一種氟硼鈹酸鉀族晶體斜入射雷射倍頻器的製造方法

2023-09-17 13:23:35 1

一種氟硼鈹酸鉀族晶體斜入射雷射倍頻器的製造方法
【專利摘要】一種氟硼鈹酸鉀族晶體斜入射雷射倍頻器，其由具有相互平行的前、後拋光表面的片狀氟硼鈹酸鉀族晶體；分別鍍於前、後拋光表面上的前增透膜和後增透膜；內開有方形卡槽且沿中心軸線方向設有貫穿晶體的通光孔的柱狀晶體架和外加熱套組成；晶體置於方形卡槽中，且晶體前、後表面和方形卡槽大面一致，卡槽大面法線和晶體架中心軸線成θ角；基頻雷射直接經前增透膜斜入射至晶體，在晶體中產生的倍頻光經後增透膜射出，可避免現有技術中基頻雷射通過耦合稜鏡射入晶體而引起的光膠界面損耗甚至界面損壞；加熱套將晶體架和晶體加熱到恆定溫度，可提高晶體的熱穩定性，提高倍頻雷射輸出功率穩定性；且結構簡單、成本低，適用於中高功率雷射系統。
【專利說明】一種氟硼鈹酸鉀族晶體斜入射雷射倍頻器

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種雷射倍頻器，特別涉及一種氟硼鈹酸鉀（簡稱KBBF)族晶體斜入 射雷射倍頻器。

【背景技術】
[0002] 通過非線性光學晶體的變頻技術（包括倍頻、和頻、差頻等）產生新波段雷射，已 經得到廣泛應用，這裡的關鍵之一是非線性光學晶體及其變頻器設計。非線性光學晶體在 進行光學頻率變換時要滿足動量守恆也就是滿足相位匹配條件。匹配的方式主要有：角度 相位匹配、溫度相位匹配和準相位匹配。例如對於常用的倍頻過程，角度匹配是將特定偏振 方向的雷射沿非線性光學晶體的某一特定方向（相位匹配方向）通過，即可產生倍頻雷射； 溫度相位匹配是通過控制晶體的溫度改變折射率滿足匹配條件，但通常晶體折射率橢球隨 著溫度的改變非常有限，所以溫度匹配其實可以看做是角度匹配的一個有限修正；準相位 匹配在介電超晶格中實現，通過人工調製超晶格倒格失，用於彌補晶體折射率色散引起的 相位失配，這種方法實用性較差，應用較少。所以通常來說，倍頻器需要沿著相位匹配方向 切割加工成所需形狀，並將兩個通光面精密拋光，乃至鍍覆各種所需光學膜層。這種倍頻器 雷射一般是在入射表面上正入射或接近正入射進入非線性光學晶體。
[0003] -些非線性光學晶體由於其本徵的結構特性，呈現強烈的層狀習性，形態為片狀 晶體而沿某個面極易解理，因此難以沿相位匹配方向進行加工。例如氟硼鈹酸鉀族晶體 (本文指兩種：氟硼鈹酸鉀KBe 2B03F2，簡稱KBBF ;氟硼鈹酸銣RbBe2B03F2，簡稱RBBF)由於層 狀生長習性，沿結晶學c面極易解理，沿c方向（即晶體光軸方向）難以長厚，晶體呈現薄 片狀，兩個裸露的自然面為結晶學c面，也叫（001)面，或a-b面。利用KBBF族晶體進行激 光倍頻時很難按著該晶體的相位匹配方向進行切割。為解決上述困難，一種非線性光學晶 體光接觸稜鏡耦合技術（PCT)及其器件被發明（ZL01115313.X ;US6,859,305B2;日本專利 4074124)，成功解決了 KBBF族晶體相位匹配的難題，使得不易切割的KBBF族晶體與一定形 狀的稜鏡結合，用於雷射倍頻實現深紫外雷射（即波長短於200納米）輸出。該技術也屬 於角度相位匹配。
[0004] 上述稜鏡耦合器件中，KBBF族晶體和稜鏡（一般為石英玻璃或氟化鈣晶體）通過 普通光膠耦合，由於是非同種材料光膠，結合力不強，而且界面兩邊材料的熱膨脹係數不一 樣，在受熱時會產生不一致的膨脹，導致兩個光學元件分離或界面損壞。特別是當KBBF族 稜鏡耦合器件工作在中、高功率雷射系統時，雷射功率大，持續時間長，光膠界面處吸收大， 溫度過高，常常最先在界面處造成損壞，輕者影響雷射光束質量，重者導致兩個界面脫離， 整個器件作廢。儘管也發展了所謂的深度光膠技術（US8, 773, 750)，相比普通光膠提高了稜 鏡耦合器件的雷射損傷閾值，但是相對於KBBF晶體本身的抗光損傷閾值來說，還是太低。 例如，KBBF晶體本身的抗光損傷閾值非常高，對於1064納米，脈衝寬度為80皮秒，重複頻率 ΙΚΗζ的雷射脈衝而言，其損傷閾值高達900GW/cm2 ;在基頻光波長為390納米，脈寬200飛 秒，重複頻率ΙΚΗζ的雷射輻照下，其損傷閾值也高達60GW/cm2。KBBF晶體比在相同條件下 BBO晶體的抗雷射損傷閾值大了將近一個數量級，在目前已知的非線性光學晶體中，KBBF 具有最高的抗光損傷閾值。但是KBBF稜鏡耦合器件對於1064納米，脈衝寬度0. 9納秒，重 復頻率6KHz雷射的損傷閾值只有300MW/cm2。
[0005] 此外，稜鏡耦合器件還有一個缺點，由於光膠了石英玻璃或氟化鈣晶體稜鏡，器件 體積大，而且氟化鈣和石英玻璃的導熱性能差，在實用過程中不便於對KBBF晶體進行溫度 控制等熱管理技術，從而不利於維持雷射倍頻輸出功率的穩定性。
[0006] 目前，利用KBBF族晶體實現1064納米的四倍頻266納米輸出也是通過稜鏡耦合 技術實現的，其最大的障礙就是稜鏡器件光膠面率先損壞。稜鏡耦合技術對於使用KBBF族 晶體倍頻實現深紫外雷射輸出是唯一的技術路線，但是當需要倍頻輸出266納米雷射時， 稜鏡耦合技術並非是唯一途徑。


【發明內容】

[0007] 本發明目的在於提供一種非線性光學晶體雷射倍頻器，該雷射倍頻器無需對非線 性光學晶體按相位匹配角度進行切割加工，因而可以使得不易切割的非線性光學晶體能夠 實現相位匹配，實現雷射倍頻。
[0008] 非線性光學晶體雷射倍頻器的原理是：片狀非線性光學晶體固定於柱狀晶體架的 方形卡槽中。根據光的折射定律（Snell's Law)，光從一種介質傳播到另一種介質時會發生 折射，其入射角和折射角滿足折射定律。根據此原理，對於某個波長雷射的倍頻，假設相配 匹配角是Θ ΡΜ，我們只需使得卡槽大面的法線方向和晶體架中心軸線成某一特定角度Θ， 並使得sin Θ /sin θ PM = η，η為晶體折射率，由於片狀非線性光學晶體插入卡槽中且前後表 面法線方向和卡槽大面法線方向一致，此時雷射沿晶體架軸線方向通光孔射入晶體後將自 動沿著相位匹配方向傳播，實現倍頻；同樣根據光的折射定律，倍頻光從晶體另一個面出射 後將繼續沿著晶體架軸線方向傳播；當然，Θ的最大值只能取到90°，所以Θ ΡΜ限制在〇° 到某一角度範圍，因而只能實現一定波長範圍的倍頻；根據計算，對於KBBF晶體，本發明的 雷射倍頻器可以實現最短238納米（476納米一238納米）倍頻光輸出；對RBBF可以實現 最短254納米（508納米一 254納米）倍頻光輸出；根據非線性光學晶體種類以及所要實現 倍頻波長不同，Θ有不同的值。例如，對於532納米一266納米的倍頻過程，使用KBBF晶 體時，Θ = 62. 16。，而使用RBBF晶體時，Θ = 73. 02°。
[0009] 為此本發明的技術方案如下：
[0010] 本發明提供的氟硼鈹酸鉀族晶體斜入射雷射倍頻器，其由具有相互平行的前拋光 表面和後拋光表面的片狀KBBF族晶體、分別鍍於所述片狀KBBF族晶體前拋光表面和後拋 光表面上的前增透膜及後增透膜、柱狀晶體架以及套裝於所述柱狀晶體架外表面上的外加 熱套組成；其特徵在於，所述柱狀晶體架沿中心軸線方向設有貫穿所述柱狀晶體架的通光 孔；柱狀晶體架內開有方形卡槽，所述方形卡槽與通光孔相通，方形卡槽大面的法線與柱狀 晶體架中心軸線成Θ角；
[0011] 所述片狀KBBF族晶體置於所述柱狀晶體架的方形卡槽內，所述片狀KBBF族晶體 的前、後表面的法線方向與所述方形卡槽大面法線方向一致；
[0012] 基頻雷射沿著柱狀晶體架中心軸線方向射入至所述KBBF族晶體前表面的前增透 膜，在所述KBBF族晶體內部實現相位匹配後，並沿柱狀晶體架的中心軸線方向由所述KBBF 族晶體後表面的後增透膜出射倍頻光；
[0013] 所述KBBF族晶體為氟硼鈹酸鉀晶體或氟硼鈹酸銣晶體；對於氟硼鈹酸鉀晶體，所 述Θ角為62. 16° ;對於氟硼鈹酸銣晶體，所述Θ角為73.02° ;
[0014] 所述前增透膜對532納米雷射高透；所述後增透膜同時對532納米雷射和266納 米雷射高透。
[0015] 所述KBBF族晶體前拋光表面和後拋光表面均為KBBF族晶體的結晶學C面；表面 粗糙度Ra小於0. 5納米，面型精度小於1/8光圈。
[0016] 所述柱狀晶體架形狀為圓柱體,方柱體或多稜柱體。
[0017] 所述柱狀晶體架由水平方向將所述方形卡槽等分的上下兩部分構成；或由垂向將 所述方形卡槽等分的左右兩部分構成。
[0018] 所述的柱狀晶體架的材料為紫銅或鋁。
[0019] 所述的外加熱套上纏繞加熱絲，加熱絲與控溫儀表相連以精確控溫。
[0020] 本發明的氟硼鈹酸鉀族晶體斜入射雷射倍頻器，其優點是：
[0021] 1、無需對KBBF族晶體按相位匹配角度切割加工，而只需將兩個自然的結晶學c面 拋光即可；為了減少雷射在晶體兩個表面的菲涅爾反射，可以在晶體兩個拋光的前後表面 上鍍覆增透膜。
[0022] 2、無需通過稜鏡耦合技術即可實現倍頻，工藝簡單，並且由於沒有稜鏡和晶體的 接觸界面，可以大幅度提高器件的抗光損傷閾值。
[0023] 3、晶體通過方形卡槽固定於晶體架中，外層加熱套可以方便控溫加熱，以維持晶 體的溫度恆定，從而使倍頻光輸出功率得以穩定。
[0024] 4、特別適合產生釹離子雷射的四倍頻266納米輸出。當今中高功率的266納米輸 出缺乏實用的倍頻晶體；KBBF晶體具有大的抗光損傷閾值大，寬的溫度帶寬，大的熱導率， 無潮解等等優點，採用本發明技術可以將KBBF晶體用於產生中高功率四倍頻266納米輸 出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1為本發明的雷射倍頻器的結構示意圖；
[0026] 圖2a和圖2b分別為整體結構的方柱體晶體架和圓柱體晶體架示意圖；
[0027] 圖3為兩個半圓柱組合而成晶體架示意圖；
[0028] 圖4為半圓柱體視圖；
[0029] 圖5為兩個近三稜柱組合而成方柱體晶體架示意圖；
[0030] 圖6a和圖6b分別為外加熱套的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0031] 實施實例1 :本發明的雷射倍頻器的一實施例：KBBF晶體外腔四倍頻：
[0032] 首先將一塊c方向厚度為3mm的片狀KBBF晶體1的前、後表面進行拋光，使前後 表面粗糙度Ra小於0. 5納米，面型精度小於1/8光圈；
[0033] 然後在KBBF晶體1的前表面上鍍一層前增透膜2,後表面上鍍一層後增透膜21 ; 增透膜對以入射角Θ =62. 16°入射的雷射和以同樣角度出射的雷射增透；KBBF晶體前表 面上的前增透膜對532納米雷射高透，透射率大於99. 9% ;KBBF晶體後表面上的後增透膜 同時對532納米雷射和266納米雷射高透，透射率大於99. 9% ;
[0034] 如圖2a，整體結構的方柱體晶體架3沿中心軸線方向設有貫穿的通光孔4;方柱體 晶體架3從頂部堅直向下開一個方形卡槽6和通光孔4相通，卡槽大面的法線方向和晶體 架中心軸線夾角Θ角為62. 16° ;晶體架材質為紫銅；
[0035] 將鍍好前、後增透膜的KBBF晶體放置在方柱體晶體架中的方形卡槽中，片狀KBBF 晶體前、後表面法線方向和方形卡槽大面的法線方向一致，然後在柱體晶體架3外表面上 套裝上外加熱套5 (圖6a)。維持KBBF晶體溫度恆定在120°C ;
[0036] 將重複頻率為10千赫茲、脈衝寬度為10納秒的功率為63瓦的線偏振532納米激 光經過一焦距為300毫米的聚焦透鏡後，沿柱體晶體架3的中心軸線方向的通光口 4射入 至KBBF晶體的前表面的前增透膜2,經KBBF晶體前表面折射後即可在KBBF晶體內部實現 相位匹配，產生266納米雷射從KBBF晶體後表面的後增透膜21沿柱體晶體架3的中心軸 線方向射出，從而得到11. 9瓦的266納米雷射的穩定輸出，轉換效率為18. 9%。
[0037] 實施例2 :本發明的雷射倍頻器的另一實施例：KBBF晶體外腔四倍頻：
[0038] 首先將一塊c方向厚度為3mm的片狀KBBF晶體1的前、後表面進行拋光，使其前 後表面粗糙度Ra小於0. 5納米，面型精度小於1/8光圈；
[0039] 然後在KBBF晶體前後表面上分別鍍上一層增透膜，增透膜對以Θ =62. 16°入 射的雷射和以同樣角度出射的雷射增透；KBBF晶體前表面的前增透膜2對532納米雷射高 透，透射率大於99. 9% ;KBBF晶體後表面的後增透膜21同時對532納米雷射和266納米激 光高透，透射率大於99.9% ;
[0040] 如圖3,圓柱體晶體架3為由兩個相同的半圓柱體軸線截面對接構成的圓柱體晶 體架；如圖4,每個半圓柱體的軸線截面上沿軸線開有貫通槽，使得兩個半圓柱體軸線截面 對接而成的圓柱體晶體架3沿中心軸線方向具有貫穿晶體的通光孔4 ;每個半圓柱體的軸 線截面上還開有與其垂直的方形卡槽和通光孔相通，方形卡槽大面的法線和晶體架軸線夾 角Θ = 62. 16° ;所述兩個半圓柱體對接的軸線截面上分別設有兩個凸起和與凸起對應的 兩個凹槽；兩個凸起插入與凸起對應的兩個凹槽中以構成圓柱體晶體架3 ;
[0041] 所述圓柱體晶體架3材質為鋁；
[0042] 將鍍好增透膜的片狀KBBF晶體放置在半圓柱體的方形卡槽6中，片狀KBBF晶體 前後表面的法線方向和方形卡槽大面的法線方向一致，合上另一個半圓柱體，半圓柱體上 的兩個凸起分別嵌合於另一個半圓柱體的兩個凹槽中，以使兩個半圓柱體固定對接成一個 同心結構的圓柱體晶體架，然後晶體架外表面裝上外加熱套5 (圖6b)。實驗過程中將KBBF 晶體溫度恆定在l〇〇°C ;
[0043] 將重複頻率為10千赫茲，脈衝寬度為10納秒的功率為65瓦的線偏振532納米激 光經過一焦距為250毫米的聚焦透鏡後，沿柱體晶體架3的中心軸線方向射入通光口 4至 KBBF晶體前表面的前增透膜2,經KBBF晶體前表面折射後即可在KBBF晶體內部實現相位 匹配，產生266納米雷射從KBBF晶體後表面的後增透膜沿柱體晶體架3的中心軸線方向射 出，從而得到12. 6瓦266納米雷射的穩定輸出，轉換效率為19. 4%。
[0044] 實施例3 :本發明雷射倍頻器的又一實施例，RBBF外腔四倍頻：
[0045] 首先將一塊c方向厚度為2. 2mm的片狀RBBF晶體的前後表面進行拋光，使其前後 表面粗糙度Ra小於0. 5納米，面型精度小於1/8光圈；
[0046] 然後在RBBF晶體前後表面分別鍍上一層增透膜，增透膜對以Θ = 73.02°入射 的雷射和對以同樣角度出射的雷射增透；RBBF晶體前表面的前增透膜2對532納米雷射高 透，透射率大於99. 9% ;RBBF晶體後表面的後增透膜21同時對532納米雷射和266納米激 光高透，透射率大於99.9% ;
[0047] 如圖2b，整體結構的圓柱體晶體架3沿中心軸線方向設有貫穿晶體的通光孔4 ;晶 體架從頂部堅直向下開一個方形卡槽6和通光孔相通，方形卡槽大面的法線方向和晶體架 中心軸線夾角Θ角為73.02° ;晶體架材質為紫銅；
[0048] 將鍍好增透膜的片狀RBBF晶體放置在晶體架中的方形卡槽中，片狀晶體前後表 面法線方向和方形卡槽大面的法線方向一致，然後晶體架外表面裝上外加熱套5(圖6b)。 實驗過程中維持RBBF晶體恆溫於80°C ;
[0049] 將重複頻率為10千赫茲，脈衝寬度為10納秒的功率40瓦的線偏振532納米激 光經過一焦距為300毫米的聚焦透鏡後，沿晶體架軸線方向射入倍頻器通光口，經RBBF前 表面折射後即可在RBBF晶體內部實現相位匹配，產生的266納米雷射從RBBF晶體後表 面沿晶體架軸線方向射出，從而得到功率6. 1瓦的266納米雷射的穩定輸出，轉換效率為 15. 3%。
[0050] 實施例4 :本發明的雷射倍頻器的第四個實施例，RBBF晶體外腔四倍頻：
[0051] 首先將一塊C方向厚度為2. 2mm的片狀RBBF晶體進行拋光，使其前後表面粗糙度 Ra小於0. 5納米，面型精度小於1/8光圈；
[0052] 然後在RBBF晶體前後表面分別鍍上一層增透膜，增透膜對以Θ = 73.02°入射 的雷射和對以同樣角度出射的雷射增透；RBBF晶體前表面的前增透膜2對532納米雷射高 透，透射率大於99. 9 % ;RBBF晶體後表面的後增透膜同時對532納米雷射和266納米雷射 高透，透射率大於99.9% ;
[0053] 如圖5,晶體架為兩個近三稜柱沿相同軸線方向共矩形表面（即近三稜柱的一個 柱面）構成的方柱體，每個近三稜柱均沿著軸線方向開有貫穿通孔，使得兩個近三稜柱體 共矩形表面對接而成的方柱體晶體架沿中心軸線方向具有貫穿的通光孔4 ;每個近三稜柱 體的共矩形表面的法線方向與軸線方向夾角Θ = 73. 02;每個近三稜柱體的共矩形表面上 還開有與矩形表面平行的方形卡槽和通光孔相通，故方形卡槽大面的法線和晶體架軸線夾 角也為Θ ;所述兩個近三稜柱體上按圖5開有四個帶螺旋的小孔，用於兩個近三稜柱體的 對接固定；晶體架材質為紫銅。
[0054] 將鍍好增透膜的片狀RBBF晶體放置在一個近三稜柱體的方形卡槽中，片狀晶體 前後表面法線方向和方形卡槽大面法線方向一致，合上另外一個近三稜柱體，用四個螺釘 擰入四個小孔固定，使得兩近三稜柱體沿相同軸線方向共矩形表面對接後形成一個方柱體 晶體架，然後晶體架外表面裝上外加熱套5 (圖6a)，外加熱套5內纏繞加熱絲，加熱絲與控 溫儀表7相連，實驗過程中將RBBF晶體溫度精確恆定在65°C ;
[0055] 將重複頻率為10千赫茲，脈衝寬度為10納秒的功率41瓦的線偏振532納米激 光經過一焦距為300毫米的聚焦透鏡後，沿晶體架軸線方向射入倍頻器通光口，經RBBF前 表面折射後即可在RBBF晶體內部實現相位匹配，產生的266納米雷射從RBBF晶體後表 面沿晶體架軸線方向射出，從而得到功率6. 4瓦的266納米雷射的穩定輸出，轉換效率為
【權利要求】
1. 一種氟硼鈹酸鉀族晶體斜入射雷射倍頻器，其由具有相互平行的前拋光表面和後拋 光表面的片狀KBBF族晶體、分別鍍於所述片狀KBBF族晶體前拋光表面和後拋光表面上的 前增透膜及後增透膜、柱狀晶體架以及套裝於所述柱狀晶體架外表面上的外加熱套組成； 其特徵在於，所述柱狀晶體架沿中心軸線方向設有貫穿所述柱狀晶體架的通光孔；柱狀晶 體架內開有方形卡槽，所述方形卡槽與通光孔相通，方形卡槽大面的法線與柱狀晶體架中 心軸線成Θ角； 所述片狀KBBF族晶體置於所述柱狀晶體架的方形卡槽內，所述片狀KBBF族晶體的前、 後表面的法線方向與所述方形卡槽大面法線方向一致； 基頻雷射沿著柱狀晶體架中心軸線方向射入至所述KBBF族晶體前表面的前增透膜， 在所述KBBF族晶體內部實現相位匹配後，並沿柱狀晶體架的中心軸線方向由所述KBBF族 晶體後表面的後增透膜出射倍頻光； 所述KBBF族晶體為氟硼鈹酸鉀晶體或氟硼鈹酸銣晶體；對於氟硼鈹酸鉀晶體，所述Θ 角為62. 16° ;對於氟硼鈹酸銣晶體，所述Θ角為73.02° ; 所述前增透膜對532納米雷射高透；所述後增透膜同時對532納米雷射和266納米激 光高透。
2. 按權利要求1所述的氟硼鈹酸鉀族晶體斜入射雷射倍頻器，其特徵在於，所述KBBF 族晶體前拋光表面和後拋光表面均為KBBF族晶體的結晶學c面；表面粗糙度Ra小於0. 5 納米，面型精度小於1/8光圈。
3. 按權利要求1所述的氟硼鈹酸鉀族晶體斜入射雷射倍頻器，其特徵在於，所述柱狀 晶體架形狀為圓柱體，方柱體或多稜柱體。
4. 按權利要求1或3所述的氟硼鈹酸鉀族晶體斜入射雷射倍頻器，其特徵在於，所述柱 狀晶體架由水平方向將所述方形卡槽等分的上下兩部分構成；或由垂向將所述方形卡槽等 分的左右兩部分構成。
5. 按權利要求1或3所述的氟硼鈹酸鉀族晶體斜入射雷射倍頻器，其特徵在於，所述的 柱狀晶體架的材料為紫銅或鋁。
6. 按權利要求4所述的氟硼鈹酸鉀族晶體斜入射雷射倍頻器，其特徵在於，所述的柱 狀晶體架的材料為紫銅或鋁。
7. 按權利要求1所述的氟硼鈹酸鉀族晶體斜入射雷射倍頻器，其特徵在於，所述的外 加熱套上纏繞加熱絲，加熱絲與控溫儀表相連以精確控溫。
【文檔編號】H01S3/109GK104092092SQ201410367510
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】陳創天, 徐波, 王曉洋, 範飛鏑, 劉麗娟, 李如康 申請人:中國科學院理化技術研究所