一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件制造技术

一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件，包括第一非线性光学晶体、第二非线性光学晶体和第三非线性光学晶体；所述第一非线性光学晶体和第三非线性光学晶体的材料、长度、切割角度均相同，所述第一非线性光学晶体和第三非线性光学晶体中相位失配量对温度的导数也相等；第二非线性光学晶体放置于第一非线性光学晶体和第三非线性光学晶体之间。使得非线性光学频率变换在更宽温度范围内保持较高转换效率，提高非线性光学频率变换晶体器件的温度适应性及稳定性。该器件不需要温度控制设备，使得非线性光学频率变换晶体器件结构更加简单、紧凑，同时降低器件能耗、缩短响应时间，从而降低器件成本、提升器件性能。提升器件性能。提升器件性能。

【技术实现步骤摘要】
一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件


[0001]本专利技术涉及非线性光学频率变换晶体器件的
，特别涉及一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件。

技术介绍

[0002]非线性光学频率变换主要利用非线性晶体的二阶或三阶非线性效应实现激光频率扩展。为提高非线性光学频率变换的转换效率，通常利用晶体的双折射效应来补偿光波色散，使参与非线性光学频率变换的激光满足相位匹配条件。然而晶体的折射率会随着晶体温度的变化而变化，因此，当晶体温度改变时，会破坏相位匹配条件，使非线性光学频率变换的转换效率急剧降低。目前一些常用非线性晶体的允许温度范围较小，温度适应性较差。例如，用于倍频波长为1064nm激光的晶体中，磷酸钛氧钾(KTP)晶体的温度半宽度仅为25℃；三硼酸锂(LBO)晶体的温度半宽度低至7℃。而利用LBO晶体和频产生355nm的紫外激光时，温度半宽度仅为3.5℃。这些晶体的温度适应性都较差，难以适应温度变化大的环境。
[0003]非线性光学频率变换的转换效率随环境温度变化，这一特点制约了其在温度变化环境中的应用，尤其是在军事领域。目前的解决方案是对晶体进行恒温控制，然而会增加系统能耗及复杂性，同时温度控制需要一定时间，因此还会提高系统从启动到正常工作的响应时间，增加贻误战机的风险。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件，使得非线性光学频率变换在更宽温度范围内保持较高转换效率，提高非线性光学频率变换晶体器件的温度适应性及稳定性。该器件不需要温度控制设备，使得非线性光学频率变换晶体器件结构更加简单、紧凑，同时降低器件能耗、缩短响应时间，从而降低器件成本、提升器件性能。
[0005]一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件，包括第一非线性光学晶体、第二非线性光学晶体和第三非线性光学晶体；所述第一非线性光学晶体和第三非线性光学晶体的材料、长度、切割角度均相同，所述第一非线性光学晶体和第三非线性光学晶体中相位失配量对温度的导数也相等；第二非线性光学晶体放置于第一非线性光学晶体和第三非线性光学晶体之间。
[0006]优选的是，本专利技术的第二非线性光学晶体中相位失配量对温度的导数的正负符号与第一非线性光学晶体相反。
[0007]优选的是，本专利技术的第一非线性光学晶体的长度L1与第二非线性光学晶体的长度L2之间满足：
[0008][0009]其中Δk为相位失配量，且Δk＝k
a
‑
2k
b
，其中k
a
、k
b
分别为基频光和倍频光波矢，其
中Δk1和Δk2分别为第一非线性光学晶体和第二非线性光学晶体中的相位失配量；T为非线性光学晶体温度；第二非线性光学晶体的切割角度满足：
[0010]Δk1L1+Δk2L2＝N
·
2π
[0011]其中N为整数。
[0012]优选的是，本专利技术的第二非线性光学晶体补偿第一非线性光学晶体产生的相位失配量，在小信号近似下得出第三非线性光学晶体输出面倍频光振幅E2的值：
[0013][0014]其中E1为基频光复振幅，ω2为倍频光角频率，n2分别为倍频光在晶体中的折射率，c为真空中光速，d
eff
为有效非线性系数，Δk3为第三非线性晶体中的相位失配量，z为激光互作用长度；然后计算出第三非线性光学晶体(3)输出面倍频光强度I2的值
[0015][0016]其中ε0为真空中介电常数，上标
*
表示复数的共轭，从而得到转换效率
[0017][0018]此时频率变换器件的温度半峰值宽度为：
[0019][0020]优选的是，本专利技术的非线性光学频率变换包括倍频、和频以及光参量振荡。
[0021]优选的是，本专利技术的基频光的波长是能够在非线性光学晶体中满足相位匹配条件的波长，可以是1064nm，532nm，也可以是其他波长。
[0022]优选的是，本专利技术的非线性光学晶体包括磷酸钛氧钾晶体、偏硼酸钡晶体、三硼酸锂晶体中的至少一种。
[0023]本专利技术采用以上技术方案与现有频率变换技术相比不需要温度控制系统，具有结构简单、紧凑、能耗低、相应时间短、成本低等优点。
附图说明
[0024]图1是本专利技术的可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件的实施例的示意图；
[0025]图2是传统非线性光学频率变换晶体器件结构示意图。
[0026]图中：
[0027]A——基频光λ1＝1064nm；
[0028]B——倍频光与剩余的基频光；
[0029]X——非线性光学晶体光学轴X轴；
[0030]Y——非线性光学晶体光学轴Y轴；
[0031]Z——非线性光学晶体光学轴Z轴；
[0032]S——非线性光学晶体中激光慢光偏振方向；
[0033]f——非线性光学晶体中激光快光偏振方向；
[0034]1——第一非线性光学晶体；
[0035]2——第二非线性光学晶体；
[0036]3——第三非线性光学晶体；
[0037]4——第四非线性光学晶体(长度为第一非线性光学晶体的2倍)。
具体实施方式
[0038]现有技术中利用非线性晶体完成非线性光学频率变换中，以KTP晶体倍频波长为1064nm的激光为例，KTP晶体使用II类相位匹配倍频，基频光偏振方向与KTP晶体z轴夹角为45
°
，以使快光和慢光的光强度相等，倍频光偏振方向垂直于z轴。晶体中相位失配量为：
[0039][0040]其中n
′1、n
″1分别为基频光的快光和慢光折射率，n2为倍频光折射率，λ1、λ2分别为基频光和倍频光在真空中的波长，T为晶体绝对温度。当KTP晶体温度T＝293K时，其Sellmeier方程
[0041][0042]其中λ为光波在真空中的波长，以μm为单位。KTP晶体的热光色散方程
[0043][0044]可计算出当温度为T时，波长为λ的光波在KTP晶体中的主轴折射率
[0045][0046]另外该倍频时激光转换效率满足
[0047][0048]其中L为晶体长度，当晶体温度为T0时，满足相位匹配条件，即Δk(T0)＝0，此时频率变换转换效率最高，当晶体温度为时，转换效率下降为最高值的一半，因此可以计算出当晶体长度为1cm时倍频时的温度半峰值宽度为ΔT≈25℃。可见非线性光学频率变换的转换效率随环境温度变化，这一特点制约了其在温度变化环境中的应
用。
[0049]本专利技术提供为一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件，包括第一非线性光学晶体1，第二非线性光学晶体2和第三非线性光学晶体3；所述第一非线性光学晶体1和第三非线性光学晶体3的材料、长度、切割角度均相同，第一非线性光学晶体1和第三非线性光学晶体3中相位失配量对温度的导数也相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可扩展温度适应范围的非线性光学频率变换晶体器件，其特征在于包括第一非线性光学晶体(1)、第二非线性光学晶体(2)和第三非线性光学晶体(3)；所述第一非线性光学晶体(1)和所述的第三非线性光学晶体(3)的材料、长度、切割角度均相同，所述第一非线性光学晶体(1)和第三非线性光学晶体(3)中相位失配量对温度的导数也相等；第二非线性光学晶体(2)放置于第一非线性光学晶体(1)和第三非线性光学晶体(3)之间。2.根据权利要求1所述的非线性光学频率变换晶体器件，其特征在于第二非线性光学晶体(2)中相位失配量对温度的导数的正负符号与第一非线性光学晶体(1)相反。3.根据权利要求1所述的非线性光学频率变换晶体器件，其特征在于第一非线性光学晶体(1)的长度L1与第二非线性光学晶体(2)的长度L2之间满足：其中Δk为相位失配量，且Δk＝k
a
‑
2k
b
，其中k
a
、k
b
分别为基频光和倍频光波矢，其中Δk1和Δk2分别为第一非线性光学晶体(1)和第二非线性光学晶体(2)中的相位失配量；T为非线性光学晶体温度；第二非线性光学晶体(2)的切割角度满足：Δk1L1+...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘恂，宋平，刘晓光，芮挺，陈姮，郑南，史建军，刘建青，杨成松，王东，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：