专利名称：特殊切角的硼酸铋变频晶体器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种特殊切角的硼酸铋[BiB3O6，简称BIBO]晶体激光变频器件，属于光电子技术领域。
背景技术：
BIBO晶体是一种新型的非线性光学晶体，虽然早在1962年就已有BIBO晶相的报道，但是直到1999年才有可用于光学性质测试的BIBO单晶出现。BIBO晶体具有易生长、不潮解、物化性能稳定、光损伤阈值高、透过波段宽、相位匹配范围大等特点，典型晶体的尺寸已可达到25mm×20mm×35mm，重量达50g。而且，BIBO的有效非线性光学系数(deff)较大，高于KTP，BBO，LBO等晶体。BIBO能对1340nm，1064nm，946nm，808nm等波长的激光进行有效倍频产生红、绿、蓝等多种可见激光，并且可以实现1064nm与532nm的和频，产生355nm的紫外光。在倍频绿光的产生方面，BIBO的性能可与目前应用比较普遍的KTP相媲美。在倍频蓝光及变频紫外光的产生方面，BIBO则要优于KTPKTP仅能实现I类相位匹配，与之相应的deff较小且输出光靠近其紫外透过截止边(350nm)，所以实用中基本不用；BIBO在这些波段两类相位匹配都可以实现，因此可采用deff较大的I类相位匹配方式，且不存在吸收问题(紫外透过截止边位于270nm)，也不存在像BBO，LBO那样的潮解问题。上述优点表明，利用BIBO晶体可制作出高效的变频光学器件，尤其是在蓝光以及近紫外光的产生方面优势明显。但对于BIBO变频光学器件的开发，目前存在两个问题第一个问题就是最佳相位匹配方向的理论计算。BIBO属单斜晶系，点群2，是目前所有实用的非线性光学晶体中对称性最低的晶体。BIBO的相位匹配方向具有mmm空间对称性(m分别垂直于晶体的折射率主轴X，Y，Z)。因此，只要考虑空间一个卦限，例如第一卦限(90°≥θ≥0°，90°≥φ≥0°)中的相位匹配方向，就可按mmm对称性求得空间所有切角器件方向。对称性理论还确定BIBO晶体的deff应具有2/m(m⊥X)空间对称性。因此，在空间第一卦限(90°≥θ≥0°，90°≥φ≥0°)和第六卦限(180°≥θ≥90°，180°≥φ≥90°)中，deff值是独立的。只要确定了这两个卦限的deff值，就可以通过对称性2/m求出空间所有相位匹配方向的deff值，亦即只要在第一、六卦限找出deff最大值方向(最佳相位匹配方向)，就可以求出空间全部最佳相位匹配方向。受晶体点群对称性的影响，BIBO非零的二阶非线性光学系数多达8个，德国科学家的测定值为d222＝2.53，d211＝2.3，d233＝-1.3，d231＝2.3，d112＝2.8，d332＝-1.9，d312＝2.4，d132＝2.4。在此基础上，对deff空间分布的计算非常复杂，原因有二①上述非线性光学系数不是在常用的折射率主轴坐标系中测量的，因此计算deff时需要坐标旋转；②现有的多数计算程序是针对对称性较高的晶体设计的，即只考虑第一卦限的情况，而对BIBO而言最佳相位匹配方向的完全确定需要两个卦限。因此，虽然测定上述非线性光学系数的德国科学家也曾预见到BIBO的最佳倍频方向可能位于折射率主平面内，但一直未能指出确定切向。第二个问题就是变频器件的实际加工。加工过程中，空间切向的唯一确定至少需要三个参考面。由于目前实用的多数非线性光学晶体对称性较高，所以加工中不需要区分卦限，仅需两个参考面。BIBO是极少数的、对称性最低的非线性光学晶体之一，不同卦限内的非线性光学性质差异很大，因此加工中必须区分卦限，参考面不能少于三个。这样，与其它晶体相比，BIBO变频器件的加工更为复杂。
发明内容为了解决现有技术存在的上述两个难点问题，本发明通过理论计算和实验测定，找出用BIBO晶体制作激光变频器件时的最佳切角方向，使得按本发明特殊切角制作的BIBO晶体激光变频器件具有比现有技术更高的变频转换效率，充分发挥BIBO晶体的变频特性。
本发明是由如下技术方案实现的本发明的主要内容是通过理论计算和实验测定找出了BIBO晶体作为变频器件的最佳切角方向，也就是对于硼酸铋晶体器件，倍频情况下，在入射光波长为780nm～1180nm时切角范围是θ＝149.5°±5°～175°±5°，φ＝90°±5°；在入射光波长为1180nm～1380nm时切角范围是θ＝169°±5°～167°±5°，φ＝135.5°±5°～153.7°±5°。对于硼酸铋晶体器件，和频情况下，在入射光波长为1064nm，532nm时所述切角范围是θ＝137.7°±5°，φ＝1300°±5°，或θ＝146.4°±5°，φ＝900°±5°。
硼酸铋晶体在入射光波长为780nm时切角为θ＝149.5°±5°，φ＝90°±5°。
硼酸铋晶体在入射光波长为808nm时切角为θ＝151.9°±5°，φ＝90°±5°。
硼酸铋晶体在入射光波长为914nm时切角为θ＝159.7°±5°，φ＝90°±5°。
硼酸铋晶体在入射光波长为946nm时切角为θ＝161.7°±5°，φ＝90°±5°。
硼酸铋晶体在入射光波长为1053nm时切角为θ＝168.2°±5°，φ＝90°±5°。
硼酸铋晶体在入射光波长为1064nm时切角为θ＝168.9°±5°，φ＝90°±5°。
硼酸铋晶体在入射光波长为1180nm时切角为θ＝175°±5°，φ＝90°±5°。
硼酸铋晶体在入射光波长为1185nm时切角为θ＝169°±5°，φ＝135.5°±5°。
硼酸铋晶体在入射光波长为1319nm时切角为θ＝167.9°±5°，φ＝151.3°±5°。
硼酸铋晶体在入射光波长为1342nm时切角为θ＝167.4°±5°，φ＝152.1°±5°。
硼酸铋晶体在入射光波长为1380nm时切角为θ＝167°±5°，φ＝153.7°±5°。
根据BIBO晶体的折射率色散方程，可以计算出不同波长处的相位匹配曲线(包括I类和II类)。图1是BIBO晶体对1064nm激光的计算结果，实线表示I类相位匹配，虚线表示II类相位匹配。图中绘制了第一卦限(90°≥θ≥0°，90°≥φ≥0°)和第六卦限(180°≥θ≥90°，180°≥φ≥90°)的情况。
将BIBO晶体的相位匹配曲线与非线性光学系数相结合，并且考虑到不同坐标系之间的坐标变换，编制计算机程序，得到deff在第一、第六两个卦限的空间分布。图2是BIBO晶体对1064nm激光deff的计算结果。由图2可知最大的deff出现在第六卦限的φ＝90°方向上，结合图1可以确定BIBO晶体制作1064nm激光倍频器的最佳切角为θ＝168.9°，φ＝90°。
图3是BIBO晶体对1319nm激光的相位匹配曲线，图4是BIBO晶体对1319nm激光deff的空间分布曲线。由图4可知最大的deff出现在第六卦限的φ＝151.3°方向上，结合图3可以确定BIBO晶体制作1319nm激光倍频器的最佳切角为θ＝167.9°，φ＝151.3°。
图5是BIBO晶体对1064nm与532nm激光和频的相位匹配曲线，产生355nm的紫外光。图6是相应的deff空间分布曲线。由图6可知最大的deff出现在第六卦限的φ＝130°方向上，结合图5可以确定BIBO晶体制作1064nm与532nm激光和频器件的最佳切角为θ＝137.7°，φ＝130°。与产生可见光的激光变频相比，产生紫外光的激光变频容限角明显减小，走离角明显增大，这些特性不利于变频效率的提高。因此，对于产生紫外光的激光变频，还应考虑容限角、走离角的影响。由图6可知，第六卦限φ＝90°的deff与φ＝130°的deff相差不大，而前者比后者有更大的容限角和更小的走离角，因而也是较佳的相位匹配方向，结合图5可知相应的切角为θ＝146.4°，φ＝90°。
对于BIBO晶体，其它各波长激光倍频器的最佳切角均根据上述原理获得。
BIBO晶体的折射率主轴(X，Y，Z)与结晶学主轴(a，b，c)不完全一致。通过实验确定出如下关系X//b，(Y，c)＝47.2°，(Z，a)＝31.6°，如图7所示，其中X、Y、Z的定义遵循nX＜nY＜nZ原则。
BIBO原生晶体的显露面有(001)、(111)、(110)、(111)等，这些面可以利用X射线衍射法加以确定。通过这些显露面之间的方位关系可以初步判定a、b、c轴的方向。利用(001)面垂直于(010)面、(111)面与(010)面成129°、(111)面与(010)面成51.7°这几个关系，加工出(010)面，也就定出了b轴(X轴)。根据(010)面垂直于(001)面、(010)面垂直于(100)面、(001)面与(100)面成105.6°，在已知(010)面和(001)面的情况下可以加工出(100)面。利用(001)面与Y轴成148.4°、(001)面与Z轴成58.4°、(100)面与Z轴成132.8°，确定出折射率主轴Y和Z。下面就可以按照需要的相位匹配方向加工晶体。整个加工过程与其它对称性较高的晶体相比复杂了许多。
用钛宝石可调谐激光器进行946nm倍频实验。激光器的输出波长固定于946nm，光束在进入晶体之前用一f＝15cm的透镜聚焦。由附表可知，对于具有相同长度的样品1、2、3，deff的计算值越大，相应方向倍频转换效率的实测值就越高。理论计算与实验完全相符，验证了本发明的结论，即(161.7°，90°)是946nm的最佳倍频方向。对于低对称性的BIBO晶体，现有技术未考虑deff在不同卦限的各向异性，习惯性地选择第一卦限的相位匹配方向加工晶体，即(18.3°，90°)。本发明证实，加工中必须对第一、第六两个卦限加以区分。946nm的最佳倍频方向位于第六卦限的(161.7°，90°)方向，而不是现有技术所用的第一卦限的(18.3°，90°)方向，前者的倍频转换效率比后者高1.4倍。
用NdYAG声光锁模激光器进行1064nm倍频实验。首先加工了一块沿折射率主轴方向切割的BIBO晶体，X×Y×Z的尺寸为8.8mm×9.6mm×9.1mm，六面抛光。利用可在整个空间内四维转动的费多洛夫转台，将晶体调整到不同的相位匹配方向，观测532nm倍频输出信号的强弱。结果发现当1064nm激光沿晶体的YZ主平面入射时，倍频输出信号显著强于其它情况，由此可以判定1064nm的最佳倍频方向位于YZ主平面内(φ＝90°)。沿YZ主平面内的相位匹配方向，进一步加工了两块BIBO样品，一块切向为(11.1°，90°)，长度4.7mm，另一块切向为(168.9°，90°)，长度2.4mm。由附表可知，样品4的长度虽然是样品5的近两倍，但倍频转换效率仍低于样品5，这是因为样品4的deff小于样品5。理论计算与实验相符，验证了本发明的结论，即1064nm的最佳倍频方向位于第六卦限的(168.9°，90°)，而不是现有技术所用的第一卦限的(11.1°，90°)方向，在前者长度是后者长度一半的情况下，前者的的倍频转换效率仍比后者提高了1.17倍。
用NdYAG声光锁模激光器进行1064nm与532nm和频实验。由激光器出射的1064nm激光先经KTP晶体(II类切割，θ＝90°，φ＝23.6°)倍频，产生的532nm激光与剩余的1064nm激光通过BIBO晶体和频，产生355nm的紫外光。由附表可知，对于具有相同长度的样品6、7，样品7的和频转换效率远高于样品6，这是因为样品7的deff远大于样品6。理论计算与实验相符，验证了本发明的结论，即1064nm与532nm的最佳和频方向之一是第六卦限的(146.4°，90°)，而不是现有技术所用的第一卦限的(33.6°，90°)方向，前者的的和频转换效率比后者提高了8.6倍。
由上述实验可见，本发明所确定的BIBO晶体激光变频器件的特殊切角，比现有技术具有更高的变频转换效率，因此，能耗降低，充分开发了BIBO晶体的性能，有利于BIBO晶体的开发应用。按照本发明所确定的特殊切角加工晶体，2.4mm长的晶体可以获得高达67.7％的倍频转换效率，3.5mm长的晶体可以获得高达39.5％的和频转换效率，比现有技术的转换效率最大提高了8.6倍。
BIBO晶体变频器件转换效率的实测值和有效非线性光学系数deff的计算值，见下表。样品变频种类 方向(θ，φ)晶体长度(mm)转换效率(％) deff(pm/V)序号1 946nm倍频 18.3°，90° 5 3.6 1.712 946nm倍频 161.7°，90° 5 5.2 3.423 946nm倍频 44.1°，0° 5 3.2 1.624 1064nm倍频 11.1°，90° 4.7 58.1 2.245 1064nm倍频 168.9°，90° 2.4 67.7 3.326 1064nm与532nm和频 33.6°，90° 3.5 4.6 0.317 1064nm与532nm和频 146.4°，90° 3.5 39.5 3.1
图1是BIBO晶体对1064nm激光的倍频相位匹配曲线。图中实线1表示I类相位匹配，虚线2表示II类相位匹配。
图2是BIBO晶体对1064nm激光倍频deff的空间分布。图中实线3表示I类相位匹配，虚线4表示II类相位匹配。
图3是BIBO晶体对1319nm激光的倍频相位匹配曲线。图中实线5表示I类相位匹配，虚线6表示II类相位匹配。
图4是BIBO晶体对1319nm激光倍频deff的空间分布。图中实线7表示I类相位匹配，虚线8表示II类相位匹配。
图5是BIBO晶体1064nm与532nm激光和频的相位匹配曲线。图中实线9表示I类相位匹配，虚线10表示II类相位匹配。
图6是BIBO晶体1064nm与532nm激光和频deff的空间分布。图中实线11表示I类相位匹配，虚线12表示II类相位匹配。
图7是BIBO晶体的定向图。
图8是BIBO晶体直接倍频示意图。图中13为BIBO晶体倍频器件。
图9是BIBO晶体聚焦光束倍频示意图。图中14为BIBO晶体倍频器件，15，16为透镜。
图10是BIBO晶体非偏振激光倍频示意图。图中17为BIBO晶体倍频器件，18，19为透镜，20为起偏器。
图11是BIBO晶体直接和频示意图。图中21为BIBO晶体和频器件。
具体实施方式
实施例1BIBO晶体直接倍频器件，其示意图如图8所示。垂直入射到BIBO晶体13上的基频光是由电光调Q纳秒Nd；YAG激光器输出的1064nm偏振光。BIBO晶体13的切割方向是θ＝168.9°±5°，φ＝90°±5°。出射倍频光为532nm，它的偏振方向垂直于入射基频光的偏振方向。
实施例2BIBO晶体聚焦光束倍频器件，其示意图如图9所示。垂直入射到BIBO晶体14上的基频光是由电光调Q纳秒Nd；YAG激光器输出的1064nm偏振光，经过聚焦透镜15入射到BIBO晶体14上。BIBO晶体14的切割方向是θ＝168.9°±5°，φ＝90°±5°。出射倍频光为532nm，它的偏振方向垂直于入射基频光的偏振方向。532nm绿光经过准直透镜16准直输出。
实施例3BIBO晶体非偏振激光倍频器件，其示意图如图10所示。垂直入射到BIBO晶体17上的基频光是由声光锁模Nd；YAG激光器输出的1064nm激光，由于激光器本身输出非偏振光，因此由偏振器20对1064nm激光起偏，产生偏振光，然后经过聚焦透镜18入射到BIBO晶体17上。BIBO晶体17的切割方向是θ＝168.9°±5°，φ＝90°±5°。出射倍频光为532nm，它的偏振方向垂直于入射基频光的偏振方向。532nm绿光经过准直透镜19准直输出。
实施例4BIBO晶体直接和频器件，其示意图如图11所示。垂直入射到BIBO晶体21上的基频光是由电光调Q纳秒Nd；YAG激光器输出的1064nm偏振光，以及经过倍频所产生的532nm偏振光，两者具有相同的偏振方向。BIBO晶体21的切割方向是θ＝137.7°±5°，φ＝130°±5°。出射和频光为355nm，它的偏振方向垂直于入射光的偏振方向。
权利要求
1.一种硼酸铋晶体器件，其特征在于晶体器件是以特定切角方向加工而成的，对于倍频，在入射光波长为780nm～1180nm时，晶体切角范围是θ＝149.5°±5°～175°±5°，φ＝90°±5°；在入射光波长为1180nm～1380nm时，晶体切角范围是θ＝169°±5°～167°±5°，φ＝135.5°±5°～153.7°±5°；对于和频，在入射光波长为1064nm，532nm时，晶体切角范围是θ＝137.7°±5°，φ＝130°±5°，或θ＝146.4°±5°，φ＝90°±5°。
2.根据权利要求1所述的硼酸铋晶体器件，其特征在于在入射光波长为780nm时，晶体切角为θ＝149.5°±5°，φ＝90°±5°。
3.根据权利要求1所述的硼酸铋晶体器件，其特征在于在入射光波长为808nm时，晶体切角为θ＝151.9°±5°，φ＝90°±5°。
4.根据权利要求1所述的硼酸铋晶体器件，其特征在于在入射光波长为914nm时，晶体切角为θ＝159.7°±5°，φ＝90°±5°。
5.根据权利要求1所述的硼酸铋晶体器件，其特征在于在入射光波长为946nm时，晶体切角为θ＝161.7°±5°，φ＝90°±5°。
6.根据权利要求1所述的硼酸铋晶体器件，其特征在于在入射光波长为1053nm时，晶体切角为θ＝168.2°±5°，φ＝90°±5°。
7.根据权利要求1所述的硼酸铋晶体器件，其特征在于在入射光波长为1064nm时，晶体切角为θ＝168.9°±5°，φ＝90°±5°。
8.根据权利要求1所述的硼酸铋晶体器件，其特征在于在入射光波长为1180nm时，晶体切角为θ＝175°±5°，φ＝90°±5°。
9.根据权利要求1所述的硼酸铋晶体器件，其特征在于在入射光波长为1185nm时，晶体切角为θ＝169°±5°，φ＝135.5°±5°。
10.根据权利要求1所述的硼酸铋晶体器件，其特征在于在入射光波长为1319nm时，晶体切角为θ＝167.9°±5°，φ＝151.3°±5°。
11.根据权利要求1所述的硼酸铋晶体器件，其特征在于在入射光波长为1342nm时，晶体切角为θ＝167.4°±5°，φ＝152.1°±5°。
12.根据权利要求1所述的硼酸铋晶体器件，其特征在于在入射光波长为1380nm时，晶体切角为θ＝167°±5°，φ＝153.7°±5°。
全文摘要
本发明属于光电子技术领域。本发明的主要内容就是对于倍频，当入射光波长为780nm～1180nm时，硼酸铋晶体器件的切角范围是θ＝149.5°±5°～175°±5°，φ＝90°±5°，入射光波长为1180nm～1380nm时，晶体切角范围是θ＝169°±5°～167°±5°,φ＝135.5°±5°～153.7°±5°，对于和频，当入射光波长为1064nm，532nm时，晶体切角范围是θ＝137.7°±5°，φ＝130°±5°，或θ＝146.4°±5°，φ＝90°±5°。它解决了现有技术无法确定BIBO晶体器件最佳切向的问题。本发明具有变频转换效率高、能耗低等优点。
文档编号G02B1/00GK1431741SQ0311183
公开日2003年7月23日 申请日期2003年1月28日 优先权日2003年1月28日
发明者王正平, 王继扬, 滕冰, 董胜明, 许心光, 邵宗书, 翟仲军, 杜晨林 申请人:山东大学