一种高倍率效率的自倍频晶体制备方法及可见激光器件与流程

本发明属于激光晶体材料，具体涉及一种高倍率效率的自倍频晶体制备方法及可见激光器件。

背景技术：

1、自倍频激光晶体在激光技术领域具有极为重要的地位，它能够将基频光直接转换为倍频光，在实现小型化、高效化激光光源方面有着巨大潜力。

2、传统的自倍频晶体加工多是沿着主平面方向进行的。然而，这种传统的主平面加工方式存在诸多弊端。由于晶体的非线性光学系数在不同方向上具有显著差异，而主平面方向并非是能最大化晶体非线性光学系数的方向，这就导致在非线性光学过程中，自倍频晶体难以充分发挥其性能潜力，无法满足现代激光技术对高倍率效率的严苛需求。

3、为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了一种高倍率效率的自倍频晶体制备方法及可见激光器件。

4、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高倍率效率的自倍频晶体制备方法包括以下步骤：

5、s1、运用材料分析与模拟方法确定最大化晶体非线性光学系数的若干方向；

6、s2、比较光沿若干方向传播的能量损耗，确定能量损耗最低的为非主平面最优方向；

7、s3、依据确定的最优方向，将其作为非主平面方向用于自倍频晶体加工；

8、s4、依据晶体特性，将晶体沿非平面方向切割，得到自倍晶体。

9、具体的：材料分析与模拟方法包括：x射线衍射测量、双折射测量、偏振光干涉法、第一性原理与有限元分析。

10、步骤s1包括：通过x射线衍射测量、双折射测量、偏振光干涉法以及第一性原理与有限元分析来确定能够最大化晶体非线性光学系数的的最优方向；

11、具体的：x射线衍射测量用于获取晶体的晶格参数和结晶学轴信息；依据晶体的对称性和原子排列方式，确定非线性光学系数的方向，并将其作为能够最大化晶体非线性光学系数的第一方向

12、x射线衍射测量方法为：

13、运用x射线衍射仪对晶体实施扫描操作；

14、依据布拉格定律nλ＝2dsin(θ)，通过对衍射图案中布拉格峰位置的分析，判定晶体的晶系、空间群以及各结晶学轴的方向，从而获取晶体的结晶学轴信息；依据晶体的对称性和原子排列方式，确定能够最大化晶体非线性光学系数的第一方向；即确定在哪些方向上的晶体具有最优的非线性光学相应特性；为晶体在非线性光学领域的应用，如自倍频晶体在可见激光器件中的应用，提供指导；

15、n为衍射级数；λ为入射x射线波长；d为晶面间距，其值反映晶体微观结构的特征；θ为布拉格角，即入射x射线与晶面之间的夹角；

16、具体的：双折射测量用于确定晶体中具有最大双折射效应的方向，该方向即为晶体的光学轴方向；并将光学轴方向作为能够最大化晶体非线性光学系数的第二方向；

17、双折射测量方法为：

18、运用双折射仪对晶体实施测量操作；

19、通过测量寻常光和非常光在晶体内的传播速度差异，根据双折射率δn1＝ne-no获得双折射率的最大值以及其对应的方向，从而确定晶体中具有最大双折射效应的方向，该方向即为晶体的光学轴方向；并将晶体的光学轴方向并将该光学轴方向作为能够最大化晶体非线性光学系数的第二方向；

20、ne为非常光折射率；no为寻常光折射率；δn1为双折射率；

21、具体的：偏振光干涉法用于通过使用偏振光干涉仪观察光在晶体中的干涉图案，改变入射光的角度和偏振状态，记录干涉条纹的变化，从而推导出晶体的光学轴方向；并将该光学轴方向作为能够最大化晶体非线性光学系数的第三方向；

22、偏振光干涉法能够进一步验证双折射测量的结果并实现光学轴的精确定位；

23、偏振光干涉法的测量方法为：

24、运用偏振光干涉仪观测光在晶体中的干涉图样；

25、通过改变入射光的角度和偏振状态，记录干涉条纹的变化；

26、根据记录的干涉条纹移动量以及干涉仪的几何参数，利用公式依据相位差公式：以及干涉条纹移动量公式：计算不同入射条件的相位差δ；根据计算结果，分析相位δ差随入射光角度和偏振方向变化的规律，确定光学轴的方向，进一步验证双折射测量结果并实现光学轴的精确定位；并将该光学轴方向作为能够最大化晶体非线性光学系数的第三方向；

27、光学轴方向为光与晶体的相互作用最强的方向；

28、δ为相位差；d1为光程差；λ1为入射光波长；δx为干涉条纹的移动量；l为干涉仪中两束光的交点到观察屏的距离，d为两束光之间的距离

29、分析相位差随入射光角度和偏振方向变化的规律的方法为：通过对相位差的分析，结合晶体的双折射特性以及晶体结构的对称性，推导晶体的光学轴方向；在具有特定对称性的晶体中，光学轴方向与相位差变化的对称轴相对应。例如，在单轴晶体中，当入射光沿着与光学轴平行或垂直的方向传播时，会表现出特定的相位差变化规律，通过识别这些规律，可以确定光学轴的方向；同时，将推导得到的光学轴方向与双折射测量的结果进行对比和验证，确保光学轴方向确定的准确性。而在多轴晶体中，需要综合考虑多个相位差变化趋势和晶体的高阶对称性来确定光学轴方向；上述确定光学轴的基本原理均是基于光在晶体中传播时的相位差变化与晶体微观结构的关系。

30、具体的：第一性原理用于辅助选择最佳晶体的非线性光学性能取向；根据计算结果，确定deff最大角度所对应的方向，并将其作为能够最大化晶体非线性光学系数的第四方向；

31、第一性原理的计算方法为：

32、运用量子力学软件对晶体的电子结构进行计算，通过二次谐波产生系数利用对称性分析和群论简化dijk表达式并优化deff，确定deff最大角度所对应的方向，并将其作为能够最大化晶体非线性光学系数的第四方向；从而辅助选择晶体的最佳非线性光学性能取向；

33、deff为二次谐波产生系数；dijk为非线性极化率张量元素，ei和ej为电场分量；

34、具体的：有限元分析用于依据模拟结果将光在晶体中传播损耗最小的方向，作为能够最大化晶体非线性光学系数的第五方向；确保所选方向能够在实际应用中实现最佳自倍频效果；

35、有限元分析方法为：

36、运用有限元分析软件模拟光在晶体中的传播路径；

37、基于麦克斯韦方程组，获取电磁场在晶体内的分布结果；

38、根据分布结果，确定晶体在不同方向下光的传播效率和转换效率，同时分析应力分布和热效应；将光在晶体中传播损耗最小的方向，作为能够最大化晶体非线性光学系数的第五方向；

39、由于电磁场决定了光在晶体中的传播特性，通过分析不同位置和不同时刻的电磁场，追踪光的传播方向和强度变化。通过模拟，得到光在晶体内部沿着不同方向传播时的具体轨迹，了解光在晶体中的传播行为如何受到晶体取向的影响。

40、在模拟过程中，通过计算光在进入晶体前的能量和在晶体中传播一段距离后的能量，两者的比值反映传播效率。通过模拟不同取向的晶体，找到使光传播能量损耗最小的取向，即传播效率最高的取向。

41、在模拟过程中，通过模拟不同取向，确定最佳的晶体取向以实现较高的转换效率。

42、通过分析应力分布，模拟应力分布，可以优化加工工艺，如选择合适的切割方向、控制加工参数等，使晶体内部的应力均匀分布，避免因应力过大而损坏晶体。

43、通过分析热效应，可以采取相应的措施，如散热措施，以防止热对晶体性能产生不利影响；

44、通过有限元分析软件模拟确保所选第五方向在实际应用中实现最佳自倍频效果，优化晶体取向；

45、具体的：通过分别比较光沿着第一方向、第二方向、第三方向、第四方向第五方向传播的能量损耗；将能量损耗最低的方向作为最优方向；最优方向为能够最大化晶体非线性光学系数的非主平面方向；

46、具体的：能量损耗高低的判断方法为：通过比较光在不同方向传播距离的远近判断能量损耗的高低；光在晶体内传播距离最远的方向为能量损耗最低的方向；光在晶体内传播距离最近的方向为能量损耗最高的方向；

47、具体的：步骤s2包括：

48、根据步骤s1中确定最优方向，将最优方向作为非主平面方向；

49、对于自倍频晶体，需选择能够最大化晶体非线性光学系数的非主平面方向作为加工方向，才能够显著提升自倍频效率。

50、沿非平面方向，定向切割晶体；

51、定向切割晶体方法为使用高精度的切割设备，按照确定的非主平面方向对晶体进行切割；切割时需要确保刀具或激光束的路径与晶体的最优方向保持一致，以避免引入不必要的应力或损伤。

52、通过切割获得平整、光滑且无裂纹的切割面，确保晶体的结构完整性；

53、具体的：一种可见激光器件，用于实现上述方法，包括：自倍频晶体、耦合器、放大器、泵浦源、合束器。

54、切割晶体的方法包括：金刚石刀具切割；

55、对于硬质晶体材料，使用金刚石刀具进行切割。金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性，适合用于精确切割。切割过程中需要控制切割速度和进给量，以避免过热或过度应力导致晶体破裂。

56、通过金刚石刀具切割实现高精度的切割，确保切割面的质量。

57、切割晶体的方法包括：激光切割；

58、对于对热敏感或难以用机械方式切割的晶体，使用激光切割技术；激光切割可以在不产生过多热影响的情况下实现精确的切割，尤其适用于薄片或复杂形状的晶体加工；

59、通过激光切割避免热损伤，确保切割面的平整度和光滑度。

60、本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：

61、1、该高倍率效率的自倍频晶体制备方法及可见激光器件，通过运用x射线衍射测量、双折射测量、偏振光干涉法、第一性原理与有限元分析等多种手段相结合的方式，全面且精准地确定能够最大化晶体非线性光学系数的最优方向即非主平面方向。与现有技术相比，相较于传统沿着主平面方向加工的方式，显著提高了自倍频晶体的倍频效率。

62、2、该高倍率效率的自倍频晶体制备方法及可见激光器件，采用金刚石刀具对硬质晶体进行切割时，凭借其极高的硬度和耐磨性，可实现高精度的切割。并且在切割过程中，通过合理控制切割速度和进给量，能够有效避免过热或过度应力的情况出现，防止晶体破裂，确保切割面的质量，维持晶体结构的完整性，使晶体的优良性能得以保持，从而保障在后续应用中可以稳定发挥其非线性光学作用。

63、3、该高倍率效率的自倍频晶体制备方法及可见激光器件，对于那些对热敏感或者难以用常规机械方式切割的晶体，激光切割技术大显身手。它能够在不产生过多热影响的情况下实现精确的切割，尤其适用于薄片或复杂形状的晶体加工。这样能避免热损伤，保证切割面的平整度和光滑度，让晶体在加工后依然具备良好的光学性能，有助于提升整个自倍频晶体在激光应用中的实际效果。

技术实现思路