CN1293683C - 一种硼酸铋非共线倍频晶体器件 - Google Patents
一种硼酸铋非共线倍频晶体器件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1293683C CN1293683C CNB2003101055728A CN200310105572A CN1293683C CN 1293683 C CN1293683 C CN 1293683C CN B2003101055728 A CNB2003101055728 A CN B2003101055728A CN 200310105572 A CN200310105572 A CN 200310105572A CN 1293683 C CN1293683 C CN 1293683C
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- plane
- crystal
- wavelength
- frequency
- corner cut
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
本发明涉及一种硼酸铋非共线倍频晶体器件，属于光电子技术领域。本发明的主要内容是硼酸铋晶体器件的出射面切角固定，沿折射率主轴Y，入射面切角随入射基频光波长的改变而改变。在542nm～1380nm波段内，对于每一个特定的入射基频光波长，有两种特定的入射面切角可供选择，分别位于YOZ(即φ＝90°)平面以及XOY(即θ＝90°)平面内。当入射基频光波长从542nm变化到1380nm时，YOZ(即φ＝90°)平面内的入射面切角从θ＝90°变化到θ＝70°±3°，XOY(即θ＝90°)平面内的入射面切角从φ＝90°变化到φ＝68.3°±3°。本发明采用了独特的内角全反射技术，节省了基频光的分光装置。本发明具有基频与倍频空间自然分离、转换效率高、能耗低、装置简单、成本低、适用波段宽等优点。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种新型、高效的硼酸铋[BiB3O6，简称BIBO]非共线倍频晶体器件，属于光电子技术领域。
(二)背景技术
在非线性光学领域中，以非线性晶体作为工作介质，利用相位匹配技术实现近红外光的频率变换，是获得可见及紫外相干光源的普遍方法。在传统的共线相位匹配技术中，无论是倍频还是和频，剩余基频光与新生谐频光由晶体出射后传播方向相同，因此需要采用特殊技术把谐频光与基频光分离开，无论是采用滤光片分光，还是棱镜分光，对系统而言都将增大损耗，并提高了整套装置的成本和复杂性。而且，晶体的作用长度受到双折射的限制，特别是在入射光束为强聚焦的情况下。非共线相位匹配技术可以实现出射谐频光与基频光的自动分离而无需任何分光元件，降低了损耗和生产成本，此外与共线相位匹配相比它的光损伤阈值更高、接受角更大、走离角更小。在许多高新技术应用中，选择非共线相位匹配比选择共线相位匹配具有更加显著的优势，如脉冲堆积压缩技术的实现，超短脉冲无背景噪声的精确测量，等等。虽然非共线相位匹配技术很早就被认识到了，但是相关研究一直较少。其主要原因是非共线相位匹配方式通常比共线相位匹配方式具有更小的光束作用区域，从而一般认为非共线相位匹配的转换效率低于共线相位匹配，没有很大的应用价值。目前，商用倍频晶体器件全部采用共线相位匹配方式，转换效率一般为百分之几十。相对而言，采用非共线相位匹配方式仅能获得百分之几的转换效率，因此直到目前为止未见实用化的非共线倍频晶体器件。
BiB3O6(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年才有可用于倍频性质测试的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，而且其有效非线性光学系数(deff)较大，高于KTP、BBO、LBO、KDP等目前常用的商业倍频晶体。国内外研究已充分表明，BIBO是一种非常优秀的倍频材料，它在1064nm的腔外倍频实验中转换效率能够达到70％，1064nm的腔内倍频输出超过1W，而946nm的腔内倍频输出更是达到2.8W，为目前可以得到的最好结果。以上所有成果都基于共线相位匹配技术，在BIBO晶体的非共线相位匹配性质方面至今未见任何报道。
(三)发明内容
本发明的目的是为了解决现有非共线倍频技术所存在的装置复杂、损耗大、转换效率低、难于实用化的问题。与现有非共线倍频技术相比，本发明的转换效率提高了一个量级，达到实用化水平。
本发明是由以下技术方案实现的：
将硼酸铋晶体沿特定方向加工成非共线倍频器件。该器件出射面加工方向定于Y轴，入射面加工方向随入射基频光波长的改变而改变。在542nm～1380nm波段内，对于每一个特定的入射基频光波长，有两种特定的入射面切角可供选择，分别位于YOZ(即φ＝90°)平面以及XOY(即θ＝90°)平面内，器件加工可在二者之中选一。当入射基频光波长从542nm变化到1380nm时，YOZ(即φ＝90°)平面内的入射面切角从θ＝90°变化到θ＝70°±3°，XOY(即θ＝90°)平面内的入射面切角从φ＝90°变化到φ＝68.3°±3°。
硼酸铋晶体在入射光波长为542nm时，晶体的入射面切角是θ＝90°，φ＝90°，即沿Y轴正切。该器件实现的是542nm的共线非临界倍频，是本发明所涉及的非共线倍频晶体器件的特殊情况、临界情况。
硼酸铋晶体在入射光波长为660nm时，晶体的入射面切角在YOZ平面内是θ＝75.2°±3°，在XOY平面内是φ＝74.1°±3°。
硼酸铋晶体在入射光波长为808nm时，晶体的入射面切角在YOZ平面内是θ＝72°±3°，在XOY平面内是φ＝70.7°±3°。
硼酸铋晶体在入射光波长为946nm时，晶体的入射面切角在YOZ平面内是θ＝70.8°±3°，在.XOY平面内是φ＝69.5°±3°。
硼酸铋晶体在入射光波长为1064nm时，晶体的入射面切角在YOZ平面内是，θ＝70.2°±3°，在XOY平面内是φ＝68.9°±3°。
硼酸铋晶体在入射光波长为1319nm时，晶体的入射面切角在YOZ平面内是θ＝70°±3°，在XOY平面内是φ＝68.3°±3°。
硼酸铋晶体在入射光波长为1380nm时，晶体的入射面切角在YOZ平面内是θ＝70°±3°，在XOY平面内是φ＝68.3°±3°。
在此我们采用传统的极坐标(θ，φ)来标记晶体内空间方向K，如图1所示，其中X、Y、Z为晶体折射率主轴，遵循nX＜nY＜nZ原则，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。在YOZ平面内，φ＝90°，θ从0°到90°变化。在XOY平面内，θ＝90°，φ从0°到90°变化。
根据BIBO晶体的的折射率色散方程，编制计算程序可以得到非共线倍频相位匹配曲线。理论及实验均已证实，BIBO晶体的最佳倍频性质位于主平面内，因此只需考虑主平面内满足相位匹配条件的K的情况。此处我们以(θ1，φ1)、(θ2，φ2)表示两束基频光的空间方向K1、K2，以(θ3，φ3)表示倍频光的空间方向K3。图2、图3是BIBO晶体对1064nm基频光的计算结果，其中图2表示I类相位匹配，图3表示II类相位匹配。对于一个给定的基频光方向K1，通常有两个K2方向可以满足相位匹配条件。所有曲线都是中心对称的，并关于K1、K2轴的角平分线对称。图2、图3中所有满足K3＝90°或K3＝0°条件的非共线相位匹配方式均列于表1，此时K1与K2关于折射率主轴对称，K3沿折射率三主轴之一。这些方式在非线性光学中称为非临界非共线倍频，是非共线相位匹配技术中最重要、最值得注意的方式，因为采取这些方式最有希望获得高转换效率。表1中对于每种方式仅列出一个代表方向，其它等价方向可由图2、图3的对称性获得。表1中，在XOY平面内θ＝90°，K1，K2，K3相应于φ1、φ2、φ3；在XOZ平面内φ＝0°，K1，K2，K3相应于θ1、θ2、θ3；在YOZ平面内φ＝90°，K1，K2，K3相应于θ1、θ2、θ3。
根据BIBO晶体的二阶非线性光学系数，我们计算了表1中各方式的有效非线性光学系数|deff|，亦如表1所示。从|deff|的数值来看，有两种方式最值得注意。一种是YOZ平面内的I类相位匹配方式(70.2°，109.8°，90°)，其|deff|值在表1所列的各方向中为最大，达到2pm/V。另一种是XOY平面内的I类相位匹配方式(68.9°，111.1°，90°)，它的|deff|值仅略低于前一方式，为1.9pm/V。此外，该方式的突出优势是三个作用波均为非临界，K1、K2的偏振方向沿Z轴，K3的偏振方向沿X轴，容限角大于其它非共线相位匹配方式。对于前一种相位匹配方式，即YOZ平面内的(70.2°，109.8°，90°)方式，K1、K2的偏振方向在YOZ平面内，是临界的。
表1BIBO晶体内1064nm的非临界非共线倍频方向
| 相位匹配类型 | 主平面 | 相位匹配方向K1，K2，K3 | |deff|(pm/V) |
| I | XOY | (68.9°，111.1°，90°)(18.3°，341.7°，0°) | 1.90.1 |
| XOZ | (73°，106.7°，90°) | 0 | |
| YOZ | (70°，110°，90°) | 2.0 | |
| II | XOY | (76.6°，102.7°，90°)(11°，350.4°，0°) | 0.30.3 |
| XOZ | (80°，100°，90°) | 0.7 | |
| YOZ | (78°，102°，90°) | 0 |
利用本发明制作的1064nm的非共线倍频晶体器件，无论入射面切角在YOZ平面内，还是在XOY平面内，其转换效率均能达到45％以上，比现有非共线技术的指标提高了一个量级。且本发明采用内角全反射技术，使入射基频光简化为一束，从而使非共线倍频装置大为简化。如图4所示，器件1用于实现YOZ平面内的(70.2°，109.8°，90°)方式。基频光由方向A垂直入射晶体，在晶体内的方向K1为φ＝90°，θ＝70.2°，经侧面全反射后传播方向变为K2，即φ＝90°，θ＝109.8°。对于具有一定截面尺寸的入射基频光而言，K1、K2两束光将在晶体器件内形成一个交叉的作用区域，从而通过非共线相位匹配作用产生Y轴方向传播的倍频绿光。在晶体器件的出射面，剩余基频光折射后沿方向B出射，而倍频光垂直通过出射面。当入射基频光的能量为5.9mJ时，获得了2.9mJ的出射倍频光，转换效率为49％。如图5所示，器件2用于实现XOY平面内的(68.9°，111.1°，90°)方式。为使基频光沿θ＝90°，φ＝68.9°正入射，入射面切向位于XOY平面内偏Y轴21.1°，出射面沿Y轴正切。当入射基频光的能量为5.6mJ时，获得了2.5mJ的出射倍频光，转换效率为45％。
本发明通过理论计算，确定出BIBO晶体的最佳非共线相位匹配方向，以此为依据设计了BIBO非共线倍频晶体器件。实践表明，这种非共线倍频器件的转换效率能够达到45％以上，比现有非共线倍频技术的转换效率提高了一个量级，达到实用化水平。本发明使用了内角全反射技术，从而使入射基频光简化为一束，省却了其它非共线倍频技术中所必需的入射基频光分束装置，减小了损耗，降低了成本。此外，当基频光波长从946nm变化到1380nm时，晶体器件在YOZ平面内入射面切角的变化仅为0.8°，在XOY平面内入射面切角的变化也仅为1.2°，说明该器件对于波长的变化并不敏感，具有较好的波长适应性。综上所述，本发明所确定的BIBO非共线倍频晶体器件具有成本低，装置简单，波长适应性强，基频、倍频空间自然分离，能耗低，效率高等优点，是非共线相位匹配技术的实用化器件。
(四)附图说明
图1是BIBO晶体的空间方向定义图。
图2是BIBO晶体1064nm的I类非共线倍频相位匹配曲线。图(a)表示XOY平面，所有方向θ＝90°；图(b)表示XOZ平面，所有方向φ＝0°；图(c)表示YOZ平面，所有方向φ＝90°。
图3是BIBO晶体1064nm的II类非共线倍频相位匹配曲线。图(a)表示XOY平面，所有方向θ＝90°；图(b)表示XOZ平面，所有方向φ＝0°；图(c)表示YOZ平面，所有方向φ＝90°。
图4是当基频光波长为1064nm时，入射面在YOZ主平面内切割的BIBO非共线倍频晶体器件的工作光路示意图。虚线表示基频光的传播光路，实线表示倍频光的传播光路。
图5是当基频光波长为1064nm时，入射面在XOY主平面内切割的BIBO非共线倍频晶体器件的工作光路示意图。虚线表示基频光的传播光路，实线表示倍频光的传播光路。
(五)具体实施方式
实施例1
硼酸铋晶体在入射光波长为542nm时，晶体的出射面沿Y轴加工，入射面切角是θ＝90°，φ＝90°，即沿Y轴正切。
实施例2
硼酸铋晶体在入射光波长为660nm时，晶体的出射面沿Y轴加工，入射面切角在YOZ平面内是θ＝75.2°±3°，在XOY平面内是φ＝74.1°±3°。
实施例3
硼酸铋晶体在入射光波长为808nm时，晶体的出射面沿Y轴加工，入射面切角在YOZ平面内是θ＝72°±3°，在XOY平面内是φ＝70.7°±3°。
实施例4
硼酸铋晶体在入射光波长为946nm时，晶体的出射面沿Y轴加工，入射面切角在YOZ平面内是θ＝70.8°±3°，在XOY平面内是φ＝69.5°±3°。
实施例5
硼酸铋晶体在入射光波长为1064nm时，晶体的出射面沿Y轴加工，入射面切角在YOZ平面内是，θ＝70.2°±3°，在XOY平面内是φ＝68.9°±3°。
实施例6
硼酸铋晶体在入射光波长为1319nm时，晶体的出射面沿Y轴加工，入射面切角在YOZ平面内是θ＝70°±3°，在XOY平面内是φ＝68.3°±3°。
实施例7
硼酸铋晶体在入射光波长为1380nm时，晶体的出射面沿Y轴加工，入射面切角在YOZ平面内是θ＝70°±3°，在XOY平面内是φ＝68.3°±3°。
Claims (8)
1.一种硼酸铋非共线倍频晶体器件，其特征是晶体器件的出射面切角固定，沿折射率主轴Y，而入射面切角随入射基频光波长的改变而改变，在542nm～1380nm波段内，对于每一个特定的入射基频光波长，有两种特定的入射面切角可供选择，分别位于YOZ即φ＝90°平面以及XOY即θ＝90°平面内，器件加工可在二者之中选一；当入射基频光波长从542nm变化到1380nm时，YOZ即φ＝90°平面内的入射面切角从θ＝90°变化到θ＝70°±3°，XOY即θ＝90°平面内的入射面切角从φ＝90°变化到φ＝68.3°±3°。
2.根据权利要求1所述的硼酸铋非共线倍频晶体器件，其特征是当入射光波长为542nm时，晶体的入射面切角为θ＝90°，φ＝90°，即沿Y轴正切。
3.根据权利要求1所述的硼酸铋非共线倍频晶体器件，其特征是当入射光波长为660nm时，晶体的入射面切角在YOZ平面内是θ＝75.2°±3°，在XOY平面内是φ＝74.1°±3°。
4.根据权利要求1所述的硼酸铋非共线倍频晶体器件，其特征是当入射光波长为808nm时，晶体的入射面切角在YOZ平面内是θ＝72°±3°，在XOY平面内是φ＝70.7°±3°。
5.根据权利要求1所述的硼酸铋非共线倍频晶体器件，其特征是当入射光波长为946nm时，晶体的入射面切角在YOZ平面内是θ＝70.8°±3°，在XOY平面内是φ＝69.5°±3°。
6.根据权利要求1所述的硼酸铋非共线倍频晶体器件，其特征是当入射光波长为1064nm时，晶体的入射面切角在YOZ平面内是θ＝70.2°±3°，在XOY平面内是φ＝68.9°±3°。
7.根据权利要求1所述的硼酸铋非共线倍频晶体器件，其特征是当入射光波长为1319nm时，晶体的入射面切角在YOZ平面内是θ＝70°±3°，在XOY平面内是φ＝68.3°±3°。
8.根据权利要求1所述的硼酸铋非共线倍频晶体器件，其特征是当入射光波长为1380nm时，晶体的入射面切角在YOZ平面内是θ＝70°±3°，在XOY平面内是φ＝68.3°±3°。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB2003101055728A CN1293683C (zh) | 2003-12-04 | 2003-12-04 | 一种硼酸铋非共线倍频晶体器件 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB2003101055728A CN1293683C (zh) | 2003-12-04 | 2003-12-04 | 一种硼酸铋非共线倍频晶体器件 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1547296A CN1547296A (zh) | 2004-11-17 |
| CN1293683C true CN1293683C (zh) | 2007-01-03 |
Family
ID=34333806
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNB2003101055728A Expired - Fee Related CN1293683C (zh) | 2003-12-04 | 2003-12-04 | 一种硼酸铋非共线倍频晶体器件 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1293683C (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103952757B (zh) * | 2014-04-21 | 2016-08-24 | 山东大学 | 三硼酸铋晶体高温压电切型及其在高温压电领域的应用 |
| CN104659141A (zh) * | 2015-03-07 | 2015-05-27 | 顾海涛 | 覆盖倍频晶体的高效率太阳能电池 |
| CN105603529A (zh) * | 2016-03-24 | 2016-05-25 | 山东大学 | 一种掺镱晶体及其生长方法和应用 |
| CN109387991A (zh) * | 2017-08-09 | 2019-02-26 | 武汉工程大学 | 一种非共线双啁啾光参量放大方法及装置 |
| CN108319092A (zh) * | 2018-03-30 | 2018-07-24 | 上海交通大学 | 利用周期性全反射实现准相位匹配的方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5065046A (en) * | 1990-11-28 | 1991-11-12 | Amoco Corporation | Method and apparatus for parametric generation of midinfrared light in KNbO3 |
| US5251059A (en) * | 1991-01-09 | 1993-10-05 | Nec Corporation | Frequency conversion device and method of fabricating the same |
| US5268913A (en) * | 1992-02-19 | 1993-12-07 | Carl-Zeiss-Stiftung | Frequency-doubling solid state laser |
| JPH0736073A (ja) * | 1993-07-20 | 1995-02-07 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 偏光制御固体レーザ |
| US5467214A (en) * | 1993-11-12 | 1995-11-14 | Trw Inc. | Birefringence-compensated alignment-insensitive frequency doubler |
| US5761227A (en) * | 1994-08-23 | 1998-06-02 | Laser Power Corporation | Efficient frequency-converted laser |
| US5883915A (en) * | 1995-05-16 | 1999-03-16 | Adlas Gmbh & Co. Kg | Longitudinally pumped laser |
| CN1091175C (zh) * | 1999-06-11 | 2002-09-18 | 山东大学 | 特殊切角的硼酸氧钙稀土盐激光倍频晶体 |
-
2003
- 2003-12-04 CN CNB2003101055728A patent/CN1293683C/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5065046A (en) * | 1990-11-28 | 1991-11-12 | Amoco Corporation | Method and apparatus for parametric generation of midinfrared light in KNbO3 |
| US5251059A (en) * | 1991-01-09 | 1993-10-05 | Nec Corporation | Frequency conversion device and method of fabricating the same |
| US5268913A (en) * | 1992-02-19 | 1993-12-07 | Carl-Zeiss-Stiftung | Frequency-doubling solid state laser |
| JPH0736073A (ja) * | 1993-07-20 | 1995-02-07 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 偏光制御固体レーザ |
| US5467214A (en) * | 1993-11-12 | 1995-11-14 | Trw Inc. | Birefringence-compensated alignment-insensitive frequency doubler |
| US5761227A (en) * | 1994-08-23 | 1998-06-02 | Laser Power Corporation | Efficient frequency-converted laser |
| US5883915A (en) * | 1995-05-16 | 1999-03-16 | Adlas Gmbh & Co. Kg | Longitudinally pumped laser |
| CN1091175C (zh) * | 1999-06-11 | 2002-09-18 | 山东大学 | 特殊切角的硼酸氧钙稀土盐激光倍频晶体 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1547296A (zh) | 2004-11-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105549295A (zh) | 一种兼具非临界相位匹配倍频、三倍频性能的紫外激光变频器及其工作方法 | |
| CN1293683C (zh) | 一种硼酸铋非共线倍频晶体器件 | |
| Lin et al. | Phase‐matching retracing behavior: New features in LiB3O5 | |
| Guenter | Electro-optical and nonlinear-optical materials | |
| US7944607B2 (en) | Method and device for high resolution acousto-optic programmable filtering in the infrared region | |
| CN1169008C (zh) | 一种新型的非线性频率转换晶体 | |
| CN101051730A (zh) | 一种腔内倍频激光器 | |
| CN207895209U (zh) | 一种三倍频光学变频器 | |
| CN115632300A (zh) | 一种产生可调谐窄带激光的方法 | |
| CN205405031U (zh) | 一种兼具非临界相位匹配倍频、三倍频性能的紫外激光变频器 | |
| CN103050880A (zh) | 一种激光走离效应补偿方法 | |
| CN1200493C (zh) | 特殊切角的硼酸铋变频晶体器件 | |
| CN1508575A (zh) | 介电体超晶格的光学滤波器及其制作方法 | |
| CN116125725A (zh) | 一种碘酸钒钠晶体倍频器件的制备方法和应用 | |
| CN116742459A (zh) | 一种四氟硼酸胍晶体四倍频器件的制备方法 | |
| CN215833739U (zh) | 基于双折射相位匹配的宽带倍频波导器件 | |
| CN115528528A (zh) | 特殊切角的宽带倍频器件及应用 | |
| Wang et al. | Numerical calculation of the effective second-order nonlinear coefficient along collinear phase-matching directions inside nonlinear crystals in three-wave interaction | |
| Petruškevičius et al. | Quasi-Phase-Matching Method Based on Coupling Compensation for Second Harmonic Generation in GaN Waveguides | |
| CN114114782A (zh) | 基于界面近邻效应的位相匹配方法 | |
| Wang et al. | Optimization of diffusion bonding process for QPM GaAs crystals | |
| JPH041616A (ja) | 光波長変換方法 | |
| Tonkaev et al. | Even-order optical harmonics generated from centrosymmetric-material metasurfaces | |
| Gandolfi et al. | Enhanced third-harmonic dichroism in chiral all-dielectric metasurfaces driven by quasi-BIC | |
| Grossman et al. | Blue light second harmonic generation in the organic crystal ortho-Dicyanovinyl-anisole |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |