CN111948870A - 一种具有空气夹层的多程棱镜耦合器 - Google Patents
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Abstract
一种具有空气夹层的多程棱镜耦合器，包括沿光束照射方向依次设置的挖槽耦合棱镜、非线性变频晶体和散热金属片。非线性变频晶体呈平板状，挖槽耦合棱镜和散热金属片分别设置在非线性变频晶体相对的两个板面上。基频光耦合进挖槽耦合棱镜，并以相位匹配角在晶体中传播，基频光和进入晶体产生的谐波在晶体的相对的两个板面上多次来回反射后从棱镜耦合输出。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，成倍增加了非线性变频晶体的有效长度，散热金属片设置在非线性变频晶体的板面上，能有效减小棱镜与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
技术领域
本发明涉及非线性光学变频激光技术领域，尤其是涉及一种具有空气夹层的多程棱镜耦合器。
背景技术
深紫外激光的波长短，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。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(200nm以下)输出的非线性光学晶体。我国在该领域处于领先优势，发明了KBBF晶体及棱镜耦合技术，解决了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，并获得了中国、美国和日本专利授权(中国专利号ZL01115313.X；美国专利号US6,859,305B2；日本专利号4074124)。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，严重的z向层状生长特性限制了KBBF晶体的生长厚度，使它无法长厚，目前，KBBF族晶体最大厚度约为4mm，器件晶体厚度一般小于2.5mm。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激光倍频效率较低的问题，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内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，并且通过对耦合棱镜挖槽，使得光束能够在晶体中多次实现全反射，进而能够解决现有技术中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，本发明提供一种具有空气夹层的多程棱镜耦合器，包括沿光束照射方向依次设置的挖槽耦合棱镜、非线性变频晶体以及散热金属片，所述非线性变频晶体呈平板状，所述挖槽耦合棱镜和散热金属片分别与所述非线性变频晶体的两个板面贴合；所述挖槽耦合棱镜的槽，设置在与所述非线性变频晶体接触的所述挖槽耦合棱镜的表面上，所述槽用于容纳空气，以在所述槽的作用下，射入所述非线性变频晶体内的光束以相位匹配角传播，并在所述非线性变频晶体的两个板面间实现多程反射后并经所述挖槽耦合棱镜射出。
优选的，所述槽至少覆盖所述非线性变频晶体内光束的所有的反射点。
优选的，所述挖槽耦合棱镜由对深紫外光高透的材料制成；所述散热金属片由高热导率金属的材料制成；所述挖槽耦合棱镜的光束入射面以及与所述非线性变频晶体接触的所述挖槽耦合棱镜的面均为抛光面。
优选地，所述挖槽耦合棱镜为三角棱镜或者为梯形棱镜。当挖槽耦合棱镜为梯形棱镜时，可以设置从梯形棱镜的底部安装螺钉，以固定梯形棱镜，使得安装的压力可以垂直于晶体的厚度方向，受力更均匀。
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，挖槽耦合棱镜由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，所述散热金属片由铜、铝、金、或银中的一种制成。
优选地，所述挖槽耦合棱镜为直角棱镜，槽设置在直角棱镜的与直角相对的面上，可以在与非线性变频晶体接触面的中心挖槽。其中所述散热金属片设置在非线性变频晶体的一个板面上，能够实现大面积接触，使得散热效果更好。
优选地，射入到所述非线性变频晶体的光束为基频光，射入到所述非线性变频晶体内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上均发生全反射。
优选地，还包括用于固定所述挖槽耦合棱镜、非线性变频晶体以及散热金属片的固定架。
(三)有益效果
本发明实施例提供的一种具有空气夹层的多程棱镜耦合器，射入到非线性变频晶体内的光束以相位匹配角传播，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，因此利用全内反角，入射光在非线性变频晶体中形成多次反射，可以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。另外，非线性变频晶体为平板状，散热金属片设置在非线性变频晶体板面上使得非线性变频晶体与热导率较高的金属片大面积接触，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。挖槽耦合棱镜可以采用梯形棱镜，安装的压力可以垂直于晶体，受力更均匀。
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具有空气夹层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具有空气夹层的多程棱镜耦合器的剖面结构示意图；
图3为本发明的另一个较佳实施例的一种具有空气夹层的多程棱镜耦合器的剖面结构示意图；
图4为本发明的又一个较佳实施例的一种具有空气夹层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具有空气夹层的多程棱镜耦合器的剖面结构示意图。
如图1所示，该具有空气夹层的多程棱镜耦合器，包括沿光束照射方向依次设置的挖槽耦合棱镜101、倍频晶体102以及散热金属片103。
所述非线性变频晶体102呈平板状，所述挖槽耦合棱镜101和散热金属片103分别与所述非线性变频晶体的两个板面贴合。其中挖槽耦合棱镜101用于将射入其内的光束传播至非线性变频晶体102中。
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。其中非线性变频晶体也可以称作倍频晶体。
挖槽耦合棱镜101的槽，设置在与非线性变频晶体102接触的挖槽耦合棱镜101的表面上，槽用于容纳空气，以在槽的作用下，射入所述非线性变频晶体内的光束以相位匹配角传播，并在所述非线性变频晶体的两个侧面间实现多程反射后并经所述挖槽耦合棱镜射出。
需要说明的是，现有技术中，由于非线性晶体的厚度薄，光束在非线性晶体中通常是单程的光束，导致由于非线性晶体的有效长度短，导致深紫外激光的效率很低。
而本发明通过在挖槽耦合棱镜与非线性变频晶体102接触的表面挖槽，当基频光射入到非线性变频晶体内时，能够实现倍频，而对于深紫外光，相位匹配角大于全反射的临界角，因此当射入非线性变频晶体内的光束以相位匹配角传播时，能够使得从光密介质到光疏介质实现全反射，且当光束反射至位于槽上的非线性变频晶体的一面时，由于槽内是空气，所以光束会反射至非线性变频晶体的另一面，进而使得所述非线性变频晶体内的光束能在所述非线性变频晶体的两个板面间实现多程反射后输出。相比于现有技术，本发明实施例的耦合器，光束在非线性变频晶体中实现多程输出，提高了深紫外光的效率。
优选的，挖槽耦合棱镜的槽，至少覆盖与所述挖槽耦合棱镜接触的所述非线性变频晶体的面上的光束的所有的反射点。
可选的，挖槽耦合棱镜的槽的个数可以是一个，当挖槽耦合棱镜的槽的个数为一个时，一个槽覆盖与所述挖槽耦合棱镜接触的所述非线性变频晶体的面上的光束的所有的反射点，即一个槽为所有的反射点提供与空气接触的环境。
在一个可选实施例中，挖槽耦合棱镜的槽的个数为多个，多个槽和与所述挖槽耦合棱镜接触的所述非线性变频晶体的面上的光束的所反射点一一对应设置。即，一个槽为一个反射点提供与空气接触的环境。
在一个实施例中，所述挖槽耦合棱镜由可见光高透或紫外光高透的晶体制成；所述散热金属片由高热导率金属材料制成。
所述挖槽耦合棱镜101的光束入射面、所述非线性变频晶体102相对的两个板面以及所述挖槽耦合棱镜101与非线性变频晶体102的接触面均为抛光面。
优选的，所述挖槽耦合棱镜101的光束入射面、挖槽耦合棱镜101的光束出射面、所述非线性变频晶体102的两侧面以及所述挖槽耦合棱镜101与倍频晶体102的接触面以及金属片103与倍频晶体102的接触面均为抛光面。
在本实施例中，基频光经挖槽耦合棱镜101的光束入射面直射入挖槽耦合棱镜101，经挖槽耦合棱镜101与非线性变频晶体102的接触面射入非线性变频晶体102中，在非线性变频晶体102中以相位匹配角传播，在非线性变频晶体102的非线性作用下产生倍频光(也可以称作谐波)，基频光和倍频光在非线性变频晶体102的上表面和下表面都发生全反射，并经挖槽耦合棱镜101的光束出射面出射。
在本实施例中，散热金属片103设置在非线性变频晶体102的板面上，能够实现大面积的接触，有效提高散热效果，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，对于挖槽耦合棱镜，在需要供光线入射到非线性晶体的部位为实体结构，在需要供光线从非线性变频晶体中射出的部位也是实体结构，在与非线性变频晶体中的光需要全反射的挖槽耦合棱镜的部位处进行挖槽处理，所挖出的槽对应为空气夹层。即至少在与所述挖槽耦合棱镜接触的非线性变频晶体与的面上的实现全反射的挖槽耦合棱镜的部位处挖槽。
优选的，挖槽耦合棱镜与非线性晶体通过光胶方法结合在一起。
在一个可选实施例中，所述挖槽耦合棱镜可以为三角棱镜，也可以为梯形棱镜，其中梯形棱镜的下底面(面积最大的面)与非线性变频晶体接触，这样可以使得压力可以垂直于晶体，受力更均匀。
在一个可选实施例中，所述非线性变频晶体为KBBF、RBBF、NBBF(NaBe2BO3F2)、NSBBF(NaSr3Be3B3O9F4)、ABF(NH4B4O6F)晶体或ABBF(NH4Be2BO3F2)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。
在一个可选实施例中，所述挖槽耦合棱镜的由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，所述散热金属片的由铜、铝、金、或银中的一种制成。
在一个可选实施例中，所述耦合棱镜为直角棱镜，且该直角棱镜中与该直角相对的面为与非线性变频晶体接触的接触面，可以在与非线性变频晶体接触面的中心挖槽，所述散热金属片与非线性变频晶体大面积接触。
在一个可选实施例中，所述基频光和倍频光在非线性变频晶体的上表面和下表面都发生全反射。
在一个可选实施例中，上述具有空气夹层的多程棱镜耦合器，还包括用于固定所述挖槽耦合棱镜、倍频晶体以及散热金属片的固定架。
图2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具有空气夹层的多程棱镜耦合器。
如图2所示，该耦合器包括：挖槽耦合棱镜201、非线性变频晶体202和散热金属片203；挖槽耦合棱镜201采用高热导率的CaF2晶体棱镜，非线性变频晶体202采用平板状的KBBF晶体，散热金属片203采用紫铜片；挖槽耦合棱镜201和散热金属片203分别设置于非线性变频晶体202的两个板面；非线性变频晶体202的c轴晶向垂直于挖槽耦合棱镜与非线性变频晶体202的接触面；其中，挖槽耦合棱镜的光束入射面、所述倍频晶体的两侧面以及所述挖槽耦合棱镜与倍频晶体的接触面均为抛光面。
其中，在本实施例中，在与挖槽耦合棱镜接触的非线性变频晶体的表面上，共有2个反射点，可以在与非线性变频晶体与挖槽耦合棱镜接触的表面上设置挖出一个槽，该槽要覆盖这两个反射点，以使得这两个反射点能够与空气接触，进而使得该光束在射入到该反射点时，能够实现全反射。
对于提高177.3nm短波紫外激光倍频效率具有空气夹层的多程棱镜耦合器，基频光ω的波长为355nm，倍频光2ω波长为177.3nm，经计算，挖槽耦合棱镜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直射入挖槽耦合棱镜201，经挖槽耦合棱镜201与倍频晶体202的接触面进入非线性变频晶体202中，折射角β(相位匹配角)的角度为64.4度，在倍频晶体202中多次进行全反射，并经挖槽耦合棱镜201出射。
可以理解是，可以通过光的折射律方程来计算棱镜的α角和相位匹配角β的关系，这样能够实现基频光在三角棱镜的侧面以直角入射，并从三角棱镜的斜面以射入至非线性变频晶体中并以相位匹配角传播，从而在非线性变频晶体中实现全反射。
图3为本发明的另一个较佳实施例的一种具有空气夹层的多程棱镜耦合器示意图。
如图3所示，该实施例是在实施例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：用于供光束入射的挖槽耦合棱镜201只在入射光线的反射点处挖槽，由于挖槽的面积较少，相比于实施例1增加了挖槽耦合棱镜201与非线性变频晶体202的接触面积，为非线性变频晶体提供更好的支撑。
具体的，在本实施例中，与挖槽耦合棱镜接触的非线性变频晶体的板面上具有2个反射点，可以在与非线性变频晶体接触的挖槽耦合棱镜201的面上挖出2个槽，每个槽都用于覆盖一个反射点，每个槽为一个反射点提供与空气接触的环境，从而当光束射入到该反射点时，由于该反射点处与空气直接接触，光束能够反射回非线性变频晶体，从而实现全反射。
图4为本发明的又一个较佳实施例的一种具有空气夹层的多程棱镜耦合器的剖面结构示意图。
如图4所示，本实施例是在实施例1的基础上进行了进一步的改进，与实施例1的区别在于，本实施例中，挖槽耦合棱镜为梯形棱镜，该梯形棱镜的两个底面中面积大的底面与非线性变频晶体接触，且基频光从挖槽耦合棱镜的左侧面以90度夹角射入至挖槽耦合棱镜中。在本实施例中，位于挖槽耦合棱镜的底部的箭头表示的安装挖槽耦合棱镜时用到的螺钉的安装方向，在本实施例中，安装的压力可以垂直于晶体，受力更均匀。
本发明实施例提供的具有空气夹层的多程棱镜耦合器，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。
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 (10)
1.一种具有空气夹层的多程棱镜耦合器，其特征在于，包括沿光束照射方向依次设置的挖槽耦合棱镜、非线性变频晶体以及散热金属片；
所述非线性变频晶体呈平板状，所述挖槽耦合棱镜和所述散热金属片分别与所述非线性变频晶体相对的两个板面贴合；
所述挖槽耦合棱镜的槽，设置在与所述非线性变频晶体接触的所述挖槽耦合棱镜的表面上，所述槽用于容纳空气，以在所述槽的作用下，射入到所述非线性变频晶体内的光束以相位匹配角传播，并在所述非线性变频晶体的两个侧面间实现多程反射后并经所述挖槽耦合棱镜射出。
2.如权利要求1所述的具有空气夹层的多程棱镜耦合器，其特征在于，
所述槽至少覆盖与所述挖槽耦合棱镜接触的所述非线性变频晶体的面上的光束的所有的反射点。
3.根据权利要求1或2所述的具有空气夹层的多程棱镜耦合器，其特征在于，
所述挖槽耦合棱镜由对深紫外光高透材料制成；所述散热金属片由高热导率金属材料制成；
所述挖槽耦合棱镜的光束入射面与所述非线性变频晶体接触的所述挖槽耦合棱镜的面均为抛光面。
4.如权利要求1或2所述的具有空气夹层的多程棱镜耦合器，其特征在于，所述挖槽耦合棱镜为三角棱镜或梯形棱镜。
5.如权利要求1所述的具有空气夹层的多程棱镜耦合器，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。
6.如权利要求3所述的具有空气夹层的多程棱镜耦合器，其特征在于，所述挖槽耦合棱镜由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；
所述散热金属片的由铜、铝、金、或银中的一种制成。
7.根据权利要求3所述的具有空气夹层的多程棱镜耦合器，其特征在于，
所述挖槽耦合棱镜与非线性晶体通过光胶方法结合在一起。
8.如权利要求1或2所述的具有空气夹层的多程棱镜耦合器，其特征在于，所述挖槽耦合棱镜为直角棱镜，所述槽设置在所述直角棱镜的与直角相对的面上。
9.根据权利要求1所述的具有空气夹层的多程棱镜耦合器，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内的基频光以相位匹配角在所述非线性变频晶体中传播，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上均发生全反射。
10.如权利要求1-9任一项所述的具有空气夹层的多程棱镜耦合器，其特征在于，还包括用于固定所述挖槽耦合棱镜、所述非线性变频晶体和所述散热金属片的固定架。
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