[发明专利]基于非线性光学晶体孪晶结构的激光倍频器件及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于非线性光学晶体孪晶结构的激光倍频器件及其设计方法，是一种采用角度匹配技术，利用孪晶结构消除或部分消除离散效应对倍频过程的影响，提高倍频效率的设计方法，属晶体材料制备技术领域。

背景技术

激光倍频器件是在实际中应用最广的非线性光学器件，在拓宽激光光谱、促进短波段激光技术发展中发挥着举足轻重的作用。与此同时，激光技术在各领域中的广泛应用，诸如海量光存储、海底通信、海洋探测、激光生物医学、遥感、彩色显示及印刷技术的飞速发展，对激光倍频技术和材料提出了更高的要求。

目前商业化的激光器几乎全部采用角度匹配技术来实现相位匹配，以获得稳定的倍频输出。非线性光学晶体中固有的双折射是实现激光倍频的必要条件，但是由于双折射使得倍频光和基频光在空间上离散开来，离散效应限制了两束光在空间的交叠，大大降低了倍频效率。如对KDP晶体，它的离散角为1°左右，当基波光束孔径为50μm时，在晶体中经过5mm后，晶体中的倍频光和基频光在空间完全离散开来，转换效率不会超过60％。

有研究表明在一定入射角范围内，孪晶界面对非常光波(e光)的折、反射有不同于常规光学材料的特性——等效负折射和全透射；而对寻常光(o光)，该界面不存在，即寻常光通光孪晶界面时，其传播特性不发生任何改变，寻常光在孪晶中的传播和在单晶中的传播没有任何差别。利用孪晶界面对非常光的等效负折射和全透射现象，精心设计非线性光学晶体的孪晶结构，可以大大增加倍频光和基频光在空间的交叠范围，从而消除离散效应对倍频过程的影响，显著提高倍频效率。

发明内容

本发明的目的是针对由于倍频中存在的离散效应，降低了倍频效率，特提出新的设计方法，以克服离散效应对倍频过程的影响，从而提高倍频效率。

本发明是一种基于非线性光学晶体孪晶结构的激光倍频器件及其设计方法，主要是采用孪晶结构，利用非常光在孪晶界面的负折射和全透射现象消除离散效应对倍频的影响，从而提高倍频效率，其特征是：根据单轴晶体的相位匹配方向，定向切割两块完全相同的晶体；采用光胶的方法将两块晶体耦合成一孪晶，组成孪晶的两块单晶的光轴呈左右对称。

两块单晶的交界面称为孪晶界面。光在孪晶界面上的传播特点是：对寻常光(o光)，界面两侧晶体的折射率完全相同，因而孪晶界面不改变寻常光的传播特性，寻常光在孪晶中的传播和在单晶中的传播没有任何差别。而对非常光，在一定入射角范围内，孪晶界面对非常光波的折、反射有不同于常规光学材料的特性——等效负折射和全透射。发生负折射和全透射的角度取决于晶体的对o光和e光的折射率以及左右晶体光轴的方向，对于常用的倍频晶体，该角度范围在4°-15°，满足倍频器件对激光发散角和相位匹配宽度的要求。例如对基波波长为1.064μm的激光，使用BBO晶体组成的孪晶作为倍频器件，利用角度匹配技术，以I类相位匹配方式实现相位匹配，二次谐波在孪晶界面上发生负折射和全透射的角度为10°；若以II类相位匹配方式实现相位匹配，基波中的非常光在孪晶界面上发生负折射和全透射的角度为12°。

基于非线性光学晶体孪晶结构的激光倍频器件的设计方法如下：

1.根据非线性光学晶体的光学性质以及基波的波长计算晶体的I类和(或)II类相位匹配角。