一种可见到紫外波段光学频率转换器制造技术

本发明专利技术提供一种可见到紫外波段光学频率转换器。通过控制非线性光学晶体的加工周期提供附加周期相位满足相位匹配条件，从而实现有效光学频率转换。附加周期相位是通过激光微加工、离子刻蚀等技术于晶体内部形成不同折射率周期排布的相位光栅，由相位光栅中晶体周期性结构破坏来阻止非线性频率转换的逆过程并提供附加周期相位，弥补非线性光学晶体自然双折射不足造成的相位失配，实现有效的倍频或和频输出。本发明专利技术可以对非线性光学材料进行优选，也可以根据所需波长选取适当晶体通过激光光刻等工艺提供与之匹配的附加周期相位，从而实现对特定波长的有效输出。本发明专利技术为非线性光学频率转换器件提供新品种，具有光学频率转换效率高、易制备等优势。

A Visible-to-Ultraviolet Optical Frequency Converter

【技术实现步骤摘要】
一种可见到紫外波段光学频率转换器
本专利技术涉及非线性光学晶体器件，尤其涉及一种可见到紫外波段光学频率转换器，属于激光

技术介绍
非线性光学频率变换是通过材料对光学的非线性响应，实现光的频率上转换或者下转换，其中倍频是利用其上转换效应，以实现光学频率增加一倍、波长缩短一倍的效果，是非线性光学领域研究最多、应用最广泛的一种效应。倍频效应的材料基础是非线性光学频率转换器件。在该效应中，动量守恒即相位匹配条件是高效光学频率转换的基本要求，一般基于双折射效应的色散关系，以特殊切角下实现基频光o光或者e光与倍频光e光或者o光的折射率相等，从而实现相位匹配，实现高效倍频光输出。目前基于双折射已经可以实现可见到紫外波段激光，并在关系国民经济和国家安全的众多领域获得应用，但晶体的双折射的相位匹配方式，要求晶体具有合适的双折射，而排除了大部分不具有合适双折射的晶体，限制了高效激光的获得特别是紫外甚至深紫外激光方面的应用。受相位匹配条件的限制，只有层状氟硼酸铍钾(KBBF)晶体实现了深紫外的有效倍频，但由于其层状习性使得晶体生长困难，并且原料的毒性也极大的限制了晶体的获得。
技术实现思路
针对现有非线性光学频率转换技术和非线性光学材料的不足，专利技术提供一种可见到紫外波段光学频率转换器，该器件可实现从可见光到紫外甚至深紫外波段的倍频及和频频率转换。专利技术概述：本专利技术所用晶体为非线性光学晶体，根据所利用非线性系数将晶体沿着一定方向切割，垂直于切向的表面抛光并镀膜或不镀膜，以激光加工或者离子束刻蚀等方式，破坏晶体内部均匀性，使其破坏区域不具有有效非线性效应，无法实现有效倍频过程，而实现基频光和倍频(或和频)光的相位变化，通过控制基频光和倍频光的相位差，以调节晶体内部光的相位并实现相位匹配，获得有效光学频率转换。术语说明：o光：振动方向垂直于晶体光轴与入射方向构成的主平面的偏振光。e光：振动方向平行于于晶体光轴与入射方向构成的主平面的偏振光。紫外光：是指波长短于400纳米的光。光栅周期：即光栅常数，如图2所示，通过采用激光加工、离子刻蚀等技术对晶体进行加工，于晶体内部形成不同折射率周期排布的光栅，光栅周期Λ＝lc+lb，lc是晶体通光方向未加工部分的宽度，lb是晶体通光方向加工部分的宽度。本专利技术的技术方案如下：一种可见到紫外波段光学频率转换器件，采用非线性光学晶体，所述光学晶体内部设置有周期规律分布的无定型区域；该无定型区域不能实现非线性光学效应的相干叠加，从而阻断倍频光到基频光的转换过程，但该无定型区域能提供基频光与倍频光的相位差。根据本专利技术，优选的，所述的无定型区域提供基频光与倍频光的相位差m为整数。根据本专利技术，优选的，所述的周期规律分布的无定型区域为垂直于通光方向的折射率周期性分布的相位光栅，所述的相位光栅沿晶体通光方向平行排布，一个光栅周期内加工区域和未加工区域传输的相位差均为m为整数。本专利技术的周期分布的光栅既包括加工的无定型区域，又包括未加工的区域，这两部分的折射率是不一样的，所以才会形成折射率的周期分布，而这两部分都可以提供π的奇数倍的相位差，在未加工部分不仅有相位差，还有有效非线性效应，即基频光向倍频光的持续转化，而在加工区域无有效非线性效应，只提供相位差。根据本专利技术，优选的，所述的光栅是通过加工晶体的方式获得，即添加附加周期相位；加工方式可以但不限于激光微加工、离子刻蚀等可以实现晶体局域破坏的技术。本专利技术通过破坏晶体本身的结构形成周期规律分布的无定型区域，使得该区域无非线性光学效应，从而阻断倍频光到基频光的转换过程，但该区域可以提供基频光与倍频光的相位差。进一步的，本专利技术利用激光加工、离子刻蚀等技术于晶体内部形成不同折射率周期排布的光栅。利用加工区域的折射率随波长的色散关系实现基频光与倍频光(或和频光)的相位差，以满足相位匹配，实现高效倍频输出。如图2所示，本专利技术的光栅周期Λ＝lc+lb，lc是晶体通光方向未加工部分的宽度，lb是晶体通光方向加工部分的宽度。通过控制通光方向上的光栅加工长度控制光在晶体内部传输时的相位，晶体在一个光栅周期内传输的相位差可以表示为其中Δk为非线性光学晶体相位失配倒格矢量，Λ为光栅周期。优选的，未加工部分的宽度lc＝0.1-50μm，加工部分的宽度lb＝0.1-50μm。根据本专利技术，优选的，所述非线性光学晶体可以采用石英(SiO2)晶体、三硼酸锂(LBO)晶体、偏硼酸钡(β-BBO)晶体、四硼酸锶(SBO)晶体、铌酸锂(LiNbO3)晶体、氟硼铍酸钾(KBBF)晶体、磷酸二氢钾(KDP)晶体、氟化钡镁(MgBaF4)晶体等非线性光学晶体，但不仅限于上述晶体。根据所用非线性系数将晶体沿着一定方向切割，垂直于切向的表面抛光。沿着通光方向，通过激光光刻、离子刻蚀等技术加工垂直于通光方向的周期相位光栅。根据入射基频光波波长和非线性光学晶体的折射率色散方程，控制加工区域长度，提供附加周期相位，从而满足相位匹配条件，实现从可见到紫外、深紫外波段的频率转换。根据本专利技术，优选的，所述的非线性光学晶体表面镀以对基频光和倍频光均高透过的介质膜或不镀膜。根据本专利技术，优选的，所述的非线性光学晶体通光方向长度为0.1-100mm，进一步优选的是3-10mm，晶体的截面为圆形、方形或者任意形状。根据本专利技术，优选的，上述可见到紫外波段光学频率转换器件的制备方法，包括步骤如下：根据非线性系数将非线性光学晶体沿一定方向切割，利用激光加工、离子刻蚀等技术于晶体内部形成不同折射率周期排布的光栅；通过破坏晶体本身的结构形成周期规律分布的无定型区域，使得该区域无非线性光学效应，从而阻断倍频光到基频光的转换过程，但该区域能提供基频光与倍频光的相位差，相位差为m为整数。如图2所示，本专利技术通过控制通光方向上的光栅加工长度控制光在晶体内部传输时的相位，晶体在一个光栅周期内传输的相位差可以表示为其中Δk为非线性光学晶体相位失配倒格矢量，Λ为晶体光栅周期，Λ＝lc+lb，lc是晶体通光方向未加工部分长度，lb是晶体通光方向加工破坏部分长度。通过改变破坏区域的加工长度，使得破坏区域基频光和倍频光的相位差和未破坏区域的相位差均为(2m+1)π，其中m为整数。通过控制破坏区域附加的周期相位差为从而满足相位匹配条件，实现有效的光学频率转换。根据本专利技术，上述可见到紫外波段光学频率转换器件在光学频率转换器中的应用，进一步的，在可见到紫外波段光学频率转换器中的应用。根据本专利技术，上述可见到紫外波段光学频率转换器件还可用于能实现可见到紫外波段光学频率转换的激光器。根据本专利技术，一种可见到紫外波段光学频率转换的激光器，包括沿光路依次设置的泵浦源、光学频率转换器件、棱镜和探测计；所述的光学频率转换器件、棱镜和探测计设置在头套箱中。根据本专利技术的激光器，所述的泵浦源和光学频率转换器件之间还设置有聚焦系统。根据本专利技术的激光器，优选的，所述的泵浦源连续激光泵浦源或脉冲激光泵浦源，所述的棱镜为氟化钙棱镜，所述的聚焦系统为凸透镜。根据本专利技术，上述可见到紫外波段光学频率转换的激光器工作时，泵浦源发出激光，可通过聚焦系统聚焦后激光进入光学频率转换器件中，由于光学频率转换器件中的光学晶体内部设置有周期规律分布的无定型区域；该无定型区域无非线性光学效应，从而阻断倍频光到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可见到紫外波段光学频率转换器件，其特征在于，该光学频率转换器件采用非线性光学晶体，所述光学晶体内部设置有周期规律分布的无定型区域；该无定型区域不能实现非线性光学效应的相干叠加，从而阻断倍频光到基频光的转换过程，但该无定型区域能提供基频光与倍频光的相位差。

【技术特征摘要】
1.一种可见到紫外波段光学频率转换器件，其特征在于，该光学频率转换器件采用非线性光学晶体，所述光学晶体内部设置有周期规律分布的无定型区域；该无定型区域不能实现非线性光学效应的相干叠加，从而阻断倍频光到基频光的转换过程，但该无定型区域能提供基频光与倍频光的相位差。2.根据权利要求1所述的可见到紫外波段光学频率转换器件，其特征在于，所述的无定型区域提供基频光与倍频光的相位差m为整数。3.根据权利要求1所述的可见到紫外波段光学频率转换器件，其特征在于，所述的周期规律分布的无定型区域为垂直于通光方向的折射率周期性分布的相位光栅，所述的相位光栅沿晶体通光方向平行排布，一个光栅周期内加工区域和未加工区域传输的相位差均为m为整数；所述的相位光栅是通过对晶体进行加工，于晶体内部形成不同折射率周期排布的光栅，光栅周期Λ＝lc+lb，lc是一个周期内晶体通光方向未加工部分的宽度，lb是晶体通光方向加工部分的宽度。4.根据权利要求3所述的可见到紫外波...

【专利技术属性】
技术研发人员：于浩海，张怀金，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37