一种新型的非线性频率转换晶体制造技术

一种非线性频率转换晶体，含下列四种光学元件：非线性晶体１、非线性晶体２、二分之一波片５和双波长波片６中的二～三种，非线性晶体１和非线性晶体２是长度相同的非线性晶体ＫＴＰ，按Ⅱ类相位匹配方向切割，非线性晶体１的表面１ａ镀有增透膜＠１０６４ｎｍ，表面１ｂ镀有增透膜＠１０６４ｎｍ＆５３２ｎｍ，非线性晶体２、二分之一波片５和双波长波片６的两表面均镀有增透膜＠１０６４ｎｍ＆５３２ｎｍ，具有四种组合结构之一，Ｎ个这样的晶体可光胶或深化光胶成任意长的非线性频率转换晶体片堆，其中Ｎ为正整数，有能够同时补偿光波在空间的走离和基频光经过非线性频率转换晶体引起的相位差、对环境温度不敏感，结构简单、体积小巧等优点，适于用来作为低噪声的腔内倍频晶体和腔外倍频晶体。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种非线性频率转换晶体，属光波长转换器件

技术介绍
在临界相位匹配条件下，由于以下因素的影响，限制了非线性晶体频率转换效率的提高。首先，基频光以一定的偏振方向入射到具有双折射作用的非线性晶体后分为两个正交的偏振分量，由于不同的偏振分量对应不同的折射率，在非线性晶体内部发生相位失配，即当基频光从非线性晶体出射时两个偏振分量有一相位差Δ，Δ＝(n2ω-n1ω)L·2π/λ其中，λ为基频光的波长，L为非线性晶体的有效长度，n1ω，n2ω分别为两个偏振分量对应的折射率。相位差Δ使得基频光出射时的偏振方向发生变化，导致基频光的偏振方向与非线性晶体光轴的夹角发生变化，这必然会导致非线性晶体频率转换效率的波动。其次，在非线性晶体中，由于光波的双折射作用，一般来说，光波的相位传播方向和能流传播方向是不一致的。波矢与能流密度矢量之间的夹角α称为光波的走离角。光波的走离使晶体中互作用的光波经过一段距离后互相分开，从而减小了互作用长度，降低了非线性晶体的频率转换效率。
技术介绍
中，已研制出了多种在临界相位匹配条件下提高非线性晶体频率转换效率的方法。美国专利第4,913,533号通过对非线性晶体进行温度控制来调节相位差Δ，但这种方法不能补偿光波在空间上的走离，对温控要求很高，而且这种装置对周围环境的变化很敏感。日本未审查专利Nos.1(1989)-152781使用具有梯形截面的非线性晶体，通过上下移动梯形的非线性晶体来改变光波通过非线性晶体的光程，实现对相位差Δ的调节。但这种方法也不能补偿光波在空间的走离，而且对晶体的加工精度要求高，对周围环境的变化也很敏感。1997年7月29日授予Yoji Okazaki等人的美国专利第5,652,757号公开了另一种结构的非线性频率转换晶体，即将两块相同长度、相同切割角度的同种非线性晶体的光轴方向沿着通光轴旋转90°放置。该非线性频率转换晶体不但能够补偿基频光经过非线性晶体引起的相位差，而且对周围环境温度变化不敏感，但无法补偿光波在空间上的走离。1995年3月，Gao Jiangrui等人在AppliedOptics上发表文章，介绍了在腔内倍频的激光器中采用两块相同长度、相同切割角度的同种非线性晶体作为倍频晶体，其中，第二块非线性晶体光轴方向相对于第一块非线性晶体光轴方向沿着通光轴旋转180°放置。该非线性频率转换晶体不但能够补偿光波在空间的走离，而且对周围环境温度变化不敏感，但该非线性频率转换晶体无法补偿基频光经过非线性晶体引起的相位差。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是推出一种非线性频率转换晶体，该非线性频率转换晶体能够同时补偿光波在空间的走离和基频光经过非线性晶体引起的相位失配，使非线性晶体频率转换效率达到最大，且对于任何波段都为全波片，同时，该非线性频率转换晶体对周围环境温度变化不敏感，无需使用温度控制系统，结构简单，体积小巧。本专利技术通过如下技术方案使上述技术问题得到解决一种非线性频率转换晶体，含下列四种光学元件非线性晶体1、非线性晶体2、二分之一波片5和双波长波片6中的二～三种，其特征在于，非线性晶体1和非线性晶体2是长度相同的非线性晶体KTP，按II类相位匹配方向切割，非线性晶体1的表面1a镀有增透膜@1064nm，表面1b镀有增透膜@1064nm&532nm，非线性晶体2、二分之一波片5和双波长波片6的两表面均镀有增透膜@1064nm&532nm，该非线性频率转换晶体具有下列四种组合结构之一(1)非线性频率转换晶体10由非线性晶体1和三块非线性晶体2紧密相邻地排列放置而成，第一块非线性晶体2的光轴方向相对于非线性晶体1的光轴方向沿着通光轴旋转180°放置，第二块非线性晶体2的光轴方向相对于第一块非线性晶体2的光轴方向沿着通光轴旋转90°放置，第三块非线性晶体2的光轴方向相对于第二块非线性晶体2的光轴方向沿着通光轴旋转180°放置；(2)非线性频率转换晶体11由非线性晶体1和三块非线性晶体2紧密相邻地排列放置而成，第一块非线性晶体2的光轴方向相对于非线性晶体1的光轴方向沿着通光轴旋转90°放置，第二块非线性晶体2的光轴方向相对于第一块非线性晶体2的光轴方向沿着通光轴旋转180°放置，第三块非线性晶体2的光轴方向相对于第二块非线性晶体2的光轴方向沿着通光轴旋转90°放置；(3)非线性频率转换晶体12由非线性晶体1、二分之一波片5和非线性晶体2紧密相邻地排列放置而成，非线性晶体2以其光轴方向与非线性晶体1的光轴方向完全相同的方式放置，二分之一波片5以其光轴方向同时与前两者的光轴方向成45°夹角的方式放置在前两者之间；和(4)非线性频率转换晶体13由非线性晶体1、双波长波片6和非线性晶体2紧密相邻地排列放置而成，非线性晶体2以其光轴方向与非线性晶体1的光轴方向完全相同的方式放置，双波长波片6以其光轴方向同时与前两者的光轴方向成45°夹角的方式放置在前两者之间。工作原理(1)非线性频率转换晶体10KTP晶体是双轴晶体，非线性晶体1、2沿着绕Z轴旋转Φ的YZ平面切割，Φ为23.5°。如图1所示，频率为1064nm的基频光以垂直于Z轴，与X轴成相位匹配角Φ的方向通过非线性频率转换晶体10后，转变为频率为532nm的倍频光。在频率转换过程中，基频光依次经过非线性晶体1、第一块非线性晶体2、第二块非线性晶体2、第三块非线性晶体2。当基频光经过非线性晶体1时，基频光分为两个正交方向的偏振模偏振方向垂直于非线性晶体1的XY平面的基模e1和偏振方向平行于非线性晶体1的XY平面的基模e2。在非线性晶体1的XY平面内，基模e1在非线性晶体1内沿着通光轴方向传播，基模e2将向下偏离通光轴方向传播，与基模e1发生走离。当基频光从非线性晶体1出射时，基模e2与基模e1产生的相位差为Δ1=(n2e2-n1e1)L·2π/λ------(a)]]>其中， 是基模e2在非线性晶体1内的折射率， 是基模e1在非线性晶体1内的折射率，L为非线性晶体1的长度，λ为基频光的波长。接着，基频光入射到第一块非线性晶体2上，由于第一块非线性晶体2的光轴方向相对于非线性晶体1的光轴方向沿着通光轴旋转180°放置，基模e1在第一块非线性晶体2内偏振方向垂直于其XY平面，继续沿着通光轴方向传播，基模e2在第一块非线性晶体2内偏振方向平行于其XY平面，将在其XY平面内向上偏离通光轴方向传播，由于第一块非线性晶体2的长度与非线性晶体1的长度相同，基模e2在第一块非线性晶体2内向上的走离正好可以补偿它在非线性晶体1内向下的走离，使基模e2到达第一块非线性晶体2的另一面时能与基模e1在同一点出射。基模e2与基模e1在第一块非线性晶体2内产生的相位差为Δ2=(n2e2-n1e1)L·2π/λ------(b)]]>然后，基频光入射到第二块非线性晶体2上，由于第二块非线性晶体2的光轴方向相对于第一块非线性晶体2的光轴方向沿着通光轴旋转90°放置，基模e2在第二块非线性晶体2内偏振方向垂直于其XY平面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非线性频率转换晶体，含下列四种光学元件：非线性晶体１、非线性晶体２、二分之一波片５和双波长波片６中的二～三种，其特征在于，非线性晶体１和非线性晶体２是长度相同的非线性晶体ＫＴＰ，按Ⅱ类相位匹配方向切割，非线性晶体１的表面１ａ镀有增透膜＠１０６４ｎｍ，表面１ｂ镀有增透膜＠１０６４ｎｍ＆５３２ｎｍ，非线性晶体２、二分之一波片５和双波长波片６的两表面均镀有增透膜＠１０６４ｎｍ＆５３２ｎｍ，该非线性频率转换晶体具有下列四种组合结构之一：（１）非线性频率转换晶体１０由非线性晶体１和三块非线性晶体２紧密相邻地排列放置而成，第一块非线性晶体２的光轴方向相对于非线性晶体１的光轴方向沿着通光轴旋转１８０°放置，第二块非线性晶体２的光轴方向相对于第一块非线性晶体２的光轴方向沿着通光轴旋转９０°放置，第三块非线性晶体２的光轴方向相对于第二块非线性晶体２的光轴方向沿着通光轴旋转１８０°放置；（２）非线性频率转换晶体１１由非线性晶体１和三块非线性晶体２紧密相邻地排列放置而成，第一块非线性晶体２的光轴方向相对于非线性晶体１的光轴方向沿着通光轴旋转９０°放置，第二块非线性晶体２的光轴方向相对于第一块非线性晶体２的光轴方向沿着通光轴旋转１８０°放置，第三块非线性晶体２的光轴方向相对于第二块非线性晶体２的光轴方向沿着通光轴旋转９０°放置；（３）非线性频率转换晶体１２由非线性晶体１、二分之一波片５和非线性晶体２紧密相邻地排列放置而成，非线性晶体２以其光轴方向与非线性晶体１的光轴方向完全相同的方式放置，二分之一波片５以其光轴方向同时与前两者的光轴方向成４５°夹角的方式放置在前两者之间；和（４）非线性频率转换晶体１３由非线性晶体１、双波长波片６和非线性晶体２紧密相邻地排列放置而成，非线性晶体２以其光轴方向与非线性晶体１的光轴方向完全相同的方式放置，双波长波片６以其光轴方向同时与前两者的光轴方向成４５°夹角的方式放置在前两者之间。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈燕萍，曾和平，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]