非共线高效率频率转换实现方法
【专利摘要】一种非线性光学【技术领域】的非共线高效率频率转换实现方法，通过将呈一定角度的基频光和倍频光先经过一个聚焦透镜进行预聚焦，然后再经过非线性光学晶体，从而使得产生的三倍频光自动聚焦。本发明采用基频光、倍频光预聚焦的方法，解决了现有技术方案中聚焦透镜易于被紫外波段的谐波损坏的问题，避免了更换聚焦透镜后重新调整光路的步骤，提高了工作效率。与共线情况下三倍频过程中晶体的角度带宽相比，本发明所具有的角度带宽更大。
【专利说明】非共线高效率频率转换实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种非线性光学【技术领域】的方法，具体是一种基于非共线双折射 相位匹配条件及相位匹配几何构型对角度带宽的影响，实现锥形光束非共线高效率三倍频 的方法。
【背景技术】
[0002] 三倍频，即产生三次谐波，其频率为基频光的三倍。利用非线性光学晶体进行三倍 频，是目前由固态红外激光产生紫外、真空紫外激光的有效途径。紫外及真空紫外激光在激 光光谱、激光微加工、光刻技术和激光光化学合成等领域都具有非常大的潜在应用。
[0003] 双折射位相匹配，是利用晶体的双折射效应来补偿基波和谐波的色散特性，也就 是通过选择适当的光波波矢方向和偏振方向，使基波与谐波满足相位匹配条件。考虑三波 相互作用是否在同一直线上，可分为共线相位匹配和非共线相位匹配两种构型。共线相位 匹配指的是基频光、倍频光和三倍频光的波矢均在同一直线上；非共线相位匹配指的是基 频光、倍频光和三倍频光的波矢满足矢量三角形的几何关系。
[0004] 光在单轴晶体内发生双折射现象，产生两束光分别为寻常光和非寻常光。根据入 射基频光偏振方向的不同，可分为两类相位匹配方式。I类相位匹配是指入射基频光均为 寻常光或均为非寻常光，偏振方向平行；II类相位匹配是指入射基频光既有寻常光，又有非 寻常光，偏振方向正交。
[0005] 当晶体的双折射位相匹配角为90°时，晶体具有较大的角度带宽，且倍频过程不 受走离效应的影响。这一特殊角度对某些晶体来说，可通过调节晶体的温度，使其匹配角达 到90°，即非临界相位匹配。这一过程所需要的温度变化比较大，对实验温控炉的温度可调 节范围要求较大，且要考虑晶体的熔点等问题。
[0006] 目前，由基频光和倍频光经非线性光学晶体产生的紫外波段的三倍频光，在大能 量情况下，对紫外波段的三倍频光进行聚焦时，容易使聚焦透镜损坏，需要更换，而更换后 的光路需重新调节。此外，基频光和倍频光共线产生三倍频光的情况下，非线性光学晶体的 角度带宽较小，即晶体对角度较为敏感。
【发明内容】
[0007] 本发明主要针对在大能量情况下，紫外波段的激光经过聚焦透镜进行聚焦时，容 易使聚焦透镜损坏的问题，提出一种非共线高效率频率转换实现方法。采用预聚焦方式，能 够克服紫外波段的三倍频光损坏聚焦透镜的问题，可以使三倍频光不经过聚焦透镜而自动 聚焦；克服了现有技术中更换透镜后需重新调整光路的步骤，从而提高了效率。与共线情况 下三倍频过程中晶体的角度带宽相比，本发明所具有的角度带宽更大。
[0008] 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过将呈一定角度的基频光和倍频光 先经过一个聚焦透镜进行预聚焦，然后再经过非线性光学晶体，从而使得产生的三倍频光 自动聚焦。
[0009] 所述的三倍频光具体通过负单轴晶体生成，匹配方式为I类匹配方式，即 o+o -e，I类有效倍频系数不为0,且在Θ =90°时达到最大。
[0010] 所述的负单轴晶体由以下方式获得：选取厚度为1cm的KDP(磷酸二氢钾） 或掺杂氘的DKDP(磷酸二氘钾）晶体，切割角度为Θ = 90°，p = 45°，Z向为晶体 光轴方向，两面通光，通光面为Υ0Ζ面，当基频光(化炉)、倍频光(名，勿、三倍频光的,供） 的波矢方向在同一主截面内，其I类有效倍频系数的表达式为<# =-〇nAsin2^， 在巧=90> = 45°时有效倍频系数最大，其Π 类有效倍频系数的表达式为 =名4 sin内cos 6?3 cos 2屮+ cos沒2 sin爲cos 2沪，在巧=9U。w = 45。时有效倍频系数为〇。
[0011] 所述的基频光与倍频光呈一定角度指的是基频光与倍频光在非线性光学晶体外 的夹角不为零。
[0012] 所述的基频光与倍频光在非线性光学晶体内的夹角由以下方式获得：基频光ki、 倍频光k 2和三倍频光k3满足矢量三角形的关系/Γ: = ζ，其中k = η ω/c，匹配方式为I 类匹配方式〇+〇 - e，三倍频光k3设置为90°，则矢量三角形的三条边长已经确定，分别为 <、2心和3/4。由三角线余弦定理，可计算得到晶体内矢量三角形三个角度，从而得到基 频光与倍频光在晶体内的夹角。
[0013] 所述的基频光与倍频光在非线性光学晶体外的夹角由以下方式获得：由折射定律 及前面已经计算得到的晶体内矢量三角形的三个角度，可计算得到对应晶体外的角度，从 而得到基频光与倍频光在晶体外的夹角。
[0014] 所述的较大角度带宽由以下方式获得：采用非线性相位匹配，三倍频光匕为 90°，则基频光匕和倍频光匕与三倍频光k 3满足一定的角度关系。使基频光和倍频光均 沿逆时针偏离匹配角Θ角度，或均沿顺时针偏离匹配角Θ角度，则三倍频光自动偏离原来 90°方向逆时针或顺时针Θ角度，即保持矢量三角形形状不变。由于〇光折射率与入射方 向Θ无关， e光与入射方向Θ有关，则基频光和倍频光k2的大小保持不变，三倍频光k3 相对原来90°方向时稍稍变大，即引入相位失配。由于这种情况下相位失配较小，类似共线 相位匹配中的非临界相位匹配情况，因而具有较大的角度带宽，即非共线相位匹配中三倍 频光在90°附近具有较大的角度带宽。偏离角度Θ与角度带宽的关系由以下公式决定：
【权利要求】
1. 一种非共线高效率频率转换实现方法，其特征在于，通过将呈一定角度的基频光 和倍频光先经过一个聚焦透镜进行预聚焦，然后再经过非线性光学晶体，从而使得产生的 三倍频光自动聚焦，其中：三倍频光通过负单轴晶体生成，匹配方式为I类匹配方式，即 〇+〇 -e，I类有效倍频系数不为0,且在0 =90°时达到最大；基频光与倍频光呈一定角 度是指：基频光与倍频光在非线性光学晶体外的夹角不为零。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的负单轴晶体由以下方式获得：选 取厚度为Icm的KDP或掺杂氘的DKDP晶体，切割角度为0 =90°，W= 45°，Z向为晶 体光轴方向，两面通光，通光面为YOZ面，当基频光的,供)、倍频光(6>2,炉)、三倍频光的,的 的波矢方向在同一主截面内，其I类有效倍频系数的表达式为心=sinAsin刼， 在03 =9〇°，p= 45°时有效倍频系数最大，其II类有效倍频系数的表达式为 心.="丨4如6--沒!〇?2炉+ 4〇--6^11(9!--2沪'在03= 9〇。，炉=45。时有效倍频系数为〇。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的非线性光学晶体内的夹角由以下方 式获得：基频光h、倍频光k2和三倍频光k3满足矢量三角形的关系= ^ ,其中k= n?/c，匹配方式为I类匹配方式〇+〇 -e，三倍频光k3设置为90°，则矢量三角形的三条 边长已经确定，分别为<、2?UP3/4，由三角线余弦定理，可计算得到晶体内矢量三角形 三个角度，从而得到基频光与倍频光在晶体内的夹角。
4. 根据权利要求1或3所述的方法，其特征是，所述的非线性光学晶体外的夹角由以下 方式获得：由折射定律及晶体内矢量三角形的三个角度计算得到对应晶体外的角度，从而 得到基频光与倍频光在晶体外的夹角。
5. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述的负单轴晶体具有较大角度带宽由 以下方式获得：采用非线性相位匹配，三倍频光k3为90°，则基频光Ic1和倍频光k2与三倍 频光k3满足角度关系，使基频光和倍频光均沿逆时针偏离匹配角0角度或均沿顺时针偏 离匹配角0角度，则三倍频光自动偏离原来90°方向逆时针或顺时针0角度，即保持矢量 三角形形状不变；由于〇光折射率与入射方向 9无关，e光与入射方向0有关，贝U基频光 h和倍频光k2的大小保持不变，三倍频光k3相对原来90°方向时稍稍变大，S卩引入相位失 配；由于这种情况下相位失配较小，类似共线相位匹配中的非临界相位匹配情况，因而具有 较大的角度带宽，即非共线相位匹配中三倍频光在90°附近具有较大的角度带宽，上述0 角度与角度带宽的关系由以下公式决定：
k3 =Sne^Ak=k' 3-k3， J
实中：k3为原来的三倍频光的波矢，k' 3为引入偏离角度0后新的三倍 频光的波矢，Ak为引入的相位失配，n为三倍频光的转换效率，而角度带宽即为三倍频光 转换效率的半高宽。
6. -种实现上述任一权利要求所述方法的装置，其特征在于，包括：纳秒激光器以及 设置于其两个输出端的两块全反射镜、聚焦透镜、半波片和非线性光学晶体，其中：第一全 反射镜依次经第一聚焦透镜到达非线性光学晶体，第二全反射镜依次经半波片、第二聚焦 透镜到达非线性光学晶体。
7. 根据权利要求6所述的装置，其特征是，所述的第一聚焦透镜和第二聚焦透镜或采 用单块聚焦透镜实现，或为一体式结构。
8. 根据权利要求6所述的装置，其特征是，所述的非线性光学晶体采用KDP或DKDP晶 体。
9. 根据权利要求6所述的装置，其特征是，所述的第一全反射镜与非线性光学晶体的 连线与第二全反射镜与非线性光学晶体的连线的夹角为30.49°。
10. 根据权利要求6所述的装置，其特征是，所述的纳秒激光器的第一输出端输出 1064nm，偏振方向为水平方向；第二输出端输出为532nm，偏振方向为坚直方向。
【文档编号】G02F1/37GK104267557SQ201410546550
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月16日 优先权日:2014年10月16日
【发明者】陈静, 唐道龙, 安宁, 钱列加, 陈险峰 申请人:上海交通大学