CN1400487A - 非线性光学晶体激光变频光栅耦合器 - 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，包括一非线性光学晶体，非线性光学晶体的前端面上、后端面上单独或同时刻有衍射光栅，衍射光栅为位相型衍射光栅或振幅透过型衍射光栅，衍射光栅的作用是把入射的基频光以合适的角度耦合进非线性光学晶体内，以实现非线性频率变换过程，该光栅可以单独工作，也可以配合其它方式共同工作，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非线性晶体使用起来，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
技术领域
本发明涉及一种光学耦合光栅，特别涉及一种非线性光学晶体激光变频光栅耦合器。
背景技术
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1V.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。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不易、不能或不便按照特定波长所对应的位相匹配角进行切割的非线性光学晶体存在的缺陷，而提供一种不用切割便可实现位相匹配，满足特定入射波长的激光实现频率变换的要求的非线性光学晶体激光变频光栅耦合器。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的非线性光学晶体激光变频光栅耦合器，包括一非线性光学晶体，其特征在于：非线性光学晶体的前端面上或后端面上单独或同时刻有衍射光栅；该衍射光栅为位相型衍射光栅或振幅透过型衍射光栅；所述的位相型衍射光栅为普通平面衍射光栅，闪耀光栅，全息位相光栅和阶梯光栅；所述的振幅透过型衍射光栅为正弦光栅；可以在非线性光学晶体的前端面上刻有衍射光栅，后端面上放置一输出耦合棱镜；也可以在非线性光学晶体的前端面上放置一输入耦合棱镜，后端面上刻有衍射光栅；所述的衍射光栅可以直接刻蚀在非线性光学晶体的前端面上或后端面上或同时直接刻蚀在非线性光学晶体的前端面上或后端面上；也可以刻蚀在镀敷于非线性光学晶体前端面上或后端面上；还可以刻蚀在以光胶或其它方式沉积在非线性光学晶体前端面上或后端面上的光学材料上；所述的光学材料为玻璃、石英、氟化钙、氟化锂或氟化镁。
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光栅耦合器后，可以使没有按照位相匹配方向切割的非线性晶体实现位相匹配，获得变频输出；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非线性晶体使用起来，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。
附图说明
附图1为本发明(一个实施例)的结构示意图；
附图2为本发明的另一个实施例的结构示意图；
附图3为本发明的又一个实施例的结构示意图；
附图4为本发明的再一个实施例的结构示意图；
附图5为本发明的其它实施例的结构示意图；
图面说明：
入射基频光A
出射倍频光B，B’
非线性光学晶体前端面上的衍射光栅1
非线性光学晶体2
非线性光学晶体后端面上的衍射光栅3
输入耦合棱镜4
匹配液5
输出耦合棱镜6
非线性光学晶体表面上镀膜7
非线性光学晶体表面法线N
光栅刻槽面法线n
非线性光学晶体的光轴Z
入射基频光衍射角θ1、θ1’
出射基频光级衍射角θ2、θ2’
非线性光学晶体前端面光栅的闪耀角α1
非线性光学晶体后端面光栅的闪耀角α2
非线性光学晶体前端面光栅常数d1
非线性光学晶体后端面光栅常数d2
非线性光学晶体后端面光栅缝宽度a2
阶梯光栅每层厚度t
阶梯光栅的阶梯高度d
入射基频光在非线性光学晶体表面的入射角i1
出射倍频光与非线性光学晶体法线夹角i2
基频光与光栅法线的夹角I
入射光和光反射在非线性光学晶体内的夹角θ
实施方式：
下面结合附图及实施例进一步描述本发明：
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光栅耦合器：一块非线性光学晶体2的前端面上刻有全息位相光栅1，而后端面上刻有普通强度衍射光栅3，构成本实施例的非线性光学晶体激光变频光栅耦合器；非线性光学晶体2为KBBF晶体，由于该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。根据文献2C.T.Chen，Z.Y.Xu，D.Q.Deng，J.Zhang，G.K.Wong，B.Wu，N.Ye and D.Tang，“The vacuum ultravioletphase-matching characteristics of nonlinear optical KBe2BO3F2crystal”，Appl.Phys.Lett.68(21)，2930-2932(1996)中报道的数据可以计算出，如果仅靠改变入射光的入射角来实现不同波长的位相匹配的话，那么将无法实现对470nm以下光波的倍频。而使用本实施例的非线性光学晶体激光变频光栅耦合器，可在不需要按照位相匹配方向对晶体进行切割的条件下，实现KBBF晶体对各种不同基频光波长，包括470nm以下波长的倍频转换；KBBF晶体2前端面上刻蚀全息位相光栅1，后端面上的普通强度光栅3是刻蚀在镀于KBBF晶体2后表面上的镀膜上的；如图1所示，在光线垂直入射的情况下可实现KBBF非线性光学晶体从400nm到200nm的倍频转换，图中KBBF晶体2的光轴方向，即Z轴方向位于晶体入射面内，平行于入射光；入射光通过衍射光栅之后，将发生衍射；根据光栅的衍射公式，我们可以选择适当的光栅常数d1，使1级衍射的方向正好是400nm到200nm的位相匹配方向，即满足
no(λ)×d1×sinθ1＝λ1其中，no(λ)是入射光的o光折射率，对400nm的入射光而言其数值是1.488；λ1是入射光的波长400nm；在本实施例中使θ1等于位相匹配角53.2°；把以上数值代入上式，得d1＝0.316×10-3mm；这样，就可以实现位相匹配；晶体的后端面也有衍射光栅，以实现把倍频光从晶体中衍射出来的目的；满足
d2(no(λ)×sinθ1-sinθ2)＝λ2其中，no(λ)是入射光的o光折射率，对400nm的入射光而言其数值是1.488；λ2是倍频光波长200nm；θ1等于53.2°；我们可以选择一个合适的角度θ2，比如45°；把以上数值代入上式，得d2＝0.357×10-3mm；在本实施例中，入射光的偏振方向垂直于纸面。
实施例2
按图2制作一种本发明的非线性光学晶体激光变频光栅耦合器：一块KBBF非线性光学晶体2的前端面上采用匹配液5粘接一块输入耦合棱镜4，非线性光学晶体2的后端面上刻成闪耀光栅的形状并镀有对基频光的全反膜7以构成闪耀光栅，它们构成一体以制成本实施例的非线性光学晶体激光变频光栅耦合器；其中，非线性光学晶体2的Z轴方向和光栅整体平面法线是平行的；其中，闪耀光栅是利用非线性光学晶体2本身刻蚀而成的；如图2所示，使用本实施例的非线性光学晶体激光变频光栅耦合器，可实现KBBF非线性光学晶体从360nm到180nm的倍频转换，输入耦合棱镜4是45°直角棱镜，材料是熔石英；匹配液5为fomblin，该液体对140nm以上的紫外光是透过的；非线性光学晶体2为厚1mm×长6mm×宽6m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)，根本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耦合光栅时，只要基波光沿输入耦合棱镜4的晶体前端面的所示方向入射，就能实现基波光(360nm)到倍频光(180nm)的转换；我们选择适当的闪耀角α2和光栅常数d2，可以使m级衍射的方向正好是360nm到180nm的位相匹配方向，从而实现倍频过程；倍频光通过匹配液5后，经棱镜4耦合出来，获得倍频输出；根据衍射公式
n0(λ)×d2sin2α2＝mλ其中，m是衍射的级次；在本实施例中，入射光的o光折射率n0(λ)为1.49252，使闪耀角α2为位相匹配角的一半，即32.1°；把以上数据代入上式，得d2＝m×0.26μm；如选取1级衍射，则d＝0.26μm；如选取10级衍射，则d＝2.6μm；相对于实施例1的普通光栅，闪耀光栅的优点是大部分能量集中于所选择的闪耀级(＞80％)，从而大大提高倍频转换效率；在本实施例中，入射光的偏振方向垂直于纸面。
实施例3：
按图3制作一非线性光学晶体激光变频光栅耦合器：非线性光学晶体2的前端面上刻有阶梯光栅1，晶体后端面上通过匹配液5粘有输出耦合棱镜6，构成一体以制成一本实施例的非线性光学晶体激光变频光栅耦合器。其中，阶梯光栅是利用光胶在晶体表面的熔石英材料制作而成的；使用的非线性光学晶体2是KBe2BO3F2(简称KBBF)，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)，根本无法按照位相匹配方向切割；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KBBF晶体对各种不同基频光波长的倍频转换；输出耦合棱镜6是45°直角棱镜，材料是熔石英；匹配液5为fomblin；射光的波长是360nm，通过输出棱镜耦合出来的是180nm的倍频光；基频光通过阶梯光栅后，发生衍射，根据如图所示的光路，可得如下衍射公式：
n2(λ)dsinθ1-(n1(λ)-1)t＝mλ
其中，n1是阶梯光栅的折射率，n2是非线性阶梯KBBF的基频光o光折射率，其数值为1.49252。θ1是衍射角，在本实施例中也是位相匹配角，即为64.2°。把以上数值代入上式，得到满足条件的阶梯光栅常数之间的关系为：
1.3347d-(n1(λ)-1)t＝mλ
根据以上条件选取阶梯光栅常数，包括n1(λ)，t和d，就可以实现本实施例中所述的倍频输出。本实施例中取1级衍射，所使用熔石英材料的折射率为1.47529，取t＝1×10-3mm，得d为0.62583×10-3mm；当然，我们可以根据需要，另行选择光栅常数和衍射的级数及所用的材料。
实施例4：
按图4制作一种本发明的非线性光学晶体激光变频光栅耦合器：一块非线性光学晶体KABO的前端面刻有全息位相光栅，而后端面上镀有全反膜，以构成本实施例的非线性光学晶体激光变频光栅耦合器；非线性光学晶体2是KABO晶体，由于该晶体目前尚不能长出大尺寸的单晶，不易按照位相匹配方向切割；使用本实施例的结构，可在不需要按照位相匹配方向对晶体进行切割的条件下，实现KABO晶体对各种不同基频光波长的倍频转换；KABO晶体前端面的普通光栅是晶体表面的镀膜刻蚀而成；如图4所示，在光线垂直入射的情况下可实现KABO非线性光学晶体从532nm到266nm的倍频转换，图中KABO晶体的光轴方向，即Z轴方向位于晶体入射面内，垂直于入射光；入射光通过衍射光栅之后，将发生衍射；根据光栅的衍射公式，我们可以选择适当的光栅常数d1，使1级衍射的方向正好是532nm到266nm的位相匹配方向，即满足：
no(λ)×d1×sinθ1＝λ1其中，no(λ)等于是入射光的o光折射率，对532nm的入射光而言其数值是1.55666；λ1是入射光的波长532nm；θ1是衍射角，在本实施例中使θ1等于90°减去位相匹配角58.1°，即θ1＝31.9°；把以上数值代入上式，得d1＝0.647×10-3mm；这样，就可以实现入射光的1级衍射方向正好是该波长的位相匹配方法，从而实现倍频过程；晶体的后端面镀有对倍频光，即266nm的高反膜(角度为31.9°)，这样倍频光从晶体的后端面被反射到前端面；由于倍频光的波长是基频光波长的一半，在前端面倍频光的2级衍射正好满足：
no(λ)×d1×sinθ1＝2×λ2其中，λ2上是倍频光的波长，是基频光波长λ1的一半；在本实施例中，入射光的偏振方向垂直于纸面。
实施例5
按图5制作一种本发明的非线性光学晶体激光变频光栅耦合器：一块KBBF非线性光学晶体2的光束晶体前端面和后端面刻成闪耀光栅的形状以构成闪耀光栅，以制成本实施例的非线性光学晶体激光变频光栅耦合器；其中，晶体的Z轴方向和光栅整体平面法线n是平行的；其中，闪耀光栅是利用KBBF晶体本身刻蚀而成的；如图5所示，使用本实施例的非线性光学晶体激光变频光栅耦合器，可实现KBBF非线性光学晶体从400nm到200nm的倍频转换；非线性光学晶体2为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)，根本无法按照位相匹配方向切割，而当制成了图5所示的非线性光学晶体激光变频耦合光栅时，只要基波光沿图所示的方向入射，就能实现基波光(400nm)到倍频光(200nm)的转换；选择适当非线性晶体后端面以上光栅的闪耀角α2和光栅常数d2，可以使m级衍射的方向正好是400nm到200nm的位相匹配方向，从而实现倍频过程。根据公式
no(λ)×d2×(sinθ+sini)＝m×λ1
θ＝2θ1-i
其中，no(λ)等于是入射光的o光折射率，对400nm的入射光而言其数值是1.488；λ1是入射光的波长400nm；θ是衍射角，在本实施例中使θ等于位相匹配角53.2°；选择m为1，即1级衍射方向；选择α2＝30°，得i为6.8°，得d2＝0.292×10-3mm；在本实施例中，基频光不是垂直于非线性晶体表面的，而是成一定角度i1；在本实施例中，i1是10.1°。
反射回非线性晶体前端面的光束，经前端面的衍射光栅衍射出来；根据图5所示，可推导出衍射出来的倍频光束是满足如下条件
no(λ)×d1×cosθ×ctg(90°-θ+α1)+d1×cosθ×sin(90°-θ+α1)×cosi2＝m×λ2
其中，θ为53.2°；m是衍射的级数；我们选择前端面的衍射光栅常数同其后端面的一致，即α1＝30°，d1＝0.292×10-3mm；即把数据代入上式，得
0.115+0.2684×cosi2＝m×0.2
取m为1，即1级衍射，得i2为71.5°；当然，我们可以根据需要另行选择前端面的光栅常数。
Claims (10)
1.一种非线性光学晶体激光变频光栅耦合器，包括一非线性光学晶体，其特征在于：非线性光学晶体的前端面上或后端面上单独或同时刻有衍射光栅。
2.按权利要求1所述的非线性光学晶体激光光栅耦合器，其特征在于：所述的衍射光栅为位相型衍射光栅或振幅透过型衍射光栅。
3.按权利要求2所述的非线性光学晶体激光光栅耦合器，其特征在于：所述的位相型衍射光栅为普通平面衍射光栅，闪耀光栅，全息位相光栅和阶梯光栅。
4.按权利要求2所述的非线性光学晶体激光光栅耦合器，其特征在于：所述的振幅透过型衍射光栅为正弦光栅。
5.按权利要求1所述的非线性光学晶体激光光栅耦合器，其特征在于：所述的非线性光学晶体的前端面上刻有衍射光栅，后端面上放置一输出耦合棱镜。
6.按权利要求1所述的非线性光学晶体激光光栅耦合器，其特征在于：所述的非线性光学晶体的前端面上放置一输入耦合棱镜，后端面上刻有衍射光栅。
7.按权利要求1所述的非线性光学晶体激光光栅耦合器，其特征在于：所述的衍射光栅直接刻蚀在非线性光学晶体的前端面上或后端面上或同时直接刻蚀在非线性光学晶体的前端面上或后端面上。
8.按权利要求1所述的非线性光学晶体激光光栅耦合器，其特征在于：所述的衍射光栅刻蚀在镀于非线性光学晶体前端面上或后端面上的镀膜上。
9.按权利要求1所述的非线性光学晶体激光光栅耦合器，其特征在于：所述的衍射光栅刻蚀在以光胶或其它方式沉积在非线性光学晶体前端面上或后端面上的光学材料上。
10.按权利要求9所述的非线性光学晶体激光光栅耦合器，其特征在于：所述的光学材料为玻璃、石英、氟化钙、氟化锂或氟化镁。
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