[發明專利]一種氟硼鈹酸鉀族晶體斜入射激光倍頻器

有效

• 申請號: 201410367510.2
• 申請日: 2014-07-29
• 公開（公告）號: CN104092092A
• 公開（公告）日: 2014-10-08
• 發明（設計）人: 陳創天;徐波;王曉洋;范飛鏑;劉麗娟;李如康
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: H01S3/109
• 分類號: H01S3/109
• 代理公司: 北京方安思達知識產權代理有限公司 11472
• 代理人: 王宇楊;王敬波

技術領域

本發明涉及一種激光倍頻器，特別涉及一種氟硼鈹酸鉀(簡稱KBBF)族晶體斜入射激光倍頻器。

背景技術

通過非線性光學晶體的變頻技術(包括倍頻、和頻、差頻等)產生新波段激光，已經得到廣泛應用，這里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恒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。例如對于常用的倍頻過程，角度匹配是將特定偏振方向的激光沿非線性光學晶體的某一特定方向(相位匹配方向)通過，即可產生倍頻激光；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，通過人工調制超晶格倒格失，用于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，并將兩個通光面精密拋光，乃至鍍覆各種所需光學膜層。這種倍頻器激光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。

一些非線性光學晶體由于其本征的結構特性，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KBe₂BO₃F₂，簡稱KBBF；氟硼鈹酸銣RbBe₂BO₃F₂，簡稱RBBF)由于層狀生長習性，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棱鏡耦合技術(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棱鏡結合，用于激光倍頻實現深紫外激光(即波長短于200納米)輸出。該技術也屬于角度相位匹配。

上述棱鏡耦合器件中，KBBF族晶體和棱鏡(一般為石英玻璃或氟化鈣晶體)通過普通光膠耦合，由于是非同種材料光膠，結合力不強，而且界面兩邊材料的熱膨脹系數不一樣，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族棱鏡耦合器件工作在中、高功率激光系統時，激光功率大，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，輕者影響激光光束質量，重者導致兩個界面脫離，整個器件作廢。盡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棱鏡耦合器件的激光損傷閾值，但是相對于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，對于1064納米，脈沖寬度為80皮秒，重復頻率1KHz的激光脈沖而言，其損傷閾值高達900GW/cm²；在基頻光波長為390納米，脈寬200飛秒，重復頻率1KHz的激光輻照下，其損傷閾值也高達60GW/cm²。KBBF晶體比在相同條件下BBO晶體的抗激光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棱鏡耦合器件對于1064納米，脈沖寬度0.9納秒，重復頻率6KHz激光的損傷閾值只有300MW/cm²。

此外，棱鏡耦合器件還有一個缺點，由于光膠了石英玻璃或氟化鈣晶體棱鏡，器件體積大，而且氟化鈣和石英玻璃的導熱性能差，在實用過程中不便于對KBBF晶體進行溫度控制等熱管理技術，從而不利于維持激光倍頻輸出功率的穩定性。

目前，利用KBBF族晶體實現1064納米的四倍頻266納米輸出也是通過棱鏡耦合技術實現的，其最大的障礙就是棱鏡器件光膠面率先損壞。棱鏡耦合技術對于使用KBBF族晶體倍頻實現深紫外激光輸出是唯一的技術路線，但是當需要倍頻輸出266納米激光時，棱鏡耦合技術并非是唯一途徑。

發明內容

本發明目的在于提供一種非線性光學晶體激光倍頻器，該激光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，實現激光倍頻。