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一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器及其应用制造技术

技术编号:13631335 阅读:84 留言:0更新日期:2016-09-02 11:57
本发明专利技术涉及一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器及其应用。该光学变频器,包括沿光路方向设置的第一分束镜、磷酸盐晶体、偏振转换模块、第二分束镜和第三分束镜。本发明专利技术以磷酸盐晶体作为非线性光学介质,利用四分之一波片改变倍频光偏振态,利用折返光路进行倍频、三倍频的级联变频,在一块晶体中实现了从近红外激光到紫外激光的直接输出;磷酸盐晶体具有原料成本低、易生长、尺寸大、质量优良等优点;由于在1微米波段磷酸盐晶体的II类倍频和II类三倍频相位匹配方向基本相同,因而光转换效率高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器及其应用,属于激光和非线性光学的

技术介绍
目前,紫外激光在精密加工、光学雕刻、快速成型、光学存储和医疗等领域具有广泛应用。获得紫外激光的方法有很多,包括:非线性光学晶体对红外激光的频率变换,二维光子晶体对红外激光的频率变换,以及反斯托克斯拉曼散射等。其中,利用非线性光学晶体进行频率变换最为常用,这种方法具有效率高,光束质量好、稳定性高等优点。目前利用非线性光学晶体进行频率变换获得紫外激光比较成熟的技术方法是对掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)或掺钕玻璃(Nd:glass)激光进行三倍频,产生355nm或351nm的紫外激光;该过程通常采用级联变频的方式进行,即首先用一块非线性光学晶体对红外激光(1064nm/1053nm)倍频,再用另一块非线性光学晶体将产生的倍频绿光(532nm/526nm)与剩余红外激光和频,最终产生355nm/351nm紫外激光。虽然利用三阶非线性的直接三倍频或准相位匹配光学超晶格的方法可以实现一块晶体从近红外到紫外的激光变频,但前者受材料本身抗光伤阈值的限制,转换效率极低,而后者存在制备工艺复杂、可靠性差、价格昂贵等缺点,因而在实际应用中,上述两种方法均受到很大限制。整体而言,利用两块非线性光学晶体先后进行倍频、和频仍是目前获得三倍频紫外激光的主流方法。中国专利CN105549295A公开了一种兼具非临界相位匹配倍频、三倍频性能的紫外激光变频器及其工作方法。该装置和方法中使用的工作介质为GdxY1-xCOB晶体,是一种低对称性的硼酸盐晶体,单斜晶系,光学双轴晶,提拉法生长;使用的级联相位匹配方式均为非临界相位匹配,即沿Y轴(θ=90°,φ=90°)方向先II类倍频,再I类和频;所针对的基频光波长为1064nm和1053nm,分别对应Nd:YAG和Nd:glass激光。该装置和方法中,如果改变基频工作波长,就需要相应改变GdxY1-xCOB的晶体组分x,这意味着需要重新生长晶体,使用不方便、效率低下。
技术实现思路
针对现有技术的不足,本专利技术提供一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器。本专利技术还提供一种利用上述级联光学变频器在1微米波段获得三倍频紫外激光的方法。专利技术概述:KH2PO4(KDP)和NH4H2PO4(ADP)这两种磷酸盐非线性光学晶体在1微米波段(1000~1100nm)的倍频、和频相位匹配角非常接近。本专利技术利用这一特殊性质,通过光学相位延迟器(即波片)调整倍频光的偏振态以满足偏振匹配条件,通过折返光路以实现倍频及和频的级联变频,从而用一块晶体在1微米波段获得近红外激光的高效三倍频紫外输出。本专利技术的技术方案如下:一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器,包括沿光路方向设置的第一分束镜、磷酸盐晶体、偏振转换模块、第二分束镜和第三分束镜。磷酸盐晶体采用水溶液法生长,采用传统降温法或者快速降温法都能获得高光学质量的大尺寸单晶。原料价格便宜,生长成本低,晶体的生长工艺和定向、切割、抛光、镀膜等工艺也都较为成熟。优选的,磷酸盐晶体为KDP晶体、ADP晶体、DKDP晶体或DADP晶体。由于KDP、ADP这两种晶体氘化后折射率变化不大,所以相配匹配性质基本不变,因此本专利技术对于氘化KDP(DKDP)和氘化ADP(DADP)同样适用。KDP晶体和ADP晶体是中级对称性的磷酸盐晶体,四方晶系,光学单轴晶,水溶液法生长,便于获得大口径、高光学质量晶体。优选的,磷酸盐晶体的加工方向为θ=60°±5°,φ=0°±5°;磷酸盐晶体的通光面镀有对1微米激光、1微米激光的倍频光、1微米激光的三倍频光增透的介质膜。其中,θ为相位匹配角中的方向角,φ为相位匹配角中的方位角。参照表1可知,选择θ=60°±5°,φ=0°±5°的角度范围能实现1000~1100nm波段内的级联变频。优选的,所述偏振转换模块包括沿光路方向设置的第一反射镜、四分之一波片和第二反射镜,第二反射镜镀有对1微米激光倍频光高反的介质膜。当入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体o光方向的夹角为54.7°±5°,由于倍频光总能量是基频光总能量的2倍,倍频光单光子能量是基频光单光子能量的2倍,因此倍频光与基频光的光子数相等,理论上可以实现最大效率的和频转换。虽然倍频光路与基频光路在光程上有小的差异,但在脉宽为纳秒量级以上的长脉冲条件下对三倍频转换的影响极小,可以忽略不计。优选的,所述偏振转换模块包括沿光路方向设置的四分之一波片和第二反射镜,第二反射镜镀有对1微米激光及其倍频光高反的介质膜;四分之一波片通光面镀有对1微米激光及其倍频光增透的介质膜。此时需将入射基频光的偏振方向与变频晶体o光方向的夹角调整为45°±5°,即入射基频光的偏振方向、变频晶体o光和e光角平分线方向、四分之一波片的光轴
方向三者一致,基频光与倍频光会有相同的传播光路,光程差为0。进一步优选的,第一反射镜、第二反射镜镀在四分之一波片上。在脉宽为皮秒量级以下的短脉冲条件下,将第一反射镜、第二反射镜直接镀到典型厚度仅为几十微米的四分之一波片上,可大幅减小反射倍频光与反射基频光的光程差。进一步优选的,四分之一波片的光轴方向与磷酸盐晶体o光和e光角平分线的夹角为0~5°。倍频光往返两次经过四分之一波片,相当于经过一个半波片,线偏振方向旋转90°,相对变频晶体偏振态由e光变为o光,满足II类和频相位匹配条件。进一步优选的,四分之一波片是1微米激光倍频光的四分之一波片,通光面镀有对1微米激光倍频光增透的介质膜。进一步优选的,第一反射镜镀有对1微米激光高反,并对1微米激光的倍频光高透的介质膜。优选的,第一分束镜与光路中心轴的夹角为35~55°;第一分束镜镀有对1微米激光高透,对1微米激光的倍频光、1微米激光的三倍频光高反的介质膜;第二分束镜与输出光路中心轴的夹角为35~55°;第二分束镜镀有对1微米激光、1微米激光的倍频光高反的介质膜,以及对1微米激光的三倍频光高透的介质膜;第三分束镜与输出光路中心轴的夹角为35~55°;第三分束镜镀有对1微米激光、1微米激光的三倍频光高透的介质膜,以及对1微米激光的倍频光高反的介质膜。进一步优选的,第一分束镜与光路中心轴的夹角为45°;所述第二分束镜与输出光路中心轴的夹角为45°;第三分束镜与输出光路中心轴的夹角为45°。一种利用上述级联光学变频器在1微米波段获得三倍频紫外激光的方法,包括步骤如下:1)入射基频光;入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体o光方向的夹角为54.7°±5°;根据最优级联三倍频条件下所产生倍频光能量应该为剩余基频光能量的2倍,同时考虑到光强等于电场能量的平方,可以计算出此时基频光电场能量方向(即线偏振方向)与变频晶体o光方向夹角约为54.7°。2)II类倍频;入射的基频光的三分之一能量为基频o光,三分之二能量为基频e光,部分基频光转换为倍频e光,并与剩余基频e光一起出射;理想情况下经过晶体II类倍频后三分之二能量的基频光会变为倍频e光,并与剩余的三分之一能量的基频e光一起出射;理论上,倍频转换效率可达66.7%。3)倍频光往返两次经过所述四分之一波片,线偏振方向旋转90°,相对变频晶体偏振态由倍频e光变为倍频o光;4)基频e光经第一反射镜反射后以不变的偏振本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器,其特征在于,包括沿光路方向设置的第一分束镜、磷酸盐晶体、偏振转换模块、第二分束镜和第三分束镜。

【技术特征摘要】
1.一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器,其特征在于,包括沿光路方向设置的第一分束镜、磷酸盐晶体、偏振转换模块、第二分束镜和第三分束镜。2.根据权利要求1所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器,其特征在于,磷酸盐晶体为KDP晶体、ADP晶体、DKDP晶体或DADP晶体。3.根据权利要求1所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器,其特征在于,磷酸盐晶体的加工角度为θ=60°±5°,φ=0°±5°;磷酸盐晶体的通光面镀有对1微米激光、1微米激光的倍频光、1微米激光的三倍频光增透的介质膜,其中,θ为相位匹配角中的方向角,φ为相位匹配角中的方位角。4.根据权利要求1所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器,其特征在于,所述偏振转换模块包括沿光路方向设置的第一反射镜、四分之一波片和第二反射镜;第二反射镜镀有对1微米激光倍频光高反的介质膜。5.根据权利要求4所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器,其特征在于,第一反射镜、第二反射镜镀在四分之一波片上。6.根据权利要求4所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器,其特征在于,四分之一波片的光轴方向与磷酸盐晶体o光和e光角平分线的夹角为0~5°;四分之一波片是1微米激光倍频光的四分之一波片,通光面镀有对1微米激光倍频光增透的介质膜;第一反射镜镀有对1微米激光高反,并对1微米激光的倍频光高透的介质膜;第一分束镜与光路中心轴的夹角为35~55°;第一分束镜镀有对1微米激光高透,对1微米激光的倍频光、1微米激光的三倍频光高反的介质膜;第二分束镜与输出光路中心轴的夹角为35~55°;第二分束镜镀有对1微米激光、1微米激光的倍频光高反的介质膜,以及对1微米激光的三倍频光高透的介质膜;第三分束镜与输出光路中心轴的夹角为35~55°;第三分束镜镀有对1微米激光、1微米激光的三倍频光高透的介质膜,以及对1微米激光的倍频光高反的介质膜。7.一种利用权利...

【专利技术属性】
技术研发人员:王正平亓宏伟孙洵许心光吴志心任宏凯孙玉祥
申请(专利权)人:山东大学
类型:发明
国别省市:山东;37

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