CN1381930A - 一种非线性光学晶体激光变频耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的非线性光学晶体激光变频耦合器:包括M块非线性光学晶体,和晶体光束入射面或光束出射面上或同时在光束入射面及光束出射面上采用光胶或采用匹配液粘接有耦合棱镜,耦合棱镜或同时不同时为直角棱镜、等边三角三棱镜或不等边三角三棱镜;可把不易切割、不能切割或由于造价昂贵而不便切割的晶体与棱镜组合起来使用,而实现其位相匹配,使之有效地应用于激光变频领域,为非线性光学晶体材料的充分应用提供一种重要途径。

Description

一种非线性光学晶体激光变频耦合器
本发明涉及一种光学耦合器，特别涉及一种非线性光学晶体激光变频耦合器。
目前，公知的非线性光学晶体激光变频(含倍频、和频、差频和光参量振荡和放大)是将非线性光学晶体按位相匹配角切割，被变频的激光按一定的入射角入射，再精确转动晶体调整入射角到位相匹配角(称角度调谐)或控制晶体温度，使晶体达到位相匹配温度而实现有效变频输出，如文献1 V.G.Dmitriev，G.G.Gurzadyan，D.N.Nikogosyan，″Handbook of Nonlinear Optical Crystals″，second Revised andupdated Edition，Springer-verlag，Berlin，Heidelberg，New York，London，Paris，Tokyo，Hong Kong，1996所介绍的。但是，有的非线性光学晶体不易切割，有的非线性光学晶体积有限，不能从中切割出必须的形状以满足特定入射角下的位相匹配角要求，有的非线性光学晶体价格昂贵，切割为特定形状后它的使用造价过高。
本发明的目的是使不易切割的非线性光学晶体能够实现位相匹配，而且可以使体积小或使价格昂贵的晶体改变入射或出射端面形状，满足特定入射角下实现位相匹配角的要求，使不易切割和体积有限的非线性光学晶体与一定形状的棱镜结合，以应用于激光变频，减少价格昂贵的非线性光学晶体用量而降低价格，从而提供一种非线性光学晶体激光变频棱镜耦合器。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供的非线性光学晶体激光变频耦合器，包括非线性光学晶体，其特征在于：所述非线性光学晶体为M块，M为≥1的正整数，该非线性光学晶体具有呈平板形的光束入射面和出射面，在非线性光学晶体的光束入射面上或光束出射面上或同时在光束入射面及光束出射面上置有耦合棱镜；所述的耦合棱镜或同时为直角棱镜、等边三角棱镜或不等边三角棱镜，或分别为直角棱镜、等边三角棱镜和不等边三角棱镜；
所述每一非线性光学晶体的光束入射面或光束出射面与其上所置有的耦合棱镜之间采用光胶或采用匹配液粘接成一体；所述匹配液为其折射率在非线性光学晶体与耦合棱镜材料折射率之间的液体，如高纯度去离子水、乙二醇、丙三醇、正甲醇、乙庚醇、甘油、氟氯油或加拿大树脂；所述耦合棱镜是玻璃、熔石英、氟化钙或其他光学材料制做的棱镜；该非线性光学晶体激光变频耦合器的光束入射面平行/或不平行其光束出射面；所述的非线性光学晶体由X块该晶体用匹配液粘接成一体构成，其中X为≥1的正整数。
本发明提供的非线性光学晶体激光变频棱镜耦合器的原理是：在非线性光学晶体的入射面或输出面上采用光胶或使用匹配液粘接一棱镜，或者在非线性光学晶体的入射面及出射面上同时采用光胶或使用匹配液粘接一棱镜，根据非线性光学晶体折射率n1、匹配液折射率n2和棱镜材料折射率n3确定棱镜角后，就可按照界面折射定理，计算出此基频光满足非线性光学晶体位相匹配角的入射角，并得到有效的倍频输出。所述棱镜的棱镜角是按照非线性光学晶体位相匹配角的要求而设计的。由图10可知，棱镜顶角和光线入射角可由以下关系式确定：n3sinθ2＝n1sinθpm，θ1+θ2＝θ，sinα＝n3sinθ1，其中，θpm为非线性光学晶体的位相匹配角，θ为耦合棱镜的一个顶角。例如，由图1可知，就KBe2BO3F2(KBBF)非线性光学晶体而言，假如基频光波长λ1为532nm，则设计棱镜的棱镜角α为45°时，基频光只要按照10.4°入射到棱镜面，就可实现KBBF晶体从532nm到266nm的倍频转换。由图2可知，使用同一棱镜，当基频光的波长为460nm时，此基频光只要垂直入射到棱镜面，就可实现KBBF晶体从460nm到230nm的倍频转换。
KBBF晶体在紫外、深紫外领域中具有很多优点。它在紫外光谱区的截止波长是155nm，使用直接倍频方法可获得的最短倍频波长达到165nm，所以此晶体一经问世就把直接倍频可以获得的最短波长从204.8nm(BBO晶体在1986年获得的[2])扩展到184.7nm[3]，而且有望实现Nd∶YAG激光(1064nm)的六倍频(从355nm到177.5nm的倍频转换)。然而由于KBBF晶体的层状结构习性，目前仅能生长出约1mm厚度的薄片(Z轴垂直于薄片表面)，无法按照位相匹配角度切割，只能通过转动晶体，改变入射角的方式来实现位相匹配。然而随着基频光波长向短波方向移动，KBBF晶体的位相匹配角θpm随之增大，从而导致基频光的入射角不断增大。计算表明，当基频光波长短于470nm时，为了实现相匹配的要求，基频光的入射角就超过90°，导致KBBF晶体在实验上无法实现470nm的倍频。而采用本发明，则可实现KBBF晶体从3500nm到330nm基频光的倍频输出。
本发明的优点在于：采用本发明的非线性光学晶体激光变频耦合器后，不仅可以将实现直接倍频的波段移到470nm以下，而且通过选择合适角度的棱镜，可以在基频光垂直入射情况下，实现非线性光学晶体在各种不同基频光波长下的位相匹配；可以把那些不易切割、不能切割或由于造价昂贵而不便切割的晶体与棱镜组合起来使用，而实现其位相匹配，使之有效地应用于激光变频领域，为非线性光学晶体材料的充分应用提供一种重要途径。尤其提供一种能改变激光入射方向并使其能满足晶体位相匹配要求的非线性光学晶体激光变频耦合器；减少非线性光学晶体材料的用量，而降低价格。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的非线性光学晶体激光变频耦合器的结构示意图；
图2为本发明的非线性光学晶体激光变频耦合器的一个实施例的示意图；
图3为本发明的非线性光学晶体激光变频耦合器的另一个实施例的示意图；
图4为本发明的非线性光学晶体激光变频耦合器的另一个实施例的示意图；
图5a和图5b分别为本发明的非线性光学晶体激光变频耦合器的又一个实施例的俯视图和侧视图；
图6是KBBF非线性光学晶体266nm倍频光的输出能量与532nm基频光入射能量的关系图；
图7是KBBF非线性光学晶体从532nm到266nm倍频转换效率与基频光(532nm)入射能量关系图；
图8为本发明的非线性光学晶体激光变频耦合器的另一个实施例的示意图；
图9为本发明的非线性光学晶体激光变频耦合器的又一个实施例的示意图；
图10为棱镜顶角和光线入射角关系的示意图；
图11为本发明的非线性光学晶体激光变频耦合器的又一个实施例的示意图。
图面说明如下：
输入耦合棱镜1、11、12；             匹配液2
非线性光学晶体3、31、32             输出耦合棱镜4、41、42
法线方向N                           Z为非线性光学晶体的Z轴
α为光线入射角                      β为光线出射角
α1和α2分别是输入耦合棱镜1和输出耦合棱镜4的顶角
λ1为入射基频光波长                 λ2为出射变频光波长
实施例1：
按图1制作一种本发明的非线性光学晶体激光变频耦合器：一块非线性光学晶体3(KBBF晶体)的光束入射面上采用匹配液2粘接一块输入耦合棱镜1，其光束出射面上采用匹配液2粘接一块输出耦合棱镜4，构成一体以制成本实施例的非线性光学晶体激光变频耦合器。如图1所示，在光线接近垂直入射的情况下可实现KBBF非线性光学晶体从532nm到266nm的倍频转换，图中α1和α2分别为输入耦合棱镜1和输出耦合棱镜4的一个顶角，入射基频光波长λ1为532nm，出射光是剩余532nm光(λ1)和266nm(λ2)的倍频光，输入耦合棱镜1和输出耦合棱镜4都是45°直角棱镜，材料是熔石英；所用的匹配液为高纯度去离子水，非线性光学晶体3为厚1mm×长6mm×宽6mm的KBBF非线性光学晶体；这种KBBF非线性光学晶体由于层状结构习性致使生长的晶体很薄(毫米级)，无法按照位相匹配方向切割，而当制成了图1所示的非线性光学晶体激光变频耦合器时，无须对KBBF晶体作进一步的切割，只要基波光的入射方向和棱镜入射面的法线方向呈10.4°夹角，就能够实现KBBF非线性光学晶体的从532nm到266nm倍频光输出。在该实施例中，KBBF晶体的法线方向就是该晶体z轴的方向。
实施例2
与实施例1相同，按图1制作本发明的一非线性光学晶体激光变频耦合器，其输入耦合棱镜1与非线性光学晶体3的入射面之间以及输出耦合棱镜4与非线性光学晶体3的出射面之间为光胶，无匹配液。
实施例3
按图2制作一种本发明的非线性光学晶体激光变频耦合器：一块KBBF非线性光学晶体3的光束入射面上采用匹配液2粘接一块输入耦合棱镜1，其光束出射面上采用匹配液2粘接一块输出耦合棱镜4，构成一体以制成本实施例的非线性光学晶体激光变频耦合器；如图2所示，使用本实施例的非线性光学晶体激光变频耦合器，可实现KBBF非线性光学晶体从460nm(λ1)到230nm(λ2)的倍频转换，输入耦合棱镜1和输出耦合棱镜4都是45°(α1和α2)直角棱镜，材料是熔石英；非线性光学晶体3为厚1mm×长6mm×宽6mm的KBBF非线性光学晶体，这种KBBF非线性光学晶体由于层状结构习性致使生长的晶体很薄(毫米级)，无法按照位相匹配方向切割，而当制成了图2所示的非线性光学晶体激光变频棱镜耦合器时，只要基波光沿输入耦合棱镜1的入射面的法线方向入射，就能实现基波光(460nm)到倍频光(230nm)的转换。现已测量出本实施例倍频的转换效率和倍频波输出能量关系图(见图6)。其入射的基频波光源是调Q锁模Nd∶YAG激光器，输出波长460nm，脉冲宽度25ps。在这种条件下，KBBF的倍频转换效率可以达到11％(见图7)。
实施例4
按图3制作一非线性光学晶体激光变频耦合器：一块非线性光学晶体3的光束入射面上采用匹配液2粘接一块输入耦合棱镜1，其光束出射面上采用匹配液2粘接一块输出耦合棱镜4，构成一体以制成本实施例的非线性光学晶体激光变频耦合器；使用的非线性光学晶体3为K2Al2B2O7(简称KABO)晶体，其中，入射光的波长λ1是532nm，以布儒斯特角入射进输入耦合棱镜1，出射光是剩余的532nm(λ1)光和266nm(λ2)的倍频光，266nm的光也以布儒斯特角从输出耦合棱镜4出射；输入耦合棱镜1和输出耦合棱镜4都是直角棱镜，输入耦合棱镜1的一个角α1为21.3°，输出耦合棱镜4的一个角α2为23°，材料是熔石英；匹配液2为高纯度去离子水；非线性光学晶体3是KABO非线性光学晶体，由于该晶体目前尚不能长出大尺寸的单晶，按照位相匹配方向切割将浪费掉很多可用的材料。因此，使用本实施例的结构就可在不需要对晶体进行切割加工的条件下，实现KABO晶体对各种不同基频光波长的倍频转换。本实施例与实施例1不相同之处在于：直角输入耦合棱镜1与非线性光学晶体3接触的边是直角朝上的边，而输出耦合棱镜4与非线性光学晶体3接触的边是直角朝下的边。本实施例的光线入射角α为10.4°，出射角β＝56.3°。
实施例5
按图4制作一非线性光学晶体激光变频耦合器：使用KBe2BO3F2(简称KBBF)非线性光学晶体与熔石英材料制作的(直角)输入和(直角)输出耦合棱镜，其中输入耦合棱镜1的一个角α1为45°，输出耦合棱镜4的一个角α2为45°，输入和输出耦合棱镜1和4与非线性光学晶体3之间都有一层高纯度去离子水的匹配液2，它们之间靠水的张力粘在一起，再用一个固定用的光学支架固定组合成的一非线性光学晶体激光变频棱镜耦合器，入射光以入射角α＝10.4°角入射到输入耦合棱镜1，实现KBe2BO3F2(简称KBBF)晶体从532nm(λ1)到266nm(λ2)倍频转换。由于KBBF非线性光学晶体由于层状结构习性致使生长的晶体很薄(毫米级)，无法按照位相匹配方向切割，而当制成了图4所示的非线性光学晶体激光变频棱镜耦合器时，只要基波光沿输入耦合棱镜1的入射面的法线方向(N方向)入射，就能实现基波光(532nm)到倍频光(266nm)的转换。本实施例的光线入射角α为10.4°。
实施例6
按图5a和5b制作本发明的一非线性光学晶体激光变频耦合器，图5a和图5b分别为本实施例的非线性光学晶体激光变频耦合器的俯视图和侧视图，其具体结构：一块非线性光学晶体3的光束入射面上采用匹配液2粘接一块输入耦合棱镜1，其光束出射面上采用匹配液2粘接一块输出耦合棱镜4，以制成本实施例的非线性光学晶体激光变频耦合器。输入耦合棱镜1和输出耦合棱镜4均为直角棱镜，非线性光学晶体3为K2Al2B2O7(简称KABO)晶体。该非线性光学晶体激光变频耦合器可实现K2Al2B2O7(简称KABO)晶体的二倍频，其中，入射光的波长λ1是532nm，其入射角α为55.6°，以布儒斯特角入射，偏振方向水平，这样入射光在入射面上没有菲涅耳损耗，出射光是剩余的532nm(λ1)光和266nm(λ2)的倍频光，266倍频光以布儒斯特角出射，偏振方向垂直，输出耦合棱镜的摆放方向使得266倍频光也没有菲涅耳损耗。输入耦合棱镜1一个顶角α1为55.6°的直角棱镜，输出耦合棱镜4为一个顶角α2为34.4°的直角棱镜，非线性光学晶体3为K2Al2B2O7(简称KABO)非线性光学晶体。输入耦合棱镜1和输出耦合棱镜4是用熔石英材料制作的。由于KABO非线性光学晶体目前尚不能长出大尺寸的单晶，按照位相匹配方向切割将浪费掉很多可用的体积，因此，使用上述述耦合器的结构就不需要对晶体进行切割加工的条件下，就能实现KABO晶体对各种不同基频光波长的倍频转换，并将输入和输出光在入射和出射棱镜表面的损耗降低到最小，也就提高了转换效率。
本实施例与实施例4不相同之处在于：输出耦合棱镜4的斜面(即输出面)向上。
实施例7
图8所示的实施例是使用非线性光学晶体激光变频棱镜耦合器实现KBBF晶体从460nm到230nm的倍频转换的示意图。此实施例将两块非线性晶体31和32和两块输入耦合棱镜11和12，两块输出耦合棱镜41和42连接起来使用(实际上是图1和图2所示的实施例串联在一起使用)，提高了转换效率。其具体结构为：输入耦合棱镜11、12和输出耦合棱镜41、42都是45°(α1和α2)直角棱镜，材料是熔石英。非线性光学晶体31和32均是一块厚1mm×长6mm×宽6mm的KBBF非线性光学晶体，45°直角输入耦合棱镜11的光的出射面与KBBF非线性光学晶体31光的入射面之间涂上一层高纯度去离子水匹配液2，45°直角输出耦合棱镜41的光的入射面与KBBF非线性光学晶体31光的出射面之间涂上一层高纯度去离子水匹配液2，45°直角输入耦合棱镜12的光的出射面与KBBF非线性光学晶体32光的入射面之间涂上一层高纯度去离子水匹配液2，45°直角输出耦合棱镜42的光的入射面与KBBF非线性光学晶体32光的出射面之间涂上一层高纯度去离子水匹配液2，它们之间靠水的张力粘在一起，然后把它们放在一个光学平台架内，制成本实施例的非线性光学晶体激光变频棱镜耦合器。当使用如图8所示的装置时，只要基波光沿棱镜入射面的法线方向入射，就能实现基波光(λ1＝460nm)到倍频光(λ2＝230nm)的转换。依此类推，原则上，可将M块非线性光学晶体和M块输入耦合棱镜、M块输出耦合棱镜连接，M为≥1的正整数，实现频率转换。由于KBBF非线性光学晶体目前尚不能长出大尺寸的单晶，无法按照位相匹配方向切割，且厚度较薄，因此，使用上述耦合器的结构在不用切割晶体及晶体厚度较薄的条件下，实现KBBF晶体对各种不同基频光波长的倍频转换。
实施例8
图9所示的实施例是使用非线性光学晶体激光变镜耦合器实现KBBF晶体从λ1＝460nm到λ2＝230nm的倍频转换的示意图。此实施例将两块非线性晶体和一块输入耦合棱镜、一块输出耦合棱镜连接起来使用，提高了转换效率。输入耦合棱镜1和输出耦合棱镜4都是45°(α1和α2)直角棱镜，材料是熔石英。两块厚度为1mm×长6mm×宽6mm的KBBF非线性光学晶体31和32之间涂上一层高纯度去离子水匹配液2，它们之间靠水的张力粘在一体，输入耦合棱镜1的光的出射面与KBBF非线性光学晶体31光的入射面之间涂上一层高纯度去离子水匹配液2，输出耦合棱镜4与KBBF非线性光学晶体32的光的出射面它们之间涂上一层高纯度去离子水匹配液2，靠水的张力粘在一起，然后把它们放在一个光学平台架内，以制成一本发明的非线性光学晶体激光变镜耦合器。当使用如图8所示的装置时，只要基波光沿棱镜入射面的法线方向入射，就能实现基波光(λ1＝460nm)到倍频光(λ2＝230nm)的转换。依此类推，原则上，可将M块非线性光学晶体和一块输入耦合棱镜及一块输出耦合棱镜连接，实现频率转换，M为≥1的正整数。由于KBBF非线性光学晶体目前尚不能长出大尺寸的单晶，无法按照位相匹配方向切割，且厚度较薄，因此，使用上述耦合器的结构在不用切割晶体及晶体厚度较薄的条件下，实现KBBF晶体对各种不同基频光波长的倍频转换，并提高转换效率。
实施例9
按图11制作一非线性光学晶体激光变频耦合器：使用KBe2BO3F2(简称KBBF)非线性光学晶体与氟化钙材料制作的输入耦合棱镜，输入耦合棱镜1的一个角α1为40.2°，其它两个角任意，例如分别为60°和79.8°。输入耦合棱镜1与非线性光学晶体3之间有一层氟氯油水匹配液2将它们粘在一起，再用一个固定用的光学支架固定组合成的本实施例的非线性光学晶体激光变频耦合器，只要入射光沿棱镜入射面的法线方向入射，就可以实现KBe2BO3F2(简称KBBF)晶体从532nm(λ1)到266nm(λ2)倍频转换。由于KBBF非线性光学晶体目前尚不能长出大尺寸的单晶，按照位相匹配方向切割将浪费掉很多可用的体积，因此，使用上述述耦合器的结构就不需要对晶体进行切割加工的条件下，就能实现KBBF晶体对各种不同基频光波长的倍频转换。

Claims (8)

1.一种非线性光学晶体激光变频耦合器，包括非线性光学晶体，其特征在于：所述非线性光学晶体为M块，M为≥1的正整数，该非线性光学晶体具有呈平板形的光束入射面和出射面，在非线性光学晶体的光束入射面上或光束出射面上或同时在光束入射面及光束出射面上置有一耦合棱镜。
2.按权利要求1所述的非线性光学晶体激光耦合器，其特征在于：所述的耦合棱镜或同时为直角棱镜、等边三角棱镜或不等边三角棱镜，或分别为直角棱镜、等边三角棱镜和不等边三角棱镜。
3.按权利要求1所述的非线性光学晶体激光耦合器，其特征在于：所述每一非线性光学晶体的光束入射面或光束出射面与其上所置有的耦合棱镜之间采用光胶或采用匹配液粘接成一体。
4.按权利要求3所述的非线性光学晶体激光变频耦合器，其特征在于：所述匹配液为折射率在非线性光学晶体与耦合棱镜材料的折射率之间的液体。
5.按权利要求4所述的非线性光学晶体激光变频耦合器，其特征在于：所述匹配液为高纯度去离子水、乙二醇、丙三醇、正甲醇、乙庚醇、甘油、氟氯油或加拿大树脂。
6.按权利要求1所述的非线性光学晶体激光变频耦合器，其特征在于：所述耦合棱镜是玻璃、熔石英、氟化钙，或其他光学材料制做的棱镜，
7.按权利要求1所述的非线性光学晶体激光变频棱镜耦合器，其特征在于：该非线性光学晶体耦合器的光束入射面平行/或不平行其光束出射面。
8.按权利要求1所述的非线性光学晶体激光变频耦合器，其特征在于：所述的非线性光学晶体由X块该晶体用匹配液粘接成一体构成，其中X为≥1的正整数。
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