专利名称：一种激光三倍频器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及非线性光学领域。
背景技术：
为了获得三倍频激光，通常需要两块或两块以上的非线性光学晶体对基频激光进行转化，并且在倍频转化过程中必须使激光偏振状态满足相位匹配类型的要求，因此直接在单一器件上实现三倍频激光转化存在一定难度，相关设计方案较为少见。本设计中提供一种设计方法，利用反射面改变激光光束在器件中的传播方向和偏振状态，使激光光束先后通过基频激光对应的二倍频和三倍频相位匹配方向。二倍频转化过程中基频激光满足二倍频相位匹配条件转化为二倍频激光，之后经过反射面调整偏振状态的二倍频激光和基频激光折到三倍频相位匹配方向传播，满足三倍频转化条件从而两者耦合实现三倍频激光的转化，在单一器件中输出三倍频激光。
发明内容
本发明的目的在于设计一种激光三倍频器件，使基频激光通过该器件后得到三倍频激光的直接输出。
本设计中的激光三倍频器件由非线性光学晶体加工而成，使基频激光通过该器件后直接得到三倍频激光的输出。激光的和频效率与其在非线性光学晶体中的传播方向相关，通常只有在对应的相位匹配方向上才能获得有效的非线性转化。正是由于相位匹配的要求，进行和频转化的基频激光必须满足一定的偏
振状态要求，如基频激光一 (o光)+基频激光二 (e光)一和频激光(e光)。
基于这两方面的考虑，在单一器件中要实现三倍频激光输出存在一定的难度一是非线性光学晶体中二倍频方向与三倍频方向不同；二是二倍频输出的倍频光的偏振状态不能满足三倍频转化中所需要的二倍频光偏振状态的要求。激光的偏振状态是跟其传播方向、电矢量和传播介质状态有关的参量，通过若干个反射面可以将激光的二倍频相位匹配方向、三倍频相位匹配方向关联起来，在该过程中利用反射面改变基频激光和二倍频激光的偏振状态，使它们满足三倍频转化的要求。在该器件工作过程中，利用一束基频激光先在该器件中得到二倍频激光，再通过反射面调整二倍频激光的偏振状态使其满足与基频激光进行三倍频转化的要求，以产生三倍频激光。
本方案中的三倍频器件的工作介质为非线性光学晶体，基频激光在该非线性光学晶体中能够找到与二倍频、三倍频转化相对应的相位匹配方向。
本发明的设计原则为选择基频激光以及合适的非线性光学晶体，根据基频激光的频率计算二倍频及三倍频的频率，结合非线性光学晶体的性能参数计算出在该晶体中二倍频和三倍频对应的相位匹配方向以及每一倍频转化过程中相关激光的偏振状态。将非线性光学晶体加工成激光三倍频器件，例如图1中所示的样本。频率为co的基频激光从器件的表面垂直入射沿着二倍频的相位匹配方向传播，使部分基频激光转化为二倍频激光"+ co—2";通过第一反射面a后，将激光光束折到光轴O上行进，在这一过程中激光不发生任何频率的变化，并且o、 e光的光学性能没有明显差异；光在非线性光学晶体中的传播存在各向异性，因而在激光束到达第二个反射面b时，改变激光光束的传播方向，使其沿三倍频的相位匹配方向前进，此时激光的偏振状态也要发生相应转变；调整二倍频激光的偏振状态，使其满足与基频激光耦合形成三倍频转化的条件:w+2w—3co。采取合适的设计，就能使激光光束在器件中从二倍频的相位匹配方向转到三倍频的相位匹配方向上，并且把二倍频激光的偏振状态调整到满足三倍频的要求，这样就可以在单一器件中实现激光的三倍频转化。
该三倍频器件使用的基频激光可以由气体激光器、染料激光器、晶体激光器或者半导体激光器提供，基频激光的工作方式为脉冲、准连续或者连续运转中的任意一种。
本发明的优选方案之一为基频激光频率为co， 二倍频激光频率为2"，三倍频激光频率为3w，选择合适的非线性光学晶体，确定二倍频和三倍频过程在该晶体中对应的相位匹配方向以及不同频率的激光在各个过程中的偏振状态。为简化说明过程，假设选取的非线性光学晶体为单轴晶体，二倍频过程为"(o) +" (o) —2co (e)，三倍频过程为co (e) +2co (0) —3co (e)，因而在从二倍频转化变为三倍频转化时，2 "激光的偏振状态需要从e光转为o光，所以设计出图2所示的方案。图2中，二倍频对应的相位匹配方向为(e" 0)，据此选择三倍频对应的相位匹配方向为(62， 90°)，以正六面体abcda' b' c'd'作为参照，平面abcd的法线方向与二倍频的相位匹配方向一致，平面ada'd'的法线方向为(0 " 90° )，平面aba' b'同时平行于方向(9 " 0)和(9u 90°)， 0为光轴。(e" 0)和光轴0、 (92， 90°)和光轴0分别处于两个不同的平面。由此确定(0)和光轴0之间的角平分线(e乂2， 0)，以该方向作为法线给出激光光束在器件中的第一反射平面abee';同样，以(e 2, 90°)和光轴0之间的角平分线(02/2， 90°)作为法线给出激光光束在器件中的第二反射平面hbji。器件的两个反射平面abee'和hbji上镀对激光光束全反射的介质膜。基频激光co中包含o光和e光两种偏振状态，沿着(^， 0)垂直入射到器件表面a' b' c' d'上，该表面上镀对基频激光增透的介质膜，此时激光光束中只有基频激光o);进入器件后激光光束传播方向不发生改变，沿着二倍频的相位匹配方向行进，这时基频激光"中的o光进行非线性转化"(o)+ co (o) —2o) (e);到达第一反射平面abee'时，激光光束包含基频激光"的e光偏振状态、未进行二倍频转换的o光偏振状态以及倍频激光2 co的e光偏振状态，通过该平面反射使激光光束的方向折到光轴0上，沿着光轴传播的光，无论其偏振状态如何，光学性能没有明显差异；经过光轴0方向上的过渡后，激光光束到达第二反射平面hbji，经过该平面的反射，激光光束的方向将转到三倍频的相位匹配方向上并且其中各个波长的偏振状态将发生变化，此时倍频激光2"将由e光偏振状态变为o光偏振状态，与基频激光"中的e光偏振状态满足三倍频条件co (e) +2" (o) —3co (e)，从而得到倍频激光3"输出。在器件上切割出以(62， 90°)为法线的平面作为器件的输出端面，使激光光束垂直通过该平面输出，该端面根据器件设计需要镀上满足要求的介质膜，如对倍频激光3 "增透、对基频激光co和倍频激光2 co全反射的介质膜。
基于上述过程进行工作的三倍频器件，可以应用于I类或者II类倍频的相位匹配，不管非线性光学晶体是正光性还是负光性，在设计过程中利用表面反射调整激光光束的前进方向以及偏振状态，使其满足倍频过程的要求。器件的激光入射端面、激光输出端面根据设计需要可以为平面、球面或者曲面，反射面为平面或者具有一定曲率的反射面代替，以满足倍频转化过程中对激光光束的指标要求，提高器件的倍频转化效率。
本发明的优选方案之一为以图2的设计为参考，基频激光频率、非线性光学晶体以及相位匹配方向保持不变。非线性光学晶体的二倍频和三倍频所对应的相位匹配方向是不同的，因此在空间几何中可以确定这两个方向所在的平面，也就是可以通过空间平移使二倍频和三倍频的相位匹配方向相交，因而给出图3的设计方案。同样以正六面体abcda' b' c' d'作为参照，平面abcd的法线方向与二倍频的相位匹配方向一致，平面ada' d'的法线方向为(0u 90°)，平面aba' b'同时平行于方向(9" 0)和(9" 90°)， 0为光轴。二倍
频对应的相位匹配方向(e" o)和三倍频对应的相位匹配方向(e2， 90°)相
交于点l，线kl是这两个方向夹角的角平分线，线ln是二倍频的相位匹配方向与光轴0之间的角平分线，线lm是三倍频的相位匹配方向与光轴0之间的角平分线。以线kl作为法线定出平面cghij作为该器件中的反射平面，在该面上镀对激光光束全反射的介质膜，以三倍频的相位匹配方向为法线作平面eff' e'，在该面上镀对三倍频激光增透的介质膜。基频激光w垂直通过面a' b' c' d'进入非线性光学晶体，沿着二倍频的相位匹配方向(e,， 0)行进得到倍频激光2": co (o) +0) (o) —2" (e);当激光光束到达反射平面cghij时，激光中包含偏振状态为o、 e的"激光和偏振状态为e的2co激光，通过该平面的反射，激光光束的方向折向三倍频的相位匹配方向，相应地激光的偏振状态发生改变，频率为2co的e光将向o光偏振态转化，这时co (e) +2 co (0) —3co (e)的条件得到满足，e偏振状态的基频激光"和o偏振状态的激光2 o)耦合产生三倍频激光3"，最后沿着三倍频相位匹配方向传播的三倍频激光通过平面eff' e'输出。根据基频激光的二倍频和三倍频过程的相位匹配方向(e， 4>)的变换以及对激光偏振状态的要求，按照该设计思路设计出合适的器件切形，使激光能够满足其倍频变化过程的需要，从而在单一器件上实现三倍频激光的输出。
本设计中的三倍频激光器件，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、利用反射面改变激光光束在器件中的传播方向和偏振状态，使基频激光满足二倍频及三倍频转化条件，激光光束先后通过二倍频和三倍频对应的相位匹配方向，基频激光与先转化得到的二倍频激光耦合实现三倍频激光的转化，从而2、 设计方案之一为基频激光先通过二倍频方向，然后经过第一反射面反射到光轴方向，再经过第二反射面反射到三倍频方向，以第二反射面调整基频激光转化得到的二倍频激光的偏振状态使其与基频激光满足三倍频转化条件，输出三倍频激光。
3、 设计方案之二为基频激光先通过二倍频方向，然后直接经过反射面反射到三倍频方向，以反射面调整基频激光转化得到的二倍频激光的偏振状态使其与基频激光满足三倍频转化条件，输出三倍频激光。
4、 非线性光学晶体每个端面或者界面上的介质膜根据在器件中实现三倍频激光输出的要求进行设计，以获得足够的倍频转化效率。
5、 基频激光由气体激光器、染料激光器或者固体激光器提供，激光器以脉冲运转、准连续运转或者连续运转中的任意一种状态工作。
6、 该三倍频激光器件中的激光入射端面、激光输出端面为平面、球面或者曲面，
所述的反射面为平面或具有一定曲率的曲面。
图l、三倍频激光器件示意图2、以光轴连接二倍频及三倍频相位匹配方向的三倍频激光器件工作示意图；图3、直接连接二倍频及三倍频相位匹配方向的三倍频激光器件工作示意图。
具体实施例方式
1 、 1064nm—354.6nm激光三倍频KDP器件
以KDP晶体作为激光倍频介质，按照图2所示加工成1064nm激光三倍频器件，使用调Q1064nmNd:YAG激光器作为基频激光，基频激光沿二倍频方向入射器件，先产生532nm倍频激光，通过反射平面激光光束转到三倍频方向，在该方向前进过程中1064nm激光和532nm激光产生非线性效应得到354.6nm激光。经过光栅单色仪检测，证明得到1064nm的三倍频激光354.6nm的输出。
2、 1338nm—446nm激光三倍频KDP器件。
以KDP晶体作为激光倍频介质，按照图2所示加工成1338nm激光三倍频器件，使用调Q1338nmNd:YAG激光器作为基频激光，基频激光沿二倍频方向入射器件，先产生669nm倍频激光，通过反射平面激光光束转到三倍频方向，在该方向前进过程中1338nm激光和669nm激光产生非线性效应得到446nm激光。经过光栅单色仪检测，证明得到1338nm的三倍频激光446nm的输出。
3、 1064證一354.6nm激光三倍频BBO器件
以BBO晶体作为激光倍频介质，按照图2所示加工成1064nm激光三倍频器件，使用调Q1064nmNd:YAG激光器作为基频激光，基频激光沿二倍频方向入射器件，先产生532nm倍频激光，通过反射平面激光光束转到三倍频方向，在该方向前进过程中1064nm激光和532nm激光产生非线性效应得到354.6nm激光。经过光栅单色仪检测，证明得到1064nm的三倍频激光354.6nm的输出。
4、 1064nm—354.6nm激光三倍频LN器件
以LN晶体作为激光倍频介质，按照图2所示加工成1064nm激光三倍频器件，使用调Q1064nmNd:YAG激光器作为基频激光，基频激光沿二倍频方向入射器件，先产生532nm倍频激光，通过反射平面激光光束转到三倍频方向，在该方向前进过程中1064nm激光和532nm激光产生非线性效应得到354.6nm激光。经过光栅单色仪检测，证明得到1064nm的三倍频激光354.6nm的输出。
5、 1338nm—446nm激光三倍频KTP器件
以KTP晶体作为激光倍频介质，按照图2所示加工成1338nm激光三倍频器件，使用调Q1338nmNd:YAG激光器作为基频激光，基频激光沿二倍频方向入射器件，先产生669nm倍频激光，通过反射平面激光光束转到三倍频方向，在该方向前进过程中1338nrn激光和669nm激光产生非线性效应得到446nm激光。经过光栅单色仪检测，证明得到1064nm的三倍频激光446nm的输出。
6、 1064nm—354.6nm激光三倍频KDP器件
以KDP晶体作为激光倍频介质，按照图3所示加工成1064nm激光三倍频器件，使用调Q1064nmNd:YAG激光器作为基频激光，基频激光沿二倍频方向入射器件，先产生532nm倍频激光，通过反射平面激光光束转到三倍频方向，在该方向前进过程中1064nm激光和532nm激光产生非线性效应得到354.6nm激光。经过光栅单色仪检测，证明得到1064nm的三倍频激光354.6nm的输出。
7、 1338nm—446nm激光三倍频KTP器件
以KTP晶体作为激光倍频介质，按照图3所示加工成1338nm激光三倍频器件，使用调Q1338nmNd:YAG激光器作为基频激光，基频激光沿二倍频方向入射器件，先产生339nm倍频激光，通过反射平面激光光束转到三倍频方向，在该方向前进过程中1338nm激光和669nm激光产生非线性效应得到446nm激光。经过光栅单色仪检测，证明得到1064nm的三倍频激光446nm的输出。
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权利要求
1. 一种三倍频激光器件，是由一块非线性光学晶体加工成的单一器件，其特征在于利用反射面改变激光光束在器件中的传播方向和偏振状态，使基频激光满足二倍频及三倍频转化条件，激光光束先后通过二倍频和三倍频对应的相位匹配方向，基频激光与先转化得到的二倍频激光耦合实现三倍频激光的转化，从而在单一器件中输出三倍频激光。
2. 如权利要求1所述的三倍频激光器件，其特征在于所述的基频激光先通过 二倍频方向，然后经过第一反射面反射到光轴方向，再经过第二反射面反射 到三倍频方向，以第二反射面调整基频激光转化得到的二倍频激光的偏振状 态使其与基频激光满足三倍频转化条件，输出三倍频激光。
3. 如权利要求1所述的三倍频激光器件，其特征在于所述的基频激光先通过 二倍频方向，然后直接经过反射面反射到三倍频方向，以反射面调整基频激 光转化得到的二倍频激光的偏振状态使其与基频激光满足三倍频转化条件， 输出三倍频激光。
4. 如权利要求1或2或3所述的三倍频激光器件，其特征在于所述的非线性 光学晶体每个端面或者界面上的介质膜根据在器件中实现三倍频激光输出 的要求进行设计，以获得足够的倍频转化效率。
5. 如权利要求1或2或3所述的三倍频激光器件，其特征在于所述的基频激 光由气体激光器、染料激光器或者固体激光器提供，激光器以脉冲运转、准 连续运转或者连续运转中的任意一种状态工作。
6. 如权利要求1或2或3所述的三倍频激光器件，其特征在于该三倍频激光 器件中的激光入射端面、激光输出端面为平面、球面或者曲面，所述的反射 面为平面或具有一定曲率的曲面。
全文摘要
一种激光三倍频器件，涉及非线性光学领域。本发明的目的在于直接在单一器件上实现从基频激光到三倍频激光的转化。本设计中在一块非线性光学晶体上加工出单一三倍频器件，入射的基频激光先沿着二倍频的相位匹配方向行进转化为二倍频激光，随后通过反射面将传播方向折到三倍频对应的相位匹配方向，在反射过程中，二倍频激光的偏振状态将发生改变，从而满足三倍频过程对其偏振状态的要求，二倍频激光与基频激光耦合产生三倍频激光。
文档编号G02F1/35GK101498878SQ20081007058
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