一种温度不敏感型倍频晶体器件及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种温度不敏感型倍频晶体器件及其应用，晶体为GdCOB，化学式为GdCa4O(BO3)3，所述晶体的I类相位匹配的切割角为(θ,φ)，θ的取值范围为128°‑160°，φ的取值范围为1°‑48°，与传统倍频晶体器件相比，本发明专利技术具有温度带宽大、热稳定性高、转换效率高、易推广、使用简便、整机成本低等优点，可应用于对温度稳定性要求较高的高功率倍频激光系统，或者太空、沙漠、深海、极地、月球等极端温度条件下的倍频激光系统。

A Temperature-insensitive Frequency Doubling Crystal Device and Its Application

The present invention relates to a temperature-insensitive frequency doubling crystal device and its application. The crystal is GdCOB and the chemical formula is GdCa4O(BO3)3. The cut angle of phase matching type I of the crystal is (theta, phi), the value range of theta is 128 160, and the value range of phi is 1 48. Compared with the traditional frequency doubling crystal device, the present invention has large temperature bandwidth, high thermal stability, high conversion efficiency and ease. It can be used in high power frequency doubling laser system which requires high temperature stability, or in extreme temperature conditions such as space, desert, deep sea, polar, moon and so on.

【技术实现步骤摘要】
一种温度不敏感型倍频晶体器件及其应用
本专利技术涉及一种特殊切角的硼酸钙氧钆(GdCa4O(BO3)3，GdCOB)倍频晶体器件及其应用，该器件的倍频效应具有对温度不敏感的特性，属于激光与非线性光学

技术介绍
激光倍频是光学频率变换的重要技术。通过倍频获得的可见激光光源在非线性光学、激光显示、显微手术、精密加工方面有许多重要应用。目前，人们获得绿光相干光源的普遍做法是先使用激光晶体产生近红外固体激光(如1064nm)，再使用非线性晶体对近红外固体激光进行倍频。常用的非线性晶体有LBO、BBO、KTP、KDP等，虽然在室温下它们都能实现高效的倍频转换，但是，温度敏感性普遍较高，在高功率激光工作条件下会因大量余热造成显著的相位失配，从而使倍频效应劣化甚至完全失效。GdCOB晶体的热光系数较小，改变温度时折射率变化小，能够承受一定的温度变化而保持较高的倍频转换效率，即具有较大的倍频温度带宽。虽然如此，在以往的研究中，人们只研究了GdCOB晶体主平面上倍频相位匹配方向的温度特性，未对主平面之外的相位匹配方向进行考察。中国专利文献CN105870776A公开了一种用于产生绿光的组合功能晶体，用于绿光激光器，包括激光晶体和非线性晶体，激光晶体和非线性晶体通过紫外胶层固化粘合；激光晶体为Nd:YVO4晶体，非线性晶体为YCOB晶体、GdCOB晶体或GdYCOB晶体；激光晶体的第一端面镀有808nm增透膜、1064nm高反膜，第二端面镀有808nm高反膜，1064nm增透膜；非线性晶体的第一端面镀有1064nm增透膜、532nm高反膜，第二端面镀有1064nm高反膜、532nm增透膜：紫外胶层设置在激光晶体的第二端面和非线性晶体的第一端面之间。但是，该专利还存在以下不足：该专利公开了“GdCa4O(BO3)3晶体为(113.2±1°,47.4±1°)”，以及温度稳定的效果为“对于倍频晶体KTP具有更宽的温度容限带宽”。事实上，该专利中GdCOB晶体(113.2±1°,47.4±1°)切角的温度带宽约为44.6℃·cm(本申请的实验值，参见图7)，无法工作在低于0℃和高于100℃的温度区域，因此，并未实现该晶体的最佳温度稳定效果。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种特殊切角的GdCa4O(BO3)3倍频晶体器件，该晶体的倍频效应具有对温度极端不敏感的特性，温度带宽大大优于以往报道的主平面相位匹配方向，可应用于对温度稳定性要求较高的高功率倍频激光系统，或者太空、沙漠、深海、极地等极端温度条件下的倍频激光系统。本专利技术还提供了上述GdCa4O(BO3)3倍频晶体器件的应用。术语解释：1.GdCOB,硼酸钙氧钆晶体的简称；2.ΔTl，倍频温度带宽的简称，是指使倍频效率下降至最优效果的40.5％时对应的温度范围与晶体通光长度的乘积，单位为℃·cm；3.ΔTFWHM，倍频温度半高全宽的简称，是指在倍频效率的温度曲线上最高值的一半处(50％)对应的左右温度范围；4.LBO，三硼酸锂晶体的简称；5.BBO，β相偏硼酸钡晶体的简称；6.KTP，磷酸钛氧钾晶体的简称；7.KDP，磷酸二氢钾晶体的简称。8.晶体切向(θ，φ)：在晶体空间内，任意一个方向k都可以用球坐标(θ，φ)来表示，这里θ表示k与光学主轴Z正方向之间的夹角(0≤θ≤180°)，φ表示k在XY主平面内的投影与X轴正方向之间的夹角(0≤φ≤360°)。9.全空间倍频性质：在此我们主要考虑GdCOB晶体的相位匹配角、温度带宽、有效非线性光学系数三种倍频性质。相位匹配角取决于折射率色散，具有mmm的空间对称性。温度带宽取决于热光系数以及XZ平面的热旋转系数，具有2/m的对称性。有效非线性光学系数取决于相位匹配角与二阶非线性光学系数矩阵，具有2/m的对称性。因此，整体而言只需考虑两个独立的卦限，通过对称变换就可以得到全空间倍频性质。在本专利中，我们选取的独立卦限为第一卦限(0≤θ≤90°，0≤φ≤90°)和第五卦限(90≤θ≤180°，0≤φ≤90°)，以这两个卦限为代表表征全空间倍频性质。本专利技术的技术方案如下：一种温度不敏感的倍频晶体器件，所述晶体为GdCOB，化学式为GdCa4O(BO3)3，所述晶体的I类相位匹配的切割角为(θ,φ)，θ的取值范围为128°-160°，φ的取值范围为1°-48°。根据本专利技术优选的，θ、φ之间的关系同时满足式(I)、式(II)、式(III)：n1064’＝n532’(III)式(I)、式(II)、式(III)中，n1064,x、n1064,y、n1064.z为波长1064nm对应的光学主轴折射率；n532,x、n532,y、n532.z为波长532nm对应的光学主轴折射率；n1064为(θ,φ)方向上1064nm的折射率，n1064’是式(I)中n1064的两个解中较大的一个；n532为(θ,φ)方向上532nm的折射率，n532’是式(II)中n532的两个解中较小的一个。对应倍频温度带宽远远优于专利CN105870776A所述的(113.2±1°,47.4±1°)切角，或者以前人们曾经研究过的主平面内切角。采用这种特殊切型的倍频器件，具有比以往切型更好的温度稳定性，主要原因在于该切型的GdCOB倍频晶体具有更大的温度带宽。GdCOB晶体由于温度变化而导致倍频效率下降，主要来自两种效应：一是热光效应，即温度变化导致折射率变化，进而引起相位失配；二是结晶学a、c轴相对于光学X、Z轴的热旋转效应。在第一卦限(0≤θ≤90°，0≤φ≤90°)，这两种效应相互叠加，使得相位失配更加剧烈，因而倍频过程的温度稳定性差，即温度带宽小。而在第五卦限(90≤θ≤180°，0≤φ≤90°)，这两种效应部分抵消，因而相位失配小，温度稳定性高，温度带宽大。特别是我们选取的这一部分切向，这两种效应相互抵消的程度大于其他切向，因而温度稳定性和温度工作范围优于以前曾经报道的任何GdCOB切向。进一步优选的，θ的取值范围为128°-132°，φ＝48°。采用这种特殊切型的倍频器件，除了具有比以往主平面切型的倍频器件更大的温度带宽，更好的热稳定性，更宽的温度工作范围，还具有更大的有效非线性光学系数，更高的倍频转换效率。根据本专利技术优选的，θ＝128°，φ＝48°；或者，θ＝135°，φ＝47°；或者，θ＝160°，φ＝1°。根据本专利技术优选的，所述晶体GdCOB通过提拉法生长得到，主要步骤如下：(1)按照化学计量比，称取原料Gd2O3、CaCO3和H3BO3，原料Gd2O3、CaCO3和H3BO3的摩尔比为0.5:4:3，混合均匀；(2)加热至1000℃，保温20h，使CaCO3分解，并使原料Gd2O3、CaCO3和H3BO3发生固相反应，合成GdCOB多晶；固相反应的具体方程式如下：0.5Gd2O3+4CaCO3+3H3BO3＝GdCa4O(BO3)3+4.5H2O+4CO2↑(3)将GdCOB多晶放入提拉炉的铱金坩埚内，在N2气氛中，加热至完全融化；(4)将具有b向切向的GdCOB籽晶的一端浸入熔体，缓慢向上提拉，随着拉出部分温度的降低，熔体中的原子将按照籽晶的结构排列，并冷却为GdCOB单晶。本专利技术采用提拉法生长的GdCOB作为倍频晶体，这种晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种温度不敏感的倍频晶体器件，其特征在于，所述晶体为GdCOB，化学式为GdCa4O(BO3)3，所述晶体的I类相位匹配的切割角为(θ,φ)，θ的取值范围为128°‑160°，φ的取值范围为1°‑48°。

【技术特征摘要】
1.一种温度不敏感的倍频晶体器件，其特征在于，所述晶体为GdCOB，化学式为GdCa4O(BO3)3，所述晶体的I类相位匹配的切割角为(θ,φ)，θ的取值范围为128°-160°，φ的取值范围为1°-48°。2.根据权利要求1所述的一种温度不敏感的倍频晶体器件，其特征在于，θ、φ之间的关系同时满足式(I)、式(II)、式(III)：n1064’＝n532’(III)式(I)、式(II)、式(III)中，n1064,x、n1064,y、n1064.z为波长1064nm对应的光学主轴折射率；n532,x、n532,y、n532.z为波长532nm对应的光学主轴折射率；n1064为(θ,φ)方向上1064nm的折射率，n1064’是式(I)中n1064的两个解中较大的一个；n532为(θ,φ)方向上532nm的折射率，n532’是式(II)中n532的两个解中较小的一个。3.根据权利要求1所述的一种温度不敏感的倍频晶体器件，其特征在于，θ的取值范围为128°-132°，φ＝48°。4.根据权利要求1所述的一种温度不敏感的倍频晶体器件，其特征在于，θ＝128°，φ＝48°；或者，θ＝135°，φ＝47°；或者，θ＝160°，φ＝1°。5.根据权利要求1所述的一种温度不敏感的倍频晶体器件，其特征在于，所述GdCOB通过提拉法生长得到，包括步骤如下：(1)按照化学计量比，称取原料Gd2O3、CaCO3和H3BO3，原料Gd...

【专利技术属性】
技术研发人员：王正平，王新乐，于法鹏，许心光，赵显，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37