CN1448758A - 一种非线性光学晶体激光变频位相匹配器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的非线性光学晶体激光变频位相匹配器，包括一非线性光学晶体，非线性光学晶体的上下两面平行，其侧面为基频光的入射端面，该入射端面切成使基频光直接入射或通过耦合器入射到晶体内能够达到相位匹配角，非线性光学晶体的侧面均可为出射端面。本发明位相匹配器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，充分利用晶体体积，增加晶体有效长度，提高频率转换效率，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
本发明涉及一种激光变频位相匹配器，特别涉及一种非线性光学晶体激光变频位相匹配器。
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 Revisedand updated 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，有的晶体体积小，切割为相位匹配方向后厚度薄，即作用长度短，频率转换效率低。例如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，根据计算，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)扩展到184.7nm，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)。由于KBBF晶体的层状结构习性，目前仅能生长出～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。根据文献2(C.T.Chen，Z.Y.Xu，D.Q.Deng，J.Zhang，G.K.Wong，B.Wu，N.Ye andD.Tang，“The vacuum ultraviolet phase-matching characteristics of nonlinearoptical KBe2BO3F2 crystal”，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。而采用本发明，则可实现KBBF晶体470nm以下基频光的倍频输出，并且可以成倍增加晶体作用长度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述非线性光学晶体存在着不易、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缺陷，而提供一种不用按相位匹配方向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，并充分利用晶体体积，增加晶体有效长度的非线性光学晶体激光变频位相匹配器。
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位相匹配器，包括一非线性光学晶体，其特征在于：所述的非线性光学晶体的上下两面平行，其侧面为基频光的入射端面，该入射端面切成使基频光直接入射或通过耦合器入射到晶体内能够达到相位匹配角，非线性光学晶体的侧面均可为出射端面。
所述的基频光在非线性光学晶体内平行的两面上全反射，在晶体内传输，实现相位匹配，产生变频光，从其侧面出射，出射端面切成能够使光线出射即可，光束可以从所述的非线性光学晶体激光变频位相匹配器的同一个面入射和出射，也可以从它的不同面入射和出射。
所述的非线性光学晶体激光变频位相匹配器各面可以直接与空气接触使用，也可以在其上镀膜或使用匹配液。
所述的非线性光学晶体激光变频位相匹配器，可以在晶体的入射端面和/或出射端面上利用超光滑表面实现晶体表面与耦合棱镜的光接触(即靠光胶黏结)，分别粘接一个入射耦合棱镜和出射耦合棱镜，耦合器如棱镜耦合、光栅耦合。
所述非线性光学晶体激光变频位相匹配器的光束入射角可以是0°、布儒斯特角，也可以是其它角度。
所述非线性光学晶体激光变频位相匹配器的光束出射角可以是0°、布儒斯特角，也可以是其它角度。
所述的非线性光学晶体激光变频位相匹配器的光束入射面平行或不平行该非线性光学晶体激光变频位相匹配器的光束出射面。
所述的非线性光学晶体包括：KBe2BO3F2(KBBF)、K2Al2B2O7(KABO)，BaAl2B2O7(BABO)，也可以是其它非线性光学晶体。
本发明的优越性：由于有些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，无法实现某些波长的倍频转换。而本发明的激光变频位相匹配器，在不需要按照位相匹配方向对晶体进行切割的条件下，可以实现KBBF晶体对354.7nm的倍频频率转换，达到可以充分利用晶体现有体积的目的。
本发明提供的非线性光学晶体激光变频位相匹配器，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；本发明的位相匹配器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，充分利用晶体体积，增加晶体有效长度，提高频率转换效率，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。
KABO晶体目前尚不能生长出大尺寸的单晶，如果按照位相匹配方向切割，厚度小，作用长度短，频率转换效率低。使用本发明的技术方案，可将作用长度增加4倍，充分利用晶体体积，大大提高频率转换效率。
附图说明：
图1是本发明的非线性光学晶体激光变频位相匹配器的一个实施例的示意图；
图2为本发明的激光变频位相匹配器的另一个实施例的示意图；
图3为本发明的激光变频位相匹配器的又一个实施例的示意图；
图面说明：
A-基频光； B-倍频光；
1-非线性光学晶体； 2-非线性光学晶体表面的镀膜；
3-入射耦合棱镜； 4-出射耦合棱镜；
5-入射端面 6-出射端面；
N-非线性光学晶体表面法线； Z-非线性光学晶体光学轴Z轴；
α1-非线性光学晶体入射端面与晶体表面的夹角；
α2-非线性光学晶体出射端面与晶体表面的夹角；
θi-光线入射角； θo-光线出射角；
θb-布儒斯特角；
θPM-位相匹配角； φPM-位相匹配角；
θ1-入射耦合棱镜顶角； θ2-出射耦合棱镜顶角；
d-非线性光学晶体厚度； L-非线性光学晶体长度；
具体实施方式：
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位相匹配器：
一块长度L＝6.9mm，厚度d＝0.6mm的KBBF非线性光学晶体1，该晶体1两个表面相互平行，并且这两个面垂直于晶体的Z轴；非线性光学晶体1的一侧面为入射端面5，入射端面5切成与非线性光学晶体1表面夹角α1＝66°；非线性光学晶体1的另一侧面为出射端面6，出射端面6切成与非线性光学晶体1表面夹角α2＝80°，构成本实施例的非线性光学晶体激光变频位相匹配器。
波长为354.7nm的基频光A以0°角入射，在非线性光学晶体1内可达到六倍频的位相匹配角θPM＝66.33°，实现354.7nm到177.4nm的频率转换，光线在非线性光学晶体1的两个表面上发生全反射，继续实现相位匹配并传输，产生的波长为177.4nm的倍频光B以布儒斯特角θb＝34°出射。
非线性光学晶体1是KBBF晶体，该晶体生长为薄片形，表面垂直于其Z轴。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，无法实现470nm以下波长的倍频转换。使用本实施例的结构，在不需要按照位相匹配方向对晶体进行切割的条件下，可以实现KBBF晶体对354.7nm的频率转换，并且可以充分利用晶体现有体积。
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位相匹配器：
一块长度L＝3.2mm，厚度d＝1mm的KABO非线性光学晶体1，该非线性光学晶体1有两个相互平行的表面，这两个表面垂直于晶体的Z轴；非线性光学晶体1的一侧面为入射端面5，同时也是出射端面6，该侧面切成与非线性光学晶体1表面垂直；非线性光学晶体1的另一个侧面镀532nm和266nm高反膜2，构成本实施例的非线性光学晶体激光变频位相匹配器。
图2中，波长为532nm的基频光A以θi＝55.3°入射，在晶体内与光轴Z轴的夹角为θPM＝58.1°，达到四倍频(532nm→266nm)的位相匹配角，实现位相匹配，产生波长为266nm的倍频光B。光线在上下两面上发生全反射，在镀有532nm和266nm高反膜的侧面上反射，并继续在晶体内传输和实现相位匹配，光线从入射面出射。
特别是KABO晶体目前尚不能生长出大尺寸的单晶，如果按照位相匹配方向切割，厚度小，作用长度短，频率转换效率低。使用本实施例，可将作用长度增加4倍，充分利用晶体体积，大大提高频率转换效率。
实施例3：
按图3制作一种本发明的非线性光学晶体激光变频位相匹配器：
一块长度L＝5.16mm，厚度d＝1mm的KBBF非线性光学晶体1，该晶体1有两个相互平行的表面，这两个表面垂直于晶体的Z轴；非线性光学晶体1的一侧面为入射端面5，该侧面切成与晶体表面垂直；晶体1的另一个侧面为出射端面6，该侧面也切成与晶体表面垂直；在晶体的入射端面5和出射端面6上使用超光滑表面实现晶体表面与耦合棱镜的光接触(即靠光胶黏结)，分别粘接一个入射耦合棱镜3和出射耦合棱镜4，入射耦合棱镜3和出射耦合棱镜4分别是顶角θ1＝54.6°和顶角θ2＝52.6°的熔石英材料直角棱镜，构成本实施例的非线性光学晶体激光变频位相匹配器。
一波长为532nm的基频光A垂直入射到棱镜4，在晶体内与光轴Z轴的夹角为θPM＝36.4°，达到KBBF晶体四倍频(532nm→266nm)的位相匹配角，实现位相匹配，产生波长为266nm的倍频光B。光线在上下两面上发生全反射，继续在晶体内传输和实现相位匹配，倍频光B从晶体的另一个面以θo＝52.6°出射到棱镜5，垂直出射。
KBBF晶体生长为薄片形，目前还无法长出大尺寸的单晶，厚度仅在1mm左右，无法按照相位匹配方向切割，实现四倍频时入射角大，损耗很大。使用本实施例，可以在不切割晶体的情况下实现KBBF晶体的四倍频，并且将晶体的有效长度增加为8.7mm，从而大大提高频率转换效率。
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位相匹配器：
一块晶体长度L＝3.6mm，厚度d＝3mm的LBO非线性光学晶体1，该晶体1的两个表面相互平行，并且垂直于晶体的X轴，这两个表面镀有1064nm和532nm高反膜2；非线性光学晶体1的一侧面为入射端面5，该入射端面5切成与晶体表面的夹角α1＝168.7°；晶体1的另一个侧面为出射端面6，该出射端面6切成与晶体表面的夹角α2＝168.7°，构成本实施例的非线性光学晶体激光变频位相匹配器。
一波长为1064nm的基频光A以0°角入射，在晶体内可达到二倍频的位相匹配角φPM＝11.3°，实现1064nm到532nm的频率转换，光线在晶体镀有1064nm和532nm高反膜的两个表面上发生全反射，继续实现相位匹配并传输，产生的波长为532nm的倍频光B以0°角出射。
LBO是常用的二倍频晶体，按照位相匹配方向切割的大尺寸单晶价格昂贵。使用本实施例，仅用3×3.6mm2的晶体，晶体有效长度就达到了18.4mm，并且不必按照位相匹配方向切割，大大减小了需要的晶体体积。
Claims (6)
1.一种非线性光学晶体激光变频位相匹配器，包括非线性光学晶体，其特征在于：所述的非线性光学晶体的上下两面平行，其侧面为基频光的入射端面，该入射端面切成使基频光直接入射或通过耦合器入射到晶体内能够达到相位匹配角，非线性光学晶体的侧面均可为出射端面。
2.按权利要求1所述的非线性光学晶体激光变频位相匹配器，其特征在于：还包括在非线性光学晶体激光变频位相匹配器的各面上镀膜或涂有匹配液。
3.按权利要求1所述的非线性光学晶体激光变频位相匹配器，其特征在于：还包括在晶体的入射端面和/或出射端面上利用超光滑表面实现晶体表面与耦合棱镜的光接触，分别粘接一个入射耦合棱镜和/或出射耦合棱镜。
4.按权利要求3所述的非线性光学晶体激光变频位相匹配器，其特征在于：所述的耦合器包括棱镜耦合、光栅耦合。
5.按权利要求1所述的非线性光学晶体激光变频位相匹配器，其特征在于：该非线性光学晶体激光变频位相匹配器的晶体侧面为入射端面或为出射端面。
6.按权利要求1所述的非线性光学晶体激光变频位相匹配器，其特征在于：所述的非线性光学晶体包括：KBe2BO3F2(KBBF)、K2Al2B2O7(KABO)，BaAl2B2O7(BABO)，也可以是其它非线性光学晶体。
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