專利名稱：交叉疊加型激光晶體倍頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光變頻技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
眾所周知，激光變頻是激光技術(shù)中的一個重要領(lǐng)域。非線性光學(xué)晶體變頻(倍頻、和頻、差頻和光學(xué)參量振蕩與放大等)是在激光技術(shù)中最重要、應(yīng)用又已經(jīng)十分廣泛的激光變頻技術(shù)。
通過非線性光學(xué)晶體的非線性光學(xué)效應(yīng)實現(xiàn)激光變頻過程中，變頻的效果(效率、光束質(zhì)量等)深受激光光束質(zhì)量和非線性晶體固有特性的兩個因數(shù)影響。為克服這些影響，以往曾經(jīng)針對各種具體情況采用過一些技術(shù)手段。本發(fā)明是針對發(fā)散度大的激光光束進行激光變頻方面，提出并實施一種全新的非線性晶體倍頻器件——交叉疊加型激光晶體倍頻器。
利用非線性光學(xué)晶體的激光變頻，包括倍頻、和頻、差頻、光參量振蕩與放大等幾種形式。轉(zhuǎn)換效率是激光變頻首先要考慮的指標。影響變頻效果(這里指轉(zhuǎn)換效率和諧波光光束質(zhì)量)的重要因素主要是激光光束質(zhì)量(如光束發(fā)散度、光譜線寬、脈寬等空間、時間和單色性特性)和非線性晶體的一些固有特性(如允許角寬、允許線寬、離散角寬、溫度穩(wěn)定性等)的局限性。
倍頻是二次諧波產(chǎn)生(SHG)的簡稱，是三波耦合過程中和頻的一種特例。其作用過程的數(shù)學(xué)表示是1λ1+1λ1=1λ2.]]>其中，λ1是基波光，即被變頻的激光；λ2就是倍頻光。由此可見，在SHG情況下，λ1＝2λ2。
其物理過程是，當兩束基波光λ1通過已經(jīng)按照相位匹配要求加工好的非線性光學(xué)晶體片時，由于三波耦合(λ1，λ1，λ2)作用而產(chǎn)生倍頻光λ2。在低功率的情況下，其倍頻轉(zhuǎn)換效率η與相位匹配的關(guān)系，由關(guān)系式η∝Pλ1L2(deffsinΔKL2ΔKL2)2]]>確定。式中，ΔK為相位失配因子，Pλ1是基波λ1光功率密度，L是非線性晶體的通光長度，deff是在給定波長條件下滿足相位匹配時的有效倍頻系數(shù)。相位失配因子ΔK與相位匹配角的幾何關(guān)系，在一級近似情況下是ΔK∝(Δθ)2。
這里，Δθ正是上述所說的晶體的允許角(或稱接收角、容許角)寬度。其中一個最佳情況是，當ΔKL/2→0時，相位因子(sin(ΔKL/2)/ΔKL/2)2→1，倍頻輸出功率可以達到最大。由此可見，相位因子，實際上也可以說就是失配因子對倍頻轉(zhuǎn)換效率η的影響很大。比如，當要倍頻某個有≤3mrad發(fā)散度的激光束(如一般商用Nd:YAG激光束)時，若采用接收角寬度只有1mrad左右的BBO或KDP晶體的話，就有可能將會造成一半以上的光能由于不滿足相位匹配條件而浪費掉，如果采用接收角大概有5mrad(對λ1≈1um而言)的LBO晶體，就可以基本挽回這部分能量的損失，從而提高了倍頻轉(zhuǎn)換效率?？墒?，對于像LD激光束，或通過光纖耦合輸出的各種激光光束，或者已經(jīng)通過強聚焦輸出的各種激光光束來說，發(fā)散度都很大，一般都有0.1-1rad.的發(fā)散角，這時，任何非線性光學(xué)晶體的接收角都無法滿足這樣的苛刻要求，只有通過非線性晶體器件的設(shè)計來解決問題。這個發(fā)明就是為此提出并實施的一種技術(shù)解決方式。
本發(fā)明器件的設(shè)計思想，基于非線性光學(xué)晶體在激光變頻中，一方面由于晶體的雙折射作用，對某一特定激光波長的相位匹配角(假設(shè)為θm)失配很敏感，會給變頻轉(zhuǎn)換效率帶來嚴重影響，如上列表示式所示，表示諧波輸出與相位匹配角度關(guān)系之一的允許角Δθ的全寬半最大(FWHM)寬度小?？墒牵硪环矫嬗煞蔷€性晶體結(jié)構(gòu)空間對稱性決定的相位匹配時的方位角(假設(shè)為φ)對相位匹配的影響，與Δθ相比就不敏感了，而且它影響的主要是晶體的有效倍頻系數(shù)deff。例如，對于點群為32的單軸光學(xué)晶體而言，其I類和II類相位匹配情況下的有效非線性系數(shù)可分別表示為(deff)I＝d11cosθcos3φ，(deff)II＝d11cos2θcos3φ。
很明顯，方位角的影響主要表現(xiàn)在強度的方位角寬，這個空間因數(shù)對相位匹配角度的調(diào)節(jié)影響很低。
θ表示波矢 方向與晶體折射率主軸坐標系oxyz中z軸的夾角，φ表示波矢 在xoy平面上的分量同x軸的夾角，我們在這里把它稱為方位角。
據(jù)此，針對發(fā)散度較大的激光束的倍頻過程中，考慮在非線性晶體垂直于入射光的兩維(θ，φ)通光平面上，對其中一維θ在相位匹配中很敏感，它是由晶體雙折射決定的，與波長有嚴格互為依存的關(guān)系；而對另一維φ對角度的關(guān)系卻不太敏感，它與雙折射無關(guān)，因而與波長無關(guān)，它只是由幾何空間結(jié)構(gòu)決定的幾何因素。非線性光學(xué)晶體的這種特性表明，在倍頻器件設(shè)計中，可以充分利用φ角對相位匹配角影響甚小的事實，將非線性倍頻晶體分成幾段(幾片)，同時將這些晶片彼此相對旋轉(zhuǎn)一定角度，使偏離θ維方向未被倍頻的基波光在φ維方向上得到倍頻。
本發(fā)明同時可以兼顧解決的另一個問題是，可以適當克服非線性光學(xué)晶體的光孔效應(yīng)(也稱離散效應(yīng)，或走離效應(yīng))。此效應(yīng)是晶體本身的雙折射等效應(yīng)造成的基波光與倍頻光之間的離散現(xiàn)象，它不僅限制了晶體內(nèi)的有效作用長度，而且同樣會嚴重影響倍頻的轉(zhuǎn)換效率和諧波輸出的光束質(zhì)量。
離散現(xiàn)象是由于光線方向與波法線方向的不同，造成輸入光束(基波光)與輸出光(倍頻光)光束在晶體中分開一定的角度——常將其稱之為離散角ρ，也稱之為走離角的現(xiàn)象。當基波光的方向 時，倍頻光的方向ρ2在橢球折射率面的法線方向上，ρ1、ρ2之間的夾角——ρ受非線性晶體雙折射率大小直接影響，雙折射率越大，ρ越大；不同基波光相應(yīng)于不同的相位匹配角θm，而ρ值又與相位匹配角的角值有一定的關(guān)系，一般ρ∝sin2θm。
為了克服走離現(xiàn)象帶來的不利影響，除了在極少數(shù)非線性光學(xué)晶體中能采用非臨界相位匹配(NCPM)技術(shù)得以避免之外，對于大多數(shù)只能通過臨界相位匹配過程實現(xiàn)變頻的非線性光學(xué)晶體來說，可以通過一對等長的晶體片組裝成的器件才能使倍頻效果得到改進，這就是已經(jīng)得到應(yīng)用的所謂走離補賞技術(shù)。走離補賞的原理，是采用兩片走離方向相反的相位匹配角嚴格相同而又等長的一對晶體片，使光束在前一片晶體中產(chǎn)生的走離度，能在后一片光程相同的晶體中剛好得到補賞(矯正)的技術(shù)。實際上，就是前后兩片相同材料晶體的切割角度和通光長度完全相同的晶體片，在器件中配置成使它們的Z軸相對于入射光方向放置成使基波光的非常偏振光的偏離走向相反，從而互成2ρ°的角度。同理，本發(fā)明倍頻器件的疊加效果實際上也能起到同樣的部分補賞作用。這個補賞作用又自然具有增加光束在非線性晶體中的有效作用長度L，從而又進一步使轉(zhuǎn)換效率η得到提高，這可以從上述轉(zhuǎn)換效率η關(guān)系式(η∝L2)可以看出來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對非線性光學(xué)晶體在激光變頻中的一些固有缺點，根據(jù)除了由雙折射決定的相位匹配接收角小的局限性之外，還有由空間結(jié)構(gòu)對稱性決定的接收角大的特點，利用非線性晶體片疊加組合方法，發(fā)明一種特別適用于光束發(fā)散度較大的激光光源實施倍頻的交叉疊加型晶體倍頻器器件，及其構(gòu)成方法。
首先，明確倍頻對象和要求，針對需要實施倍頻的激光光束確實屬于發(fā)散度比較大(≥10mrad)的激光光源，如LD半導(dǎo)體激光，或任何經(jīng)過強聚焦輸出的激光，或是通過光纖耦合輸出的激光光束。
其次，根據(jù)需要倍頻的激光波長，在眾多的無機、有機、絡(luò)合型或半導(dǎo)體晶體中選擇適用的非線性光學(xué)晶體。即，選擇一種從透光范圍、相位匹配范圍、有效倍頻系數(shù)、激光功率密度承受能力和抗潮等參數(shù)都滿足要求的非線性晶體。比如，對于中紅外激光，要選用HgGa2S4等半導(dǎo)體非線性晶體；對于近紅外激光倍頻除了可以選用AsGaS等半導(dǎo)體晶體外，也可以選用KTP、KTA、LiNO3等無機非線性晶體；對于近紅外-可見光區(qū)的倍頻，可以選用KN、BBO、LBO、CLBO、KTP、KTA、LiIO3、LiNO3等無機非線性晶體，也可以選用POM、p-MHB等有機非線性晶體，或選用CMTC、ZCTC等絡(luò)合型非線性晶體；對于可見光-紫外光區(qū)的倍頻可以選用BBO、CLBO、KBBF、SBBO、Urea等無機非線性晶體。
再次是計算，按照確定的倍頻波長和選定的非線性晶體，通過計算確定相位匹配的類型，并計算出相應(yīng)的相位匹配角。我們注意到，晶體的選擇與計算實際上要適當?shù)耐瑫r考慮，主要是考慮對于不同的倍頻波長和相位匹配類型對有效倍頻系數(shù)大小的影響。
然后，按照相位匹配角的計算結(jié)果，用X光衍射定向儀，對確定選用的晶體準確定向——準確定出倍頻的相位匹配方向。接著按照定向結(jié)果將選用的非線性晶體切割、加工出倍頻器件的長方形柱體毛坯塊料，并保證柱體橫截面是垂直于相位匹配方向的通光面，柱體棱邊與通光面的垂直度要求＜5’。在此基礎(chǔ)上，將該柱面體晶體塊平行于通光面切割出一定數(shù)量的晶體薄片，其厚度可以在0.1-10mm范圍選擇，此后將所有晶體片在同一拋光盤上拋光出通光面。加工時(從切割-拋光-卸盤-包裝的整個過程)，必須標記住各晶體片彼此棱邊的相對位置，以便于安裝組合時對于方位的識別。
如按照定向結(jié)果將選用的非線性晶體切割、加工出倍頻器件的圓柱體毛坯塊料，需要在圓柱體側(cè)面刻畫出一條等高線，作為組裝器件時安排每個晶體片之間關(guān)系的參考記號。
對于難于獲得優(yōu)質(zhì)塊狀的非線性光學(xué)晶體，不可能切割出柱體形狀的毛坯塊料，有些(一般難于生長的新材料)只能逐片定向、研磨出垂直于相位匹配方向的多塊晶體片，這時要求從定向工序開始就要注意各晶體片中某一個結(jié)晶軸方位或生長棱的標記；有些晶體(如，KBBF)甚至無法研磨出垂直于相位匹配方向的通光面，這時只能就以該晶體自然生長面作為通光面，同樣，一開始就要標記住其生長棱方位，以便組合時識別。
最后是將這些拋光好的倍頻晶體片，采用一種組合方式(緊緊粘合或緊靠)依次排列組成一個完整的交叉疊加型非線性晶體倍頻器器件。組合方式，可以是采用機械式固定排列，也可以采用膠合，或采用光膠等任何一種方式。在將這些晶體片粘合起來之時，必須參考晶體片加工時的棱邊記號(如圖1所示)，做到使每片晶體片的棱邊互成一定的角度，當晶體片片數(shù)僅有兩片時，有記號的棱邊彼此互成90°4片時彼此互成45°
經(jīng)過上述各步驟完成這種交叉疊加型非線性晶體倍頻器器件的制作之后，將此器件置于發(fā)散度較大(≥10mrad)的激光束束腰位置實施倍頻。由于其兼顧到了上下左右立體角范圍的相位匹配條件，因而很容易觀察到倍頻現(xiàn)象，再經(jīng)過相位匹配的進一步調(diào)整之后就可得到較滿意的倍頻效果。在還沒有對倍頻輸出光束進行耦合輸出整直時，就可以觀察到特定形狀的花型光斑，如圖2所示，當只用2片晶體片時的光斑是類似十字型的光斑；當用4片晶體片時的光斑則類似于雪花型的8瓣花型；而像常規(guī)那樣只用1片非線性晶體片時的光斑是一字型的。這些花型光斑足以說明了交叉疊加型非線性晶體倍頻器的效果，只要有一定數(shù)量的晶體片，它就可將發(fā)散度大的激光光束幾乎在整個全方位立體角范圍內(nèi)的光能都“收集”起來實現(xiàn)倍頻輸出。
由這個方法制作的非線性晶體倍頻器，既可以提高激光倍頻的轉(zhuǎn)換效率，又可以改善變頻光光束的質(zhì)量。同時可以使雙折射率大的非線性光學(xué)晶體(這類晶體的非線性光學(xué)效應(yīng)往往特別大)得到更廣泛的開拓應(yīng)用。此外，交叉疊加型激光晶體倍頻器在裝配、使用時，對相位匹配調(diào)節(jié)的要求遠遠不會像單塊晶體變頻器件那么嚴格。


圖1為BBO晶體交叉疊加型非線性晶體倍頻器示意圖。1為倍頻器前面的輸入光束(基波光)；2為第一BBO晶體片；3為第二BBO晶體片；為保證彼此的方位相同，2與3兩片BBO晶體都是在已經(jīng)按照相位匹配的要求(θ＝25.1°，φ＝0°)定向妥的同一塊BBO晶體上切割加工出來的，做到它們的晶棱方位彼此一一對應(yīng)，兩晶體片晶棱之間的“方位”用箭號示意互成90°圖2為非線性晶體倍頻器輸出光斑形貌與晶體片片數(shù)之間的關(guān)系示意圖。其中，(a)、(b)、(c)分別表示只由1、2、4片晶體片實施倍頻時的光斑形貌。
具體實施例方式
實施例一 用BBO晶體制作交叉疊加型非線性晶體倍頻器，倍頻940nmLD激光大發(fā)散度激光束實現(xiàn)藍光輸出。
選用雙折射率比較大的典型無機非線性晶體——BBO晶體作為一個實例，并以I類相位匹配形式制作變頻激光器中的交叉疊加型激光晶體倍頻器。在這已經(jīng)確定特定波長和匹配類型的情況下，我們計算得出，晶體的有效倍頻系數(shù)deff＝1.42(pm/V)，允許角寬δθ＝0.778(mrad-cm)，允許波長帶寬δλ＝0.5935(nm-cm)，離散角ρ＝3.417(deg.)，而相位匹配角是θ＝25.1(deg.)，φ＝0(deg.)。根據(jù)計算結(jié)果，定向、切割、研磨、整形、拋光出4片BBO晶體片(晶體片的尺寸是5×5×3mm)，并對每片晶體通光面都鍍上防潮保護增透膜之后，按圖1中的示意組裝成為一個交叉疊加型激光晶體倍頻器(圖中只示意兩片晶體片的情況)。組裝方式是機械排列疊加，采用這種疊加方式是為了有利于研究、表示本發(fā)明器件不同狀態(tài)(不同晶體片片數(shù))下倍頻輸出光斑的形貌和功率。
用上述組裝起來的交叉疊加型BBO晶體倍頻器置于圖1所示的激光光腰中實施倍頻。倍頻光輸出的光斑圖象像圖2所示那樣。由于本實施中采用機械方式組裝固定，因此很方便分別觀測1片、2片和4片時的倍頻效果——輸出的光斑形貌和倍頻輸出功率。對不同晶體片片數(shù)時測得的倍頻光輸出功率列于下表。從表中可見，交叉疊加型晶體倍頻器的倍頻效果是顯著的，同時也說明，本發(fā)明的這種器件使雙折射率大的非線性晶體同樣可以用來倍頻發(fā)散度大的激光束。這里順便說明一下，本發(fā)明實施例子中，使用的LD激光光源的線寬都比較寬，足有≥4nm，遠遠大于晶體的允許波長帶寬δλ。

實施例二 選用新近生長的新型非線性晶體GAB晶體制作交叉疊加型非線性晶體倍頻器，倍頻由光纖耦合輸出的940nm LD激光束實現(xiàn)藍光輸出。使用的LD光源與實施例一相同。
GAB晶體是新的倍頻晶體材料，實施本發(fā)明之時還沒有可提供制作以往意義器件的塊狀尺寸晶體，因此，用該晶體的小尺寸晶體片分別加工出兩個晶體片(加工時只需記住它某個特征生長棱方位，就可以在組合它們?yōu)槠骷r把握它們的相對方位關(guān)系)，然后用這兩片晶體片組合成一個交叉疊加型非線性晶體倍頻器。該晶體屬于單軸光學(xué)晶體，我們以I類相位匹配形式制作倍頻器。在這特定波長和匹配類型情況下，我們經(jīng)過計算得出，晶體的有效倍頻系數(shù)deff＝1.199(pm/V)，允許角寬δθ＝1.138(mrad-cm)，允許波長帶寬δλ＝0.5911(nm-cm)，離散角ρ＝2.365(deg.)，而相位匹配角是θ＝33.65(deg.)，φ＝0(deg.)。根據(jù)計算結(jié)果，修正晶體片通光面為相位匹配通光面，整形、拋光出2片GAB晶體片(晶體片的尺寸是5×4×2mm)，對每片晶體通光面都鍍上增透膜之后，按圖2的示意的組合方式組裝成為交叉疊加型激光晶體倍頻器。組裝方式是機械排列疊加式。
將組裝妥的交叉疊加型GAB晶體倍頻器置于圖1所示的激光光腰中實施倍頻。倍頻光輸出的光斑圖象像圖2所示那樣，其倍頻光輸出功率。機械式的疊加方便于觀測單片、兩片晶體片時的輸出功率，在基波功率相同情況下，測得單片、兩片疊加時的倍頻輸出功率分別為4.5mW和7.8mW。表明，本發(fā)明的這種器件也可以使尺寸小的非線性晶體得到充分利用，對于探索新材料階段表征非線性晶體的應(yīng)用前景很有用。
權(quán)利要求
1.交叉疊加型激光晶體倍頻器，其特征在于倍頻器由兩片或兩片以上非線性光學(xué)晶體片，將通光面按照互成一定角度關(guān)系，采用前后疊加方式組成；這個角度關(guān)系為制成倍頻器的各晶體片的任意一個相同的結(jié)晶軸在各個晶體片相位匹配通光面上的投影之間的角度關(guān)系，其數(shù)值關(guān)系是，首先保證各個晶體片上的這種投影不重合；其次是不管晶體片的片數(shù)為單數(shù)或雙數(shù)，各晶體片上的這種投影要求合理的對稱分布。
2.如權(quán)利要求1所述的交叉疊加型激光晶體倍頻器，其特征在于所述的疊加方式為機械式固定排列方式，或采用膠合方式，或采用光膠方式。
3.如權(quán)利要求1或2所述的交叉疊加型激光晶體倍頻器，其特征在于所述的非線性光學(xué)晶體為各種晶類的無機晶體，或有機晶體，或金屬離子絡(luò)合物晶體，或自變頻晶體。
4.權(quán)利要求1的交叉疊加型激光晶體倍頻器的制備方法，其特征在于對確定選用的晶體準確定向，接著按照定向結(jié)果切割、加工出倍頻器件的長方形柱體毛坯塊料，并保證柱體橫截面是垂直于相位匹配方向的通光面，柱體棱邊與通光面的垂直度要求＜5’，將該柱面體晶體塊平行于通光面切割出一定數(shù)量的晶體薄片，拋光出通光面，加工時必須標記住各晶體片彼此棱邊的相對位置，采用機械式固定排列、或采用膠合、或采用光膠其中一種方式將這些晶體片粘合起來，粘合時參考晶體片加工時的棱邊記號，使每片晶體片的棱邊互成一定的角度，當晶體片片數(shù)僅有兩片時，有記號的棱邊彼此互成90°4片時彼此互成45°
5.權(quán)利要求1或2的交叉疊加型激光晶體倍頻器的用途，其特征在于該倍頻器用于任何輸出形式的LD激光的直接倍頻。
6.權(quán)利要求1和2的交叉疊加型激光晶體倍頻器的用途，其特征在于該倍頻器用于任何發(fā)散度，特別是發(fā)散度大的激光光束的直接倍頻。
7.權(quán)利要求1和2的交叉疊加型激光晶體倍頻器，其特征在于其變頻的相位匹配形式為I類，或為II類的共線相位匹配形式。
8.如權(quán)利要求1和2的交叉疊加型激光晶體倍頻器，其特征在于其變頻器件的相位匹配也可以通過改變晶體的溫度來實現(xiàn)。
9.權(quán)利要求1和2的交叉疊加型激光晶體倍頻器的用途，其特征在于該倍頻器的構(gòu)造形式用于和頻或差頻或光參量振蕩與放大過程。
全文摘要
交叉疊加型激光晶體倍頻器涉及激光變頻技術(shù)領(lǐng)域。它由是由多片相同的、已經(jīng)滿足相位匹配條件的倍頻晶體片彼此互成一定的角度疊加而成。交叉疊加型激光晶體倍頻器，結(jié)構(gòu)緊湊、簡單、使用方便、成本低的實用性。它在發(fā)散度大的激光束的倍頻中，不僅可以提高倍頻輸出效率，而且可以改善倍頻輸出光斑的光束質(zhì)量，同時還可以適當?shù)匮a賞掉激光在非線性晶體中的離散效應(yīng)，對于雙折射特別大的非線性晶體還可以得到新的開拓應(yīng)用。對于采用非線性光學(xué)晶體對半導(dǎo)體激光器LD、大光斑輸出激光強聚焦輸出光的倍頻等變頻方面尤其適用。
文檔編號H01S3/109GK1622402SQ20031011526
公開日2005年6月1日 申請日期2003年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月27日
發(fā)明者吳柏昌, 涂朝陽, 黃燕, 朱昭捷, 李堅富 申請人:中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所