專利名稱：特殊切角的硼酸氧鈣稀土鹽激光倍頻晶體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種特殊切角的硼酸氧鈣稀土鹽[ReCa4O(BO3)3，簡稱ReCOB,(Re=Gd,Y)]晶體激光倍頻器件，屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域。
ReCOB(Re=Gd,Y)是由Aka等人于1995年發(fā)現(xiàn)的一類新型非線性光學(xué)人工晶體，目前已發(fā)現(xiàn)YCOB和GdCOB兩種晶體具有非線性光學(xué)效應(yīng)大(和LiB3O5晶體具有同量級的非線性光學(xué)效應(yīng))，易生長的特點，典型晶體的尺寸已可達(dá)到φ50×100mm。同時發(fā)現(xiàn)，這兩種晶體都能對1340nm、1064nm、1053nm、940nm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。此外，這兩種晶體的Gd,Y兩種離子易于被激活離子Nd,Yb等所取代，從而形成Nd:YCOB、Yb:YCOB等自倍頻晶體，目前晶體的自倍頻綠光輸出已可達(dá)到50mw。因此，Nd:YCOB和Nd:GdCOB也是一種很好的自倍頻晶體材料。由于這類材料具有上述這些優(yōu)點，從而引起了光電子領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)界的廣泛興趣。
ReCOB晶體屬單斜m點群，是目前所有實用的非線性晶體材料中對稱性最低的晶體，也是迄今所知非線性晶體中對稱性最低者之一。受晶體點群對稱性的影響，該晶體的非線性光學(xué)系數(shù)dij(i=1-3,j=1-6，其中1→11,2→22,3→33,4→23,5→13,6→12)有多達(dá)八個非零分量，考慮到晶體的倍頻系數(shù)所應(yīng)服從的Kleinman對稱性條件，此類晶體仍有六個獨(dú)立的dij系數(shù)，它們是d33,d11,d32,d12,d13和d31，這六個倍頻系數(shù)從原理上分析，d33,d11,d31,d13四個系數(shù)可以從Maker條紋法測出，然后再用相位匹配法以測定d32,d12。但是由于這類晶體對稱性很低，到目前為止還未能成功地測定出它們的倍頻系數(shù)。因此，很難計算這類晶體的有效倍頻系數(shù)，并進(jìn)而確定制作激光倍頻器時的最佳切角。1997年日本科學(xué)家在θ=33°,φ=9°方向初步測定了YCOB晶體的有效倍頻系數(shù)。目前多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為YCOB晶體的最佳相位匹配方向(也就是在這一方向具有最大有效倍頻系數(shù))是θ=33°,φ=9°，最近的Nd:YCOB晶體自倍頻實驗也認(rèn)為這一方向是最好的相位匹配方向。然而，理論計算和實驗測試都發(fā)現(xiàn)θ=33°,φ=9°方向并不是YCOB晶體的最佳相位匹配方向。
本發(fā)明目的就是通過理論計算和實驗測定，找出用ReCOB晶體制作激光倍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ReCOB晶體激光倍頻器件具有比現(xiàn)有技術(shù)更高的倍頻轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明的主要內(nèi)容就是相對于波長為λω=1340nm,1064nm,1053nm,940nm的入射激光，確定了ReCOB(Re=Y,Gd)晶體激光倍頻器件的最佳切割方向，器件切角如下(1)當(dāng)倍頻晶體是硼酸氧鈣釔(YCOB),λω=1340nm，器件切角為θ1=(67.0±5.0)°,φ1=(27.5±5.0)°或θ2=(67.0±5)°,φ2=(152.5±5.0)°；(2)當(dāng)倍頻晶體是硼酸氧鈣釔(YCOB),λω=1064nm，器件切角為θ1=(65.9±5.0)°,φ1=(36.9±5.0)°或θ2=(66.3±5)°,φ2=(143.5±5.0)°；(3)當(dāng)倍頻晶體是硼酸氧鈣釔(YCOB),λω=1053nm，器件切角為θ1=(64.4±5.0)°,φ1=(44.8±5.0)°或θ2=(66.8±5)°,φ2=(135.3±5.0)°；(4)當(dāng)倍頻晶體是硼酸氧鈣釔(YCOB),λω=940nm，器件切角為θ1=(64.4±5.0)°,φ1=(44.8±5.0)°或θ2=(66.8±5)°,φ2=(135.3±5.0)°；(5)當(dāng)倍頻晶體是硼酸氧鈣釓(GdCOB),λω=1340nm，器件切角為θ1=(64.5±5.0)°,φ1=(34.4±5.0)°或θ2=(66.5.0±5)°,φ2=(145.7±5.0)°；
(6)當(dāng)倍頻晶體是硼酸氧鈣釓(GdCOB),λω=1064nm，器件切角為θ1=(62.0±5.0)°,φ1=(47.8±5.0)°或θ2=(67.0±5)°,φ2=(132.6±5.0)°；(7)當(dāng)倍頻晶體是硼酸氧鈣釓(GdCOB),λω=1053nm，器件切角為θ1=(62.0±5.0)°,φ1=(48.7±5.0)°或θ2=(67.0±5)°,φ2=(131.7±5.0)°；(8)當(dāng)倍頻晶體是硼酸氧鈣釓(GdCOB),λω=940nm，器件切角為θ1=(60.5±5.0)°，φ1=(61.5±5.0)°或θ2=(68.0±5)°,φ2=(119.9±5.0)°。
本發(fā)明運(yùn)用陰離子基團(tuán)理論，首先從理論上計算出YCOB和GdCOB晶體的倍頻系數(shù)。表1列出了使用陰離子基團(tuán)理論及Gaussian’92和CNDO兩種量子化學(xué)計算程序分別計算出的YCOB和GdCOB的dij系數(shù)的理論值。表1同時列出了用Maker條紋方法測出的YCOB晶體的d33,d32值和GdCOB晶體的d33值，以及其它各dij的值，實驗值和理論值符合得非常好。再運(yùn)用對稱性理論，確定ReCOB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，只要考慮空間一個象限，例如第一象限(0°≤θ≤90°,0°≤φ≤90°)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ReCOB晶體的有效倍頻系數(shù)deff應(yīng)具有2/m(m⊥Y)空間對稱性。因此，在空間第一、二兩個象限中，deff值是獨(dú)立的。只要確定了這兩個象限的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、二象限找出deff最大值方向(最佳倍頻方向)，就可以求出空間全部最佳倍頻方向。
表1．YCOB和GdCOB晶體的倍頻系數(shù)(單位pm/V)<
>本發(fā)明選用目前常用激光器的四種波長(1340nm,1064nm,1053nm,940nm)為例，利用所確定的dij值和折射率色散關(guān)系，計算了ReCOB晶體在這四種激光波長時，deff在第一、二兩個象限(0°≤θ≤90°,0°≤φ≤180°)中分布。

圖1是YCOB晶體的對于1064nm激光波長的deff空間分布。由此可以確定YCOB晶體制作1064nm激光倍頻器的最佳切角為θ1=65.9°,φ1=36.5°和θ2=66.3°,φ2=143.5°。
為進(jìn)一步證實本發(fā)明的效果，對YCOB晶體的有效倍頻系數(shù)的空間分布進(jìn)行了實驗測量。在此舉出YCOB的測量結(jié)果YCOB晶體按θ=33°,φ=0°；θ=33°,φ=9°；θ=64.5°,φ=35.5°等七個相位匹配方向進(jìn)行切割(見表2)，晶體沿相位匹配方向的長度均為2mm，參考樣品使用Ⅱ型切割的KTP晶體(θ=90°,φ=3.6°)，其有效倍頻系數(shù)deff=2.45pm/v，在實驗中使用的基波光波長為1064nm。YCOB晶體有效倍頻系數(shù)隨不同匹配方向的實驗值也在此表中列出。
表2、YCOB倍頻器件實測倍頻轉(zhuǎn)換效率和有效倍頻系數(shù)值<
>*等效于66.8°,144.6°+等效于64.5°,144.5°從表2中可以看出，測量的YCOB晶體的deff空間分布和計算結(jié)果不但在方向上一致，而且在絕對值上也是非常接近的。例如實驗指出，YCOB晶體有效倍頻系數(shù)的極大值分別在(θ=64.5°,φ=35.5°)和(θ=115.5°,φ=35.5°)兩個位置上，而計算值則在(θ=65.9°,φ=36.5°)和(θ=113.7°,φ=36.5°)。兩者的角度誤差只在5％以內(nèi)。再如計算指出deff(θ=113.7°,φ=36.5°)＞deff(θ=65.9°,φ=36.5°)，而實驗結(jié)果也證實了這一點。另外從有效倍頻系數(shù)的絕對值來看，計算的deff(θ=65.9°,φ=36.5°)/deff(θ=31.7°,φ=0°)=1.31，而實驗值deff(θ=64.5°,φ=35.5°)/deff(θ=32°,φ=0°)=1.34。因此使用相位匹配方法直接證實了我們所提出的結(jié)論YCOB晶體的最大有效倍頻系數(shù)的方向既不在X-Z主平面上，也不在θ=33°,φ=9°的相位匹配方向上，而是分別在θ=65.9°±5°,φ=36.5°±5°；θ=66.3°±5°,φ=143.5°±5°方向上。同時證明，按此方向加工的倍頻器件，其倍頻轉(zhuǎn)換效率比現(xiàn)有技術(shù)所用θ=33°,φ=9°方向分別高1.8倍和2.0倍。
由此可見，本發(fā)明所確定的ReCOB晶體激光倍頻器件的特殊切角，比現(xiàn)有技術(shù)有更高的倍頻轉(zhuǎn)換效率，因此，能耗降低，充分開發(fā)了ReCOB的性能，有利于ReCOB晶體的開發(fā)應(yīng)用。
圖1是YCOB晶體對1064nm激光的有效倍頻系數(shù)空間分布圖。圖中1為第一象限deff最大的切角方向(θ=65.9°,φ=36.5°),2為第二象限deff最大的切角方向(θ=66.3°,φ=143.5°)。
圖2是YCOB晶體直接倍頻示意圖。圖中1為YCOB晶體倍頻器件。
圖3是YCOB晶體聚焦光束倍頻示意圖。圖中1為YCOB晶體倍頻器件，2,3為透鏡。
圖4是YCOB晶體非偏振激光倍頻示意圖。圖中1為YCOB晶體倍頻器件，2,3為透鏡，4為起偏器。
實施例1YCOB晶體直接倍頻器件，其示意圖如圖2所示。垂直入射到Y(jié)COB晶體1上的基波光是由聲光調(diào)Q納秒Nd:YAG激光器輸出的1064nm偏振光。YCOB晶體1的切割方向是在θ=65.9°±5°,φ=36.5°±5°；或者θ=66.3°±5°,φ=143.5°±5°。出射的倍頻光為532nm，它的偏振方向垂直于入射的基波光的偏振方向。
實施例2YCOB晶體聚焦光束倍頻器件，其示意圖如圖3所示。垂直入射到Y(jié)COB晶體1上的基波光是由電光調(diào)Q納秒Nd:YAG激光器輸出的1064nm偏振光，經(jīng)過聚焦系統(tǒng)2入射到Y(jié)COB晶體1上。聚焦系統(tǒng)2可以是單透鏡，透鏡組，或聚焦球面鏡等。YCOB晶體1的切割方向是在θ=65.9°±5°,φ=36.5°±5°；或者θ=66.3°±5°,φ=143.5°±5°。出射的倍頻光為532nm，它的偏振方向垂直于入射的基波光的偏振方向，532nm綠光經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)3準(zhǔn)直輸出。準(zhǔn)直系統(tǒng)3可以是單透鏡，透鏡組，或聚焦球面鏡等。
實施例3YCOB晶體非偏振激光倍頻器件，其示意圖如圖4所示，垂直入射到Y(jié)COB晶體1上的基波光是由聲光鎖模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4對1064nm激光起偏，產(chǎn)生偏振光，然后經(jīng)過聚焦系統(tǒng)2入射到Y(jié)COB晶體1上。聚焦系統(tǒng)2可以是單透鏡，透鏡組，或聚焦球面鏡等。YCOB晶體1的切割方向是在θ=65.9°±5°,φ=36.5°±5°；或者θ=66.3°±5°,φ=143.5°±5°。出射的倍頻光為532nm，它的偏振方向垂直于入射的基波光的偏振方向，532nm綠光經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)3準(zhǔn)直輸出。
權(quán)利要求
1．一種硼酸氧鈣稀土鹽[ReCa4O(BO3)3，簡稱ReCOB,(Re=Gd,Y…)]晶體激光倍頻器件，其特征在于ReCOB晶體激光倍頻器件是沿特殊切角方向加工而成的，相對于波長為λω=1340nm,1064nm,1053nm,940nm的入射激光，器件切角分別如下(1)當(dāng)倍頻晶體是硼酸氧鈣釔(YCOB),λω=1340nm，器件切角為θ1=(67.0±5.0)°,φ1=(27.5±5.0)°或θ2=(67.0±5)°,φ2=(152.5±5.0)°；(2)當(dāng)倍頻晶體是硼酸氧鈣釔(YCOB),λω=1064nm，器件切角為θ1=(65.9±5.0)°,φ1=(36.9±5.0)°或θ2=(66.3±5)°,φ2=(143.5±5.0)°；(3)當(dāng)倍頻晶體是硼酸氧鈣釔(YCOB),λω=1053nm，器件切角為θ1=(64.4±5.0)°,φ1=(44.8±5.0)°或θ2=(66.8±5)°,φ2=(135.3±5.0)°；(4)當(dāng)倍頻晶體是硼酸氧鈣釔(YCOB),λω=940nm，器件切角為θ1=(64.4±5.0)°,φ1=(44.8±5.0)°或θ2=(66.8±5)°,φ2=(135.3±5.0)°；(5)當(dāng)倍頻晶體是硼酸氧鈣釓(GdCOB),λω=1340nm，器件切角為θ1=(64.5±5.0)°,φ1=(34.4±5.0)°或θ2=(66.5.0±5)°,φ2=(145.7±5.0)°；(6)當(dāng)倍頻晶體是硼酸氧鈣釓(GdCOB),λω=1064nm，器件切角為θ1=(62.0±5.0)°,φ1=(47.8±5.0)°或θ2=(67.0±5)°,φ2=(132.6±5.0)°；(7)當(dāng)倍頻晶體是硼酸氧鈣釓(GdCOB),λω=1053m，器件切角為θ1=(62.0±5.0)°,φ1=(48.7±5.0)°或θ2=(67.0±5)°,φ2=(131.7±5.0)°；(8)當(dāng)倍頻晶體是硼酸氧鈣釓(GdCOB),λω=940nm，器件切角為θ1=(60.5±5.0)°,φ1=(61.5±5.0)°或θ2=(68.0±5)°,φ2=(119.9±5.0)°。
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)容就是相對激光波長λ
文檔編號G02F1/355GK1237655SQ99112260
公開日1999年12月8日 申請日期1999年6月11日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月11日
發(fā)明者王繼揚(yáng), 陳創(chuàng)天, 邵宗書, 蔣捷, 胡曉波, 林峧, 劉耀崗, 葉寧, 吳伯昌, 蔣民華 申請人:山東大學(xué), 中國科學(xué)院低溫技術(shù)實驗中心