非线性变频晶体102与第一耦合棱镜接触的表面包括第一反射区102A和第一非反射区，该第一非反射区与第一耦合棱镜101的一板面贴合，在本实施例中光束从第一非反射区射入到非线性变频晶体102中。
其中，与所述第二耦合棱镜接触的所述非线性变频晶体的板面上，设置有至少一个第二反射区102B；每个所述第二反射区102B用于与空气接触。
在如图1所示的实施例中，非线性变频晶体102与第二耦合棱镜接触的表面包括第二反射区102B和第二非反射区，该第二非反射区与第二耦合棱镜101的另一板面贴合，在本实施例中，光束从第二非反射区射入第二耦合棱镜103，并从第二耦合棱镜103的一个面射出。
所述非线性变频晶体，用于将以射入到其内的光束以相位匹配角传播，在所述第一反射区和第二反射区之间沿光路实现多程全内反射后，经第一耦合棱镜。
需要说明的是，现有技术中，由于非线性晶体的厚度比较薄，通常光束在非线性晶体中通常是单程的光束，导致非线性晶体的有效长度短，导致深紫外激光的效率很低。
而本发明通过设置入射到非线性变频晶体中的光束以相位匹配角传播，实现倍频，而在非线性变频晶体设置反射区直接与空气接触，对于深紫外光，相位匹配角会大于全反射临界角，能够使得从光密介质到光疏介质实现全反射，增加非线性变频晶体的有限长度，提高倍频效率。
其中，所述第一耦合棱镜由对深紫外光高透材料制成；所述第二耦合棱镜由对深紫外光高透材料制成。
所述第一耦合棱镜的光束入射面、所述非线性变频晶体的两个板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非线性变频晶体的接触面以及第二耦合棱镜与非线性变频晶体的接触面均为抛光面。
在本实施例中，基频光经第一耦合棱镜101的光束入射面(本实施例中为第一耦合棱镜101的侧面)直射入第一耦合棱镜101中，经第一耦合棱镜101与非线性变频晶体102的接触面(第一非反射区)进入非线性变频晶体102中，在非线性变频晶体102的非线性作用下产生倍频光，基频光和倍频光(也可称作谐波)在非线性变频晶体的上表面和下表面都发生全反射，并经第二耦合棱镜103的光束出射面(本实施例中为第二耦合棱镜的侧面)出射，产生的深紫外激光与基频光基本同向，未偏转大角度。
可以理解的是，第一反射区至少要覆盖在与第一耦合棱镜贴合的非线性变频晶体板面上的所有的反射点。第二反射区至少要覆盖在与第二耦合棱镜贴合的非线性变频晶体板面上的所有的反射点。
在一个可选实施例中，所述非线性变频晶体为KBBF、RBBF、NBBF、NSBBF、ABBF，ABF和CBF晶体中的一种。
在一个可选实施例中，所述第一挖槽耦合棱镜的由SiO2晶体、Al2O3晶体、SiC晶体、LiF晶体、MgF2晶体、CdF2晶体、CaF2晶体或BaF2晶体中的一种制成。
在一个可选实施例中，所述第二耦合棱镜由SiO2晶体、Al2O3晶体、SiC晶体、LiF晶体、MgF2晶体、CdF2晶体、CaF2晶体或BaF2晶体中的一种制成。
在一个可选实施例中，所述第一耦合棱镜为直角棱镜，与直角相对的面和非线性变频晶体贴合。第二耦合棱镜为直角棱镜，与直角相对的面和非线性变频晶体贴合。
在一个可选实施例中，射入到所述非线性变频晶体的光束为基频光，且所述基频光射入到所述非线性变频晶体中以相位匹配角传播，以使所述基频光和经过所述非线性变频晶体所产生的谐波在非线性变频晶体的相对的两个板面的第一反射区和第二反射区均发生全反射。
在一个可选实施例中，上述耦合器还包括用于固定所述第一耦合棱镜、非线性变频晶体以及第二耦合棱镜的固定架。
在本实施例中，设置第一耦合棱镜101作为入射棱镜，设置第二耦合棱镜103作为出射棱镜，只在入射光线和出射光线处与非线性变频晶体的板面贴合，并且非线性变频晶体没有与第一耦合棱镜、第二耦合棱镜贴合的表面均为反射区，这样能够使得耦合器结构更加紧凑小巧，不需要在棱镜挖槽，也能使得基频光实现多程反射，提高倍频效率。
图2为本发明的另一个较佳实施例的一种利用全内反角的多程棱镜耦合器的剖面结构示意图。
如图2所示，本实施例中，通过对第一耦合棱镜101和第二耦合棱镜102分别挖槽，以实现非线性变频晶体的反射区与空气接触。
具体地，与所述非线性变频晶体102接触的所述第一耦合棱镜101的面上设置有用于容纳空气的第一凹槽101A，其中，第一凹槽101A用于至少覆盖所有的第一反射区。
与所述非线性变频晶体102接触的所述第二耦合棱镜103的面上设置有用于容纳空气的第二凹槽103A；所述第二凹槽103A，用于至少覆盖所有的第二反射区。
在本实施例中，第一反射区的个数为1个，第二反射区的个数为1个。
可以理解的是，在本实施例中，第一反射区为1个，所以该第一反射区至少要覆盖在与第一耦合棱镜贴合的非线性变频晶体板面上的所有的反射点。第二反射区也至少要覆盖在与第二耦合棱镜贴合的非线性变频晶体板面上的所有的反射点。
其中第一耦合棱镜与非线性变频晶体接触的表面上，除了第一反射区之外的区域均为非反射区，非反射区能够供光束射入或射出。第二耦合棱镜与非线性变频晶体接触的表面上，除了第二反射区之外的区域均为非反射区，该非反射区也能供光束的射入或射出。
可选的，第一耦合棱镜为直角棱镜，与直角相对的面和非线性变频晶体，可以在与非线性变频晶体接触的面的中心处挖槽。
可选的，第二耦合棱镜也为直角棱镜，与直角相对的面和非线性变频晶体，可以在与非线性变频晶体接触的面的中心处挖槽。
图3所示为本实施例提供的一种提高177.3nm短波紫外激光倍频效率利用全内反角的多程棱镜耦合器。
如图3所示，耦合器包括：第一耦合棱镜101、非线性变频晶体102和第二耦合棱镜103；第一耦合棱镜101采用高热导率的CaF2晶体，非线性变频晶体102采用平板状KBBF晶体，第二耦合棱镜103采用CaF2晶体；第一耦合棱镜101和第二耦合棱镜103分别设置于非线性变频晶体102的两侧面；非线性变频晶体102的c轴晶向垂直于第一耦合棱镜与非线性变频晶体102的接触面，当然非线性变频晶体102的c轴晶向也垂直于第二耦合棱镜与非线性变频晶体102的接触面。
其中，第一耦合棱镜101的光束入射面、所述非线性变频晶体102的两个板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与非线性变频晶体102的接触面以及第二耦合棱镜103与非线性变频晶体102的接触面均为抛光面。
对于提高177.3nm短波紫外激光倍频效率利用全内反角的多程棱镜耦合器，基频光ω的波长为355nm，倍频光2ω波长为177.3nm，经计算，第一耦合棱镜201的α的角度优选为68.6度。α角度为挖槽耦合棱镜的基频光的入射面和挖槽耦合棱镜与非线性变频晶体202的接触面的夹角。
基频光ω直射入第一挖槽耦合棱镜101，经第一耦合棱镜101与倍频晶体102的交界面进入非线性变频晶体102中，折射角β(相位匹配角)的角度为64.4度，在非线性变频晶体102中多次进行全反射，并经第二耦合棱镜13出射，第二耦合棱镜103的γ的角度优选为68.6度，产生的177.3nm短波紫外激光与基频光基本同向，未偏转大角度。
可以理解的是，可以通过折射率定律来计算棱镜的α角和相位匹配角β的关系，这样能够实现基频光垂直入射进入第一耦合棱镜，并从第一耦合棱镜的斜面射入至非线性变频晶体中，以使在非线性变频晶体中的光束以相位匹配角传播，从而实现倍频。
在本实施例中，第一反射区上包括2个反射点，第二反射区上也包括2个反射点，可以理解的是，如果设置第二凹槽的面积能够覆盖3个反射点，可以设置第二反射区有3个反射点，此时，产生的紫外光和基频光就会从第一耦合棱镜103中射出，此时基频光入射方向与基频光出射方向就会产生较大的角度偏转。
图4为本发明的另一个较佳实施例的一种利用全内反角的多程棱镜耦合器示意图。
图4所示的实施例是在实施例1的基础上进行了进一步的改进，其与实施例1的区别在于：用于供基频光入射的第一耦合棱镜101和用于供基频光和紫外光出射的第二耦合棱镜103中，只在入射光线在非线性变频晶体102的各个反射点处挖槽。本实施例中增加了第一耦合棱镜101与非线性变频晶体102的接触面积以及第二耦合棱镜103与非线性变频晶体102的接触面积，能够为非线性变频晶体提供更好的支撑。
具体地，在本实施例中，非线性变频晶体与第一耦合棱镜接触的表面上设置有多个第一反射区，每个第一反射区用于覆盖一个反射点。该反射点为光线在非线性变频晶体102与第一耦合棱镜101的接触面上的反射点。
非线性变频晶体与第一耦合棱镜接触的表面上设置有多个第二反射区，每个第二反射区用于覆盖一个反射点。该反射点为光线在非线性变频晶体102与第二耦合棱镜102的接触面上的反射点。其中，在图4所示的实施例中，第一反射区的个数为2个，第二反射区的个数也为2个。
可以在与非线性变频晶体接触的第一耦合棱镜的表面上相对应第一反射区的位置设置第一凹槽101A，在与非线性变频晶体接触的第二耦合棱镜的表面上相对应的第二反射区的位置设置第二凹槽103A，其中，第一凹槽101A和第二凹槽103A均中容纳的是空气，这样能够使得第一反射区直接与空气接触，以使得射入到第一反射区的光束能够反射至第二耦合棱镜的第二反射区或者直接从第二耦合棱镜没有与空气接触的位置射出。
本发明实施例提供的耦合器，结构简单、紧凑，成本低，能够充分增加基频光和谐波在非线性光学晶体中的折叠次数，提高变频效率，另外，产生的深紫外激光与基频光基本同向，未偏转大角度。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种利用全内反角的多程棱镜耦合器，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、非线性变频晶体以及第二耦合棱镜；
所述非线性变频晶体呈平板状，所述第一耦合棱镜和第二耦合棱镜分别与所述非线性变频晶体的相对的两个板面贴合；
与所述第一耦合棱镜接触的所述非线性变频晶体的板面上，设置有至少一个第一反射区；每个所述第一反射区用于与空气接触；
与所述第二耦合棱镜接触的所述非线性变频晶体的板面上，设置有至少一个第二反射区；每个所述第二反射区用于与空气接触；
所述非线性变频晶体，用于将射入到其内的光束，以相位匹配角传播，并在所述第一反射区和第二反射区之间沿光路实现多程全内反射后，经第二耦合棱镜输出；
与所述非线性变频晶体接触的所述第一耦合棱镜的面上设置有用于容纳空气的第一凹槽；
与所述非线性变频晶体接触的所述第二耦合棱镜的面上设置有用于容纳空气的第二凹槽；
所述第一凹槽，用于至少覆盖所有的第一反射区；
所述第二凹槽，用于至少覆盖所有的第二反射区。
2.根据权利要求1所述的利用全内反角的多程棱镜耦合器，其特征在于，
所述第一凹槽的个数为多个；
多个所述第一凹槽和多个第一反射区一一对应，每个第一凹槽均用于为一个所述第一反射区提供空气，以使射入到所述第一反射区的光束沿光路传播方向反射；
多个所述第二凹槽和多个第二反射区一一对应；每个第二凹槽为一个所述第二反射区提供空气，以使射入到所述第二反射区的光束沿光路传播方向反射。
3.根据权利要求1或2所述的利用全内反角的多程棱镜耦合器，其特征在于，
其中，所述第一耦合棱镜由对深紫外光高透材料制成；所述第二耦合棱镜由对深紫外光高透材料制成；
所述第一耦合棱镜的光束入射面、所述非线性变频晶体的两个板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非线性变频晶体的接触面以及第二耦合棱镜与非线性变频晶体的接触面均为抛光面。
4.如权利要求1-3任一项所述的利用全内反角的多程棱镜耦合器，其特征在于，所述非线性变频晶体为KBBF、RBBF、NBBF、NSBBF、ABBF，ABF或CBF晶体中的一种。
5.如权利要求1-3任一项所述的利用全内反角的多程棱镜耦合器，其特征在于，所述第一耦合棱镜由SiO2晶体、Al2O3晶体、SiC晶体、LiF晶体、MgF2晶体、CdF2晶体、CaF2晶体或BaF2晶体中的一种制成。
6.如权利要求1-3任一项所述的利用全内反角的多程棱镜耦合器，其特征在于；
所述第二耦合棱镜由SiO2晶体、Al2O3晶体、SiC晶体、LiF晶体、MgF2晶体、CdF2晶体、CaF2晶体或BaF2晶体中的一种制成。
7.如权利要求1或2所述的利用全内反角的多程棱镜耦合器，其特征在于，所述第一耦合棱镜为直角棱镜，所述第一凹槽设置在所述直角棱镜的与直角相对的面上；
所述第二耦合棱镜为直角棱镜，所述第二凹槽设置在所述直角棱镜的与直角相对的面上。
8.根据权利要求1或2所述的利用全内反角的多程棱镜耦合器，其特征在于，射入到所述非线性变频晶体的光束为基频光，且射入到所述非线性变频晶体的基频光以相位匹配角传播，以使所述基频光和经过所述非线性变频晶体所产生的谐波在非线性变频晶体的相对的两个板面的第一反射区和第二反射区均发生全反射。
9.如权利要求8所述的利用全内反角的多程棱镜耦合器，其特征在于，还包括用于固定所述第一耦合棱镜、非线性变频晶体以及第二耦合棱镜的固定架。
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