專利名稱：一種硼酸鉍非共線倍頻晶體器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新型、高效的硼酸鉍[BiB3O6，簡稱BIBO]非共線倍頻晶體器件，屬于光電子技術領域。
背景技術：
在非線性光學領域中，以非線性晶體作為工作介質，利用相位匹配技術實現(xiàn)近紅外光的頻率變換，是獲得可見及紫外相干光源的普遍方法。在傳統(tǒng)的共線相位匹配技術中，無論是倍頻還是和頻，剩余基頻光與新生諧頻光由晶體出射后傳播方向相同，因此需要采用特殊技術把諧頻光與基頻光分離開，無論是采用濾光片分光，還是棱鏡分光，對系統(tǒng)而言都將增大損耗，并提高了整套裝置的成本和復雜性。而且，晶體的作用長度受到雙折射的限制，特別是在入射光束為強聚焦的情況下。非共線相位匹配技術可以實現(xiàn)出射諧頻光與基頻光的自動分離而無需任何分光元件，降低了損耗和生產成本，此外與共線相位匹配相比它的光損傷閾值更高、接受角更大、走離角更小。在許多高新技術應用中，選擇非共線相位匹配比選擇共線相位匹配具有更加顯著的優(yōu)勢，如脈沖堆積壓縮技術的實現(xiàn)，超短脈沖無背景噪聲的精確測量，等等。雖然非共線相位匹配技術很早就被認識到了，但是相關研究一直較少。其主要原因是非共線相位匹配方式通常比共線相位匹配方式具有更小的光束作用區(qū)域，從而一般認為非共線相位匹配的轉換效率低于共線相位匹配，沒有很大的應用價值。目前，商用倍頻晶體器件全部采用共線相位匹配方式，轉換效率一般為百分之幾十。相對而言，采用非共線相位匹配方式僅能獲得百分之幾的轉換效率，因此直到目前為止未見實用化的非共線倍頻晶體器件。
BiB3O6(BIBO)晶體是一種新型的非線性光學晶體，雖然早在1962年就已有BIBO晶相的報道，但是直到1999年才有可用于倍頻性質測試的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，而且其有效非線性光學系數(shù)(deff)較大，高于KTP、BBO、LBO、KDP等目前常用的商業(yè)倍頻晶體。國內外研究已充分表明，BIBO是一種非常優(yōu)秀的倍頻材料，它在1064nm的腔外倍頻實驗中轉換效率能夠達到70％，1064nm的腔內倍頻輸出超過1W，而946nm的腔內倍頻輸出更是達到2.8W，為目前可以得到的最好結果。以上所有成果都基于共線相位匹配技術，在BIBO晶體的非共線相位匹配性質方面至今未見任何報道。

發(fā)明內容本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有非共線倍頻技術所存在的裝置復雜、損耗大、轉換效率低、難于實用化的問題。與現(xiàn)有非共線倍頻技術相比，本發(fā)明的轉換效率提高了一個量級，達到實用化水平。
本發(fā)明是由以下技術方案實現(xiàn)的將硼酸鉍晶體沿特定方向加工成非共線倍頻器件。該器件出射面加工方向定于Y軸，入射面加工方向隨入射基頻光波長的改變而改變。當入射光波長為542nm～1380nm時，晶體的入射面切角范圍是(1)在φ＝90°的YOZ平面內，從θ＝90°到θ＝70°±3°；(2)在θ＝90°的XOY平面內，從φ＝90°到φ＝68.3°±3°。
硼酸鉍晶體在入射光波長為542nm時，晶體的入射面切角是θ＝90°，φ＝90°，即沿Y軸正切。該器件實現(xiàn)的是542nm的共線非臨界倍頻，是本發(fā)明所涉及的非共線倍頻晶體器件的特殊情況、臨界情況。
硼酸鉍晶體在入射光波長為660nm時，晶體的入射面切角在YOZ平面內是θ＝75.2°±3°，在XOY平面內是φ＝74.1°±3°。
硼酸鉍晶體在入射光波長為808nm時，晶體的入射面切角在YOZ平面內是θ＝72°±3°，在XOY平面內是φ＝70.7°±3°。
硼酸鉍晶體在入射光波長為946nm時，晶體的入射面切角在YOZ平面內是θ＝70.8°±3°，在XOY平面內是φ＝69.5°±3°。
硼酸鉍晶體在入射光波長為1064nm時，晶體的入射面切角在YOZ平面內是，θ＝70.2°±3°，在XOY平面內是φ＝68.9°±3°。
硼酸鉍晶體在入射光波長為1319nm時，晶體的入射面切角在YOZ平面內是θ＝70°±3°，在XOY平面內是φ＝68.3°±3°。
硼酸鉍晶體在入射光波長為1380nm時，晶體的入射面切角在YOZ平面內是θ＝70°±3°，在XOY平面內是φ＝68.3°±3°。
在此我們采用傳統(tǒng)的極坐標(θ，φ)來標記晶體內空間方向K，如圖1所示，其中X，Y，Z為晶體折射率主軸，遵循nX＜nY＜nZ原則，θ為K與Z軸的夾角，φ為K在XY平面上的投影與X軸的夾角。在YOZ平面內，φ＝90°，θ從0°到90°變化。在XOY平面內，θ＝90°，φ從0°到90°變化。
根據(jù)BIBO晶體的的折射率色散方程，編制計算程序可以得到非共線倍頻相位匹配曲線。理論及實驗均已證實，BIBO晶體的最佳倍頻性質位于主平面內，因此只需考慮主平面內滿足相位匹配條件的K的情況。此處我們以(θ1，φ1)、(θ2，φ2)表示兩束基頻光的空間方向K1，K2，以(θ3，φ3)表示倍頻光的空間方向K3。圖2、圖3是BIBO晶體對1064nm基頻光的計算結果，其中圖2表示I類相位匹配，圖3表示II類相位匹配。對于一個給定的基頻光方向K1，通常有兩個K2方向可以滿足相位匹配條件。所有曲線都是中心對稱的，并關于K1，K2軸的角平分線對稱。圖2、圖3中所有滿足K3＝90°或K3＝0°條件的非共線相位匹配方式均列于表1，此時K1與K2關于折射率主軸對稱，K3沿折射率三主軸之一。這些方式在非線性光學中稱為非臨界非共線倍頻，是非共線相位匹配技術中最重要、最值得注意的方式，因為采取這些方式最有希望獲得高轉換效率。表1中對于每種方式僅列出一個代表方向，其它等價方向可由圖2、圖3的對稱性獲得。表1中，在XOY平面內θ＝90°，K1，K2，K3相應于φ1、φ2、φ3；在XOZ平面內φ＝0°，K1，K2，K3相應于θ1，θ2，θ3；在YOZ平面內φ＝90°，K1，K2，K3相應于θ1，θ2，θ3。
根據(jù)BIBO晶體的二階非線性光學系數(shù)，我們計算了表1中各方式的有效非線性光學系數(shù)|deff|，亦如表1所示。從|deff|的數(shù)值來看，有兩種方式最值得注意。一種是YOZ平面內的I類相位匹配方式(70.2°，109.8°，90°)，其|deff|值在表1所列的各方向中為最大，達到2pm/V。另一種是XOY平面內的I類相位匹配方式(68.9°，111.1°，90°)，它的|deff|值僅略低于前一方式，為1.9pm/V。此外，該方式的突出優(yōu)勢是三個作用波均為非臨界，K1，K2的偏振方向沿Z軸，K3的偏振方向沿X軸，容限角大于其它非共線相位匹配方式。對于前一種相位匹配方式，即YOZ平面內的(70.2°，109.8°，90°)方式，K1，K2的偏振方向在YOZ平面內，是臨界的。
表1 BIBO晶體內1064nm的非臨界非共線倍頻方向相位匹配類型 主平面相位匹配方向K1，K2，K3|deff|(pm/V)(68.9°，111.1°，90°) 1.9XOY(18.3°，341.7°，0°)0.1IXOZ (73°，106.7°，90°) 0YOZ (70°，110°，90°) 2.0(76.6°，102.7°，90°) 0.3XOY(11°，350.4°，0°) 0.3IIXOZ (80°，100°，90°) 0.7YOZ (78°，102°，90°) 0利用本發(fā)明制作的1064nm的非共線倍頻晶體器件，無論入射面切角在YOZ平面內，還是在XOY平面內，其轉換效率均能達到45％以上，比現(xiàn)有非共線技術的指標提高了一個量級。且本發(fā)明采用內角全反射技術，使入射基頻光簡化為一束，從而使非共線倍頻裝置大為簡化。如圖4所示，器件1用于實現(xiàn)YOZ平面內的(70.2°，109.8°，90°)方式?；l光由方向A垂直入射晶體，在晶體內的方向K1為φ＝90°，θ＝70.2°，經側面全反射后傳播方向變?yōu)镵2，即φ＝90°，θ＝109.8°。對于具有一定截面尺寸的入射基頻光而言，K1， K2兩束光將在晶體器件內形成一個交叉的作用區(qū)域，從而通過非共線相位匹配作用產生Y軸方向傳播的倍頻綠光。在晶體器件的出射面，剩余基頻光折射后沿方向B出射，而倍頻光垂直通過出射面。當入射基頻光的能量為5.9mJ時，獲得了2.9mJ的出射倍頻光，轉換效率為49％。如圖5所示，器件2用于實現(xiàn)XOY平面內的(68.9°，111.1°，90°)方式。為使基頻光沿θ＝90°，φ＝68.9°正入射，入射面切向位于XOY平面內偏Y軸21.1°，出射面沿Y軸正切。當入射基頻光的能量為5.6mJ時，獲得了2.5mJ的出射倍頻光，轉換效率為45％。
本發(fā)明通過理論計算，確定出BIBO晶體的最佳非共線相位匹配方向，以此為依據(jù)設計了BIBO非共線倍頻晶體器件。實踐表明，這種非共線倍頻器件的轉換效率能夠達到45％以上，比現(xiàn)有非共線倍頻技術的轉換效率提高了一個量級，達到實用化水平。本發(fā)明使用了內角全反射技術，從而使入射基頻光簡化為一束，省卻了其它非共線倍頻技術中所必需的入射基頻光分束裝置，減小了損耗，降低了成本。此外，當基頻光波長從946nm變化到1380nm時，晶體器件在YOZ平面內入射面切角的變化僅為0.8°，在XOY平面內入射面切角的變化也僅為1.2°，說明該器件對于波長的變化并不敏感，具有較好的波長適應性。綜上所述，本發(fā)明所確定的BIBO非共線倍頻晶體器件具有成本低，裝置簡單，波長適應性強，基頻、倍頻空間自然分離，能耗低，效率高等優(yōu)點，是非共線相位匹配技術的實用化器件。


圖1是BIBO晶體的空間方向定義圖。
圖2是BIBO晶體1064nm的I類非共線倍頻相位匹配曲線。圖(a)表示XOY平面，所有方向θ＝90°；圖(b)表示XOZ平面，所有方向φ＝0°；圖(c)表示YOZ平面，所有方向φ＝90°。
圖3是BIBO晶體1064nm的II類非共線倍頻相位匹配曲線。圖(a)表示XOY平面，所有方向θ＝90°；圖(b)表示XOZ平面，所有方向φ＝0°；圖(c)表示YOZ平面，所有方向φ＝90°。
圖4是當基頻光波長為1064nm時，入射面在YOZ主平面內切割的BIBO非共線倍頻晶體器件的工作光路示意圖。虛線表示基頻光的傳播光路，實線表示倍頻光的傳播光路。
圖5是當基頻光波長為1064nm時，入射面在XOY主平面內切割的BIBO非共線倍頻晶體器件的工作光路示意圖。虛線表示基頻光的傳播光路，實線表示倍頻光的傳播光路。
具體實施方式
實施例1硼酸鉍晶體在入射光波長為542nm時，晶體的出射面沿Y軸加工，入射面切角是θ＝90°，φ＝90°，即沿Y軸正切。
實施例2硼酸鉍晶體在入射光波長為660nm時，晶體的出射面沿Y軸加工，入射面切角在YOZ平面內是θ＝75.2°±3°，在XOY平面內是φ＝74.1°±3°。
實施例3
硼酸鉍晶體在入射光波長為808nm時，晶體的出射面沿Y軸加工，入射面切角在YOZ平面內是θ＝72°±3°，在XOY平面內是φ＝70.7°±3°。
實施例4硼酸鉍晶體在入射光波長為946nm時，晶體的出射面沿Y軸加工，入射面切角在YOZ平面內是θ＝70.8°±3°，在XOY平面內是φ＝69.5°±3°。
實施例5硼酸鉍晶體在入射光波長為1064nm時，晶體的出射面沿Y軸加工，入射面切角在YOZ平面內是，θ＝70.2°±3°，在XOY平面內是φ＝68.9°±3°。
實施例6硼酸鉍晶體在入射光波長為1319nm時，晶體的出射面沿Y軸加工，入射面切角在YOZ平面內是θ＝70°±3°，在XOY平面內是φ＝68.3°±3°。
實施例7硼酸鉍晶體在入射光波長為1380nm時，晶體的出射面沿Y軸加工，入射面切角在YOZ平面內是θ＝70°±3°，在XOY平面內是φ＝68.3°±3°。
權利要求
1.一種硼酸鉍非共線倍頻晶體器件，其特征是沿折射率主軸Y，晶體器件的出射面切角固定，而入射面切角隨入射基頻光波長的改變而改變，當入射光波長為542nm～1380nm時，晶體的入射面切角范圍是(1)在φ＝90°的YOZ平面內，從θ＝90°到θ＝70°±3°；(2)在θ＝90°的XOY平面內，從φ＝90°到φ＝68.3°±3°。
2.根據(jù)權利要求1所述的硼酸鉍非共線倍頻晶體器件，其特征是當入射光波長為542nm時，晶體的入射面切角為θ＝90°，φ＝90°，即沿Y軸正切。
3.根據(jù)權利要求1所述的硼酸鉍非共線倍頻晶體器件，其特征是當入射光波長為660nm時，晶體的入射面切角在YOZ平面內是θ＝75.2°±3°，在XOY平面內是φ＝74.1°±3°。
4.根據(jù)權利要求1所述的硼酸鉍晶體非共線倍頻器件，其特征是當入射光波長為808nm時，晶體的入射面切角在YOZ平面內是θ＝72°±3°，在XOY平面內是φ＝70.7°±3°。
5.根據(jù)權利要求1所述的硼酸鉍非共線倍頻晶體器件，其特征是當入射光波長為946nm時，晶體的入射面切角在YOZ平面內是θ＝70.8°±3°，在XOY平面內是φ＝69.5°±3°。
6.根據(jù)權利要求1所述的硼酸鉍非共線倍頻晶體器件，其特征是當入射光波長為1064nm時，晶體的入射面切角在YOZ平面內是，θ＝70.2°±3°，在XOY平面內是φ＝68.9°±3°。
7.根據(jù)權利要求1所述的硼酸鉍非共線倍頻晶體器件，其特征是當入射光波長為1319nm時，晶體的入射面切角在YOZ平面內是θ＝70°±3°，在XOY平面內是φ＝68.3°±3°。
8.根據(jù)權利要求1所述的硼酸鉍非共線倍頻晶體器件，其特征是當入射光波長為1380nm時，晶體的入射面切角在YOZ平面內是θ＝70°±3°，在XOY平面內是φ＝68.3°±3°。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硼酸鉍非共線倍頻晶體器件，屬于光電子技術領域。本發(fā)明的主要內容是硼酸鉍晶體器件的出射面切角固定，沿折射率主軸Y，入射面切角隨入射基頻光波長的改變而改變，當入射光波長為542nm～1380nm時晶體的入射面切角范圍是(1)在φ＝90°的YOZ平面內，從θ＝90°到θ＝70°±3°；(2)在θ＝90°的XOY平面內，從φ＝90°到φ＝68.3°±3°。本發(fā)明采用了獨特的內角全反射技術，節(jié)省了基頻光的分光裝置。本發(fā)明具有基頻與倍頻空間自然分離、轉換效率高、能耗低、裝置簡單、成本低、適用波段寬等優(yōu)點。
文檔編號H01S3/16GK1547296SQ20031010557
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月4日 優(yōu)先權日2003年12月4日
發(fā)明者王正平, 邵宗書, 王繼揚, 胡大偉, 許貴寶, 許心光, 劉均海, 董勝明 申請人:山東大學