一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器及其应用

一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器及其应用
【专利摘要】本发明涉及一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器及其应用。该光学变频器，包括沿光路方向设置的第一分束镜、磷酸盐晶体、偏振转换模块、第二分束镜和第三分束镜。本发明以磷酸盐晶体作为非线性光学介质，利用四分之一波片改变倍频光偏振态，利用折返光路进行倍频、三倍频的级联变频，在一块晶体中实现了从近红外激光到紫外激光的直接输出；磷酸盐晶体具有原料成本低、易生长、尺寸大、质量优良等优点；由于在1微米波段磷酸盐晶体的II类倍频和II类三倍频相位匹配方向基本相同，因而光转换效率高。
【专利说明】
一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器及其应用
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器及其应用，属于激光和非 线性光学的技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前，紫外激光在精密加工、光学雕刻、快速成型、光学存储和医疗等领域具有广 泛应用。获得紫外激光的方法有很多，包括:非线性光学晶体对红外激光的频率变换，二维 光子晶体对红外激光的频率变换，以及反斯托克斯拉曼散射等。其中，利用非线性光学晶体 进行频率变换最为常用，这种方法具有效率高，光束质量好、稳定性高等优点。目前利用非 线性光学晶体进行频率变换获得紫外激光比较成熟的技术方法是对掺钕钇铝石榴石(Nd: YAG)或掺钕玻璃(Nd: glass)激光进行三倍频，产生355nm或351nm的紫外激光；该过程通常 采用级联变频的方式进行，即首先用一块非线性光学晶体对红外激光（l〇64nm/1053nm)倍 频，再用另一块非线性光学晶体将产生的倍频绿光(532nm/526nm)与剩余红外激光和频，最 终产生355nm/351nm紫外激光。虽然利用三阶非线性的直接三倍频或准相位匹配光学超晶 格的方法可以实现一块晶体从近红外到紫外的激光变频，但前者受材料本身抗光伤阈值的 限制，转换效率极低，而后者存在制备工艺复杂、可靠性差、价格昂贵等缺点，因而在实际应 用中，上述两种方法均受到很大限制。整体而言，利用两块非线性光学晶体先后进行倍频、 和频仍是目前获得三倍频紫外激光的主流方法。
[0003] 中国专利CN105549295A公开了一种兼具非临界相位匹配倍频、三倍频性能的紫外 激光变频器及其工作方法。该装置和方法中使用的工作介质为GdxYhCOB晶体，是一种低对 称性的硼酸盐晶体，单斜晶系，光学双轴晶，提拉法生长;使用的级联相位匹配方式均为非 临界相位匹配，即沿Y轴（0 = 90°，巾=90°)方向先II类倍频，再I类和频;所针对的基频光波 长为1064nm和1053nm，分别对应Nd:YAG和Nd:glass激光。该装置和方法中，如果改变基频工 作波长，就需要相应改变GcUYh⑶B的晶体组分X，这意味着需要重新生长晶体，使用不方 便、效率低下。

【发明内容】

[0004] 针对现有技术的不足，本发明提供一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器。
[0005] 本发明还提供一种利用上述级联光学变频器在1微米波段获得三倍频紫外激光的 方法。
[0006] 发明概述：
[0007] KH2P〇4(KDP)和NH4H2PO4UDP)这两种磷酸盐非线性光学晶体在1微米波段（1000~ llOOnm)的倍频、和频相位匹配角非常接近。本发明利用这一特殊性质，通过光学相位延迟 器(即波片)调整倍频光的偏振态以满足偏振匹配条件，通过折返光路以实现倍频及和频的 级联变频，从而用一块晶体在1微米波段获得近红外激光的高效三倍频紫外输出。
[0008] 本发明的技术方案如下：
[0009] -种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，包括沿光路方向设置的第一分束 镜、磷酸盐晶体、偏振转换模块、第二分束镜和第三分束镜。
[0010] 磷酸盐晶体采用水溶液法生长，采用传统降温法或者快速降温法都能获得高光学 质量的大尺寸单晶。原料价格便宜，生长成本低，晶体的生长工艺和定向、切割、抛光、镀膜 等工艺也都较为成熟。
[0011] 优选的，磷酸盐晶体为KDP晶体、ADP晶体、DKDP晶体或DADP晶体。由于KDP、ADP这两 种晶体氘化后折射率变化不大，所以相配匹配性质基本不变，因此本发明对于氘化KDP (DKDP)和氘化ADP(DADP)同样适用。KDP晶体和ADP晶体是中级对称性的磷酸盐晶体，四方晶 系，光学单轴晶，水溶液法生长，便于获得大口径、高光学质量晶体。
[0012]优选的，磷酸盐晶体的加工方向为9 = 60° ±5°，巾=0° ±5° ;磷酸盐晶体的通光面 镀有对1微米激光、1微米激光的倍频光、1微米激光的三倍频光增透的介质膜。其中，9为相 位匹配角中的方向角，巾为相位匹配角中的方位角。参照表1可知，选择9 = 60° ±5°，巾=0° ±5°的角度范围能实现1000~llOOnm波段内的级联变频。
[0013]优选的，所述偏振转换模块包括沿光路方向设置的第一反射镜、四分之一波片和 第二反射镜，第二反射镜镀有对1微米激光倍频光高反的介质膜。当入射的基频光的偏振方 向与磷酸盐晶体〇光方向的夹角为54.7° ±5°，由于倍频光总能量是基频光总能量的2倍，倍 频光单光子能量是基频光单光子能量的2倍，因此倍频光与基频光的光子数相等，理论上可 以实现最大效率的和频转换。虽然倍频光路与基频光路在光程上有小的差异，但在脉宽为 纳秒量级以上的长脉冲条件下对三倍频转换的影响极小，可以忽略不计。
[0014]优选的，所述偏振转换模块包括沿光路方向设置的四分之一波片和第二反射镜， 第二反射镜镀有对1微米激光及其倍频光高反的介质膜；四分之一波片通光面镀有对1微米 激光及其倍频光增透的介质膜。此时需将入射基频光的偏振方向与变频晶体〇光方向的夹 角调整为45° ±5°，即入射基频光的偏振方向、变频晶体〇光和e光角平分线方向、四分之一 波片的光轴方向三者一致，基频光与倍频光会有相同的传播光路，光程差为0。
[0015] 进一步优选的，第一反射镜、第二反射镜镀在四分之一波片上。在脉宽为皮秒量级 以下的短脉冲条件下，将第一反射镜、第二反射镜直接镀到典型厚度仅为几十微米的四分 之一波片上，可大幅减小反射倍频光与反射基频光的光程差。
[0016] 进一步优选的，四分之一波片的光轴方向与磷酸盐晶体〇光和e光角平分线的夹角 为0~5°。倍频光往返两次经过四分之一波片，相当于经过一个半波片，线偏振方向旋转 90°，相对变频晶体偏振态由e光变为〇光，满足II类和频相位匹配条件。
[0017] 进一步优选的，四分之一波片是1微米激光倍频光的四分之一波片，通光面镀有对 1微米激光倍频光增透的介质膜。
[0018] 进一步优选的，第一反射镜镀有对1微米激光高反，并对1微米激光的倍频光高透 的介质膜。
[0019] 优选的，第一分束镜与光路中心轴的夹角为35~55° ;第一分束镜镀有对1微米激 光高透，对1微米激光的倍频光、1微米激光的三倍频光高反的介质膜;第二分束镜与输出光 路中心轴的夹角为35~55°;第二分束镜镀有对1微米激光、1微米激光的倍频光高反的介质 膜，以及对1微米激光的三倍频光高透的介质膜;第三分束镜与输出光路中心轴的夹角为35 ~55° ;第三分束镜镀有对1微米激光、1微米激光的三倍频光高透的介质膜，以及对1微米激 光的倍频光高反的介质膜。
[0020] 进一步优选的，第一分束镜与光路中心轴的夹角为45°;所述第二分束镜与输出光 路中心轴的夹角为45° ;第三分束镜与输出光路中心轴的夹角为45°。
[0021] -种利用上述级联光学变频器在1微米波段获得三倍频紫外激光的方法，包括步 骤如下：
[0022] 1)入射基频光；
[0023]入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体〇光方向的夹角为54.7° ±5° ;根据最优级 联三倍频条件下所产生倍频光能量应该为剩余基频光能量的2倍，同时考虑到光强等于电 场能量的平方，可以计算出此时基频光电场能量方向（即线偏振方向）与变频晶体〇光方向 夹角约为54.7°。
[0024] 2) II类倍频；
[0025]入射的基频光的三分之一能量为基频〇光，三分之二能量为基频e光，部分基频光 转换为倍频e光，并与剩余基频e光一起出射;理想情况下经过晶体II类倍频后三分之二能 量的基频光会变为倍频e光，并与剩余的三分之一能量的基频e光一起出射;理论上，倍频转 换效率可达66.7%。
[0026] 3)倍频光往返两次经过所述四分之一波片，线偏振方向旋转90°，相对变频晶体偏 振态由倍频e光变为倍频〇光；
[0027] 4)基频e光经第一反射镜反射后以不变的偏振态返回磷酸盐晶体并与倍频〇光沿 和频相位匹配方向进行和频，得到最大三倍频紫外激光输出；
[0028]三倍频紫外激光经第一分束镜、第二分束镜后输出，剩余的倍频光经第一分束镜、 第二分束镜、第三分束镜后输出。
[0029]优选的，入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体〇光方向的夹角为45° ±5°。在脉 宽为皮秒量级以下的短脉冲条件下，有两套方案可供选择，第一是将第一反射镜、第二反射 镜直接镀到典型厚度仅为几十微米的四分之一波片上，从而大幅减小反射倍频光与反射基 频光的光程差;第二是不使用第一反射镜。此时入射的基频光的偏振方向、磷酸盐晶体〇光 和e光角平分线方向、四分之一波片的光轴方向三者一致，由磷酸盐晶体出射的基频光的偏 振方向沿四分之一波片的光轴方向，往返两次通过四分之一波片后偏振态不变，其在磷酸 盐晶体e轴上的分量仍为线偏振光，可与倍频〇光有效和频。实际应用表明，该方法能够获得 30%以上的高转换效率。
[0030]优选的，入射的基频光由基频光源产生，基频光源的工作波长为1000~llOOnm。 KDP和ADP具有光转换效率高、透光波段宽、抗激光损伤阈值高、可以超大尺寸生长等优点， 是目前为数不多的尺寸能够达到米级的人工晶体，综合性能优良。根据这两种晶体的折射 率色散方程，可以计算出1微米波段典型激光波长对应的II类倍频，II类三倍频(基频与倍 频的和频）的相位匹配角9,如表1所示。对于表中的任一波长，II类倍频与II类三倍频相位 匹配角都非常接近，其差别不超过4°，考虑晶体折射率(~1.5)之后可以得到外角差不超过 6°，对于折返光路而言意味着全反镜光轴与光路的倾角在3°以内，这正好对应普通二维光 学调整架的可调范围，因此我们将1000~llOOnm作为本发明的工作波段。
[0031] 进一步优选的，基频光源的工作波长为1030~1064nm。在1030~1064nm这个最常 用的近红外波段内，相位匹配角的差别不超过2°，我们将其作为本发明的优选工作波段。
[0032] 进一步优选的，所述基频光源为Nd: YAG( 1064nm)或Nd:glass( 1053nm)脉冲激光 器。
[0033]优选的，当所述偏振转换模块包括沿光路方向设置的四分之一波片和第二反射镜 时，在1微米波段获得三倍频紫外激光的方法，包括步骤如下：
[0034] 1)入射基频光；
[0035]入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体〇光方向的夹角为45° ±5° ;
[0036] 2) II类倍频；
[0037]入射的基频光的二分之一能量为基频〇光，二分之一能量为基频e光，经过晶体II 类倍频后部分基频光变为倍频e光，并与剩余的基频光一起出射；
[0038] 3)倍频光往返两次经过所述四分之一波片，线偏振方向旋转90°，相对变频晶体偏 振态由倍频e光变为倍频〇光；
[0039] 4)倍频后剩余的基频光穿过四分之一波片，经第二反射镜反射，再次穿过四分之 一波片，以不变的偏振态返回磷酸盐晶体，基频e光与倍频〇光在磷酸盐晶体内和频，得到三 倍频紫外激光输出。
[0040] 表1 KDP晶、ADP晶体在1微米波段典型激光波长对应的II类倍频，II类三倍频(基 频与倍频的和频)的相位匹配角中的方向角9(单位:度）
[0042]本发明的有益效果为：
[0043] 1、本发明以磷酸盐晶体作为非线性光学介质，利用四分之一波片(倍频光波长)改 变倍频光偏振态，利用折返光路进行倍频、三倍频的级联变频，在一块晶体中实现了从近红 外激光到紫外激光的直接输出；磷酸盐晶体具有原料成本低、易生长、尺寸大、质量优良等 优点；由于在1微米波段磷酸盐晶体的II类倍频和II类三倍频相位匹配方向基本相同，因而 光转换效率高；
[0044] 2、本发明所述基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，只需根据相位匹配角的变 化调整晶体切角，即可实现基频工作波长的改变，无需重新生长晶体，使用起来更加快捷、 便利；
[0045] 3、本发明所述基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，增加了基频光反射光学元 件，以及特殊的基频偏振分配设计，从而避免了基频光的能量损失，进一步提高了光学转换 效率;原材料成本低、光束口径大、工作波段宽、使用方便、转换效率进一步提高；
[0046] 4、本发明所述基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，使用的级联相位匹配方式 均为临界相位匹配，即沿0 = 60° ±5°，小=0°)方向先II类倍频，再II类和频;所针对的基 频光为1000~ll〇〇nm范围内的任意波长，这一波段覆盖了多数重要固体激光介质的主要发 射谱线（包括Yb:YAG的1030_，恥:￥1^、制冶1388的105311111，制:￥厶6、制:￥￥〇4的1064腦，以及 Nd:YAP的 1080nm等）；
[0047] 5、本发明所述基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，用一块晶体获得近红外光 的高效三倍频紫外输出，非线性光学晶体是光学变频器的核心部件，也是光学变频器中价 格最为昂贵的光学元件，相对传统的由两块晶体制成的光学变频器，本发明将晶体减少到 一块能够使生产成本大为降低，同时节约了原材料;另外，四分之一波片、分束镜、反射镜等 都是成熟的光学元件，价格远远低于非线性晶体，因此，本器件的生产成本远低于目前使用 两块非线性光学晶体的三倍频器件，且器件尺寸越大所节约的成本越多，利于大规模生产 和应用。
【附图说明】
[0048] 图1为本发明所述基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器的结构示意图；
[0049] 图2(a)为II类倍频发生时基频光和倍频光的偏振示意图；
[0050] 图2(b)为II类和频发生时基频光、倍频光和三倍频光的偏振示意图；
[0051] 图3为实施例1所述基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器的结构示意图；
[0052] 图4为实施例10所述基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器的结构示意图；
[0053] 图5为实施例6所述基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器的结构示意图；
[0054] 图6为实施例8所述基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器的结构示意图；
[0055] 图7为本实施例8所述的级联光学变频器的使用效果图；其中，主图为三倍频光学 转换效率，插图为三倍频光谱。
【具体实施方式】
[0056] 下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步阐述，但不限于此。
[0057] 实施例1
[0058] 如图1-3所示。
[0059] -种基于单块磷酸盐晶体的1064nm纳秒激光的级联光学变频器，包括沿光路方向 设置的第一分束镜、磷酸盐晶体、偏振转换模块、第二分束镜和第三分束镜。磷酸盐晶体为 KDP晶体;所述偏振转换模块包括沿光路方向设置的第一反射镜、四分之一波片和第二反射 镜。第二反射镜镀有对532nm激光高反的介质膜。磷酸盐晶体沿II类倍频相位匹配方向切 害所述II类倍频相位匹配方向为9 = 58.9°，巾=0° ; II类三倍频相位匹配角为0 = 58.4°， 伞=0° ;磷酸盐晶体的通光面镀有对l〇64nm激光、532nm激光、355nm激光增透的介质膜。基 频光源为Nd: YAG电光调Q激光器，波长1064nm，脉冲宽度10ns。
[0060] KDP晶体采用水溶液法生长，采用传统降温法或者快速降温法都能获得高光学质 量的大尺寸单晶。原料价格便宜，生长成本低，晶体的生长工艺和定向、切割、抛光、镀膜等 工艺也都较为成熟。
[0061 ] 实施例2
[0062] 如实施例1所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其区别在于，磷酸盐晶 体为ADP晶体;所述II类倍频相位匹配方向为0 = 61.6°，巾=0° ; II类三倍频相位匹配角为0 = 60.0。，<}> =0。。
[0063] ADP晶体采用水溶液法生长，采用传统降温法或者快速降温法都能获得高光学质 量的大尺寸单晶。原料价格便宜，生长成本低，晶体的生长工艺和定向、切割、抛光、镀膜等 工艺也都较为成熟。
[0064] 实施例3
[0065] 如实施例1所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其区别在于，四分之一 波片的光轴方向与磷酸盐晶体〇光和e光角平分线的夹角为0°。倍频光往返两次经过四分之 一波片，相当于经过一个半波片，线偏振方向旋转90°，相对变频晶体偏振态由e光变为〇光， 满足II类和频相位匹配条件。四分之一波片是石英制成的532nm四分之一波片，通光面镀有 对532nm激光增透的介质膜。第一反射镜镀有对1064nm激光高反、532nm激光高透的介质膜。
[0066] 实施例4
[0067] 如实施例1所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其区别在于，第一分束 镜与光路中心轴的夹角为45° ;第一分束镜镀有对1064nm激光高透，对532nm激光、355nm激 光高反的介质膜。
[0068] 第二分束镜与输出光路中心轴的夹角为45° ;第二分束镜由紫外高透的熔石英制 成，镀有对3 5 5nm激光高透，对1064nm激光、5 3 2nm激光高反的介质膜。
[0069]第三分束镜与输出光路中心轴的夹角为45° ;第三分束镜镀有对1064nm激光、 355nm激光高透的介质膜，以及对532nm激光高反的介质膜。
[0070] 实施例5
[0071] -种利用实施例1-4所述级联光学变频器获得355nm激光的方法(偏振转换模块包 括第一反射镜、四分之一波片和第二反射镜），包括步骤如下：
[0072] 1)入射基频光；
[0073] 入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体〇光方向的夹角为54.7°;根据最优级联三 倍频条件下所产生倍频光能量应该为剩余基频光能量的2倍，同时考虑到光强等于电场能 量的平方，可以计算出此时基频光电场能量方向（即线偏振方向）与变频晶体〇光方向夹角 约为54.7°。
[0074] 2) II类倍频；
[0075]入射的基频光的三分之一能量为基频〇光，三分之二能量为基频e光，部分基频光 转换为倍频e光，并与基频e光一起出射;理想情况下，经过晶体II类倍频后三分之二能量的 基频光会变为倍频e光，并与剩余的三分之一能量的基频e光一起出射;理论上，倍频转换效 率可达66.7 %。参与倍频相互作用的各光波的偏振态如图2 (a)所不。
[0076] 3)倍频光往返两次经过所述四分之一波片，线偏振方向旋转90°，相对变频晶体偏 振态由倍频e光变为倍频〇光；
[0077] 4)基频e光经第一反射镜反射后以不变的偏振态返回磷酸盐晶体并与倍频〇光沿 和频相位匹配方向进行和频，得到最大三倍频紫外激光输出；参与和频相互作用的各光波 的偏振态如图2 (b)所不。
[0078]三倍频紫外激光经第一分束镜、第二分束镜后输出，剩余的倍频光经第一分束镜、 第二分束镜、第三分束镜后输出。
[0079]由于第一分束镜、第三分束镜都镀有对1064nm高透的介质膜，因此输出光路中和 频后剩余的l〇64nm基频光在这两处被有效滤除(第一分束镜起主要作用），不会出现在第二 分束镜的透射三倍频光，或者第三分束镜的反射倍频光中，保证了输出光的光谱纯度。此 外，反向光路与正向光路并不完全一致，存在细微差别，这个特点保护了基频光源，同时又 避免了反向传播光束对正向传播光束的干扰，有助于提高变频输出的稳定性。
[0080] 实施例6 [0081 ] 如图5所示。
[0082]如实施例1所述的基于单块磷酸盐晶体的1064nm纳秒激光的级联光学变频器，其 区别在于，第一反射镜、第二反射镜镀在四分之一波片上；四分之一波片为石英制成的 532nm四分之一波片，两通光端面抛光后，前端面镀1064nm高反、532nm增透的介质膜，代替 第一反射镜；后端面镀532nm高反的介质膜，代替第二反射镜;在脉宽为皮秒量级以下的短 脉冲条件下，将第一反射镜、第二反射镜直接镀到典型厚度仅为几十微米的四分之一波片 上，可大幅减小反射倍频光与反射基频光的光程差。
[0083] 实施例7
[0084] 一种利用实施例6所述级联光学变频器获得355nm激光的方法，包括步骤如下， [0085] 1)入射基频光；
[0086]入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体〇光方向的夹角为54.7° ;
[0087] 2) II类倍频；
[0088]入射的基频光的三分之一能量为基频〇光，三分之二能量为基频e光，经过晶体II 类倍频后三分之二能量的基频光会变为倍频e光，并与剩余的三分之一能量的基频e光一起 出射；
[0089] 3)倍频光往返两次经过所述四分之一波片，线偏振方向旋转90°，相对变频晶体偏 振态由倍频e光变为倍频〇光；
[0090] 4)基频e光经四分之一波片的前端面反射后以不变的偏振态返回磷酸盐晶体并与 倍频〇光沿和频相位匹配方向进行和频，得到最大三倍频紫外激光输出。
[0091] 实施例8
[0092] 如图6所示。
[0093] 如实施例1所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其区别在于，所述偏振 转换模块包括沿光路方向设置的四分之一波片和第二反射镜。基频光源为Nd: YAG锁模调Q 激光器，波长l〇64nm，脉冲宽度40ps。四分之一波片是石英制成的532nm四分之一波片，通光 面镀有对l〇64nm、532nm激光增透的介质膜。第二反射镜镀有对1064nm激光、532nm激光高反 的介质膜。
[0094] 实施例9
[0095] 一种利用实施例8所述级联光学变频器获得355nm激光的方法，包括步骤如下，
[0096] 1)入射基频光；
[0097] 入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体〇光方向的夹角为45° ;
[0098] 2) II类倍频；
[0099] 入射的基频光的二分之一能量为基频〇光，二分之一能量为基频e光，经过晶体II 类倍频后部分基频光变为倍频e光，并与剩余的基频光一起出射；
[0100] 3)倍频光往返两次经过所述四分之一波片，线偏振方向旋转90°，相对变频晶体偏 振态由倍频e光变为倍频〇光；
[0101] 4)倍频后剩余的基频光穿过四分之一波片，经第二反射镜反射，再次穿过四分之 一波片，以不变的偏振态返回磷酸盐晶体，基频e光与倍频〇光在磷酸盐晶体内和频，得到三 倍频紫外激光输出。
[0102] 本实施例是专门针对超快基频光脉冲(脉宽为皮秒量级以下）的设计方案。结合光 速可知，本实施例40ps的基频脉冲仅对应1.2cm的空间光程，如果再沿用实施例1的器件结 构，即使反射基频光束与反射倍频光束之间的光程差为mm量级，也会造成通过KDP晶体时反 射基频脉冲与反射倍频脉冲在时间上的不同步，大幅降低和频效率。在本实施例中，基频光 束与倍频光束所经历的光路完全一致，光程差为〇,保证了和频的有效实现。虽然理论上有 小部分剩余基频光(在晶体〇轴上的分量)无法有效利用，但实际应用表明，这种方法仍能获 得30 %以上的高转换效率。图7是本实施例的级联变频效果:在第二分束镜处，测量了三倍 频转换效率随基频光能量的变化，以及三倍频激光光谱。中心波长为355nm，当基频光能量 为2.5mJ时，获得了最高的三倍频转换效率31 %。
[0103] 实施例10
[0104] 如图4所示。
[0105] -种基于单块磷酸盐晶体的1053nm纳秒激光的级联光学变频器，包括沿光路方向 设置的第一分束镜、磷酸盐晶体、偏振转换模块、第二分束镜和第三分束镜。基频光源为Nd: glass电光调Q激光器，波长1053nm，脉冲宽度10ns。磷酸盐晶体为ADP晶体;所述偏振转换模 块包括沿光路方向设置的第一反射镜、四分之一波片和第二反射镜。磷酸盐晶体沿II类倍 频相位匹配方向切割;所述II类倍频相位匹配方向为9 = 61.6°，巾=0° ; II类三倍频相位匹 配角为9=60.8°，巾=0°。磷酸盐晶体的通光面镀有对105311111激光、526.511111激光、35111111激 光增透的介质膜。四分之一波片是石英制成的526.5nm四分之一波片，通光面镀有对 5 26 ? 5nm激光增透的介质膜。
[0106]第一反射镜镀有对l〇53nm激光高反、526.5nm激光高透的介质膜;第二反射镜镀有 对526.5nm激光高反的介质膜。
[0107]第一分束镜与光路中心轴的夹角为45° ;第一分束镜镀有对1053nm激光高透，对 526.5nm激光、351nm激光高反的介质膜。
[0108]第二分束镜与输出光路中心轴的夹角为45°;第二分束镜由紫外高透的熔石英制 成，镀有对351nm激光高透，对1053nm激光、526 ? 5nm激光高反的介质膜。
[0109]第三分束镜与输出光路中心轴的夹角为45° ;第三分束镜镀有对1053nm激光、 351nm激光高透的介质膜，以及对526.5nm激光高反的介质膜。
[0110] 实施例11
[0111] 一种利用实施例10所述级联光学变频器获得351nm激光的方法，包括步骤如下，
[0112] 1)入射基频光；
[0113] 入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体〇光方向的夹角为54.7° ;
[0114] 2) II类倍频；
[0115] 入射的基频光的三分之一能量为基频〇光，三分之二能量为基频e光，经过晶体II 类倍频后三分之二能量的基频光会变为倍频e光，并与剩余的三分之一能量的基频e光一起 出射；
[0116] 3)倍频光往返两次经过所述四分之一波片，线偏振方向旋转90°，相对变频晶体偏 振态由倍频e光变为倍频〇光；
[0117] 4)基频e光经第一反射镜反射后以不变的偏振态返回磷酸盐晶体并与倍频〇光沿 和频相位匹配方向进行和频，得到最大三倍频紫外激光输出。
[0118]由于第一分束镜、第三分束镜都镀有对1053nm高透的介质膜，因此输出光路中和 频后剩余的l〇53nm基频光在这两处被有效滤除(第一分束镜起主要作用），不会出现在第二 分束镜的透射三倍频光，或者第三分束镜的反射倍频光中，保证了输出光的光谱纯度。此 外，反向光路与正向光路并不完全一致，存在细微差别，这个特点保护了基频光源，同时又 避免了反向传播光束对正向传播光束的干扰，有助于提高变频输出的稳定性。
【主权项】
1. 一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其特征在于，包括沿光路方向设置的 第一分束镜、磷酸盐晶体、偏振转换模块、第二分束镜和第三分束镜。2. 根据权利要求1所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其特征在于，磷酸盐 晶体为KDP晶体、ADP晶体、DKDP晶体或DADP晶体。3. 根据权利要求1所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其特征在于，磷酸盐 晶体的加工角度为Θ = 60° ±5°，Φ = 0° ±5° ;磷酸盐晶体的通光面镀有对1微米激光、1微米 激光的倍频光、1微米激光的三倍频光增透的介质膜，其中，Θ为相位匹配角中的方向角，Φ 为相位匹配角中的方位角。4. 根据权利要求1所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其特征在于，所述偏 振转换模块包括沿光路方向设置的第一反射镜、四分之一波片和第二反射镜;第二反射镜 镀有对1微米激光倍频光高反的介质膜。5. 根据权利要求4所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其特征在于，第一反 射镜、第二反射镜镀在四分之一波片上。6. 根据权利要求4所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其特征在于，四分之 一波片的光轴方向与磷酸盐晶体〇光和e光角平分线的夹角为0~5° ;四分之一波片是1微米 激光倍频光的四分之一波片，通光面镀有对1微米激光倍频光增透的介质膜;第一反射镜镀 有对1微米激光高反，并对1微米激光的倍频光高透的介质膜;第一分束镜与光路中心轴的 夹角为35~55°;第一分束镜镀有对1微米激光高透，对1微米激光的倍频光、1微米激光的三 倍频光高反的介质膜;第二分束镜与输出光路中心轴的夹角为35~55° ;第二分束镜镀有对 1微米激光、1微米激光的倍频光高反的介质膜，以及对1微米激光的三倍频光高透的介质 膜;第三分束镜与输出光路中心轴的夹角为35~55° ;第三分束镜镀有对1微米激光、1微米 激光的三倍频光高透的介质膜，以及对1微米激光的倍频光高反的介质膜。7. -种利用权利要求1-6任意一项所述级联光学变频器在1微米波段获得三倍频紫外 激光的方法，其特征在于，包括步骤如下： 1) 入射基频光； 入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体〇光方向的夹角为54.7° ±5°; 2. II类倍频； 入射的基频光的三分之一能量为基频〇光，三分之二能量为基频e光，部分基频光转换 为倍频e光，并与剩余的基频e光一起出射； 3) 倍频光往返两次经过所述四分之一波片，线偏振方向旋转90°，相对变频晶体偏振态 由倍频e光变为倍频〇光； 4) 基频e光经第一反射镜反射后以不变的偏振态返回磷酸盐晶体并与倍频〇光沿和频 相位匹配方向进行和频，得到最大三倍频紫外激光输出。8. 根据权利要求1所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其特征在于，所述偏 振转换模块包括沿光路方向设置的四分之一波片和第二反射镜，第二反射镜镀有对1微米 激光及其倍频光高反的介质膜；四分之一波片通光面镀有对1微米激光及其倍频光增透的 介质膜。9. 一种利用权利要求8所述级联光学变频器在1微米波段获得三倍频紫外激光的方法， 其特征在于，包括步骤如下： 1) 入射基频光； 入射的基频光的偏振方向与磷酸盐晶体O光方向的夹角为45° ±5°; 2. II类倍频； 入射的基频光的二分之一能量为基频〇光，二分之一能量为基频e光，经过晶体II类倍 频后部分基频光变为倍频e光，并与剩余的基频光一起出射； 3) 倍频光往返两次经过所述四分之一波片，线偏振方向旋转90°，相对变频晶体偏振态 由倍频e光变为倍频〇光； 4) 倍频后剩余的基频光穿过四分之一波片，经第二反射镜反射，再次穿过四分之一波 片，以不变的偏振态返回磷酸盐晶体，基频e光与倍频〇光在磷酸盐晶体内和频，得到三倍频 紫外激光输出。10.根据权利要求1-6或8所述的基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器，其特征在于， 入射基频光由基频光源产生;基频光源的工作波段为1 〇〇〇~I IOOnm，优选工作波段为1030 ~1064nm。
【文档编号】G02F1/355GK105911793SQ201610487940
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】王正平, 亓宏伟, 孙洵, 许心光, 吴志心, 任宏凯, 孙玉祥
【申请人】山东大学