專利名稱：一種防止晶體損傷的激光分光方法
技術領域：
本發明涉及非線性光學領域，具體涉及一種防止晶體損傷的激光分光方法。
背景技術：
不同領域需要不同波長的激光，例如激光生物顯微鏡需要的560nm激光、激光測距需要的532nm激光、激光直接制版印制需要的400nm激光以及工業微加工領域需要的355nm甚至更短波長的激光，而激光器能夠直接輸出的激光波長很有限，現有技術往往利用非線性頻率變換的方法，對激光頻率進行變換和擴展。設第一束光的頻率為O1，第二束光的頻率為ω2，利用非線性晶體的雙折射以補償折射率的色散，可以滿足相位匹配條件ωιηι+ω2η2=ω3η3，獲得頻率為《3的激光。一般地，在非線性晶體出射面鍍有三束光的增透膜以減少反射損耗，并利用腔內或者腔外的分光元件(例如布儒斯特棱鏡或者雙色鏡)將三束光分離開，以獲得純的激光輸出。但是，三束光在出射面上相互交疊，功率密度很高，易對晶體出射面造成損傷，限制了非線性頻率變換功率的擴展。同時，分光元件的加入也增加了激光的損耗，使整體系統趨于復雜。因此，研究如何減小非線性晶體出射面的損傷，以及如何有效地將三束光分離開一直是本領域的熱點。Lightwave Electronics Corporation 的 William M. Grossman 在美國專利US5850407A “Third-harmonic generation with uncoated Brester-cut dispersiveoutput facet”中提出，在出射面上不再鍍增透膜，而是在出射面上切一個斜角，使P偏振的三倍頻光與出射面法線方向的夾角等于 布儒斯特角，從而實現三倍頻光的無損輸出。這種方法的優點在于不使用增透膜，避免了因增透膜損傷而導致的出射面損壞，提高了非線性晶體的損傷閾值。缺點是三束光在出射面上相互交疊，功率密度很高，長時間工作會導致出射面損傷甚至炸裂。

發明內容
本發明旨在至少在一定程度上解決上述技術問題之一或至少提供一種有用的商業選擇。為此，本發明的一個目的在于提出一種防止晶體損傷的激光分光方法。該方法具有操作簡單，分光效果好的優點。根據本發明實施例的防止晶體損傷的激光分光方法，包括以下步驟第一基頻光與第二基頻光在非線性光學晶體內，在滿足相位匹配條件下部分地進行非線性頻率變換，產生轉換光；在所述非線性光學晶體的內表面發生全反射前，所述轉換光、剩余的所述第一基頻光和剩余的所述第二基頻光相互平行或者近似平行，在空間上相互交疊地傳播；在所述非線性光學晶體的內表面發生全反射后，所述轉換光、剩余的所述第一基頻光和剩余的所述第二基頻光相互之間有一定夾角，在空間上相互分離地出射。在本發明的一個實施例中，所述第一基頻光、第二基頻光和轉換光為線偏振光。在本發明的一個實施例中，所述第一基頻光與第二基頻光的光源相同或不同，并且所述第一基頻光與第二基頻光的頻率相同或不同。在本發明的一個實施例中，所述相位匹配條件為一類相位匹配或二類相位匹配。在本發明的一個實施例中，所述非線性頻率變換為合頻轉換或差頻轉換。在本發明的一個實施例中，所述非線性光學晶體為磷酸二氫鉀、磷酸二氘鉀、磷酸二氫銨、鈮酸鋰、碘酸鋰、偏硼酸鋇、三硼酸鋰、硼酸銫鋰、磷酸氧鈦鉀、砷酸氧鈦鉀、砷酸氧鈦銣或鈮酸鉀中的一種或多種的組合。在本發明的一個實施例中，所述非線性光學晶體為三倍頻變換、四倍頻變換、五倍頻變換、光參量振蕩、光參量放大或拉曼變換。在本發明的一個實施例中，所述非線性光學晶體的出射面具有鍍增透膜，或者具有與所述轉換光全透射方向匹配的布儒斯特斜面。本發明降低了非線性光學晶體出射面的功率密度，保護非線性光學晶體不受損傷的同時，獲得了純的頻率轉換光的輸出。本發明至少具有以下優點1、利用非線性晶體內全反射分光，可以有效地將三束光分開，降低了晶體出射面上的功率密度，提高了非線性晶體的損傷閾值。

2、無需插入分光元件就能分離出純的第三束激光，避免了分光元件引起的損耗，提高了激光輸出功率，降低了系統復雜度。本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。


本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1為本發明實施例的防止晶體損傷的激光分光方法的原理示意圖；圖2為基頻光(倍頻光)和三倍頻光在晶體內表面發生全反射的示意圖；圖3為全反射后,激光不發生分裂的兩個晶體內表面方向；圖4為三倍頻光與基頻光(倍頻光)的夾角與入射角的關系；和圖5為兩個不發生激光分裂的晶體內表面的分光效果對比圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內”、“外”、“順時針”、“逆時針”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接觸，也可以包括第一和第二特征不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特征接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。根據本發明實施例的防止晶體損傷的激光分光方法，包括以下步驟第一基頻光與第二基頻光在非線性光學晶體內，在滿足相位匹配條件下部分地進行非線性頻率變換，產生轉換光；在所述非線性光學晶體的內表面發生全反射前，所述轉換光、剩余的所述第一基頻光和剩余的所述第二基頻光相互平行或者近似平行，在空間上相互交疊地傳播；在所述非線性光學晶體的內表面發生全反射后，所述轉換光、剩余的所述第一基頻光和剩余的所述第二基頻光相互之間有一定夾角，在空間上相互分離地出射。在本發明的一個實施例中,第一基頻光、第二基頻光和轉換光為線偏振光。在本發明的一個實施例中，第一基頻光與第二基頻光的光源相同或不同，并且第一基頻光與第二基頻光的頻率相同或不同。在本發明的一個實施例中，相位匹配條件為一類相位匹配或二類相位匹配。

在本發明的一個實施例中，非線性頻率變換為合頻轉換或差頻轉換。在本發明的一個實施例中，非線性光學晶體為磷酸二氫鉀(KH2P04—KDP)、磷酸二氘鉀(KD2P04—KD*P)、磷酸二氫銨(NH4H2P04—ADP)、鈮酸鋰(LiNb03—LN)、碘酸鋰(a -LiIO3-LI)、偏硼酸鋇(BaB2O4-BBO)、三硼酸鋰(LiB3O5-LBO)、硼酸銫鋰(LiCsB6Oltl-CLBO)、磷酸氧鈦鉀(KTiOPO4-KTP)、砷酸氧鈦鉀(KTi0As04—RTA)、砷酸氧鈦銣(RbTiOAsO4-RTA)或鈮酸鉀(KNbO3-KN)中的一種或多種的組合。在本發明的一個實施例中，非線性光學晶體為三倍頻變換、四倍頻變換、五倍頻變換、光參量振蕩、光參量放大或拉曼變換。在本發明的一個實施例中，非線性光學晶體的出射面具有鍍增透膜，或者具有與轉換光全透射方向匹配的布儒斯特斜面。為使本領域技術人員更好地理解本發明，現結合圖1-圖5做進一步介紹。為理解的方便，下述實施例中，定義指定頻率的基頻光為第一基頻光，該光線通過倍頻晶體之后得到的倍頻光為第二基頻光。圖1為本發明實施例的防止晶體損傷的激光分光方法的原理示意圖。基頻光振蕩器I采用雙端泵浦z型諧振腔，產生所需的基頻光2 (第一束激光，頻率為Q1X腔內的脈沖調制器件8用來周期性改變腔內損耗，產生基頻光2的光脈沖。本實施例中脈沖調制器件8采用石英晶體聲光調制Q開關，衍射效率約為80%，增益介質9采用摻雜濃度為O. 3at. %，尺寸為3X3X 16mm3的NchYVO4晶體。其他可以選用的增益介質包括端泵和側泵的液體或者氣體材料，例如Nd YAG, Nd YLF, Nd:YAL0，鈦寶石，CrLiSAF等。采用的倍頻晶體3和三倍頻晶體10均為LBO晶體，都按照第一類相位匹配角進行切割(0+0 — e):其中倍頻晶體為90度相位匹配，優點是可以消除離散角的影響，對晶體角度調整精度和入射光發散角要求都有所降低；三倍頻晶體為臨界相位匹配，優點是非線性系數高，能獲得高功率的三倍頻激光。在倍頻晶體和三倍頻晶體之間加入一片雙波長波片4 ( λ =1064nm, λ/2=532nm)，使基頻光與倍頻光在三倍頻晶體內的偏振方向相同。基頻光2在倍頻晶體3內滿足相位匹配條件，產生的倍頻光12 (第二束激光，頻率為ω2)。產生的倍頻光12與剩余基頻光11的偏振方向垂直，一起經過雙波長波片4后，與剩余基頻光11的偏振方向平行。基頻光11和倍頻光12在三倍頻晶體10內滿足相位匹配條件，產生三倍頻光7 (第三束激光，頻率為ω3)。剩余基頻光5和剩余倍頻光6的偏振方向平行，且都與產生的三倍頻光7的偏振方向垂直。在發生全反射前，三束激光在三倍頻晶體10內的相位匹配條件一直都得到滿足，不斷有三倍頻光7被產生出來，即使三倍頻光7會出現走離，在內表面13上三倍頻光7與剩余基頻光5和剩余倍頻光6仍會有交疊，功率密度很高。發生全反射后，相位匹配條件不再被滿足，三倍頻光也不再被產生，同時，根據雙折射特性，三倍頻光7與剩余基頻光5和剩余倍頻光6有一定夾角，空間上出現分離，因而在晶體出射面上，三倍頻光7不再與剩余基頻光5和剩余倍頻光6交疊，功率密度得到了降低。根據三倍頻晶體的相位匹配條件，全反射前，基頻光、倍頻光和三倍頻光的波矢方向平行。波矢方向滿足反射定律:n0 sin(%) = n, sin(^)圖2(a)為基頻光(倍頻光 )在晶體內表面發生全反射的示意圖。對于基頻光和倍頻光，有n^rv所以供=%，同時,能流方向14與波矢方向15平行,不發生走離。圖2(b)為三倍頻光在晶體內表面發生全反射的示意圖。對于三倍頻光，有Ii1^rv所以灼=arcsin(H11 si電) Η)Φφ0，則三倍頻光波矢方向17與基頻光(倍頻光)波矢方向15的夾角為A =奶-P注意到，全反射后，三倍頻光會出現走離，其能流方向16偏離波矢方向17，設走離角為S s，則三倍頻光能流方向16與基頻光(倍頻光)能流方向14的夾角為S = δ k+ δ s。根據晶體雙折射特性，激光在晶體內有兩個可能的偏振方向，發生全反射后，有可能會分裂為兩束激光。如圖3所示，晶體主軸方向21表明全反射前，基頻光18、倍頻光23和三倍頻光19滿足相位匹配條件，此時，只存在兩個晶體內表面方向20和22(基頻光和倍頻光平行于表面方向20和22)，可以保證三束激光發生全反射后都不發生分裂。以圖3(a)所示的內全反射(內表面方向20)為例，當入射角％從40度變到80度時，可以計算出三倍頻光波矢方向17與基頻光(倍頻光)波矢方向15的夾角δ k、三倍頻光走離角S s以及三倍頻光能流方向16與基頻光(倍頻光)能流方向14的夾角δ隨入射角的變化(圖4所示)。圖5為內表面方向20和22對應的三倍頻光能流方向16與基頻光(倍頻光)能流方向14的夾角δ隨入射角的變化。內表面方向20的分光效果要遠好于內表面方向22，當入射角％ =SSil時，三倍頻光能流方向16與基頻光(倍頻光)能流方向14的夾角δ達到最大值1. 44度(25. 2md)。這說明，在晶體內傳播20mm后，產生的三倍頻光與剩余的基頻光(倍頻光)之間的距離達到O. 5mm，足夠將產生的三倍頻光與剩余的基頻光(倍頻光)完全分開，從而大大降低了晶體出射面的功率密度，提高了晶體的抗損傷閾值，同時獲得了純的三倍頻激光輸出。在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在不脫離本發明的原理和宗旨的情況下在本發明的范圍內可以對 上述實施例進行變化、修改、替換和變型。
權利要求
1.一種防止晶體損傷的激光分光方法，其特征在于，包括以下步驟 第一基頻光與第二基頻光在非線性光學晶體內，在滿足相位匹配條件下部分地進行非線性頻率變換，產生轉換光； 在所述非線性光學晶體的內表面發生全反射前，所述轉換光、剩余的所述第一基頻光和剩余的所述第二基頻光相互平行或者近似平行，在空間上相互交疊地傳播； 在所述非線性光學晶體的內表面發生全反射后，所述轉換光、剩余的所述第一基頻光和剩余的所述第二基頻光相互之間有一定夾角，在空間上相互分離地出射。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一基頻光、第二基頻光和轉換光為線偏振光。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一基頻光與第二基頻光的光源相同或不同，并且所述第一基頻光與第二基頻光的頻率相同或不同。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述相位匹配條件為一類相位匹配或二類相位匹配。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述非線性頻率變換為合頻轉換或差頻轉換。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述非線性光學晶體為磷酸二氫鉀、磷酸二氘鉀、磷酸二氫銨、鈮酸鋰、碘酸鋰、偏硼酸鋇、三硼酸鋰、硼酸銫鋰、磷酸氧鈦鉀、砷酸氧鈦鉀、砷酸氧鈦銣或鈮酸鉀中的一種或多種的組合。
7.如權利要求1-7任一項所述的方法，其特征在于，所述非線性光學晶體為三倍頻變換、四倍頻變換、五倍頻變換、光參量振蕩、光參量放大或拉曼變換。
8.根據權利要求1-7所述的方法，其特征在于，所述非線性光學晶體的出射面具有鍍增透膜，或者具有與所述轉換光全透射方向匹配的布儒斯特斜面。
全文摘要
本發明提出一種防止晶體損傷的激光分光方法，包括以下步驟第一基頻光與第二基頻光在非線性光學晶體內，在滿足相位匹配條件下部分地進行非線性頻率變換，產生轉換光；在非線性光學晶體的內表面發生全反射前，轉換光、剩余的第一基頻光和剩余的第二基頻光相互平行或者近似平行，在空間上相互交疊地傳播；在非線性光學晶體的內表面發生全反射后，轉換光、剩余的第一基頻光和剩余的第二基頻光相互之間有一定夾角，在空間上相互分離地出射。本發明降低了非線性光學晶體出射面的功率密度，保護非線性光學晶體不受損傷的同時，獲得了純的頻率轉換光的輸出。
文檔編號G02F1/355GK103066489SQ201210586650
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者鞏馬理, 柳強, 陳海龍, 黃磊, 閆平, 張海濤, 劉歡 申請人:清華大學