二次谐波产生的晶体的制作方法

二次谐波产生的晶体
1.优先权
2.本技术要求于2020年2月26日提交的美国专利申请序列no.16/801,857的优先权，其公开内容全部并入本文。
技术领域
3.本发明一般涉及用于产生二次谐波辐射的光学器件。本发明特别涉及用于通过可见波长辐射的谐波转换产生紫外波长辐射、并将紫外辐射与残余可见辐射分离的光学非线性晶体。


背景技术：

4.在用于提供紫外波长辐射的激光装置中，通常通过光学非线性晶体中的可见波长辐射的谐波转换来产生紫外(uv)辐射。通常，可见光辐射是由固态激光器(例如光泵半导体(ops)激光器)中产生的近红外(nir)波长辐射的二次谐波转换产生的。
5.举例来说，在用于产生连续波uv辐射的一种常见布置中，通过固态激光器内的nir辐射的腔内二次谐波转换来产生可见辐射。可见辐射被耦合到用于可见辐射的阻抗匹配的谐振增强腔中。谐振腔内的光学非线性晶体然后通过i型二次谐波转换将可见辐射转换为uv辐射。使用ops固态激光器，可以产生波长为266纳米(nm)或更小的uv辐射。i型二次谐波转换的困难在于产生的uv辐射和残余可见辐射之间没有固有的空间分离。
6.通常，uv辐射由具有薄膜介电涂层的分色镜引导出谐振腔。该分色镜可以用作谐振镜之一，反射可见辐射并透射uv辐射。或者，分色镜可以是单独的腔内元件，透射可见辐射并将uv辐射反射出谐振腔。
7.上述激光装置的特定限制是由uv辐射引起的对薄膜介电涂层的损坏。对于较短波长的uv辐射，这种限制变得更成问题。虽然腔内元件可以平移，将受损区域移出辐射并暴露原始区域，但这种平移增加激光装置的显著复杂性和成本。此外，即使是尚未损坏的涂层，由于层厚度的制造差异或涂层材料的吸收，通常也会有损失。这种损耗降低了使用腔内谐波产生的谐振腔的效率，并最终降低了这些谐振腔的使用寿命。
8.美国专利no.10,474,004中描述了一种克服这些限制的装置，该专利分配给本发明的受让人，其完整公开通过引用并入本文。未涂覆的双折射棱镜接收由光学非线性晶体产生的可见辐射和uv辐射。可见辐射和uv辐射具有正交线性偏振。双折射晶体具有内表面，该内表面对于可见辐射以布鲁斯特角取向，并且对于uv辐射以全内反射取向。双折射晶体是具有必须以相对高的精度定向的光学表面的附加元件。可见光辐射和紫外辐射都必须穿过双折射晶体的两个表面，具有一些不可避免的反射损耗。
9.需要一种产生uv辐射并将uv辐射与可见辐射分离的激光装置，其不将任何涂层暴露于uv辐射。优选地，生成和分离将在向激光装置添加最小光学器件元件、光学器件表面、复杂性和成本的同时完成。
10.发明概述
11.在一个方面，根据本发明的用于将具有基波波长的辐射转换为具有二次谐波波长的辐射的光学器件包括第一晶体，由具有主晶体轴的光学非线性材料制成。所述第一晶体的主晶体轴取向为通过二次谐波产生将基波辐射转换为二次谐波辐射。提供第二晶体，由与是第一晶体相同的光学非线性材料制成。所述第一和第二晶体沿第一平面界面结合在一起。所述第一平面界面相对于所述基波辐射倾斜。所述第一和第二晶体的主晶体轴具有相互角分离并且具有围绕所述第一平面界面的反射对称性。因此所述第一和第二晶体的热膨胀系数沿所述第一平面界面匹配。
12.在另一方面，根据本发明的用于以二次谐波波长产生激光辐射束的激光装置包括：以二次谐波波长两倍的基波波长递送激光辐射束的激光器。提供接收基波激光束的阻抗匹配的谐振增强腔。所述谐振增强腔由多个腔镜限定，所述腔镜在基波波长处具有高反射性，并布置成沿所述谐振增强腔内的封闭路径引导基波激光束。提供光学器件，位于所述谐振增强腔的闭合光束路径内。所述光学器件包括由相同光学非线性材料制成的第一晶体和第二晶体。所述光学非线性材料具有主晶体轴。所述第一晶体的主晶体轴取向为通过二次谐波产生将所述基波波长处的激光辐射转换为二次谐波波长处的激光辐射。所述第一和第二晶体沿着相对于所述基波激光束倾斜的平面界面结合在一起。所述第一和第二晶体的主晶体轴相互分离角度至少2
°
。所述第一和第二晶体的主晶体轴围绕所述平面界面具有反射对称性。因此所述第一和第二晶体的热膨胀系数沿所述平面界面匹配。
13.在又一方面，根据本发明的用于将具有第一基波波长的辐射和具有第二基波波长的辐射转换为具有总频率波长的辐射的光学器件包括第一晶体，由具有主晶体轴的光学非线性材料制成。所述第一晶体的主晶体轴取向为通过总频率产生将所述第一基波辐射和所述第二基波辐射转换为总频率辐射。提供第二晶体，由与是第一晶体相同的光学非线性材料制成。所述第一和第二晶体沿平面界面结合在一起。所述平面界面相对于所述第一和第二基波辐射倾斜。所述第一和第二晶体的主晶体轴具有相互角分离并且具有围绕所述平面界面的反射对称性。因此所述第一和第二晶体的热膨胀系数沿所述平面界面匹配。
14.附图简述
15.包含在说明书中并构成说明书一部分的附图示意性地示出了本发明的优选实施例，并且与上面给出的一般描述和下面给出的优选实施方式的详细描述一起用于解释本发明的原理。
16.图1a是透视图，图1b是平面图，并且图1c是示意性地示出根据本发明的光学器件的一个优选实施例的侧视图，该光学器件用于将基波辐射束转换成二次谐波辐射束并分离两个光束，包括沿平面界面结合到第二晶体的第一晶体，分离的光束通过未涂覆的输出表面离开光学器件。
17.图2a是横截面平面图，并且图2b是示意性地示出图1a-1c的光学器件的进一步细节的横截面侧视图。
18.图3是示出图1a-1c的光学器件的进一步细节的放大横截面侧视图。
19.图4a是横截面平面图，并且图4b是示意性地示出根据本发明的光学器件的另一优选实施例的横截面侧视图，类似于图1a-1c的光学器件，但包括沿另一平面界面结合到第一晶体的第三晶体。
20.图5是示意性地示出根据本发明制造图4a和4b的光学器件的方法的侧视图。
21.图6a是图1a-1c的光学器件的一个示例，其具有主晶体轴和以选定角度倾斜的平面界面，以最大化输出表面上的基波辐射束和二次谐波辐射束之间的分离。
22.图6b是图1a-1c的光学器件的一个示例，其具有主晶体轴和以选定角度倾斜的平面界面，以最大化输出表面上的基波辐射束和二次谐波辐射束的重叠。
23.图7a是透视图，图7b是平面图，并且图7c是示意性地示出根据本发明的光学器件的又一优选实施例的侧视图，类似于图1a-1c的光学器件，但是基波辐射束通过一个未涂覆的输出表面离开光学器件，而二次谐波辐射束通过另一个未涂覆的输出表面离开。
24.图8示意性地示出了根据本发明的激光系统的一个实施例，包括激光器、谐振增强腔和图1a-1c的光学器件。
25.发明详述
26.现在参考附图，其中相同的部件由相同的数字表示，图1a-1c示意性地示出了根据本发明的光学器件10的优选实施例。图1a是光学器件10的透视图，图1b是平面图，并且图1c是侧视图。光学器件10外边缘在图中用粗线强调。光学器件10包括由相同的透明光学非线性材料制成的第一晶体12和第二晶体14。第一晶体12和第二晶体14沿着平面内部界面16结合在一起。
27.第一晶体12被取向和布置为通过i型二次谐波产生将具有基波波长的基波辐射束18转换为具有二次谐波波长的二次谐波辐射束20。基波束18的两个光子被转换成二次谐波束20的每个光子。为了能量守恒，基波波长是二次谐波波长的两倍。在i型二次谐波产生中，基波辐射具有普通线性极化，而二次谐波辐射具有超普通线性极化。
28.这里，“取向”是指相对于偏振平面和基波束18的传播方向取向主晶体轴，以实现动量守恒或“相位匹配”。相位匹配利用光学非线性材料的双折射，并且对于有效的二次谐波产生是必要的。第二晶体14的主晶体轴相对于基波束18具有不同的取向。因此，晶体14没有相位匹配，并且不会产生显著的二次谐波辐射。
29.这里，基波束18通过未涂覆的输入表面22进入光学器件10，以基波辐射的内部布鲁斯特角βf取向，从而最小化反射损耗。另一种布置将具有垂直入射到基波束18的输入表面22和在输入表面22上的抗反射涂层，以最小化反射损耗。基波束18在传播通过第一晶体12时被部分转换为二次谐波束20。二次谐波束和残余基波辐射束24在图1b的平面中以垂直入射角入射到内部界面16上，并且在图1c的平面中以非垂直入射角γ入射到内部界面16上。光学非线性材料对于正交偏振光束具有不同的折射率。普通偏振基波束在每个晶体中具有相同的折射率，而超普通偏振二次谐波束具有不同的折射率，这导致二次谐波光束在内部界面16处被折射离开残余基波束。
30.残余基波束24和二次谐波束20都通过未涂覆的输出表面26离开光学器件10，相对于残余基波束以内部布鲁斯特角βf取向，从而最小化基波波长处的反射损耗。输入表面22和输出表面26平行，使得整个光学器件10不会引起基本辐射的角位移；也就是说，基波束18和残余基波束24在光学器件10外部以相同的方向传播。正交偏振的二次谐波和残余基波束的不同折射率导致这些光束被输出表面26以不同的角度折射，并在二次谐波波长处产生附加的内部反射束28，如图1b所示。折射的残余基波束24和二次谐波束20发散并随着它们传播离开光学器件10的输出表面26而在空间上分离。
31.图2a和2b是示意性地示出光学器件10的进一步细节的横截面图。图2a是平面图，
并且图2b是侧视图。为了说明清楚，这些图中省略了内部梁。图2a表示基波束18的外部布鲁斯特角αf和从输出表面26射出的二次谐波束20的外部角α
sh
。这些光束以角度δα在图2a的平面中和以角度δ在图2b的平面中偏离。
32.主晶体轴x、y和z在第一晶体12和第二晶体14中取向，如图2a和2b所示。主晶体轴相对于内部界面16对称取向。具体而言，主晶体轴围绕内部界面16具有反射对称性。这种对称布置的一个特别优点是第一晶体和第二晶体的热膨胀系数在内部界面的所有方向上匹配。
33.当将晶体结合在一起时，匹配热膨胀系数很重要。晶体可以使用商用聚合物粘合剂结合。例如，一种光固化光学粘合剂可从新泽西州克兰伯里的诺兰产品股份有限公司获得。这些粘合剂在相对较宽的波长范围内名义上是透明的，可以在室温下固化，并且当通过加热对粘合剂施加应力时，粘合剂本身提供一定的顺应性。然而，这种粘合剂层仍然是弱吸收的，并且被高功率紫外线辐射降解。如果晶体具有不同的热膨胀系数，则光辐射或其他方式的充分加热将导致结合失效。
34.当结合暴露于紫外线辐射时，特别是在高功率应用中，优选光学接触结合。接触结合在晶体之间形成直接的化学结合，消除了中间粘合剂层，因此非常可靠和耐用。通过在相对较高的温度下将非常平坦的抛光表面压在一起实现接触结合。例如当结合β-硼酸钡(bbo)时温度超过800℃。因此，即使热膨胀系数的微小差异也会在冷却过程中造成显著的应力，导致晶体分离或开裂。bbo沿正交晶体轴的热膨胀系数之间的差异为9倍。本发明的光学器件具有由相同材料制成的晶体，这些晶体的取向与内部界面16处的热膨胀系数相匹配，可以在高温下接触结合，而不会由于热应力而出现这种故障。
35.光学器件10的另一个优点是，基波束18在内部界面16处的反射最小，因为当具有普通偏振的光束传播通过时，折射率没有变化。当光学器件10被结合到激光谐振器或谐振增强腔中时，最小化基波束的功率损耗特别重要。循环基波束的损耗显著降低了这种谐振器的效率，并且二次谐波产生的非线性增强了这种损耗的影响。
36.图3是在图2b的横截面侧视图中描绘的内部接口16的放大视图。第一晶体12和第二晶体14的主晶体轴在图中以内部界面为中心，以强调它们围绕内部界面的对称性。第一晶体12的z轴以角度φ相对于内部界面，并且第二晶体14的z轴以角度φ
′
相对于内部界面以相反的方向倾斜。这些倾斜角度φ和φ
′
相同以匹配热膨胀系数。第一晶体的z轴以角度θ相对于基波束18倾斜，被选择以实现相位匹配。第二晶体的z轴以不同角度θ
′
相对于基波束18倾斜。二次谐波束20在附图平面中以近轴近似的内部角度从残余基波束24折射。这里，nf是两个晶体中基波束的折射率，n
sh
(θ)是第一晶体中二次谐波束的折射率，并且n
sh
(θ
′
)是第二晶体中二次谐波束的折射率。
37.图4a和4b示意性地示出了根据本发明的光学器件30的另一优选实施例。图4a是光学器件30的横截面平面图，并且图4b是光学器件30的横截面侧视图。光学器件30类似于光学器件10，但具有附加第三晶体32，是由与第一晶体12和第二晶体14相同光学非线性透明材料制成。第一晶体12与第三晶体32沿着优选平行于内部界面16的平面内部界面34结合在一起。第三晶体的主晶体轴优选具有与第二晶体的响应主晶体轴相同的取向。未涂覆的输入表面36位于光学器件30的第三晶体上，并以基波束18的内部布鲁斯特角βf取向。输入表
面36和输出表面26优选平行。
38.光学器件30相对于光学器件10的优点在于，基波束18在第一晶体12中传播通过恒定的路径长度l，而与基波束入射在输入表面36上的位置无关。该恒定的路径距离使得光学器件30能够平移，而不改变二次谐波产生的整体效率。平行的输入表面36和输出表面26使得光学器件30能够平移而不移动任何外部光束。这种平移可以用于延长光学器件30的使用寿命，因为已经被uv辐射降级或以其他方式损坏的区域或体积可以相对于光束移动。光学器件30可以二维平移，如图中的双头箭头t所示，使得入射位置的二维阵列在输入表面上可用。入射位置的最大数量将取决于基波束相对于光学器件尺寸的直径。
39.图5是示意性地示出根据本发明的方法40的侧视图，该方法40用于有效和精确地制造光学器件30。第一预成型件42和第二预成型件44沿着平面界面46结合在一起。第一预成型件42和第三预成型体48沿着平行的平面界面50结合在一起。第一预成型件42的主晶体轴相对于平行平面界面取向以提供用于二次谐波产生的相位匹配。第二预成型件44和第三预成型件48具有相对于第一预成型件42的主晶体轴对称取向的主晶体轴，并且取向为匹配沿着每个平行平面界面的所有方向上的热膨胀系数。将选择长度l以优化二次谐波产生效率。角γ是名义上自由的参数，可以根据下面描述的考虑来选择。
40.通过沿着切割线52切割结合的预成型件，可以由图5的结合的预成型件制造多个光学器件30(示出了两个)。第一、第二和第三预成型件内的材料分别成为每个光学器件30的第一、第二和第三晶体。平面界面46变成内部界面16，并且平面界面50变成内部界面34。然后将切割的光学器件的输入和输出表面抛光到所需的光学质量。方法40使在制造光学器件30中去除的废料的总体积最小化，并使制造一批光学器件所需的离散操作的数量最小化。类似的方法可用于通过切割两个取向和结合的预成型件来制造多个光学器件10。
41.制备预成型件的一种精确方法是从一块较大的光学非线性材料上切割预成型件。第一预成型件将沿着预期的平面界面46以角度γ切割。切割表面被抛光，并且切下的部分成为第二预成型件。第二预成型件旋转180度，并且通过将第一预成型件接触结合第二预成型件而形成平面界面46。类似地，从第一预成型件沿预期的平面界面50切割第三预成型件，切割表面被抛光，将第三预成型件旋转180度，然后将第三预成型件接触结合第一预成型件以形成平面界面50。
42.图6a是示出具有角度γ的光学器件10的示例的横截面侧视图，被选择为最大化残余基波束24和输出表面26上的二次谐波束20之间的分离。对于一些光学非线性材料，已知当表面同时暴露于基波辐射和uv辐射时，损伤阈值较低和/或退化率较高；其分别低于和高于当表面单独暴露于每个辐射时。因此，当使用这些光学非线性材料时，特别是在高功率应用中，需要分离这些光束。另一个优点是，基波辐射不会传播通过输出表面上已被uv辐射降解的区域，这延长了腔内应用中光学器件的使用寿命。
43.图6a描绘了具有由bbo制成的用于在约200℃的温度下操作的光学器件10的具体示例。基波波长为426nm并且二次谐波波长为213nm。残余基波束24和二次谐波束20由其边界射线描绘。基波束18和残余基波束24的直径约为330微米(μm)，靠近内部接口16。角度γ选择为29.25
°
。角θ为73.3
°
和角度θ
′
为48.2
°
，以实现晶体12中的相位匹配和主晶体轴的对称性。该示例利用了由于双折射导致的第一晶体12内的二次谐波束与基波束的空间走离。二次谐波束一侧的边界射线与基波束以大约2.9
°
的角度发散。在内部界面16处折射之后，
二次谐波束以大约6.4
°
的角度从残余基波束发散。内部接口16和输出表面26之间的距离d约3毫米(mm)足以分离输出表面上的光束。
44.图6b是示出光学器件10的另一个示例的横截面侧视图，但这里角度γ被选择为最大化残余基波束24和输出表面26上的二次谐波束20的重叠。同样，在所示的具体示例中，光学器件10由bbo制成。基波波长为426nm，并且二次谐波波长为213nm。基波束18和残余基波束24的直径约为330nm，靠近内部界面16。角度γ选择为12.5
°
。角度θ为106.7
°
，这相当于相对于基波束18的73.3
°
的角度，以实现相位匹配，但z轴相对于基波束传播在相反方向上倾斜。角度θ
′
为48.3
°
，以实现主晶体轴的对称性。改变第一晶体12中的z轴倾斜方向导致二次谐波束在其相对侧的空间走离。二次谐波束20的该相反侧上的边界射线以大约2.9
°
的角度从基波束18发散。在内部界面16处折射之后，二次谐波束以大约6.4
°
的角度向残余基波束会聚。
45.图6a和6b一起展示了如何可以选择名义上的自由角γ以操纵残余基波束和二次谐波束的相互分离。然而，在从内部界面反射残余基波束和在输出表面上分离光束之间存在折衷。否则，角度γ可以具有0
°
和最大角度之间的任何值，该最大角度对应于赋予光束的最大可接受色散，同时保持主晶体轴之间的对称性(倾角φ＝倾角φ
′
)。优选地，结合晶体的主晶体轴以至少2
°
的角度2φ相互分离，以最小化第二晶体中的二次谐波转换。更优选地，主晶体轴以至少5
°
的角度相互分离，并且最优选地以至少12
°
的角度彼此分离。对于bbo，这是两个晶体的z轴(结晶c轴)的相互角度分离，而x轴(结晶a轴之一)对于两个晶体是共同的。
46.本发明的光学器件可以由适合于二次谐波产生的其他光学非线性材料制成，包括三硼酸锂(lbo)和硼酸铯锂(clbo)。第一晶体12中的角度θ分别从相位匹配和能量守恒的要求导出，其可以表示为：
47.kf+kf＝k
sh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0048][0049]
其中，k是波矢量幅值，以及λ是基波束和二次谐波束的波长。参考图3，偏振基波束在波长λf处的折射率和正交偏振的二次谐波束在波长λ
sh
处的折射率分别为：
[0050]
nf＝n
x
(λf)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0051][0052]
等式(1)和(2)一起要求nf＝n
sh
(θ)，因此第一晶体12中的相位匹配角θ可以由等式(3)和(4)确定：
[0053][0054]
参考图2a，通过在输出表面26处应用斯奈尔定律，发散角δα和二次谐波束的折射率可以针对选定的角度θ
′
计算：
[0055]
δα＝α
sh-αf＝sin-1
(n
sh
(θ
′
).sin(βf))-αfꢀꢀꢀ
(6)
[0056]
[0057]
参考图2b，通过在内部界面16处应用斯内尔定律，发散角δ可以针对选定角度θ
′
和相应的角度γ进行计算：
[0058][0059]
δ＝γ(n
sh
(θ
′
)-n
sh
(θ)) .
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0060]
或者，角度θ
′
和相应的角度γ可以确定实现期望的发散角δα在残余基波束和远离本发明光学器件传播的二次谐波束之间。为简洁起见，此处仅提供角度γ的结果，而等式11只是等式8的重排：
[0061][0062]
θ
′
＝180
°‑
θ-2γ.
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0063]
返回到上面的示例，其中基波波长为426nm，并且二次谐波波长为213nm。在bbo中，在200℃的温度下，折射率计算为：n
x
(426)＝ny(426)＝1.686，nz(426)＝1.561n
x
(213)＝ny(213)＝1.850，以及nz(213)＝1.671。在426nm处，内部布鲁斯特角βf＝30.67
°
并且外部布鲁斯特角αf＝59.32
°
。角θ为73.3
°
以在第一晶体中实现相位匹配。对于上述特定示例，具有角度γ选择为29.25
°
和角度θ
′
为48.2
°
，以实现主晶体轴对称，倾角φ＝φ
′
＝12.55
°
，并且发散角δα＝2.3
°
。第一晶体中的二次谐波束的折射率n
sh
(θ)＝1.684，并且在第二晶体中n
sh
(θ
′
)＝1.725。
[0064]
图7a-7c示意性地示出了根据本发明的光学器件80的又一优选实施例。图7a是光学器件80的透视图，图7b是平面图，并且图7c是侧视图。光学器件80类似于图1a-1c的光学器件10，但具有第一输出表面82和第二输出表面84。第一输出表面82以基波辐射的内部布鲁斯特角βf取向，以最小化从第二晶体14射出的残余基波束24的反射损耗。第二输出表面84以第二谐波辐射的内部布鲁斯特角β
sh
取向，以最小化从第二晶体14射出的第二谐波束20的反射损耗。第一表面82上残余基波束的示例性入射位置86和第二表面84上二次谐波束的相应示例性入射位置88在图7a中示出。
[0065]
第二输出表面84基本上消除了图1b所示的内部反射束28，并且在第一晶体12中产生的所有二次谐波辐射都从第二表面84射出。光学器件80的另一个优点是，二次谐波束在从第二面84射出后与剩余基波束高度发散。光学器件30可以类似地制造具有第二输出表面。当平移光学器件时，输入表面上可用的入射位置将沿着对角线设置。
[0066]
图8示意性地示出了根据本发明的用于产生二次谐波激光辐射束20的激光系统90的优选实施例。激光系统90包括激光器92，该激光器92将基波激光辐射束18递送到阻抗匹配的谐振增强腔94，在这里由四个腔镜96、98、100和102限定。四个腔镜在基波波长处具有高反射性，并被布置成在谐振增强腔94内沿着闭合路径引导基波激光束。基波激光束18通过腔镜96耦合到谐振增强腔中。腔镜98安装在压电(pzt)换能器104上，用于调节闭合光束路径的光学长度。pzt换能器104需要未示出的电驱动器。通过连续调整谐振增强腔的光学长度来实现阻抗匹配。
[0067]
激光系统90还包括光学器件10，位于谐振增强腔94的闭合光束路径中，以部分地将基波激光束18转换为二次谐波激光束20。腔镜102被定位和布置成反射基波激光光束，并
允许发散的二次谐波光束传播出谐振增强腔。在空间上分离激光束的本发明光学器件消除对附加腔内分色镜的需要，以将二次谐波激光束引导出谐振增强腔。光学器件10、光学器件30或光学器件80中的任何一个都可以结合到激光系统90中。
[0068]
上文所述的本发明光学器件对于i型二次谐波产生特别有用。然而，本领域技术人员将认识到，可以为其他光学非线性过程制造等效光学器件，例如ii型二次谐波产生和总频率产生。在ii型二次谐波产生中，具有基波波长和正交线偏振的两个光子被转换成具有二次谐波波长和普通线偏振的每个光子。在总频率产生中，具有不同基波波长的两个光子被转换成具有总频率波长的每个光子。即具有第一基波波长λ
f1
的辐射和具有第二基波波长λ
f2
的辐射被转换成具有总频率波长λ
sf
的辐射。这里，“基波波长”是指比总频率波长更长的波长。这些波长具有近似关系：
[0069][0070]
总频率产生也可以是具有共同基本极化的i型过程或具有不同基本极化的ii型过程。应注意，二次谐波产生是总频率产生的特殊情况，仅具有一个基波波长，并且通常仅具有一个基波束。
[0071]
总之，公开了一种光学器件，其部分地将基波束转换为二次谐波束，并在空间上将二次谐波束与残余基波束分离。本发明的光学器件包括两个或三个沿平面界面结合的由相同光学非线性材料制成的晶体。晶体的主轴具有围绕每个平面界面的反射对称性，以使晶体能够接触结合用于高功率应用。本发明光学器件的输出表面相对于基波束处于布鲁斯特角，以最小化反射损耗，并且输出表面未涂覆以最小化光学损伤。通过选择主晶体轴和平面界面相对于基波束的倾斜角来确定二次谐波束和残余基波束之间的角度分离。重要的是，这些光束可以在输出表面上空间分离，以进一步最小化光学损伤并延长光学器件的使用寿命。
[0072]
以上根据优选实施例和其它实施例描述了本发明。然而，本发明不限于在此描述和描绘的实施例。相反，本发明仅受所附权利要求的限制。