交叉叠加型激光晶体倍频器.pdf

交叉叠加型激光晶体倍频器涉及激光变频技术领域。它由是由多片相同的、已经满足相位匹配条件的倍频晶体片彼此互成一定的角度叠加而成。交叉叠加型激光晶体倍频器，结构紧凑、简单、使用方便、成本低的实用性。它在发散度大的激光束的倍频中，不仅可以提高倍频输出效率，而且可以改善倍频输出光斑的光束质量，同时还可以适当地补赏掉激光在非线性晶体中的离散效应，对于双折射特别大的非线性晶体还可以得到新的开拓应用。对于采用非线性光学晶体对半导体激光器LD、大光斑输出激光强聚焦输出光的倍频等变频方面尤其适用。

1、  交叉叠加型激光晶体倍频器，其特征在于：倍频器由两片或两片以上非线性光学晶体片，将通光面按照互成一定角度关系，采用前后叠加方式组成；这个角度关系为制成倍频器的各晶体片的任意一个相同的结晶轴在各个晶体片相位匹配通光面上的投影之间的角度关系，其数值关系是，首先保证各个晶体片上的这种投影不重合；其次是不管晶体片的片数为单数或双数，各晶体片上的这种投影要求合理的对称分布。

2、  如权利要求1所述的交叉叠加型激光晶体倍频器，其特征在于：所述的叠加方式为机械式固定排列方式，或采用胶合方式，或采用光胶方式。

3、  如权利要求1或2所述的交叉叠加型激光晶体倍频器，其特征在于：所述的非线性光学晶体为各种晶类的无机晶体，或有机晶体，或金属离子络合物晶体，或自变频晶体。

4、  权利要求1的交叉叠加型激光晶体倍频器的制备方法，其特征在于：对确定选用的晶体准确定向，接着按照定向结果切割、加工出倍频器件的长方形柱体毛坯块料，并保证柱体横截面是垂直于相位匹配方向的通光面，柱体棱边与通光面的垂直度要求＜5’，将该柱面体晶体块平行于通光面切割出一定数量的晶体薄片，抛光出通光面，加工时必须标记住各晶体片彼此棱边的相对位置，采用机械式固定排列、或采用胶合、或采用光胶其中一种方式将这些晶体片粘合起来，粘合时参考晶体片加工时的棱边记号，使每片晶体片的棱边互成一定的角度，当晶体片片数仅有两片时，有记号的棱边彼此互成90°4片时彼此互成45°

5、  权利要求1或2的交叉叠加型激光晶体倍频器的用途，其特征在于：该倍频器用于任何输出形式的LD激光的直接倍频。

6、  权利要求1和2的交叉叠加型激光晶体倍频器的用途，其特征在于：该倍频器用于任何发散度，特别是发散度大的激光光束的直接倍频。

7、  权利要求1和2的交叉叠加型激光晶体倍频器，其特征在于：其变频的相位匹配形式为I类，或为II类的共线相位匹配形式。

8、  如权利要求1和2的交叉叠加型激光晶体倍频器，其特征在于：其变频器件的相位匹配也可以通过改变晶体的温度来实现。

9、  权利要求1和2的交叉叠加型激光晶体倍频器的用途，其特征在于：该倍频器的构造形式用于和频或差频或光参量振荡与放大过程。

交叉叠加型激光晶体倍频器
技术领域
本发明涉及激光变频技术领域。
技术背景
众所周知，激光变频是激光技术中的一个重要领域。非线性光学晶体变频(倍频、和频、差频和光学参量振荡与放大等)是在激光技术中最重要、应用又已经十分广泛的激光变频技术。
通过非线性光学晶体的非线性光学效应实现激光变频过程中，变频的效果(效率、光束质量等)深受激光光束质量和非线性晶体固有特性的两个因数影响。为克服这些影响，以往曾经针对各种具体情况采用过一些技术手段。本发明是针对发散度大的激光光束进行激光变频方面，提出并实施一种全新的非线性晶体倍频器件——交叉叠加型激光晶体倍频器。
利用非线性光学晶体的激光变频，包括倍频、和频、差频、光参量振荡与放大等几种形式。转换效率是激光变频首先要考虑的指标。影响变频效果(这里指转换效率和谐波光光束质量)的重要因素主要是激光光束质量(如光束发散度、光谱线宽、脉宽等空间、时间和单色性特性)和非线性晶体的一些固有特性(如允许角宽、允许线宽、离散角宽、温度稳定性等)的局限性。
倍频是二次谐波产生(SHG)的简称，是三波耦合过程中和频的一种特例。其作用过程的数学表示是
1 λ 1 + 1 λ 1 = 1 λ 2 . ]]>
其中，λ₁是基波光，即被变频的激光；λ₂就是倍频光。由此可见，在SHG情况下，λ₁＝2λ₂。
其物理过程是，当两束基波光λ₁通过已经按照相位匹配要求加工好的非线性光学晶体片时，由于三波耦合(λ₁，λ₁，λ₂)作用而产生倍频光λ₂。在低功率的情况下，其倍频转换效率η与相位匹配的关系，由关系式
η ∝ P λ 1 L 2 ( deff sin ΔKL 2 ΔKL 2 ) 2 ]]>
确定。式中，ΔK为相位失配因子，P_λ1是基波λ₁光功率密度，L是非线性晶体的通光长度，d_eff是在给定波长条件下满足相位匹配时的有效倍频系数。相位失配因子ΔK与相位匹配角的几何关系，在一级近似情况下是
ΔK∝(Δθ)²。
这里，Δθ正是上述所说的晶体的允许角(或称接收角、容许角)宽度。其中一个最佳情况是，当ΔKL/2→0时，相位因子(sin(ΔKL/2)/ΔKL/2)²→1，倍频输出功率可以达到最大。由此可见，相位因子，实际上也可以说就是失配因子对倍频转换效率η的影响很大。比如，当要倍频某个有≤3mrad发散度的激光束(如一般商用Nd:YAG激光束)时，若采用接收角宽度只有1mrad左右的BBO或KDP晶体的话，就有可能将会造成一半以上的光能由于不满足相位匹配条件而浪费掉，如果采用接收角大概有5mrad(对λ₁≈1um而言)的LBO晶体，就可以基本挽回这部分能量的损失，从而提高了倍频转换效率。可是，对于像LD激光束，或通过光纤耦合输出的各种激光光束，或者已经通过强聚焦输出的各种激光光束来说，发散度都很大，一般都有0.1-1rad.的发散角，这时，任何非线性光学晶体的接收角都无法满足这样的苛刻要求，只有通过非线性晶体器件的设计来解决问题。这个发明就是为此提出并实施的一种技术解决方式。
本发明器件的设计思想，基于非线性光学晶体在激光变频中，一方面由于晶体的双折射作用，对某一特定激光波长的相位匹配角(假设为θ_m)失配很敏感，会给变频转换效率带来严重影响，如上列表示式所示，表示谐波输出与相位匹配角度关系之一的允许角Δθ的全宽半最大(FWHM)宽度小。可是，另一方面由非线性晶体结构空间对称性决定的相位匹配时的方位角(假设为φ)对相位匹配的影响，与Δθ相比就不敏感了，而且它影响的主要是晶体的有效倍频系数d_eff。例如，对于点群为32的单轴光学晶体而言，其I类和II类相位匹配情况下的有效非线性系数可分别表示为
(d_eff)^I＝d₁₁ cosθcos3φ，
(d_eff)^II＝d₁₁ cos²θcos3φ。
很明显，方位角的影响主要表现在强度的方位角宽，这个空间因数对相位匹配角度的调节影响很低。
θ表示波矢方向与晶体折射率主轴坐标系oxyz中z轴的夹角，φ表示波矢在xoy平面上的分量同x轴的夹角，我们在这里把它称为方位角。
据此，针对发散度较大的激光束的倍频过程中，考虑在非线性晶体垂直于入射光的两维(θ，φ)通光平面上，对其中一维θ在相位匹配中很敏感，它是由晶体双折射决定的，与波长有严格互为依存的关系；而对另一维φ对角度的关系却不太敏感，它与双折射无关，因而与波长无关，它只是由几何空间结构决定的几何因素。非线性光学晶体的这种特性表明，在倍频器件设计中，可以充分利用φ角对相位匹配角影响甚小的事实，将非线性倍频晶体分成几段(几片)，同时将这些晶片彼此相对旋转一定角度，使偏离θ维方向未被倍频的基波光在φ维方向上得到倍频。
本发明同时可以兼顾解决的另一个问题是，可以适当克服非线性光学晶体的光孔效应(也称离散效应，或走离效应)。此效应是晶体本身的双折射等效应造成的基波光与倍频光之间的离散现象，它不仅限制了晶体内的有效作用长度，而且同样会严重影响倍频的转换效率和谐波输出的光束质量。
离散现象是由于光线方向与波法线方向的不同，造成输入光束(基波光)与输出光(倍频光)光束在晶体中分开一定的角度——常将其称之为离散角ρ，也称之为走离角的现象。当基波光的方向时，倍频光地方向ρ₂在椭球折射率面的法线方向上，ρ₁、ρ₂之间的夹角——ρ受非线性晶体双折射率大小直接影响，双折射率越大，ρ越大；不同基波光相应于不同的相位匹配角θ_m，而ρ值又与相位匹配角的角值有一定的关系，一般
ρ∝sin2θ_m。
为了克服走离现象带来的不利影响，除了在极少数非线性光学晶体中能采用非临界相位匹配(NCPM)技术得以避免之外，对于大多数只能通过临界相位匹配过程实现变频的非线性光学晶体来说，可以通过一对等长的晶体片组装成的器件才能使倍频效果得到改进，这就是已经得到应用的所谓走离补赏技术。走离补赏的原理，是采用两片走离方向相反的相位匹配角严格相同而又等长的一对晶体片，使光束在前一片晶体中产生的走离度，能在后一片光程相同的晶体中刚好得到补赏(矫正)的技术。实际上，就是前后两片相同材料晶体的切割角度和通光长度完全相同的晶体片，在器件中配置成使它们的Z轴相对于入射光方向放置成使基波光的非常偏振光的偏离走向相反，从而互成2ρ°的角度。同理，本发明倍频器件的叠加效果实际上也能起到同样的部分补赏作用。这个补赏作用又自然具有增加光束在非线性晶体中的有效作用长度L，从而又进一步使转换效率η得到提高，这可以从上述转换效率η关系式(η∝L²)可以看出来。
发明内容
本发明针对非线性光学晶体在激光变频中的一些固有缺点，根据除了由双折射决定的相位匹配接收角小的局限性之外，还有由空间结构对称性决定的接收角大的特点，利用非线性晶体片叠加组合方法，发明一种特别适用于光束发散度较大的激光光源实施倍频的交叉叠加型晶体倍频器器件，及其构成方法。
首先，明确倍频对象和要求，针对需要实施倍频的激光光束确实属于发散度比较大(≥10mrad)的激光光源，如LD半导体激光，或任何经过强聚焦输出的激光，或是通过光纤耦合输出的激光光束。
其次，根据需要倍频的激光波长，在众多的无机、有机、络合型或半导体晶体中选择适用的非线性光学晶体。即，选择一种从透光范围、相位匹配范围、有效倍频系数、激光功率密度承受能力和抗潮等参数都满足要求的非线性晶体。比如，对于中红外激光，要选用HgGa2S4等半导体非线性晶体；对于近红外激光倍频除了可以选用AsGaS等半导体晶体外，也可以选用KTP、KTA、LiNO3等无机非线性晶体；对于近红外-可见光区的倍频，可以选用KN、BBO、LBO、CLBO、KTP、KTA、LiIO3、LiNO3等无机非线性晶体，也可以选用POM、p-MHB等有机非线性晶体，或选用CMTC、ZCTC等络合型非线性晶体；对于可见光-紫外光区的倍频可以选用BBO、CLBO、KBBF、SBBO、Urea等无机非线性晶体。
再次是计算，按照确定的倍频波长和选定的非线性晶体，通过计算确定相位匹配的类型，并计算出相应的相位匹配角。我们注意到，晶体的选择与计算实际上要适当的同时考虑，主要是考虑对于不同的倍频波长和相位匹配类型对有效倍频系数大小的影响。
然后，按照相位匹配角的计算结果，用X光衍射定向仪，对确定选用的晶体准确定向——准确定出倍频的相位匹配方向。接着按照定向结果将选用的非线性晶体切割、加工出倍频器件的长方形柱体毛坯块料，并保证柱体横截面是垂直于相位匹配方向的通光面，柱体棱边与通光面的垂直度要求＜5’。在此基础上，将该柱面体晶体块平行于通光面切割出一定数量的晶体薄片，其厚度可以在0.1-10mm范围选择，此后将所有晶体片在同一抛光盘上抛光出通光面。加工时(从切割-抛光-卸盘-包装的整个过程)，必须标记住各晶体片彼此棱边的相对位置，以便于安装组合时对于方位的识别。
如按照定向结果将选用的非线性晶体切割、加工出倍频器件的圆柱体毛坯块料，需要在圆柱体侧面刻画出一条等高线，作为组装器件时安排每个晶体片之间关系的参考记号。
对于难于获得优质块状的非线性光学晶体，不可能切割出柱体形状的毛坯块料，有些(一般难于生长的新材料)只能逐片定向、研磨出垂直于相位匹配方向的多块晶体片，这时要求从定向工序开始就要注意各晶体片中某一个结晶轴方位或生长棱的标记；有些晶体(如，KBBF)甚至无法研磨出垂直于相位匹配方向的通光面，这时只能就以该晶体自然生长面作为通光面，同样，一开始就要标记住其生长棱方位，以便组合时识别。
最后是将这些抛光好的倍频晶体片，采用一种组合方式(紧紧粘合或紧靠)依次排列组成一个完整的交叉叠加型非线性晶体倍频器器件。组合方式，可以是采用机械式固定排列，也可以采用胶合，或采用光胶等任何一种方式。在将这些晶体片粘合起来之时，必须参考晶体片加工时的棱边记号(如图1所示)，做到使每片晶体片的棱边互成一定的角度，当晶体片片数仅有两片时，有记号的棱边彼此互成90°4片时彼此互成45°
经过上述各步骤完成这种交叉叠加型非线性晶体倍频器器件的制作之后，将此器件置于发散度较大(≥10mrad)的激光束束腰位置实施倍频。由于其兼顾到了上下左右立体角范围的相位匹配条件，因而很容易观察到倍频现象，再经过相位匹配的进一步调整之后就可得到较满意的倍频效果。在还没有对倍频输出光束进行耦合输出整直时，就可以观察到特定形状的花型光斑，如图2所示，当只用2片晶体片时的光斑是类似十字型的光斑；当用4片晶体片时的光斑则类似于雪花型的8瓣花型；而像常规那样只用1片非线性晶体片时的光斑是一字型的。这些花型光斑足以说明了交叉叠加型非线性晶体倍频器的效果，只要有一定数量的晶体片，它就可将发散度大的激光光束几乎在整个全方位立体角范围内的光能都“收集”起来实现倍频输出。
由这个方法制作的非线性晶体倍频器，既可以提高激光倍频的转换效率，又可以改善变频光光束的质量。同时可以使双折射率大的非线性光学晶体(这类晶体的非线性光学效应往往特别大)得到更广泛的开拓应用。此外，交叉叠加型激光晶体倍频器在装配、使用时，对相位匹配调节的要求远远不会像单块晶体变频器件那么严格。
附图说明
图1为BBO晶体交叉叠加型非线性晶体倍频器示意图。1为倍频器前面的输入光束(基波光)；2为第一BBO晶体片；3为第二BBO晶体片；为保证彼此的方位相同，2与3两片BBO晶体都是在已经按照相位匹配的要求(θ＝25.1°，φ＝0°)定向妥的同一块BBO晶体上切割加工出来的，做到它们的晶棱方位彼此一一对应，两晶体片晶棱之间的“方位”用箭号示意互成90°
图2为非线性晶体倍频器输出光斑形貌与晶体片片数之间的关系示意图。其中，(a)、(b)、(c)分别表示只由1、2、4片晶体片实施倍频时的光斑形貌。
具体实施方式
实施例一  用BBO晶体制作交叉叠加型非线性晶体倍频器，倍频940nmLD激光大发散度激光束实现蓝光输出。
选用双折射率比较大的典型无机非线性晶体——BBO晶体作为一个实例，并以I类相位匹配形式制作变频激光器中的交叉叠加型激光晶体倍频器。在这已经确定特定波长和匹配类型的情况下，我们计算得出，晶体的有效倍频系数d_eff＝1.42(pm/V)，允许角宽δθ＝0.778(mrad-cm)，允许波长带宽δλ＝0.5935(nm-cm)，离散角ρ＝3.417(deg.)，而相位匹配角是θ＝25.1(deg.)，φ＝0(deg.)。根据计算结果，定向、切割、研磨、整形、抛光出4片BBO晶体片(晶体片的尺寸是5×5×3mm)，并对每片晶体通光面都镀上防潮保护增透膜之后，按图1中的示意组装成为一个交叉叠加型激光晶体倍频器(图中只示意两片晶体片的情况)。组装方式是机械排列叠加，采用这种叠加方式是为了有利于研究、表示本发明器件不同状态(不同晶体片片数)下倍频输出光斑的形貌和功率。
用上述组装起来的交叉叠加型BBO晶体倍频器置于图1所示的激光光腰中实施倍频。倍频光输出的光斑图象像图2所示那样。由于本实施中采用机械方式组装固定，因此很方便分别观测1片、2片和4片时的倍频效果——输出的光斑形貌和倍频输出功率。对不同晶体片片数时测得的倍频光输出功率列于下表。从表中可见，交叉叠加型晶体倍频器的倍频效果是显著的，同时也说明，本发明的这种器件使双折射率大的非线性晶体同样可以用来倍频发散度大的激光束。这里顺便说明一下，本发明实施例子中，使用的LD激光光源的线宽都比较宽，足有≥4nm，远远大于晶体的允许波长带宽δλ。