CN1200493C

CN1200493C - 特殊切角的硼酸铋变频晶体器件

Info

Publication number: CN1200493C
Application number: CN 03111834
Authority: CN
Inventors: 王正平; 王继扬; 滕冰; 董胜明; 许心光; 邵宗书; 翟仲军; 杜晨林
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2023-01-28
Also published as: CN1431741A

Abstract

本发明属于光电子技术领域。本发明的主要内容就是对于倍频，当入射光波长为780nm～1180nm时，硼酸铋晶体器件的切角范围是θ＝149.5°±5°～175°±5°，φ＝90°±5°。对于和频，当入射光波长为1064nm，532nm时，晶体切角范围是θ＝137.7°±5°，φ＝130°±5°，或θ＝146.4°±5°，φ＝90°±5°。它解决了现有技术无法确定BIBO晶体器件最佳切向的问题。本发明具有变频转换效率高、能耗低等优点。

Description

特殊切角的硼酸铋变频晶体器件

技术领域

本发明涉及一种特殊切角的硼酸铋[BiB₃O₆，简称BIBO]晶体激光变频器件，属于光电子技术领域。

背景技术

BIBO晶体是一种新型的非线性光学晶体，虽然早在1962年就已有BIBO晶相的报道，但是直到1999年才有可用于光学性质测试的BIBO单晶出现。BIBO晶体具有易生长、不潮解、物化性能稳定、光损伤阈值高、透过波段宽、相位匹配范围大等特点，典型晶体的尺寸已可达到25mm×20mm×35mm，重量达50g。而且，BIBO的有效非线性光学系数(d_eff)较大，高于KTP(磷酸钛氧钾)，BBO(偏硼酸钡)，LBO(三硼酸锂)等晶体。BIBO能对1340nm，1064nm，946nm，808nm等波长的激光进行有效倍频产生红、绿、蓝等多种可见激光，并且可以实现1064nm与532nm的和频，产生355nm的紫外光。在倍频绿光的产生方面，BIBO的性能可与目前应用比较普遍的KTP相媲美。在倍频蓝光及变频紫外光的产生方面，BIBO则要优于KTP:KTP仅能实现I类相位匹配，与之相应的d_eff较小且输出光靠近其紫外透过截止边(350nm)，所以实用中基本不用；BIBO在这些波段两类相位匹配都可以实现，因此可采用d_eff较大的I类相位匹配方式，且不存在吸收问题(紫外透过截止边位于270nm)，也不存在像BBO，LBO那样的潮解问题。上述优点表明，利用BIBO晶体可制作出高效的变频光学器件，尤其是在蓝光以及近紫外光的产生方面优势明显。但对于BIBO变频光学器件的开发，目前存在两个问题：第一个问题就是最佳相位匹配方向的理论计算。BIBO属单斜晶系，点群2，是目前所有实用的非线性光学晶体中对称性最低的晶体。BIBO的相位匹配方向具有mmm空间对称性(m分别垂直于晶体的折射率主轴X，Y，Z)。因此，只要考虑空间一个卦限，例如第一卦限(90°≥θ≥0°，90°≥φ≥0°)中的相位匹配方向，就可按mmm对称性求得空间所有切角器件方向。对称性理论还确定BIBO晶体的d_eff应具有2/m(m⊥X)空间对称性。因此，在空间第一卦限(90°≥θ≥0°，90°≥φ≥0°)和第六卦限(180°≥θ≥90°，180°≥φ≥90°)中，d_eff值是独立的。只要确定了这两个卦限的d_eff值，就可以通过对称性2/m求出空间所有相位匹配方向的d_eff值，亦即只要在第一、六卦限找出d_eff最大值方向(最佳相位匹配方向)，就可以求出空间全部最佳相位匹配方向。受晶体点群对称性的影响，BIBO非零的二阶非线性光学系数多达8个，德国科学家的测定值为d₂₂₂＝2.53，d₂₁₁＝2.3，d₂₃₃＝-1.3，d₂₃₁＝2.3，d₁₁₂＝2.8，d₃₃₂＝-1.9，d₃₁₂＝2.4，d₁₃₂＝2.4。在此基础上，对d_eff空间分布的计算非常复杂，原因有二：①上述非线性光学系数不是在常用的折射率主轴坐标系中测量的，因此计算d_eff时需要坐标旋转；②现有的多数计算程序是针对对称性较高的晶体设计的，即只考虑第一卦限的情况，而对BIBO而言最佳相位匹配方向的完全确定需要两个卦限。因此，虽然测定上述非线性光学系数的德国科学家也曾预见到BIBO的最佳倍频方向可能位于折射率主平面内，但一直未能指出确定切向。第二个问题就是变频器件的实际加工。加工过程中，空间切向的唯一确定至少需要三个参考面。由于目前实用的多数非线性光学晶体对称性较高，所以加工中不需要区分卦限，仅需两个参考面。BIBO是极少数的、对称性最低的非线性光学晶体之一，不同卦限内的非线性光学性质差异很大，因此加工中必须区分卦限，参考面不能少于三个。这样，与其它晶体相比，BIBO变频器件的加工更为复杂。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述两个难点问题，本发明通过理论计算和实验测定，找出用BIBO晶体制作激光变频器件时的最佳切角方向，使得按本发明特殊切角制作的BIBO晶体激光变频器件具有比现有技术更高的变频转换效率，充分发挥BIBO晶体的变频特性。

本发明是由如下技术方案实现的：

本发明的主要内容是通过理论计算和实验测定找出了BIBO晶体作为变频器件的最佳切角方向，也就是对于硼酸铋晶体器件，倍频情况下，在入射光波长为780nm～1180nm时切角范围是：θ＝149.5°±5°～175°±5°，φ＝90°±5°。对于硼酸铋晶体器件，和频情况下，在入射光波长为1064nm，532nm时所述切角范围是：θ＝137.7°±5°，φ＝130°±5°，或θ＝146.4°±5°，φ＝90°±5°。

硼酸铋晶体在入射光波长为780nm时切角为θ＝149.5°±5°，φ＝90°±5°。

硼酸铋晶体在入射光波长为808nm时切角为θ＝151.9°±5°，φ＝90°±5°。

硼酸铋晶体在入射光波长为914nm时切角为θ＝159.7°±5°，φ＝90°±5°。

硼酸铋晶体在入射光波长为946nm时切角为θ＝161.7°±5°，φ＝90°±5°。

硼酸铋晶体在入射光波长为1053nm时切角为θ＝168.2°±5°，φ＝90°±5°。

硼酸铋晶体在入射光波长为1064nm时切角为θ＝168.9°±5°，φ＝90°±5°。

硼酸铋晶体在入射光波长为1180nm时切角为θ＝175°±5°，φ＝90°±5°。

根据BIBO晶体的折射率色散方程，可以计算出不同波长处的相位匹配曲线(包括I类和II类)。图1是BIBO晶体对1064nm激光的计算结果，实线表示I类相位匹配，虚线表示II类相位匹配。图中绘制了第一卦限(90°≥θ≥0°，90°≥φ≥0°)和第六卦限(180°≥θ≥90°，180°≥φ≥90°)的情况。按照传统习惯，在本发明中我们以极坐标(θ，φ)来表示任一空间方向K，其中θ为K与Z轴的夹角，φ为K在XY平面上的投影与X轴的夹角，这里X、Y、Z分别为BIBO晶体的折射率主轴，遵循n_X＜n_Y＜n_Z原则。

将BIBO晶体的相位匹配曲线与非线性光学系数相结合，并且考虑到不同坐标系之间的坐标变换，编制计算机程序，得到d_eff在第一、第六两个卦限的空间分布。图2是BIBO晶体对1064nm激光d_eff的计算结果。由图2可知最大的d_eff出现在第六卦限的φ＝90°方向上，结合图1可以确定BIBO晶体制作1064nm激光倍频器的最佳切角为θ＝168.9°，φ＝90°。

图3是BIBO晶体对1064nm与532nm激光和频的相位匹配曲线，产生355nm的紫外光。图4是相应的d_eff空间分布曲线。由图4可知最大的d_eff出现在第六卦限的φ＝130°方向上，结合图3可以确定BIBO晶体制作1064nm与532nm激光和频器件的最佳切角为θ＝137.7°，φ＝130°。与产生可见光的激光变频相比，产生紫外光的激光变频容限角明显减小，走离角明显增大，这些特性不利于变频效率的提高。因此，对于产生紫外光的激光变频，还应考虑容限角、走离角的影响。由图4可知，第六卦限φ＝90°的d_eff与φ＝130°的d_eff相差不大，而前者比后者有更大的容限角和更小的走离角，因而也是较佳的相位匹配方向，结合图3可知相应的切角为θ＝146.4°，φ＝90°。

对于BIBO晶体，其它各波长激光倍频器的最佳切角均根据上述原理获得。

BIBO晶体的折射率主轴(X，Y，Z)与结晶学主轴(a，b，c)不完全一致。通过实验确定出如下关系：X//b，(Y，c)＝47.2°，(Z，a)＝31.6°，如图5所示。

BIBO原生晶体的显露面有(001)、(111)、(110)、(111)等，这些面可以利用X射线衍射法加以确定。通过这些显露面之间的方位关系可以初步判定a、b、c轴的方向。利用(001)面垂直于(010)面、(111)面与(010)面成129°、(111)面与(010)面成51.7°这几个关系，加工出(010)面，也就定出了b轴(X轴)。根据(010)面垂直于(001)面、(010)面垂直于(100)面、(001)面与(100)面成105.6°，在已知(010)面和(001)面的情况下可以加工出(100)面。利用(001)面与Y轴成148.4°、(001)面与Z轴成58.4°、(100)面与Z轴成132.8°，确定出折射率主轴Y和Z。下面就可以按照需要的相位匹配方向加工晶体。整个加工过程与其它对称性较高的晶体相比复杂了许多。

用钛宝石可调谐激光器进行946nm倍频实验。激光器的输出波长固定于946nm，光束在进入晶体之前用一f＝15cm的透镜聚焦。由附表可知，对于具有相同长度的样品1、2、3，d_eff的计算值越大，相应方向倍频转换效率的实测值就越高。理论计算与实验完全相符，验证了本发明的结论，即(161.7°，90°)是946nm的最佳倍频方向。对于低对称性的BIBO晶体，现有技术未考虑d_eff在不同卦限的各向异性，习惯性地选择第一卦限的相位匹配方向加工晶体，即(18.3°，90°)。本发明证实，加工中必须对第一、第六两个卦限加以区分。946nm的最佳倍频方向位于第六卦限的(161.7°，90°)方向，而不是现有技术所用的第一卦限的(18.3°，90°)方向，前者的倍频转换效率比后者高1.4倍。

用Nd:YAG声光锁模激光器进行1064nm倍频实验。首先加工了一块沿折射率主轴方向切割的BIBO晶体，X×Y×Z的尺寸为8.8mm×9.6mm×9.1mm，六面抛光。利用可在整个空间内四维转动的费多洛夫转台，将晶体调整到不同的相位匹配方向，观测532nm倍频输出信号的强弱。结果发现当1064nm激光沿晶体的YZ主平面入射时，倍频输出信号显著强于其它情况，由此可以判定1064nm的最佳倍频方向位于YZ主平面内(φ＝90°)。沿YZ主平面内的相位匹配方向，进一步加工了两块BIBO样品，一块切向为(11.1°，90°)，长度4.7mm，另一块切向为(168.9°，90°)，长度2.4mm。由附表可知，样品4的长度虽然是样品5的近两倍，但倍频转换效率仍低于样品5，这是因为样品4的d_eff小于样品5。理论计算与实验相符，验证了本发明的结论，即1064nm的最佳倍频方向位于第六卦限的(168.9°，90°)，而不是现有技术所用的第一卦限的(11.1°，90°)方向，在前者长度是后者长度一半的情况下，前者的的倍频转换效率仍比后者提高了1.17倍。

用Nd:YAG声光锁模激光器进行1064nm与532nm和频实验。由激光器出射的1064nm激光先经KTP晶体(II类切割，θ＝90°，φ＝23.6°)倍频，产生的532nm激光与剩余的1064nm激光通过BIBO晶体和频，产生355nm的紫外光。由附表可知，对于具有相同长度的样品6、7，样品7的和频转换效率远高于样品6，这是因为样品7的d_eff远大于样品6。理论计算与实验相符，验证了本发明的结论，即1064nm与532nm的最佳和频方向之一是第六卦限的(146.4°，90°)，而不是现有技术所用的第一卦限的(33.6°，90°)方向，前者的的和频转换效率比后者提高了8.6倍。

由上述实验可见，本发明所确定的BIBO晶体激光变频器件的特殊切角，比现有技术具有更高的变频转换效率，因此，能耗降低，充分开发了BIBO晶体的性能，有利于BIBO晶体的开发应用。按照本发明所确定的特殊切角加工晶体，2.4mm长的晶体可以获得高达67.7％的倍频转换效率，3.5mm长的晶体可以获得高达39.5％的和频转换效率，比现有技术的转换效率最大提高了8.6倍。

BIBO晶体变频器件转换效率的实测值和有效非线性光学系数d_eff的计算值，见下表。

样品序号变频种类方向(θ，φ) 晶体长度(mm) 转换效率(％) d_eff(pm/V)

1 946nm倍频 18.3°，90° 5 3.6 1.71

2 946nm倍频 161.7°，90° 5 5.2 3.42

3 946nm倍频 44.1°，0° 5 3.2 1.62

4 1064nm倍频 11.1°，90° 4.7 58.1 2.24

5 1064nm倍频 168.9°，90° 2.4 67.7 3.32

6 1064nm与532nm和频 33.6°，90° 3.5 4.6 0.31

7 1064nm与532nm和频 146.4°，90° 3.5 39.5 3.16

附图说明

图1是BIBO晶体对1064nm激光的倍频相位匹配曲线。图中实线1表示I类相位匹配，虚线2表示II类相位匹配。

图2是BIBO晶体对1064nm激光倍频d_eff的空间分布。图中实线3表示I类相位匹配，虚线4表示II类相位匹配。

图3是BIBO晶体1064nm与532nm激光和频的相位匹配曲线。图中实线5表示I类相位匹配，虚线6表示II类相位匹配。

图4是BIBO晶体1064nm与532nm激光和频d_eff的空间分布。图中实线7表示I类相位匹配，虚线8表示II类相位匹配。

图5是BIBO晶体的定向图。

图6是BIBO晶体直接倍频示意图。图中9为BIBO晶体倍频器件。

图7是BIBO晶体聚焦光束倍频示意图。图中10为BIBO晶体倍频器件，11，12为透镜。

图8是BIBO晶体非偏振激光倍频示意图。图中13为BIBO晶体倍频器件，14，15为透镜，16为起偏器。

图9是BIBO晶体直接和频示意图。图中17为BIBO晶体和频器件。

具体实施方式

实施例1

BIBO晶体直接倍频器件，其示意图如图6所示。垂直入射到BIBO晶体9上的基频光是由电光调Q纳秒Nd:YAG激光器输出的1064nm偏振光。BIBO晶体9的切割方向是θ＝168.9°±5°，φ＝90°±5°。出射倍频光为532nm，它的偏振方向垂直于入射基频光的偏振方向。

实施例2

BIBO晶体聚焦光束倍频器件，其示意图如图7所示。垂直入射到BIBO晶体10上的基频光是由电光调Q纳秒Nd:YAG激光器输出的1064nm偏振光，经过聚焦透镜11入射到BIBO晶体10上。BIBO晶体10的切割方向是θ＝168.9°±5°，φ＝90°±5°。出射倍频光为532nm，它的偏振方向垂直于入射基频光的偏振方向。532nm绿光经过准直透镜12准直输出。

实施例3

BIBO晶体非偏振激光倍频器件，其示意图如图8所示。垂直入射到BIBO晶体13上的基频光是由声光锁模Nd:YAG激光器输出的1064nm激光，由于激光器本身输出非偏振光，因此由偏振器16对1064nm激光起偏，产生偏振光，然后经过聚焦透镜14入射到BIBO晶体13上。BIBO晶体13的切割方向是θ＝168.9°±5°，φ＝90°±5°。出射倍频光为532nm，它的偏振方向垂直于入射基频光的偏振方向。532nm绿光经过准直透镜15准直输出。

实施例4

BIBO晶体直接和频器件，其示意图如图9所示。垂直入射到BIBO晶体17上的基频光是由电光调Q纳秒Nd:YAG激光器输出的1064nm偏振光，以及经过倍频所产生的532nm偏振光，两者具有相同的偏振方向。BIBO晶体17的切割方向是θ＝137.7°±5°，φ＝130°±5°。出射和频光为355nm，它的偏振方向垂直于入射光的偏振方向。

Claims

1.一种硼酸铋晶体器件，其特征在于晶体器件是以特定切角方向加工而成的，对于倍频，在入射光波长为780nm～1180nm时，晶体切角范围是：θ＝149.5°±5°～175°±5°，φ＝90°±5°；对于和频，在入射光波长为1064nm，532nm时，晶体切角范围是：θ＝137.7°±5°，φ＝130°±5°，或θ＝146.4°±5°，φ＝90°±5°。

2.根据权利要求1所述的硼酸铋晶体器件，其特征在于在入射光波长为780nm时，晶体切角为θ＝149.5°±5°，φ＝90°±5°。

3.根据权利要求1所述的硼酸铋晶体器件，其特征在于在入射光波长为808nm时，晶体切角为θ＝151.9°±5°，φ＝90°±5°。

4.根据权利要求1所述的硼酸铋晶体器件，其特征在于在入射光波长为914nm时，晶体切角为θ＝159.7°±5°，φ＝90°±5°。

5.根据权利要求1所述的硼酸铋晶体器件，其特征在于在入射光波长为946nm时，晶体切角为θ＝161.7°±5°，φ＝90°±5°。

6.根据权利要求1所述的硼酸铋晶体器件，其特征在于在入射光波长为1053nm时，晶体切角为θ＝168.2°±5°，φ＝90°±5°。

7.根据权利要求1所述的硼酸铋晶体器件，其特征在于在入射光波长为1064nm时，晶体切角为θ＝168.9°±5°，φ＝90°±5°。

8.根据权利要求1所述的硼酸铋晶体器件，其特征在于在入射光波长为1180nm时，晶体切角为θ＝175°±5°，φ＝90°±5°。