專利名稱：特殊切角的硼酸鉍變頻晶體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種特殊切角的硼酸鉍[BiB3O6，簡稱BIBO]晶體激光變頻器件，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
BIBO晶體是一種新型的非線性光學(xué)晶體，雖然早在1962年就已有BIBO晶相的報道，但是直到1999年才有可用于光學(xué)性質(zhì)測試的BIBO單晶出現(xiàn)。BIBO晶體具有易生長、不潮解、物化性能穩(wěn)定、光損傷閾值高、透過波段寬、相位匹配范圍大等特點，典型晶體的尺寸已可達(dá)到25mm×20mm×35mm，重量達(dá)50g。而且，BIBO的有效非線性光學(xué)系數(shù)(deff)較大，高于KTP，BBO，LBO等晶體。BIBO能對1340nm，1064nm，946nm，808nm等波長的激光進(jìn)行有效倍頻產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)等多種可見激光，并且可以實現(xiàn)1064nm與532nm的和頻，產(chǎn)生355nm的紫外光。在倍頻綠光的產(chǎn)生方面，BIBO的性能可與目前應(yīng)用比較普遍的KTP相媲美。在倍頻藍(lán)光及變頻紫外光的產(chǎn)生方面，BIBO則要優(yōu)于KTPKTP僅能實現(xiàn)I類相位匹配，與之相應(yīng)的deff較小且輸出光靠近其紫外透過截止邊(350nm)，所以實用中基本不用；BIBO在這些波段兩類相位匹配都可以實現(xiàn)，因此可采用deff較大的I類相位匹配方式，且不存在吸收問題(紫外透過截止邊位于270nm)，也不存在像BBO，LBO那樣的潮解問題。上述優(yōu)點表明，利用BIBO晶體可制作出高效的變頻光學(xué)器件，尤其是在藍(lán)光以及近紫外光的產(chǎn)生方面優(yōu)勢明顯。但對于BIBO變頻光學(xué)器件的開發(fā)，目前存在兩個問題第一個問題就是最佳相位匹配方向的理論計算。BIBO屬單斜晶系，點群2，是目前所有實用的非線性光學(xué)晶體中對稱性最低的晶體。BIBO的相位匹配方向具有mmm空間對稱性(m分別垂直于晶體的折射率主軸X，Y，Z)。因此，只要考慮空間一個卦限，例如第一卦限(90°≥θ≥0°，90°≥φ≥0°)中的相位匹配方向，就可按mmm對稱性求得空間所有切角器件方向。對稱性理論還確定BIBO晶體的deff應(yīng)具有2/m(m⊥X)空間對稱性。因此，在空間第一卦限(90°≥θ≥0°，90°≥φ≥0°)和第六卦限(180°≥θ≥90°，180°≥φ≥90°)中，deff值是獨立的。只要確定了這兩個卦限的deff值，就可以通過對稱性2/m求出空間所有相位匹配方向的deff值，亦即只要在第一、六卦限找出deff最大值方向(最佳相位匹配方向)，就可以求出空間全部最佳相位匹配方向。受晶體點群對稱性的影響，BIBO非零的二階非線性光學(xué)系數(shù)多達(dá)8個，德國科學(xué)家的測定值為d222＝2.53，d211＝2.3，d233＝-1.3，d231＝2.3，d112＝2.8，d332＝-1.9，d312＝2.4，d132＝2.4。在此基礎(chǔ)上，對deff空間分布的計算非常復(fù)雜，原因有二①上述非線性光學(xué)系數(shù)不是在常用的折射率主軸坐標(biāo)系中測量的，因此計算deff時需要坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)；②現(xiàn)有的多數(shù)計算程序是針對對稱性較高的晶體設(shè)計的，即只考慮第一卦限的情況，而對BIBO而言最佳相位匹配方向的完全確定需要兩個卦限。因此，雖然測定上述非線性光學(xué)系數(shù)的德國科學(xué)家也曾預(yù)見到BIBO的最佳倍頻方向可能位于折射率主平面內(nèi)，但一直未能指出確定切向。第二個問題就是變頻器件的實際加工。加工過程中，空間切向的唯一確定至少需要三個參考面。由于目前實用的多數(shù)非線性光學(xué)晶體對稱性較高，所以加工中不需要區(qū)分卦限，僅需兩個參考面。BIBO是極少數(shù)的、對稱性最低的非線性光學(xué)晶體之一，不同卦限內(nèi)的非線性光學(xué)性質(zhì)差異很大，因此加工中必須區(qū)分卦限，參考面不能少于三個。這樣，與其它晶體相比，BIBO變頻器件的加工更為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述兩個難點問題，本發(fā)明通過理論計算和實驗測定，找出用BIBO晶體制作激光變頻器件時的最佳切角方向，使得按本發(fā)明特殊切角制作的BIBO晶體激光變頻器件具有比現(xiàn)有技術(shù)更高的變頻轉(zhuǎn)換效率，充分發(fā)揮BIBO晶體的變頻特性。
本發(fā)明是由如下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明的主要內(nèi)容是通過理論計算和實驗測定找出了BIBO晶體作為變頻器件的最佳切角方向，也就是對于硼酸鉍晶體器件，倍頻情況下，在入射光波長為780nm～1180nm時切角范圍是θ＝149.5°±5°～175°±5°，φ＝90°±5°；在入射光波長為1180nm～1380nm時切角范圍是θ＝169°±5°～167°±5°，φ＝135.5°±5°～153.7°±5°。對于硼酸鉍晶體器件，和頻情況下，在入射光波長為1064nm，532nm時所述切角范圍是θ＝137.7°±5°，φ＝1300°±5°，或θ＝146.4°±5°，φ＝900°±5°。
硼酸鉍晶體在入射光波長為780nm時切角為θ＝149.5°±5°，φ＝90°±5°。
硼酸鉍晶體在入射光波長為808nm時切角為θ＝151.9°±5°，φ＝90°±5°。
硼酸鉍晶體在入射光波長為914nm時切角為θ＝159.7°±5°，φ＝90°±5°。
硼酸鉍晶體在入射光波長為946nm時切角為θ＝161.7°±5°，φ＝90°±5°。
硼酸鉍晶體在入射光波長為1053nm時切角為θ＝168.2°±5°，φ＝90°±5°。
硼酸鉍晶體在入射光波長為1064nm時切角為θ＝168.9°±5°，φ＝90°±5°。
硼酸鉍晶體在入射光波長為1180nm時切角為θ＝175°±5°，φ＝90°±5°。
硼酸鉍晶體在入射光波長為1185nm時切角為θ＝169°±5°，φ＝135.5°±5°。
硼酸鉍晶體在入射光波長為1319nm時切角為θ＝167.9°±5°，φ＝151.3°±5°。
硼酸鉍晶體在入射光波長為1342nm時切角為θ＝167.4°±5°，φ＝152.1°±5°。
硼酸鉍晶體在入射光波長為1380nm時切角為θ＝167°±5°，φ＝153.7°±5°。
根據(jù)BIBO晶體的折射率色散方程，可以計算出不同波長處的相位匹配曲線(包括I類和II類)。圖1是BIBO晶體對1064nm激光的計算結(jié)果，實線表示I類相位匹配，虛線表示II類相位匹配。圖中繪制了第一卦限(90°≥θ≥0°，90°≥φ≥0°)和第六卦限(180°≥θ≥90°，180°≥φ≥90°)的情況。
將BIBO晶體的相位匹配曲線與非線性光學(xué)系數(shù)相結(jié)合，并且考慮到不同坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換，編制計算機程序，得到deff在第一、第六兩個卦限的空間分布。圖2是BIBO晶體對1064nm激光deff的計算結(jié)果。由圖2可知最大的deff出現(xiàn)在第六卦限的φ＝90°方向上，結(jié)合圖1可以確定BIBO晶體制作1064nm激光倍頻器的最佳切角為θ＝168.9°，φ＝90°。
圖3是BIBO晶體對1319nm激光的相位匹配曲線，圖4是BIBO晶體對1319nm激光deff的空間分布曲線。由圖4可知最大的deff出現(xiàn)在第六卦限的φ＝151.3°方向上，結(jié)合圖3可以確定BIBO晶體制作1319nm激光倍頻器的最佳切角為θ＝167.9°，φ＝151.3°。
圖5是BIBO晶體對1064nm與532nm激光和頻的相位匹配曲線，產(chǎn)生355nm的紫外光。圖6是相應(yīng)的deff空間分布曲線。由圖6可知最大的deff出現(xiàn)在第六卦限的φ＝130°方向上，結(jié)合圖5可以確定BIBO晶體制作1064nm與532nm激光和頻器件的最佳切角為θ＝137.7°，φ＝130°。與產(chǎn)生可見光的激光變頻相比，產(chǎn)生紫外光的激光變頻容限角明顯減小，走離角明顯增大，這些特性不利于變頻效率的提高。因此，對于產(chǎn)生紫外光的激光變頻，還應(yīng)考慮容限角、走離角的影響。由圖6可知，第六卦限φ＝90°的deff與φ＝130°的deff相差不大，而前者比后者有更大的容限角和更小的走離角，因而也是較佳的相位匹配方向，結(jié)合圖5可知相應(yīng)的切角為θ＝146.4°，φ＝90°。
對于BIBO晶體，其它各波長激光倍頻器的最佳切角均根據(jù)上述原理獲得。
BIBO晶體的折射率主軸(X，Y，Z)與結(jié)晶學(xué)主軸(a，b，c)不完全一致。通過實驗確定出如下關(guān)系X//b，(Y，c)＝47.2°，(Z，a)＝31.6°，如圖7所示，其中X、Y、Z的定義遵循nX＜nY＜nZ原則。
BIBO原生晶體的顯露面有(001)、(111)、(110)、(111)等，這些面可以利用X射線衍射法加以確定。通過這些顯露面之間的方位關(guān)系可以初步判定a、b、c軸的方向。利用(001)面垂直于(010)面、(111)面與(010)面成129°、(111)面與(010)面成51.7°這幾個關(guān)系，加工出(010)面，也就定出了b軸(X軸)。根據(jù)(010)面垂直于(001)面、(010)面垂直于(100)面、(001)面與(100)面成105.6°，在已知(010)面和(001)面的情況下可以加工出(100)面。利用(001)面與Y軸成148.4°、(001)面與Z軸成58.4°、(100)面與Z軸成132.8°，確定出折射率主軸Y和Z。下面就可以按照需要的相位匹配方向加工晶體。整個加工過程與其它對稱性較高的晶體相比復(fù)雜了許多。
用鈦寶石可調(diào)諧激光器進(jìn)行946nm倍頻實驗。激光器的輸出波長固定于946nm，光束在進(jìn)入晶體之前用一f＝15cm的透鏡聚焦。由附表可知，對于具有相同長度的樣品1、2、3，deff的計算值越大，相應(yīng)方向倍頻轉(zhuǎn)換效率的實測值就越高。理論計算與實驗完全相符，驗證了本發(fā)明的結(jié)論，即(161.7°，90°)是946nm的最佳倍頻方向。對于低對稱性的BIBO晶體，現(xiàn)有技術(shù)未考慮deff在不同卦限的各向異性，習(xí)慣性地選擇第一卦限的相位匹配方向加工晶體，即(18.3°，90°)。本發(fā)明證實，加工中必須對第一、第六兩個卦限加以區(qū)分。946nm的最佳倍頻方向位于第六卦限的(161.7°，90°)方向，而不是現(xiàn)有技術(shù)所用的第一卦限的(18.3°，90°)方向，前者的倍頻轉(zhuǎn)換效率比后者高1.4倍。
用NdYAG聲光鎖模激光器進(jìn)行1064nm倍頻實驗。首先加工了一塊沿折射率主軸方向切割的BIBO晶體，X×Y×Z的尺寸為8.8mm×9.6mm×9.1mm，六面拋光。利用可在整個空間內(nèi)四維轉(zhuǎn)動的費多洛夫轉(zhuǎn)臺，將晶體調(diào)整到不同的相位匹配方向，觀測532nm倍頻輸出信號的強弱。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)1064nm激光沿晶體的YZ主平面入射時，倍頻輸出信號顯著強于其它情況，由此可以判定1064nm的最佳倍頻方向位于YZ主平面內(nèi)(φ＝90°)。沿YZ主平面內(nèi)的相位匹配方向，進(jìn)一步加工了兩塊BIBO樣品，一塊切向為(11.1°，90°)，長度4.7mm，另一塊切向為(168.9°，90°)，長度2.4mm。由附表可知，樣品4的長度雖然是樣品5的近兩倍，但倍頻轉(zhuǎn)換效率仍低于樣品5，這是因為樣品4的deff小于樣品5。理論計算與實驗相符，驗證了本發(fā)明的結(jié)論，即1064nm的最佳倍頻方向位于第六卦限的(168.9°，90°)，而不是現(xiàn)有技術(shù)所用的第一卦限的(11.1°，90°)方向，在前者長度是后者長度一半的情況下，前者的的倍頻轉(zhuǎn)換效率仍比后者提高了1.17倍。
用NdYAG聲光鎖模激光器進(jìn)行1064nm與532nm和頻實驗。由激光器出射的1064nm激光先經(jīng)KTP晶體(II類切割，θ＝90°，φ＝23.6°)倍頻，產(chǎn)生的532nm激光與剩余的1064nm激光通過BIBO晶體和頻，產(chǎn)生355nm的紫外光。由附表可知，對于具有相同長度的樣品6、7，樣品7的和頻轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)高于樣品6，這是因為樣品7的deff遠(yuǎn)大于樣品6。理論計算與實驗相符，驗證了本發(fā)明的結(jié)論，即1064nm與532nm的最佳和頻方向之一是第六卦限的(146.4°，90°)，而不是現(xiàn)有技術(shù)所用的第一卦限的(33.6°，90°)方向，前者的的和頻轉(zhuǎn)換效率比后者提高了8.6倍。
由上述實驗可見，本發(fā)明所確定的BIBO晶體激光變頻器件的特殊切角，比現(xiàn)有技術(shù)具有更高的變頻轉(zhuǎn)換效率，因此，能耗降低，充分開發(fā)了BIBO晶體的性能，有利于BIBO晶體的開發(fā)應(yīng)用。按照本發(fā)明所確定的特殊切角加工晶體，2.4mm長的晶體可以獲得高達(dá)67.7％的倍頻轉(zhuǎn)換效率，3.5mm長的晶體可以獲得高達(dá)39.5％的和頻轉(zhuǎn)換效率，比現(xiàn)有技術(shù)的轉(zhuǎn)換效率最大提高了8.6倍。
BIBO晶體變頻器件轉(zhuǎn)換效率的實測值和有效非線性光學(xué)系數(shù)deff的計算值，見下表。樣品變頻種類 方向(θ，φ)晶體長度(mm)轉(zhuǎn)換效率(％) deff(pm/V)序號1 946nm倍頻 18.3°，90° 5 3.6 1.712 946nm倍頻 161.7°，90° 5 5.2 3.423 946nm倍頻 44.1°，0° 5 3.2 1.624 1064nm倍頻 11.1°，90° 4.7 58.1 2.245 1064nm倍頻 168.9°，90° 2.4 67.7 3.326 1064nm與532nm和頻 33.6°，90° 3.5 4.6 0.317 1064nm與532nm和頻 146.4°，90° 3.5 39.5 3.1

圖1是BIBO晶體對1064nm激光的倍頻相位匹配曲線。圖中實線1表示I類相位匹配，虛線2表示II類相位匹配。
圖2是BIBO晶體對1064nm激光倍頻deff的空間分布。圖中實線3表示I類相位匹配，虛線4表示II類相位匹配。
圖3是BIBO晶體對1319nm激光的倍頻相位匹配曲線。圖中實線5表示I類相位匹配，虛線6表示II類相位匹配。
圖4是BIBO晶體對1319nm激光倍頻deff的空間分布。圖中實線7表示I類相位匹配，虛線8表示II類相位匹配。
圖5是BIBO晶體1064nm與532nm激光和頻的相位匹配曲線。圖中實線9表示I類相位匹配，虛線10表示II類相位匹配。
圖6是BIBO晶體1064nm與532nm激光和頻deff的空間分布。圖中實線11表示I類相位匹配，虛線12表示II類相位匹配。
圖7是BIBO晶體的定向圖。
圖8是BIBO晶體直接倍頻示意圖。圖中13為BIBO晶體倍頻器件。
圖9是BIBO晶體聚焦光束倍頻示意圖。圖中14為BIBO晶體倍頻器件，15，16為透鏡。
圖10是BIBO晶體非偏振激光倍頻示意圖。圖中17為BIBO晶體倍頻器件，18，19為透鏡，20為起偏器。
圖11是BIBO晶體直接和頻示意圖。圖中21為BIBO晶體和頻器件。
具體實施方式
實施例1BIBO晶體直接倍頻器件，其示意圖如圖8所示。垂直入射到BIBO晶體13上的基頻光是由電光調(diào)Q納秒Nd；YAG激光器輸出的1064nm偏振光。BIBO晶體13的切割方向是θ＝168.9°±5°，φ＝90°±5°。出射倍頻光為532nm，它的偏振方向垂直于入射基頻光的偏振方向。
實施例2BIBO晶體聚焦光束倍頻器件，其示意圖如圖9所示。垂直入射到BIBO晶體14上的基頻光是由電光調(diào)Q納秒Nd；YAG激光器輸出的1064nm偏振光，經(jīng)過聚焦透鏡15入射到BIBO晶體14上。BIBO晶體14的切割方向是θ＝168.9°±5°，φ＝90°±5°。出射倍頻光為532nm，它的偏振方向垂直于入射基頻光的偏振方向。532nm綠光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡16準(zhǔn)直輸出。
實施例3BIBO晶體非偏振激光倍頻器件，其示意圖如圖10所示。垂直入射到BIBO晶體17上的基頻光是由聲光鎖模Nd；YAG激光器輸出的1064nm激光，由于激光器本身輸出非偏振光，因此由偏振器20對1064nm激光起偏，產(chǎn)生偏振光，然后經(jīng)過聚焦透鏡18入射到BIBO晶體17上。BIBO晶體17的切割方向是θ＝168.9°±5°，φ＝90°±5°。出射倍頻光為532nm，它的偏振方向垂直于入射基頻光的偏振方向。532nm綠光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡19準(zhǔn)直輸出。
實施例4BIBO晶體直接和頻器件，其示意圖如圖11所示。垂直入射到BIBO晶體21上的基頻光是由電光調(diào)Q納秒Nd；YAG激光器輸出的1064nm偏振光，以及經(jīng)過倍頻所產(chǎn)生的532nm偏振光，兩者具有相同的偏振方向。BIBO晶體21的切割方向是θ＝137.7°±5°，φ＝130°±5°。出射和頻光為355nm，它的偏振方向垂直于入射光的偏振方向。
權(quán)利要求
1.一種硼酸鉍晶體器件，其特征在于晶體器件是以特定切角方向加工而成的，對于倍頻，在入射光波長為780nm～1180nm時，晶體切角范圍是θ＝149.5°±5°～175°±5°，φ＝90°±5°；在入射光波長為1180nm～1380nm時，晶體切角范圍是θ＝169°±5°～167°±5°，φ＝135.5°±5°～153.7°±5°；對于和頻，在入射光波長為1064nm，532nm時，晶體切角范圍是θ＝137.7°±5°，φ＝130°±5°，或θ＝146.4°±5°，φ＝90°±5°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼酸鉍晶體器件，其特征在于在入射光波長為780nm時，晶體切角為θ＝149.5°±5°，φ＝90°±5°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼酸鉍晶體器件，其特征在于在入射光波長為808nm時，晶體切角為θ＝151.9°±5°，φ＝90°±5°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼酸鉍晶體器件，其特征在于在入射光波長為914nm時，晶體切角為θ＝159.7°±5°，φ＝90°±5°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼酸鉍晶體器件，其特征在于在入射光波長為946nm時，晶體切角為θ＝161.7°±5°，φ＝90°±5°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼酸鉍晶體器件，其特征在于在入射光波長為1053nm時，晶體切角為θ＝168.2°±5°，φ＝90°±5°。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼酸鉍晶體器件，其特征在于在入射光波長為1064nm時，晶體切角為θ＝168.9°±5°，φ＝90°±5°。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼酸鉍晶體器件，其特征在于在入射光波長為1180nm時，晶體切角為θ＝175°±5°，φ＝90°±5°。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼酸鉍晶體器件，其特征在于在入射光波長為1185nm時，晶體切角為θ＝169°±5°，φ＝135.5°±5°。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼酸鉍晶體器件，其特征在于在入射光波長為1319nm時，晶體切角為θ＝167.9°±5°，φ＝151.3°±5°。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼酸鉍晶體器件，其特征在于在入射光波長為1342nm時，晶體切角為θ＝167.4°±5°，φ＝152.1°±5°。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼酸鉍晶體器件，其特征在于在入射光波長為1380nm時，晶體切角為θ＝167°±5°，φ＝153.7°±5°。
全文摘要
本發(fā)明屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的主要內(nèi)容就是對于倍頻，當(dāng)入射光波長為780nm～1180nm時，硼酸鉍晶體器件的切角范圍是θ＝149.5°±5°～175°±5°，φ＝90°±5°，入射光波長為1180nm～1380nm時，晶體切角范圍是θ＝169°±5°～167°±5°,φ＝135.5°±5°～153.7°±5°，對于和頻，當(dāng)入射光波長為1064nm，532nm時，晶體切角范圍是θ＝137.7°±5°，φ＝130°±5°，或θ＝146.4°±5°，φ＝90°±5°。它解決了現(xiàn)有技術(shù)無法確定BIBO晶體器件最佳切向的問題。本發(fā)明具有變頻轉(zhuǎn)換效率高、能耗低等優(yōu)點。
文檔編號G02B1/00GK1431741SQ0311183
公開日2003年7月23日 申請日期2003年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月28日
發(fā)明者王正平, 王繼揚, 滕冰, 董勝明, 許心光, 邵宗書, 翟仲軍, 杜晨林 申請人:山東大學(xué)