一种兼具非临界相位匹配倍频、三倍频性能的紫外激光变频器及其工作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种兼具非临界相位匹配倍频、三倍频性能的紫外激光变频器及其工作方法，属于激光和非线性光学技术领域。
【背景技术】
[0002]现代技术中，激光器扮演着越来越重要的角色。其中，全固态紫外激光器在激光微加工(钻孔、切割和腐蚀)、激光化学、光学雕亥|J、快速成型、激光印刷和光谱学等领域都有着非常重要的应用。由于实用固体激光器的波长大都位于红外光谱区，为了获得紫外光，需要用非线性光学晶体对红外激光进行频率变换，这种方法具有效率高、光束质量好、体积小、稳定性高和寿命长等优点。目前，最常用的技术路线是对掺钕钇铝石榴石或钕玻璃激光(1064nm/1053nm)进行三倍频，从而获得355nm/351nm的紫外输出，这个过程包含两步:首先用一块非线性光学晶体进行红外基频光的倍频，所产生的倍频绿光(532nm/526nm)与剩余基频光再在另一块非线性光学晶体中和频，最终实现355nm/351nm紫外光输出。如图1(a)所示，两块晶体分别用作倍频和三倍频晶体。目前，常用的倍频晶体是KH2P04(KDP)、KTi0P04(KTP)和LiB3O5 (LBO)，三倍频晶体是KDP、LBO和i3-BaB204(BBO)。即使倍频和三倍频使用的是同一种晶体，由于相位匹配方向不同，所以空间切角不同，因此，不可避免地要用到两块晶体，从而使原料和加工成本大为提高。
[0003]为实现一块非线性晶体直接输出三倍频光，必须解决两个关键问题。(I)找到合适的GcUY1-XCOB晶体，即确定出组分参数X。(2)满足相位匹配方式对偏振态的要求。从原理上来看，即使找到合适的晶体组分使倍频、三倍频相位匹配方向都调整到GcUYhCOB晶体的Y轴上，如果不对倍频光的偏振态进行调整，也无法输出三倍频光。原因是II类非临界相位匹配所产生倍频光的偏振方向沿晶体的X轴(快轴方向)，而I类非临界相位匹配三倍频要求倍频光偏振方向沿晶体的Z轴(慢轴方向)。
[0004]GdxY1-XCa4O(BO3)3(GdxY1-XCOB)系列硼酸盐晶体是一种折射率可以连续变化的置换型固溶体，进而可以实现非临界相位匹配波长的连续可调。此类晶体具有有效非线性光学系数适中、透光波段宽、抗激光损伤阈值高、相位匹配范围大、不潮解和物化性质稳定等优点，是一类性能优良的非线性光学晶体，具有广阔应用前景。研究表明:沿GcUYhCOB系列晶体Y轴，g卩(90°，90°)相位匹配方向，通过组分调节可以实现波长为106411111/105311111的非临界相位匹配II类倍频和I类三倍频，并且与实现非临界相位匹配倍频和三倍频的晶体组分非常接近。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明提供了一种兼具非临界相位匹配倍频、三倍频性能的紫外激光变频器。
[0006]本发明还提供了上述紫外激光变频器的工作方法。
[0007]本发明用一块晶体先实现非临界倍频再实现非临界三倍频，获得355nm/351nm紫外光输出，成本低、体积小、加工便利，便于大规模推广。
[0008]术语解释
[0009]1、相位匹配:非线性光学频率变换过程中，入射光波在它经过的地方产生谐频极化波，这些谐频极化波在晶体中传播并且相互干涉，其结果就是测量到的谐波总强度。这个强度与各位置所产生的谐波相位差有关，如果相位差为零，即相位一致，则谐波得到有效加强;如果相位差不一致，则谐波将相互抵消;甚至完全观察不到谐波输出。显然，只有当入射光波的传播速度与谐波的传播速度相等时，晶体中各位置产生的谐波才因相位一致而相互加强，这种情况称为相位匹配。原理上说非线性光学晶体中三波互作用的相位匹配有两种类型:频率为ωι的光波与频率为《2的光波具有相同的线偏振，则相位匹配为I类;反之，光波ω工与光波ω 2具有正交的线偏振，则相位匹配为II类。
[0010]2、非临界相位匹配(NCPM):对双轴晶而言是指沿折射率主轴方向的相位匹配，其他情况下的相位匹配称为临界相位匹配(CPM)。与CPM相比，NCPM有容限角大，走离角为零以及晶体利用率高的优势，因此也称为最优相位匹配。
[0011]3、倍频(SHG):光学倍频又称光学二次谐波，是指由于光与非线性介质(一般是晶体)相互作用，使频率为ω的基频光转变为2 ω的倍频光的现象。
[0012]4、三倍频(THG):三倍频又称光学三次谐波，是指频率为ω的基频光与频率为2 ω的倍频光在晶体中相互作用，变为频率为3 ω的光的现象。
[0013]5、波片:能使互相垂直的两光振动间产生附加光程差(或相位差)的光学器件。通常由具有精确厚度的石英、方解石或云母等双折射晶片做成，其光轴与晶片表面平行。
[0014]6、四分之一波片:一定厚度的双折射单晶薄片。当法向入射的光透过时，寻常光(O光)和非常光(e光)之间的位相差等于V2或其奇数倍，这样的晶片称为四分之一波片或1/4波片。当偏振光的入射振动面与波片光轴的夹角Θ为45°时，通过四分之一波片的线偏振光变为圆偏振光，反之，当圆偏振光经过四分之一波片后，则变为线偏振光。当光两次通过四分之一波片时，作用相当于一个二分之一波片。
[0015]7、半波片:一定厚度的双折射晶体薄片。当法向入射的光透过时，寻常光(O光)和非常光(e光)之间的位相差等于η或其奇数倍，这样的晶片称为二分之一波片或1/2波片，简称半波片。线偏振光通过二分之一波片后，仍为线偏振光，但是，其出射偏振光的振动面与入射偏振光的振动面转过2Θ。若Θ = 45°，则出射光的振动面与原入射光的振动面垂直，即当θ = 45°时二分之一波片可以使偏振态旋转90°。
[0016]本发明的技术方案为:
[0017]—种兼具非临界相位匹配倍频、三倍频性能的紫外激光变频器，包括基频光源、缩束系统、第一反射镜、非线性光学晶体、四分之一波片、第二反射镜及滤波片，所述缩束系统、第一反射镜、非线性光学晶体、四分之一波片、第二反射镜从左到右依次沿光路安放，所述滤波片设置在所述第一反射镜的正下方;所述非线性光学晶体X轴和Z轴的角平分线，与基频光源产生的基频光的偏振方向的夹角为0_5°，所述四分之一波片的光轴方向与基频光源产生的基频光的偏振方向的夹角为0-5° ;所述第一反射镜与光路的中心轴的夹角为35-55° ;所述非线性光学晶体为GdxY1-xC0B晶体，当基频光源发出的基频光波长为1064nm时，X的取值范围为0.18-0.22，当基频光源发出的基频光波长为1053nm时，X的取值范围为0.11-0.15ο
[0018]所述基频光源产生基频光，基频光通过缩束系统，以提高入射基频光的功率密度，入射基频光透过第一反射镜，进入非线性光学晶体，在非线性光学晶体中发生II类倍频作用，产生的倍频光和剩余基频光经过四分之一波片，入射到第二反射镜，发生全反射后按原光路返回，第二次经过四分之一波片，再次进入非线性晶体，通过四分之一波片的偏振旋转作用，倍频光与剩余基频光的Z轴分量相互作用，发生I类三倍频，产生的三倍频紫外光被第一反射镜反射，再经滤波片滤掉剩余基频光和倍频光，输