專利名稱：基于非線性光學(xué)晶體孿晶結(jié)構(gòu)的激光倍頻器件及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于非線性光學(xué)晶體孿晶結(jié)構(gòu)的激光倍頻器件及其設(shè)計(jì)方法，是一種采用角度匹配技術(shù)，利用孿晶結(jié)構(gòu)消除或部分消除離散效應(yīng)對(duì)倍頻過程的影響，提高倍頻效率的設(shè)計(jì)方法，屬晶體材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
激光倍頻器件是在實(shí)際中應(yīng)用最廣的非線性光學(xué)器件，在拓寬激光光譜、促進(jìn)短波段激光技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮著舉足輕重的作用。與此同時(shí)，激光技術(shù)在各領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，諸如海量光存儲(chǔ)、海底通信、海洋探測(cè)、激光生物醫(yī)學(xué)、遙感、彩色顯示及印刷技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)激光倍頻技術(shù)和材料提出了更高的要求。
目前商業(yè)化的激光器幾乎全部采用角度匹配技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相位匹配，以獲得穩(wěn)定的倍頻輸出。非線性光學(xué)晶體中固有的雙折射是實(shí)現(xiàn)激光倍頻的必要條件，但是由于雙折射使得倍頻光和基頻光在空間上離散開來(lái)，離散效應(yīng)限制了兩束光在空間的交疊，大大降低了倍頻效率。如對(duì)KDP晶體，它的離散角為1°左右，當(dāng)基波光束孔徑為50μm時(shí)，在晶體中經(jīng)過5mm后，晶體中的倍頻光和基頻光在空間完全離散開來(lái)，轉(zhuǎn)換效率不會(huì)超過60％。
有研究表明在一定入射角范圍內(nèi)，孿晶界面對(duì)非常光波(e光)的折、反射有不同于常規(guī)光學(xué)材料的特性——等效負(fù)折射和全透射；而對(duì)尋常光(o光)，該界面不存在，即尋常光通光孿晶界面時(shí)，其傳播特性不發(fā)生任何改變，尋常光在孿晶中的傳播和在單晶中的傳播沒有任何差別。利用孿晶界面對(duì)非常光的等效負(fù)折射和全透射現(xiàn)象，精心設(shè)計(jì)非線性光學(xué)晶體的孿晶結(jié)構(gòu)，可以大大增加倍頻光和基頻光在空間的交疊范圍，從而消除離散效應(yīng)對(duì)倍頻過程的影響，顯著提高倍頻效率。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)由于倍頻中存在的離散效應(yīng)，降低了倍頻效率，特提出新的設(shè)計(jì)方法，以克服離散效應(yīng)對(duì)倍頻過程的影響，從而提高倍頻效率。
本發(fā)明是一種基于非線性光學(xué)晶體孿晶結(jié)構(gòu)的激光倍頻器件及其設(shè)計(jì)方法，主要是采用孿晶結(jié)構(gòu)，利用非常光在孿晶界面的負(fù)折射和全透射現(xiàn)象消除離散效應(yīng)對(duì)倍頻的影響，從而提高倍頻效率，其特征是根據(jù)單軸晶體的相位匹配方向，定向切割兩塊完全相同的晶體；采用光膠的方法將兩塊晶體耦合成一孿晶，組成孿晶的兩塊單晶的光軸呈左右對(duì)稱。
兩塊單晶的交界面稱為孿晶界面。光在孿晶界面上的傳播特點(diǎn)是對(duì)尋常光(o光)，界面兩側(cè)晶體的折射率完全相同，因而孿晶界面不改變尋常光的傳播特性，尋常光在孿晶中的傳播和在單晶中的傳播沒有任何差別。而對(duì)非常光，在一定入射角范圍內(nèi)，孿晶界面對(duì)非常光波的折、反射有不同于常規(guī)光學(xué)材料的特性——等效負(fù)折射和全透射。發(fā)生負(fù)折射和全透射的角度取決于晶體的對(duì)o光和e光的折射率以及左右晶體光軸的方向，對(duì)于常用的倍頻晶體，該角度范圍在4°-15°，滿足倍頻器件對(duì)激光發(fā)散角和相位匹配寬度的要求。例如對(duì)基波波長(zhǎng)為1.064μm的激光，使用BBO晶體組成的孿晶作為倍頻器件，利用角度匹配技術(shù)，以I類相位匹配方式實(shí)現(xiàn)相位匹配，二次諧波在孿晶界面上發(fā)生負(fù)折射和全透射的角度為10°；若以II類相位匹配方式實(shí)現(xiàn)相位匹配，基波中的非常光在孿晶界面上發(fā)生負(fù)折射和全透射的角度為12°。
基于非線性光學(xué)晶體孿晶結(jié)構(gòu)的激光倍頻器件的設(shè)計(jì)方法如下 1.根據(jù)非線性光學(xué)晶體的光學(xué)性質(zhì)以及基波的波長(zhǎng)計(jì)算晶體的I類和(或)II類相位匹配角。
對(duì)負(fù)單軸晶體I相位匹配角θm滿足的方程為 對(duì)負(fù)單軸晶體II類相位匹配角θm滿足的方程為 對(duì)正單軸晶體I相位匹配角θm滿足的方程為 對(duì)負(fù)單軸晶體II相位匹配角θm滿足的方程為 (1-4)式中θm是相位匹配角，no(ω)和ne(ω)分別是晶體對(duì)基波中尋常光和非常光的折射率，no(2ω)和ne(2ω)分別是晶體對(duì)二次諧波中尋常光和非常光的折射率。ne(ω)和ne(2ω)是指非常光垂直光軸入射時(shí)的折射率。
2.選擇最佳的倍頻長(zhǎng)度。選擇晶體的最佳倍頻長(zhǎng)度應(yīng)考慮以下各因素非線性光學(xué)晶體的非線性系數(shù)，相位匹配類型以及激光器的主要性能參數(shù)，如脈沖能量，脈沖寬度，脈沖重復(fù)頻率，連續(xù)光功率，光束直徑，模式條件，發(fā)散角，可調(diào)波長(zhǎng)范圍等參數(shù)。目前尚沒有理論精確地求解最佳倍頻長(zhǎng)度，一般以經(jīng)驗(yàn)為準(zhǔn)或以實(shí)驗(yàn)為準(zhǔn)，參考以上各因素。對(duì)單晶倍頻技術(shù)成熟的晶體，可以參考單晶倍頻的數(shù)據(jù)，在相同的條件下，一般可選擇單晶最佳倍頻長(zhǎng)度的一半，即使得孿晶和單晶倍頻器件有相同的通光長(zhǎng)度。
3.按照實(shí)現(xiàn)相位匹配的方向定向切割兩塊尺寸完全相同的晶體，晶體通光方向的厚度應(yīng)根據(jù)具體的使用情況選擇最佳的倍頻長(zhǎng)度。采用光膠技術(shù)，將兩塊單晶左右對(duì)稱地耦合成一體。
本發(fā)明方法的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)如下 ①本發(fā)明利用成熟的、商業(yè)化的非線性光學(xué)晶體單晶來(lái)設(shè)計(jì)新型的器件，單晶制備技術(shù)非常成熟，相關(guān)倍頻技術(shù)成熟。
②本發(fā)明設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，制備技術(shù)成熟，器件加工切實(shí)可行。
③由于激光器在各行各業(yè)都有廣泛的應(yīng)用，本發(fā)明應(yīng)用前景非常廣泛。



圖1為采用I類相位匹配時(shí)，負(fù)單軸晶體中基頻光和倍頻光的能流離散示意圖，帶箭頭的實(shí)線表示入射的基頻尋常光的能流方向，帶箭頭的虛線表示倍頻過程中產(chǎn)生的倍頻非常光的能流方向。
圖2為由兩塊完全相同的負(fù)單軸單晶形成的孿晶結(jié)構(gòu)示意圖，兩塊晶體的光軸方向呈左右對(duì)稱。
圖3為采用I類相位匹配時(shí)，負(fù)單軸晶體孿晶中的基頻光和倍頻光的能流方向傳播示意圖，由于非常光在孿晶界面處的負(fù)折射和全透射，使得離散效應(yīng)部分消除，增大了基頻光和倍頻光的空間交疊，從而提高倍頻效率。

具體實(shí)施例方式 現(xiàn)以廣泛使用的BBO晶體為實(shí)例，將本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)敘述如下實(shí)施例一采用I類相位匹配方式，倍頻Nd:YAG激光的BBO孿晶具體設(shè)計(jì)步驟如下 1.BBO晶體倍頻Nd:YAG激光的I類相位匹配角為22.8°； 2.根據(jù)具體的使用情況選擇最佳的倍頻長(zhǎng)度，比如BBO晶體倍頻Nd:YAG激光的可選擇4×4×7mm； 3.按照最佳的倍頻尺寸，沿相位匹配方向切割兩塊完全相同的晶體，比如切割兩塊BBO晶體的尺寸為4×4×3.5mm； 4.利用光膠技術(shù)，將兩塊晶體左右對(duì)稱地耦合成一體。
權(quán)利要求
1.一種基于非線性光學(xué)晶體孿晶結(jié)構(gòu)的激光倍頻器件及其設(shè)計(jì)方法，主要采用角度匹配技術(shù)；利用非線性光學(xué)晶體的孿晶結(jié)構(gòu)；消除或部分消除離散效應(yīng)對(duì)倍頻過程的影響，提高倍頻效率。其特征在于具有以下的設(shè)計(jì)步驟
a.根據(jù)非線性光學(xué)晶體的光學(xué)性質(zhì)計(jì)算晶體的I類和(或)II類相位匹配角；
b.根據(jù)非線性光學(xué)晶體的非線性系數(shù)，相位匹配類型以及激光器的主要性能參數(shù)，如脈沖能量，脈沖寬度，脈沖重復(fù)頻率，連續(xù)光功率，光束直徑，模式條件，發(fā)散角，可調(diào)波長(zhǎng)范圍等參數(shù)選擇倍頻晶體的最佳倍頻長(zhǎng)度；
c.按照實(shí)現(xiàn)相位匹配的方向定向切割兩塊尺寸完全相同的晶體，晶體通光方向的厚度應(yīng)根據(jù)具體的使用情況選擇最佳的倍頻長(zhǎng)度；
d.利用光膠技術(shù)，將兩塊晶體左右對(duì)稱地耦合成一體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于非線性光學(xué)晶體孿晶結(jié)構(gòu)的激光倍頻器件及其設(shè)計(jì)方法，是一種采用角度匹配技術(shù)，利用孿晶結(jié)構(gòu)消除或部分消除離散效應(yīng)對(duì)倍頻過程的影響，提高倍頻效率的設(shè)計(jì)方法，屬晶體材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的設(shè)計(jì)步驟如下根據(jù)非線性光學(xué)晶體的光學(xué)性質(zhì)計(jì)算晶體的I類和(或)II類相位匹配角；根據(jù)非線性光學(xué)晶體的非線性系數(shù)，相位匹配類型以及激光器的主要性能參數(shù)，如脈沖能量，脈沖寬度，脈沖重復(fù)頻率，連續(xù)光功率，光束直徑，模式條件，發(fā)散角，可調(diào)波長(zhǎng)范圍等參數(shù)選擇倍頻晶體的最佳倍頻長(zhǎng)度；按照實(shí)現(xiàn)相位匹配的方向定向切割兩塊尺寸完全相同的晶體，晶體通光方向的厚度應(yīng)根據(jù)具體的使用情況選擇最佳的倍頻長(zhǎng)度；利用光膠技術(shù)，將兩塊晶體左右對(duì)稱地耦合成一體。
文檔編號(hào)G02F1/37GK101262117SQ200810034099
公開日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2008年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日
發(fā)明者燕 王 申請(qǐng)人:上海大學(xué)