专利名称：新型双波长激光倍频器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光倍频器件。
背景技术：
非线性光学领域广泛使用各类的激光倍频器件，有效地扩展了激光的应用 范围。绝大多数的激光倍频器件是由非线性光学晶体制作的，为了达到较好的 激光倍频效果，通常都要使激光沿着其在晶体中对应的相位匹配方向传播，因 此非线性光学转换受到相位匹配条件、角度容忍性、温度容忍角以及光束质量 等的限制。基于众多设计方面的考虑，现今多数的激光倍频器件都只针对特定 波长， 一般情况下只能实现单一波长激光的倍频，无法得到双波长激光的同时 倍频。而随着可见波段激光应用的迅速发展，对双波长乃至多波长可见波段激 光的需求越来越大。本发明涉及的激光倍频器件，能够使入射的一束具有双波 长的激光通过该器件后得到它们各自的倍频光，并且该器件只使用一块晶体。
发明内容
本发明的目的在于通过改变非线性光学晶体的切形，使入射的双波长激光 通过其在晶体中相应的相位匹配方向后得到对应的两个倍频光。
不同波长的激光在非线性光学晶体中对应的相位匹配角不同，在设计能够 对双波长激光实现同时倍频的器件时必须考虑到这个问题。通过几何计算和切 形设计，得到能够对双波长激光同时倍频的器件使双波长激光先沿其中一个 波长激光的相位匹配方向传播得到该波长的倍频光，当到达器件的反射面时通 过反射使激光光束转到另一波长激光的相位匹配方向上行进从而得到该波长的 倍频光。激光倍频器件的工作介质为非线性光学晶体。
本发明的设计原则为根据双波长激光的波长和非线性光学晶体的光学参 数，计算出各个波长对应的相位匹配方向，根据计算结果确定出这两个相位匹 配方向所在的平面，按照设计方案加工出倍频器件，该器件主要包含一个入射 端面、 一个出射端面和若干个反射端面。含有双波长成分的激光光束沿入射端 面的法线入射该倍频器件的入射端面后沿着其中一个波长激光的相位匹配方向 行进，在该方向上转化为对应的倍频光；当到达晶体的反射端面时发生反射， 激光光束的传播方向发生改变，使得该方向与另一波长激光的相位匹配方向相 吻合，在这一阶段中，相应的激光产生倍频转化。通过这一系列过程，输入的 双波长激光在各自对应的相位匹配方向上转化为相应的倍频光，最终包含多波 长成分的激光光束从出射端面离开倍频器件。入射的双波长激光中的两个波长 分别对应不同的相位匹配方向，通常情况下这两个相位匹配方向不会刚好垂直， 所以它们之间的夹角为一个钝角和一个锐角，由此可以派生出不同的器件设计。
本发明的具体技术路线为-
1、 其结构如图1、 2所示，根据双波长激光波长和倍频晶体种类计算它们相对 应的倍频相位匹配方向，依此确定双波长激光倍频器件的切型及相关参数，使 得双波长激光进入该倍频器件后能够依次通过这两个相位匹配方向，得到相应 的双波长倍频光输出。
2、 其结构如图5所示，根据双波长激光波长和倍频晶体种类计算它们相对应的 倍频相位匹配方向，依此确定双波长激光倍频器件的切型及相关参数，使得双 波长激光进入该倍频器件后能够依次通过这两个相位匹配方向，得到相应的双 波长倍频光输出。激光光束通过器件侧面的多次反射而延长激光光束在该器件 中的倍频转化长度，从而提高倍频转化效率。3、激光倍频工作介质为非线性光学晶体。
本发明的优选方案之一为选择反射端面，使其与两个波长对应的相位匹 配方向之间所夹的钝角的平分线重合，激光光束沿着这两个方向传播，反射前 和反射后通过的路径之间的夹角为锐角。该方案设计的器件的平面投影如图1 所示，其中l为非线性光学晶体；2代表含有双波长成分的激光光束；3指示 其中一个波长的激光在该晶体中的相位匹配方向，同时也是激光光束进入晶体 后最初的传播路线；4是经过晶体反射端面6反射后激光光束的方向，与另一波 长激光在该晶体中的相位匹配方向相对应；5是出射的激光光束，包含未转化的 双波长激光成分以及它们的倍频光；6是晶体的反射端面，起到反射的作用，根 据需要可以镀上相应的全反射膜，如果激光光束的入射角度足够大，由于界面 的全反射作用，该端面也可以不用镀膜；7为激光光束入射端面；8是激光光束 的出射端面；a代表了激光光束传播路径3和4之间的夹角，也即为在该晶体 中两个波长激光各自对应的相位匹配方向之间所夹的锐角。根据激光光束所包 含的双波长和非线性光学晶体的性能参数，计算得到各个波长在非线性光学晶 体中对应的相位匹配角，由空间几何确定出这两个相位匹配方向所在的平面以 及它们之间所夹的锐角a ，依此确定晶体加工的方向和几何外形，切割出如图1 所示的倍频器件。器件的端面7、 8的法线方向分别与相位匹配方向3、 4重合， 以减小折射对激光光束的影响，尽量使基频光与倍频光保持重合，并且可以根 据需要在两个端面上分别镀上能够减少激光损失的介质膜。如果由两个波长a、 b组成的激光光束2沿入射端面的法线入射到非线性光学晶体1的入射端面7上， 光束进入晶体后保持传播方向不变，沿着光路3传播，此时该方向满足波长a 的相位匹配条件，在行进过程中转换为相应的倍频光，而波长b不满足相位匹 配条件所以没有发生倍频转化。当激光光束到达器件1的反射端面6时，由于反射端面6上镀的全反射膜的反射或者界面上发生的全反射效应(入射角足够 大时)，使激光光束传播方向改变到方向4上，该方向能够满足波长b的相位匹 配条件，此时波长为b的激光产生倍频效应得到相应的倍频光，在沿着这一方 向行进的过程中波长a将不发生倍频转化。激光光束到达器件1的出射端面8 时出射，从器件中出来的激光光束5将包含未发生倍频转化的波长为a、 b的基 频光以及它们相应的倍频光。
根据设计需要，对本方案的倍频器件进行改进使其具有两个反射端面，如 图2所示，除了原有的反射端面6外，在端面8上镀上全反射膜9,也使其成为 反射端面，最终得到的输出激光光束5沿着入射方向反向出射，图中为了描述 得更清晰，将激光光束5与入射的激光光束2分开，实际两者是重合的，只是 传播方向相反，端面7既是入射端面也是出射端面。在双波长激光光束到达反 射端面8前，激光的传播如图l中所述，当激光光束到达反射端面8后，由于 全反射膜9将双波长激光和它们对应的倍频光完全反射，使所有波长的光都沿 着原光路反向行进。返回时，经过b波长相应的相位匹配方向时，b波长激光继 续倍频转化。当光束再次通过反射端面6后，折向a波长对应的相位匹配方向， a波长激光又开始转化为对应的倍频光。最终，包含基频激光和倍频光的激光光 束5重新经过端面7出射，经端面7出射的激光，可通过一块对基频光增透、 对倍频光高反的45度反射片输出。
本发明的优选方案之一为选择反射端面，使其与两个波长对应的相位匹 配方向之间所夹的锐角的平分线重合，激光光束沿着这两个方向传播，反射前 和反射后通过的路径之间的夹角为钝角。该方案设计的器件的平面投影如图3 所示，其中l为非线性光学晶体；2代表含有双波长成分的激光光束；3指示 其中一个波长为a的激光在该晶体中的相位匹配方向，同时也是激光光束进入晶体后最初的传播路线；4是经过晶体反射端面6反射后激光光束的方向，与另 一波长为b的激光在该晶体中的相位匹配方向相对应；5是出射的激光光束，包 含未转化的双波长激光成分以及它们的倍频光；6是晶体的反射端面，从设计中 可以看出激光光束入射到该端面时的入射角相当的大，在该界面上容易形成全 反射，直接把激光光束反射使其沿方向4传播；7为激光光束入射端面，8是激 光光束的出射端面，这两个端面可以根据需要设计为平面、弧面或者球面；a 代表了激光光束传播路径3和4之间的夹角的补角，为一钝角。按照和图1设 计相同的规则，确定晶体加工的方向和几何外形，切割出如图3所示的倍频器 件。器件的端面7、 8的法线方向分别与相位匹配方向3、 4重合，以减小折射 对激光光束的影响，尽量使基频光与倍频光的传播方向保持重合，根据需要在 两个端面上分别镀上能够满足要求的介质膜，使入射光和出射光的损失减小。 包含两个波长a、 b激光光束2沿入射端面的法线入射到非线性光学晶体1的入 射端面7上，光束进入晶体后保持传播方向不变，沿着光路3传播，该方向上 只有波长为a的激光满足相位匹配条件，在行进过程中其转换为相应的倍频光， 而波长b没有发生倍频转化。当激光光束经过器件1的反射端面6反射后，激 光光束传播方向改变到方向4上，该方向也只满足波长为b的激光形成相位匹 配的条件而得到相应的倍频光，波长a不发生变化。激光光束到达器件1的出 射端面8时出射，从器件中出来的激光光束5将包含未发生倍频转化的波长为a、 b的基频光以及它们相应的倍频光。
在图3的设计基础上，参照图2对其做相同修改，如图4所示，在端面8 上镀对激光光束全反射的介质膜9,使激光光束沿入射路径反向传播，最终在与 入射方向2重合、传播方向相反的线路5上获得输出，为了描述方便，输出激 光光束5用虚线独立标出。端面7既是输入端面也是输出端面。在双波长激光光束传播反向前，激光的传播依然如图3中所描述。当激光光束到达反射端面8 后，由于全反射膜9将使双波长激光和它们对应的倍频光完全反射，使所有波 长的光都沿着原光路反向行进。返回时，经过b波长相应的相位匹配方向时，b 波长激光继续倍频转化。当光束再次通过反射端面6后，折向a波长对应的相 位匹配方向，a波长激光又开始转化为对应的倍频光。最终，包含基频激光和倍 频光的光束重新经过端面7出射。经端面7出射的激光，可通过一块对基频光 增透对倍频光高反的45度反射片输出。
在前述的两个方案中，为了提高双波长激光的转化效率，反射端面可以采 取平面或者曲面。
本发明的优选方案之一为根据基本的设计思路，采用合适的几何切形， 切割出反射面组，使激光光束在倍频器件中通过反射面组的多次反射来延长其 有效的倍频转化长度以提高倍频转化效率。依此设计了一种双波长激光倍频器 件，平面投影如图5所示，其中l为非线性光学晶体；2代表含有双波长成分的 激光光束；3、 4分别指示波长为a、 b的激光在该晶体中的相位匹配方向；5是 出射的激光光束，包含未转化的双波长激光成分a、 b以及它们对应的倍频光； 6是晶体底端的反射面，9和10是晶体侧面的反射面，它们根据设计要求可以 镀上相应的介质膜；7为激光光束入射端面，8是激光光束的出射端面，端面7、 8的法线方向分别与相位匹配方向3、 4重合，以减小折射对激光光束的影响， 尽量使基频光与倍频光保持重合，并且可以根据需要在两个端面上分别镀上介 质膜。；a和e代表了激光光束传播路径3和4之间的夹角，也即为在该晶体中 两个波长激光a、 b各自对应的相位匹配方向之间的夹角。激光光束2沿入射端 面的法线入射到非线性光学晶体1的入射端面7上，光束进入晶体后保持传播 方向不变，沿着光路3传播，此时该方向满足波长a的相位匹配条件，在行进过程中转换为相应的倍频光，而波长b不满足相位匹配条件所以没有发生倍频
转化。当激光光束到达器件1其中一侧的反射面9时通过反射其传播方向改变， 使之沿光路4行进，该方向能够满足波长b的相位匹配条件使得波长为b的激 光发生倍频效应得到相应的倍频光。当光束行进到反射端面6时，激光光束的 反向再次改变，沿着满足波长a进行相位匹配的方向行进，直到入射器件另一 侧的反射面10为止。从端面10出射的激光光束又转到光路4上，最终从该倍 频器件的出射端面8出射。在这一改进方案中，通过激光光束在该倍频器件中 不同端面的多次反射，有效地延长了激光倍频转化的长度，能够有效地利用晶 体，提高激光的倍频转化效率。同图2和图4一样，可以将该倍频器件的端面8 上镀上全反射膜，使激光光束经过端面8后沿原光路返回，最终从端面7出射。
依此，可以将该器件长度按周期进行加长(如图6所示)，使激光光束在器 件两侧的反射面9、 10上多次反射，提高传播的周期数，使激光光束能够更充 分地转化为倍频光。
为了提高双波长激光的转化效率，反射端面可以采取若干平面或者若干曲 面的组合。
本设计中的双波长倍频晶体器件，是由一块非线性光学晶体加工成的单一 器件，有以下的基本特征
1. 根据双波长激光的波长计算它们在非线性光学晶体中对应的倍频的相位匹 配方向、这两个方向之间夹角的角平分线以及以该角平分线为法线的反射 面，依此确定该器件的切型及相关参数，通过反射面使得双波长激光进入该 倍频器件后能够依次通过这两个相位匹配方向，得到相应的双波长倍频光输 出。
2. 如1中所示，所述的反射面为平面或者曲面。3. 1中所描述的器件可以使用的非线性光学晶体为KTP、 KDP、 BBO、 KBBF、 LBO、 KTA、 ATP、 KDA、 KBO、 CTA、 CGS或者AGS晶体。
4. 根据双波长激光的波长计算它们在非线性光学晶体中对应的倍频的相位匹 配方向和这两个方向之间夹角的角平分线，以该角平分线为法线的面与器件 的侧面组成反射面组，确定器件的切型及相关参数，通过反射面组使得双波 长激光进入该倍频器件后的传播方向始终保持在这两个相位匹配方向上，从 而延长双波长激光在倍频器件中的倍频转化长度，提高倍频转化效率，得到 相应的双波长倍频光输出。
5. 如4中所描述的激光倍频器件，其反射面组为平面或者曲面的组合。
6. 4中所描述的器件可以使用的非线性光学晶体为KTP、 KDP、 BBO、 KBBF、 LBO、 KTA、 ATP、 KDA、 KBO、 CTA、 CGS或者AGS晶体。
图1、双波长激光倍频器件示意图2、经过两个反射端面的双波长激光倍频器件示意图
图3、双波长激光倍频器件的另一切形示意图4、双波长激光倍频器件的一种修改方案；
图5、 一种改进的双波长激光倍频器件的示意图6、 一种多周期反射的双波长激光倍频器件的示意图。
具体实施例方式
1 、 1064nm和1338nm双波长KTP激光倍频器件
以KTP晶体作为激光倍频介质，通过计算可以得到1064nm和1338nm激 光分别对应的相位匹配方向是(6 =90°， 0=23.6°)和(9=59.0°， 0=0°)， 由这两个方向确定器件参数，分别按照图l、图2加工出两个双波长激光倍频器件。将1064nm和1338nm双波长激光分别入射这两个双波长激光倍频器件，激 光通过这两个器件后都得到倍频光输出，经过反射式光栅单色仪测量，证明在 这两个器件中得到的倍频光都包含532nrn和669nm成分。
2、 1064nm和1319nm双波长KTP激光倍频器件
以KTP晶体作为激光倍频介质，通过计算可以得到1064nm和1319nm激 光分别对应的相位匹配方向是(9 =90°， 0=23.6°)和(9 =59.8°， 0=0°)， 由这两个方向确定器件参数，分别按照图l、图2加工出两个双波长激光倍频器 件。将1064nm和1338nm双波长激光分别入射这两个双波长激光倍频器件，激 光通过这两个器件后都得到倍频光输出，经过反射式光栅单色仪测量，证明在 这两个器件中得到的倍频光都包含532nm和659.5nm成分。
3、 1064nm和1338nm双波长KDP激光倍频器件
以KDP晶体作为激光倍频介质，通过计算可以得到1064nm和1338nm激 光分别对应的相位匹配方向是0 =59.0°和9 =62.6°，由这两个方向确定器件 参数，分别按照图1、图2加工出两个双波长激光倍频器件。将1064nm和1338nm 双波长激光分别入射这两个双波长激光倍频器件，激光通过这两个器件后都得 到倍频光输出，经过反射式光栅单色仪测量，证明在这两个器件中得到的倍频 光都包含532nm和669nm成分。
4、 1064nm和1338nm双波长BBO激光倍频器件
以BBO晶体作为激光倍频介质，通过计算可以得到1064nm和1338nm激 光分别对应的相位匹配方向是9 =22.9°和9 =20.3°，由这两个方向确定器件 参数，分别按照图1、图2加工出两个双波长激光倍频器件。将1064nm和1338nm 双波长激光分别入射这两个双波长激光倍频器件，激光通过这两个器件后都得 到倍频光输出，经过反射式光栅单色仪测量，证明在这两个器件中得到的倍频光都包含532nrn和669nrn成分。
5、 1064nm和1338nm双波长KBBF激光倍频器件
以KBBF晶体作为激光倍频介质，通过计算可以得到1064nm和1338nm激光分 别对应的相位匹配方向是6 =19.9°和9 =18.8°，由这两个方向确定器件参数， 分别按照图1、图2加工出两个双波长激光倍频器件。将1064nm和1338nm双 波长激光分别入射这两个双波长激光倍频器件，激光通过这两个器件后都得到 倍频光输出，经过反射式光栅单色仪测量，证明在这两个器件中得到的倍频光 都包含532nm和669nm成分。
6、 改进的1064nm和1338nm双波长KTP激光倍频器件
以KTP晶体作为激光倍频介质，通过计算可以得到1064nm和1338nm激 光分别对应的相位匹配方向是(0 =90° ，①=23. 6。)禾卩(9 =59. 0° ， O =0° )， 由这两个方向确定器件参数，按照图5加工出双波长激光倍频器件。将1064nm 和1338nm双波长激光入射该双波长激光倍频器件，激光通过器件后得到倍频光 输出，经过反射式光栅单色仪测量，证明得到的倍频光为532nm和669nm。
权利要求
1. 一种双波长激光倍频器件，其特征在于根据双波长激光的波长计算它们在非线性光学晶体中对应的倍频的相位匹配方向、这两个方向之间夹角的角平分线以及以该角平分线为法线的反射面，依此确定该器件的切型及相关参数，通过反射面使得双波长激光进入该倍频器件后能够依次通过这两个相位匹配方向，得到相应的双波长倍频光输出。
2. 如权利要求1所述的激光倍频器件，其特征在于所述的反射面为平面或者
3. 如权利要求1或2所述的激光倍频器件，其特征在于所述的非线性光学晶体为KTP、 KDP、 BBO、 KBBF、 LBO、 KTA、 ATP、 KDA、 KBO、 CTA、 CGS或者AGS晶体。
4. 一种双波长激光倍频器件，其特征在于根据双波长激光的波长计算它们在 非线性光学晶体中对应的倍频的相位匹配方向和这两个方向之间夹角的角 平分线，以该角平分线为法线的面与器件的侧面组成反射面组，确定器件的 切型及相关参数，通过反射面组使得双波长激光进入该倍频器件后的传播方 向始终保持在这两个相位匹配方向上，从而延长双波长激光在倍频器件中的 倍频转化长度，提高倍频转化效率，得到相应的双波长倍频光输出。
5. 如权利要求3所述的激光倍频器件，其特征在于所述的反射面组为平面或 者曲面的组合。
6. 如权利要求4或5所述的激光倍频器件，其特征在于所述的非线性光学晶 体为KTP、 KDP、 BBO、 KBBF、 LBO、 KTA、 ATP、 KDA、 KBO、 CTA、 CGS或者AGS晶体。
全文摘要
本发明涉及新型双波长激光倍频器件。不同波长的激光在非线性光学晶体中对应的相位匹配角不同，在设计能够对双波长激光实现同时倍频的器件时必须考虑到这个问题。通过几何计算和切形设计，得到能够对双波长激光同时倍频的器件使双波长激光先沿其中一个波长激光的相位匹配方向传播得到该波长的倍频光，当到达晶体端面时通过反射使激光光束转到另一波长激光的相位匹配方向上行进从而得到相应波长的倍频光。
文档编号G02F1/35GK101498877SQ200810070579
公开日2009年8月5日 申请日期2008年1月31日 优先权日2008年1月31日
发明者戈 张, 朱海永, 勇 魏, 黄凌雄, 黄呈辉 申请人:中国科学院福建物质结构研究所