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

摘要

本发明涉及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，包括基频光源、缩束系统、第一反射镜、非线性光学晶体、四分之一波片、第二反射镜及滤波片，非线性光学晶体X轴和Z轴的角平分线，与基频光的偏振方向的夹角为0-5°，四分之一波片的光轴方向与基频光的偏振方向的夹角为0-5°；第一反射镜与光路的中心轴的夹角为35-55°；非线性光学晶体为Gd

说明书

技术领域

本发明涉及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， 属于激光和非线性光学技术领域。

背景技术

现代技术中，激光器扮演着越来越重要的角色。其中，全固态紫外激光器在激光微加工(钻 孔、切割和腐蚀)、激光化学、光学雕刻、快速成型、激光印刷和光谱学等领域都有着非常重 要的应用。由于实用固体激光器的波长大都位于红外光谱区，为了获得紫外光，需要用非线 性光学晶体对红外激光进行频率变换，这种方法具有效率高、光束质量好、体积小、稳定性 高和寿命长等优点。目前，最常用的技术路线是对掺钕钇铝石榴石或钕玻璃激光 (1064nm/1053nm)进行三倍频，从而获得355nm/351nm的紫外输出，这个过程包含两步：首 先用一块非线性光学晶体进行红外基频光的倍频，所产生的倍频绿光(532nm/526nm)与剩余 基频光再在另一块非线性光学晶体中和频，最终实现355nm/351nm紫外光输出。如图1(a) 所示，两块晶体分别用作倍频和三倍频晶体。目前，常用的倍频晶体是KH₂PO4(KDP)、 KTiOPO₄(KTP)和LiB₃O₅(LBO)，三倍频晶体是KDP、LBO和β-BaB₂O₄(BBO)。即使倍频和三倍 频使用的是同一种晶体，由于相位匹配方向不同，所以空间切角不同，因此，不可避免地要 用到两块晶体，从而使原料和加工成本大为提高。

为实现一块非线性晶体直接输出三倍频光，必须解决两个关键问题。(1)找到合适的 Gd_xY_1-xCOB晶体，即确定出组分参数x。(2)满足相位匹配方式对偏振态的要求。从原理上来 看，即使找到合适的晶体组分使倍频、三倍频相位匹配方向都调整到Gd_xY_1-xCOB晶体的Y轴上， 如果不对倍频光的偏振态进行调整，也无法输出三倍频光。原因是II类非临界相位匹配所产 生倍频光的偏振方向沿晶体的X轴(快轴方向)，而I类非临界相位匹配三倍频要求倍频光偏 振方向沿晶体的Z轴(慢轴方向)。

Gd_xY_1-xCa₄O(BO₃)₃(Gd_xY_1-xCOB)系列硼酸盐晶体是一种折射率可以连续变化的置换型固溶 体，进而可以实现非临界相位匹配波长的连续可调。此类晶体具有有效非线性光学系数适中、 透光波段宽、抗激光损伤阈值高、相位匹配范围大、不潮解和物化性质稳定等优点，是一类 性能优良的非线性光学晶体，具有广阔应用前景。研究表明：沿Gd_xY_1-xCOB系列晶体Y轴，即 (90°，90°)相位匹配方向，通过组分调节可以实现波长为1064nm/1053nm的非临界相位 匹配II类倍频和I类三倍频，并且与实现非临界相位匹配倍频和三倍频的晶体组分非常接近。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供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。

本发明还提供了上述紫外激光变频器的工作方法。

本发明用一块晶体先实现非临界倍频再实现非临界三倍频，获得355nm/351nm紫外光输 出，成本低、体积小、加工便利，便于大规模推广。

术语解释

1、相位匹配：非线性光学频率变换过程中，入射光波在它经过的地方产生谐频极化波， 这些谐频极化波在晶体中传播并且相互干涉，其结果就是测量到的谐波总强度。这个强度与 各位置所产生的谐波相位差有关，如果相位差为零，即相位一致，则谐波得到有效加强；如 果相位差不一致，则谐波将相互抵消；甚至完全观察不到谐波输出。显然，只有当入射光波 的传播速度与谐波的传播速度相等时，晶体中各位置产生的谐波才因相位一致而相互加强， 这种情况称为相位匹配。原理上说非线性光学晶体中三波互作用的相位匹配有两种类型：频 率为ω₁的光波与频率为ω₂的光波具有相同的线偏振，则相位匹配为I类；反之，光波ω₁与光波ω₂具有正交的线偏振，则相位匹配为II类。

2、非临界相位匹配(NCPM)：对双轴晶而言是指沿折射率主轴方向的相位匹配，其他情 况下的相位匹配称为临界相位匹配(CPM)。与CPM相比，NCPM有容限角大，走离角为零以及 晶体利用率高的优势，因此也称为最优相位匹配。

3、倍频(SHG)：光学倍频又称光学二次谐波，是指由于光与非线性介质(一般是晶体) 相互作用，使频率为ω的基频光转变为2ω的倍频光的现象。

4、三倍频(THG)：三倍频又称光学三次谐波，是指频率为ω的基频光与频率为2ω的 倍频光在晶体中相互作用，变为频率为3ω的光的现象。

5、波片：能使互相垂直的两光振动间产生附加光程差(或相位差)的光学器件。通常由 具有精确厚度的石英、方解石或云母等双折射晶片做成，其光轴与晶片表面平行。

6、四分之一波片：一定厚度的双折射单晶薄片。当法向入射的光透过时，寻常光(o光) 和非常光(e光)之间的位相差等于π/2或其奇数倍，这样的晶片称为四分之一波片或1/4 波片。当偏振光的入射振动面与波片光轴的夹角θ为45°时，通过四分之一波片的线偏振光 变为圆偏振光，反之，当圆偏振光经过四分之一波片后，则变为线偏振光。当光两次通过四 分之一波片时，作用相当于一个二分之一波片。

7、半波片：一定厚度的双折射晶体薄片。当法向入射的光透过时,寻常光(o光)和非常 光(e光)之间的位相差等于π或其奇数倍,这样的晶片称为二分之一波片或1/2波片,简称半 波片。线偏振光通过二分之一波片后，仍为线偏振光，但是，其出射偏振光的振动面与入射 偏振光的振动面转过2θ。若θ＝45°，则出射光的振动面与原入射光的振动面垂直，即当θ ＝45°时二分之一波片可以使偏振态旋转90°。

本发明的技术方案为：

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，包括基频光源、缩束系 统、第一反射镜、非线性光学晶体、四分之一波片、第二反射镜及滤波片，所述缩束系统、 第一反射镜、非线性光学晶体、四分之一波片、第二反射镜从左到右依次沿光路安放，所述 滤波片设置在所述第一反射镜的正下方；所述非线性光学晶体X轴和Z轴的角平分线，与基 频光源产生的基频光的偏振方向的夹角为0-5°，所述四分之一波片的光轴方向与基频光源 产生的基频光的偏振方向的夹角为0-5°；所述第一反射镜与光路的中心轴的夹角为35-55 °；所述非线性光学晶体为Gd_xY_1-xCOB晶体，当基频光源发出的基频光波长为1064nm时，x 的取值范围为0.18-0.22,当基频光源发出的基频光波长为1053nm时，x的取值范围为 0.11-0.15。

所述基频光源产生基频光，基频光通过缩束系统，以提高入射基频光的功率密度，入射 基频光透过第一反射镜，进入非线性光学晶体，在非线性光学晶体中发生II类倍频作用，产 生的倍频光和剩余基频光经过四分之一波片，入射到第二反射镜，发生全反射后按原光路返 回，第二次经过四分之一波片，再次进入非线性晶体，通过四分之一波片的偏振旋转作用， 倍频光与剩余基频光的Z轴分量相互作用，发生I类三倍频，产生的三倍频紫外光被第一反 射镜反射，再经滤波片滤掉剩余基频光和倍频光，输出纯净的紫外激光。这样，通过四分之 一波片的引入调节了倍频光的偏振方向，而基频光的偏振方向不变，实现紫外激光输出。

Gd_xY_1-xCOB晶体具有一致熔融特性，可用提拉法进行大尺寸生长，并且具有高的光学质量。 按照化学计量比配料后，进行混料烧料，然后将烧结的多晶料放入铱金坩埚，采用高温单晶 提拉炉进行生长，长成Gd_xY_1-xCOB单晶。晶体按照光学主轴进行定向，并沿Y轴方向切割，抛 光，镀膜。因此类晶体用Y向籽晶生长，所以晶体利用率高。

根据本发明优选的，所述非线性光学晶体X轴和Z轴的角平分线平行于基频光源产生的 基频光的偏振方向，所述四分之一波片的光轴方向平行于基频光源产生的基频光的偏振方向。

根据本发明优选的，所述第一反射镜与光路的中心轴的夹角为45°。

根据本发明优选的，当基频光源发出的基频光波长为1064nm时，x＝0.2；当基频光源发 出的基频光波长为1053nm时，x＝0.13。

根据本发明优选的，所述紫外激光变频器还包括控温系统和电动旋转平台，所述控温系 统包括控温盒，所述非线性光学晶体设置在所述控温盒内，所述电动旋转平台设置在所述控 温盒下方。

此处设计的优势在于，控温系统和电动旋转平台的设置，以期找到最佳温度和最优相位 匹配方向，获得更大紫外光输出。

根据本发明优选的，所述控温系统的控温精度为±0.1℃，所述控温盒两通光端面设置 有对紫外-红外宽光谱高透的石英玻璃；所述电动旋转平台的转动精度为0.00125°。石英玻 璃防止热扩散，起到保温作用。

根据本发明优选的，所述缩束系统包括焦距不同的第一平凸透镜及第二平凸透镜；

所述基频光源为Nd：YAG锁模激光器；

所述第一反射镜镀有对1064nm和532nm激光高透、对355nm紫外光高反的介质膜；

所述第二反射镜镀有对1064nm和532nm激光全反的介质膜；

所述非线性光学晶体为Y切Gd_0.2Y_0.8COB，所述非线性光学晶体按照折射率主轴X、Y、Z 轴定向，尺寸为10mm×10mm×5mm，两个Y向通光面抛光并镀有1064nm、532nm、355nm三倍 频增透膜；Y切Gd_0.2Y_0.8COB是指：通光方向为Y轴，沿垂直晶体Y轴平面切割抛光；

所述四分之一波片为532nm云母四分之一波片；

所述滤波片由石英制成，镀有对1064nm和532nm激光高反、对355nm激光高透的介质膜。

根据本发明优选的，所述基频光源与所述缩束系统之间设置有法拉第旋光器；

所述缩束系统包括焦距不同的第一平凸透镜及第二平凸透镜；

所述基频光源为钕玻璃锁模激光器；

所述第一反射镜镀有对1053nm和526nm激光高透、对351nm紫外光高反的介质膜；

所述第二反射镜镀有对1053nm和526nm激光全反的介质膜；

所述非线性光学晶体为Y切Gd_0.13Y_0.87COB，所述非线性光学晶体按照折射率主轴X、Y、Z 轴定向，尺寸为12nm×16mm×29mm，两个Y向通光面抛光并镀有1053nm基频、526nm倍频、 351nm三倍频增透膜；Y切Gd_0.13Y_0.87COB是指：通光方向为Y轴，沿垂直晶体Y轴平面切割抛 光；

所述四分之一波片为526nm云母四分之一波片；

所述滤波片由石英制成，镀有对1053nm和526nm激光高反、对351nm激光高透的介质膜。

上述紫外激光变频器的工作方法，具体步骤包括：

(1)所述基频光源产生基频光；保证其偏振方向与晶体X轴和Z轴的角平分线以及四分 之一波片的光轴方向平行。

(2)基频光通过所述缩束系统，透过所述第一反射镜，进入所述非线性光学晶体，在所 述非线性光学晶体中发生II类倍频作用，产生偏振方向位于X轴的倍频光和剩余基频光经过 所述四分之一波片，因基频光偏振方向与波片光轴平行，所以基频光偏振方向不变，而倍频 光由于其偏振方向与波片光轴夹角为45°，由线偏振光变为圆偏振光，入射到第二反射镜， 发生全反射后按原光路返回；

(3)第二次经过四分之一波片，基频光偏振方向仍然不变，但倍频光两次经过四分之一 波片，此时四分之一波片起到半波片作用，倍频光偏振方向旋转90°于晶体Z轴，倍频光与 基频光再次进入非线性晶体，通过四分之一波片的偏振旋转作用，倍频光与剩余基频光的Z 轴分量相互作用，发生I类三倍频，产生的三倍频紫外光被第一反射镜反射，再经滤波片滤 掉剩余基频光和倍频光，输出纯净的紫外激光。

本发明的有益效果为：

本发明通过四分之一波片解决三倍频的偏振匹配问题，使得一块Gd_xY_1-xCOB可以同时作 为倍频和三倍频晶体。所用四分之一波片等光学元件都已经发展成熟，目前市场上很容易购 买，且价格远远低于非线性晶体，因此，制作成本远远低于目前使用两块非线性晶体的三倍 频器件，且加工和组装更加便利。同时，非临界相位匹配的特性也使该器件晶体原料利用率 高，较大的容限角降低了对基频光光束质量的要求，提高了输出稳定性，有利于大规模生产 和应用。

附图说明

图1(a)为现有的三倍频实现方式的示意图；

图1(a)中，先用一块非线性光学晶体进行红外基频光ω的倍频，所产生的倍频光2ω 与剩余基频光ω再在另一块非线性光学晶体中和频，最终实现紫外光3ω输出。

图1(b)为本发明三倍频实现方式的示意图；

图1(b)中，倍频发生后，通过四分之一波片，改变倍频光的偏振态，通过第二反射镜 的全反射后再次通过四分之一波片和晶体，使得所需偏振态的倍频光(2ω)与剩余基频光(ω) 分量在晶体中和频，并通过第一反射镜反射作用，最终实现紫外光(3ω)输出。

图2(a)为II类倍频发生时基频光和倍频光偏振示意图；

图2(a)中，基频光进入晶体后，发生正交分解，实现II类倍频，产生的倍频光偏振 方向位于晶体X轴。

图2(b)为I类三倍频发生时基频光、倍频光和三倍频紫外光偏振示意图。

图2(b)中，经过四分之一波片作用和第二反射镜反射，基频光和偏振方向旋转90°后 到Z轴的倍频光再次进入晶体中，倍频光与基频光Z轴分量作用，实现I类三倍频，产生的 三倍频紫外光偏振方向位于X轴。

图3为本发明实施例1所述的紫外激光变频器的结构示意图；

图4为本发明实施例2所述的紫外激光变频器的结构示意图；

图5为本发明实施例3所述的紫外激光变频器的结构示意图；

图6为本发明实施例3所述的紫外激光变频器的实测输出光谱图。

其中，1、基频光源；2、第一平凸透镜；3、第二平凸透镜；4、第一反射镜；5、非线性 光学晶体；6、四分之一波片；7、第二反射镜；8、滤波片；9、控温盒；10、电动旋转平台； 11、法拉第旋光器。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例1

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，包括基频光源1、缩束 系统、第一反射镜4、非线性光学晶体5、四分之一波片6、第二反射镜7及滤波片8，所述 缩束系统、第一反射镜4、非线性光学晶体5、四分之一波片6、第二反射镜7从左到右依次 沿光路安放，所述滤波片8设置在所述第一反射镜4的正下方；所述非线性光学晶体5X轴和 Z轴的角平分线平行于基频光源1产生的基频光的偏振方向，所述四分之一波片6的光轴方 向平行于基频光源1产生的基频光的偏振方向。所述第一反射镜4与光路的中心轴的夹角为 45°。

所述基频光源1产生基频光，基频光通过缩束系统，以提高入射基频光的功率密度，入 射基频光透过第一反射镜4，进入非线性光学晶体5，在非线性光学晶体5中发生II类倍频 作用，产生的倍频光和剩余基频光经过四分之一波片6，入射到第二反射镜7，发生全反射后 按原光路返回，第二次经过四分之一波片6，再次进入非线性晶体5，通过四分之一波片6的 偏振旋转作用，倍频光与剩余基频光的Z轴分量相互作用，发生I类三倍频，产生的三倍频 紫外光被第一反射镜4反射，再经滤波片8滤掉剩余基频光和倍频光，输出纯净的紫外激光。 这样，通过四分之一波片6的引入调节了倍频光的偏振方向，而基频光的偏振方向不变，实 现紫外激光输出。本发明三倍频实现方式的示意图如图1(b)所示。II类倍频发生时基频光 和倍频光偏振示意图如图2(a)所示；I类三倍频发生时基频光、倍频光和三倍频紫外光偏 振示意图如图2(b)所示；

Gd_xY_1-xCOB晶体具有一致熔融特性，可用提拉法进行大尺寸生长，并且具有高的光学质量。 按照化学计量比配料后，进行混料烧料，然后将烧结的多晶料放入铱金坩埚，采用高温单晶 提拉炉进行生长，长成Gd_xY_1-xCOB单晶。晶体按照光学主轴进行定向，并沿Y轴方向切割，抛 光，镀膜。因此类晶体用Y向籽晶生长，所以晶体利用率高。

所述缩束系统包括焦距不同的第一平凸透镜2及第二平凸透镜3；

所述基频光源1为Nd：YAG锁模激光器，Nd：YAG锁模激光器发出的基频光波长为1064nm， x＝0.2。

所述第一反射镜4镀有对1064nm和532nm激光高透、对355nm紫外光高反的介质膜；

所述第二反射镜7镀有对1064nm和532nm激光全反的介质膜；

所述非线性光学晶体5为Y切Gd_0.2Y_0.8COB，所述非线性光学晶体5按照折射率主轴X、Y、 Z轴定向，尺寸为10mm×10mm×5mm，两个Y向通光面抛光并镀有1064nm、532nm、355nm三 倍频增透膜；Y切Gd_0.2Y_0.8COB是指：通光方向为Y轴，沿垂直晶体Y轴平面切割抛光；

所述四分之一波片6为532nm云母四分之一波片；

所述滤波片8由石英制成，镀有对1064nm和532nm激光高反、对355nm激光高透的介质 膜。

本实施例所述紫外激光变频器的结构示意图如图3所示。

实施例2

根据实施例1所述的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，其 区别在于，所述紫外激光变频器还包括控温系统和电动旋转平台10，所述控温系统包括控温 盒9，所述非线性光学晶体5设置在所述控温盒9内，所述电动旋转平台10设置在所述控温 盒9下方。

此处设计的优势在于，控温系统和电动旋转平台10的设置，以期找到最佳温度和最优相 位匹配方向，获得更大紫外光输出。

所述控温系统的控温精度为±0.1℃，所述控温盒9两通光端面设置有对紫外-红外宽光 谱高透的石英玻璃；所述电动旋转平台10的转动精度为0.00125°。石英玻璃防止热扩散， 起到保温作用。

本实施例所述紫外激光变频器的结构示意图如图4所示。

实施例3

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，包括基频光源1、缩束 系统、第一反射镜4、非线性光学晶体5、四分之一波片6、第二反射镜7及滤波片8，所述 缩束系统、第一反射镜4、非线性光学晶体5、四分之一波片6、第二反射镜7从左到右依次 沿光路安放，所述滤波片8设置在所述第一反射镜4的正下方；所述非线性光学晶体5X轴和 Z轴的角平分线平行于基频光源1产生的基频光的偏振方向，所述四分之一波片6的光轴方 向平行于基频光源1产生的基频光的偏振方向。所述第一反射镜4与光路的中心轴的夹角为 45°。

所述基频光源1产生基频光，基频光通过缩束系统，以提高入射基频光的功率密度，入 射基频光透过第一反射镜4，进入非线性光学晶体5，在非线性光学晶体5中发生II类倍频 作用，产生的倍频光和剩余基频光经过四分之一波片6，入射到第二反射镜7，发生全反射后 按原光路返回，第二次经过四分之一波片6，再次进入非线性晶体5，通过四分之一波片6的 偏振旋转作用，倍频光与剩余基频光的Z轴分量相互作用，发生I类三倍频，产生的三倍频 紫外光被第一反射镜4反射，再经滤波片8滤掉剩余基频光和倍频光，输出纯净的紫外激光。 这样，通过四分之一波片6的引入调节了倍频光的偏振方向，而基频光的偏振方向不变，实 现紫外激光输出。

Gd_xY_1-xCOB晶体具有一致熔融特性，可用提拉法进行大尺寸生长，并且具有高的光学质量。 按照化学计量比配料后，进行混料烧料，然后将烧结的多晶料放入铱金坩埚，采用高温单晶 提拉炉进行生长，长成Gd_xY_1-xCOB单晶。晶体按照光学主轴进行定向，并沿Y轴方向切割，抛 光，镀膜。因此类晶体用Y向籽晶生长，所以晶体利用率高。

所述基频光源1与所述缩束系统之间设置有法拉第旋光器11；

所述缩束系统包括焦距不同的第一平凸透镜2及第二平凸透镜3；

所述基频光源1为钕玻璃锁模激光器，钕玻璃锁模激光器发出的基频光波长为1053nm；

所述第一反射镜4镀有对1053nm和526nm激光高透、对351nm紫外光高反的介质膜；

所述第二反射镜7镀有对1053nm和526nm激光全反的介质膜；

所述非线性光学晶体5为Y切Gd_0.13Y_0.87COB，所述非线性光学晶体5按照折射率主轴X、Y、 Z轴定向，尺寸为12nm×16mm×29mm，两个Y向通光面抛光并镀有1053nm基频、526nm倍频、 351nm三倍频增透膜；Y切Gd_0.13Y_0.87COB是指：通光方向为Y轴，沿垂直晶体Y轴平面切割抛 光；

所述四分之一波片6为526nm云母四分之一波片；

本实施例所述紫外激光变频器的结构示意图如图5所示。

本实施例所述的紫外激光变频器的实测输出光谱图如图6所示；图6中，当1053nm三倍 频实现时，由光谱仪测得所输出紫外光的光谱图，中心波长位于351纳米，证明三倍频得以 实现。

实施例4

实施例1-3任一所述紫外激光变频器的工作方法，具体步骤包括：

(1)所述基频光源1产生基频光；保证其偏振方向与晶体X轴和Z轴的角平分线以及四 分之一波片的光轴方向平行。

(2)基频光通过所述缩束系统，透过所述第一反射镜4，进入所述非线性光学晶体5， 在所述非线性光学晶体5中发生II类倍频作用，产生偏振方向位于X轴的倍频光和剩余基频 光经过所述四分之一波片6，因基频光偏振方向与波片光轴平行，所以基频光偏振方向不变， 而倍频光由于其偏振方向与波片光轴夹角为45°，由线偏振光变为圆偏振光，入射到第二反 射镜7，发生全反射后按原光路返回；

(3)第二次经过四分之一波片6，基频光偏振方向仍然不变，但倍频光两次经过四分之 一波片6，此时四分之一波片6起到半波片作用，倍频光偏振方向旋转90°于晶体Z轴，倍 频光与基频光再次进入非线性晶体5，通过四分之一波片6的偏振旋转作用，倍频光与剩余 基频光的Z轴分量相互作用，发生I类三倍频，产生的三倍频紫外光被第一反射镜4反射， 再经滤波片8滤掉剩余基频光和倍频光，输出纯净的紫外激光。