技術領域

本發明涉及一種非線性光學器件。

背景技術：

目前，光學非線性過程是激光頻率拓展的重要手段，通過這種方式，能夠以更為低廉的成本得到深紫外激光、中遠紅外激光或者太赫茲振蕩，激光設計更為緊湊。光學非線性轉換主要是利用光在材料中的非線性效應和拉曼效應等，這些效應只有在高能激光的作用下才表現明顯，其頻率轉換過程中的能量效率也直接取決于材料中基頻光的能量密度以及光作用的長度。受到材料性能、尺寸、質量、成本等方面的限制，要獲得高效的激光非線性轉換并不容易。將基頻光約束在非線性光學材料中獲得高能量密度，從而提高能量轉換效率，這是非線性光學器件設計中最為常用的方法。通常都是將非線性光學材料直接置于激光振蕩腔中，即腔內非線性轉換，這在實踐中獲得了很好的效果，例如激光腔內倍頻。而非線性光學材料無法置于光學振蕩腔中時，即腔內非線性轉換，這時激光非線性轉換效率將嚴重降低；或者必須采用操作條件嚴苛、成本高昂的技術手段，方能提高激光非線性轉換效率。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的缺陷，提供一種非線性光學器件，它借助閃耀光柵的閃耀特性，使基頻激光能夠被有效地約束在閃耀光柵和全反射鏡構成的振蕩腔中，進而在非線性光學材料中完成非線性轉換，從而提高激光非線性轉換效率。

本發明解決上述技術問題采取的技術方案是：一種非線性光學器件，它包括：

閃耀光柵，當基頻激光沿著閃耀光柵的入射方向入射所述閃耀光柵時，所述基頻激光中的大部分反射至閃耀光柵的閃耀方向上；當基頻激光沿著閃耀光柵的閃耀方向入射閃耀光柵時，基頻激光中的大部分將會反向沿閃耀方向傳播；其中，所述入射方向和閃耀方向關于閃耀光柵的法線對稱；

振蕩部分，所述振蕩部分包括非線性光學材料和全反射鏡，所述非線性光學材料和全反射鏡沿著閃耀光柵的閃耀方向依次設置，并且所述全反射鏡和所述閃耀光柵構建成振蕩腔，所述非線性光學材料用于將入射至非線性光學材料的基頻激光中的至少一部分轉換為非線性激光，所述全反射鏡用于將入射至全反射鏡的非線性激光輸出和用于將入射至全反射鏡的基頻激光沿閃耀光柵的閃耀方向的反向反射至閃耀光柵上。

進一步為了對基頻激光進行整形，使之到達非線性光學材料時，單位面積上的能量密度得到提高以提升非線性轉換效率，同時，光束傳輸到閃耀光柵時，單位面積上的能量密度降低以保護光柵，所述振蕩部分還包括用于將沿著閃耀光柵的閃耀方向傳送的基頻激光的光束半徑縮小的腔內整形透鏡，所述腔內整形透鏡、所述非線性光學材料和全反射鏡沿著閃耀光柵的閃耀方向依次設置。

進一步為了使入射的基頻激光保持高的傳輸質量，降低單位面積上的能量密度以免損壞閃耀光柵，并防止閃耀光柵反射回的光對基頻激光光源造成破壞，沿著閃耀光柵30的入射方向依次設置有光隔離器20和用于將沿著閃耀光柵30的入射方向傳送的基頻激光的光束半徑擴大的腔外整形透鏡10，所述光隔離器用于通過沿著閃耀光柵的入射方向入射的基頻激光和阻止通過沿著閃耀光柵的入射方向的反向反射的基頻激光。

進一步，所述腔外整形透鏡為對基頻激光進行增透的擴束鏡。

進一步，所述非線性光學材料包括具有非線性效應或拉曼效應的光學材料。

進一步，所述非線性光學材料為KTP晶體或PbWO₄晶體。

進一步，所述非線性光學材料的近閃耀光柵的一端對非線性激光全反射，所述非線性光學材料的遠閃耀光柵的一端對非線性激光增透。

采用了上述技術方案后，閃耀光柵和全反射鏡構建一個振蕩腔，其中閃耀光柵對于基頻激光在某一特定衍射級上具有閃耀特性，即基頻激光沿這一特定衍射級方向入射該閃耀光柵時，大部分基頻激光將會沿同一光路反向傳播，該衍射級方向為閃耀方向；同樣，全反射鏡也會把基頻激光反射回入射光路，因此，在該腔內，基頻激光的每一次往返過程中都只有很少一部分會由于閃耀光柵的衍射和反射逸出。與閃耀方向同一衍射級的方向，其與閃耀方向通過光柵法線相對稱，該方向為入射方向，當基頻激光沿入射方向入射閃耀光柵時，大部分基頻激光將會由于鏡面反射傳播到閃耀方向，其余部分會反射回入射光路或衍射到其它衍射級，所以選擇入射方向作為基頻激光輸入方向，選擇合適的非線性光學材料置于設計好的振蕩腔中，基頻激光注入腔內后，在其完全損耗前能夠多次通過非線性光學材料，從而提高非線性轉換的效率。

附圖說明

圖1為本發明的非線性光學器件的原理圖。

具體實施方式

為了使本發明的內容更容易被清楚地理解，下面根據具體實施例并結合附圖，對本發明作進一步詳細的說明。

如圖1所示，一種非線性光學器件，它包括：

閃耀光柵30，當基頻激光沿著閃耀光柵30的入射方向入射所述閃耀光柵30時，所述基頻激光中的大部分反射至閃耀光柵30的閃耀方向上；當基頻激光沿著閃耀光柵30的閃耀方向入射閃耀光柵30時，基頻激光中的大部分將會反向沿閃耀方向傳播；其中，所述入射方向和閃耀方向關于閃耀光柵30的法線對稱；

振蕩部分，所述振蕩部分包括非線性光學材料50和全反射鏡60，所述非線性光學材料50和全反射鏡60沿著閃耀光柵30的閃耀方向依次設置，并且所述全反射鏡60和所述閃耀光柵30構建成振蕩腔，所述非線性光學材料50用于將入射至非線性光學材料50的基頻激光中的至少一部分轉換為非線性激光，所述全反射鏡60用于將入射至全反射鏡60的非線性激光輸出和用于將入射至全反射鏡60的基頻激光沿閃耀光柵30的閃耀方向的反向反射至閃耀光柵30上。

其中，閃耀光柵30為反射型光柵，對基頻激光ν的閃耀方向為l2，對應的干涉級為+n，法線為l，以之為對稱軸，有干涉級-n，對應的方向為l1，o點為基頻激光ν的入射點。全反射鏡60是對基頻激光ν而已，能將其完全反射回原光路，對于非線性激光ν’來說，其增透以輸出轉換得到的激光。在閃耀光柵30和全反射鏡60構成的振蕩腔中，還可根據需要增加各種光學器件，以使基頻激光ν在非線性光學材料50中更為有效地轉換為非線性激光ν’。

利用閃耀光柵30不同衍射級的衍射特性存在不同，且其閃耀方向具有很高的反射率，設計一種非線性光學器件，該光學器件以閃耀光柵30的衍射級+n（方向l2）和全反射鏡60構成一個振蕩腔，使得基頻激光ν沿閃耀光柵30的衍射級-n（方向為l1）注入后能夠在腔內多次往返傳播，衍射級+n和-n通過閃耀光柵30的法線l相對稱，將具有非線性效應或者拉曼效應的非線性光學材料50放置在振蕩腔中，當基頻激光ν的能量密度超過非線性轉換閾值時，通過非線性光學材料50的基頻激光ν轉換為非線性激光ν’。

進一步地，如圖1所示，所述振蕩部分還包括用于將沿著閃耀光柵30的閃耀方向傳送的基頻激光的光束半徑縮小的腔內整形透鏡40，所述腔內整形透鏡40、所述非線性光學材料50和全反射鏡60沿著閃耀光柵30的閃耀方向依次設置。腔內整形透鏡40用于基頻激光ν整形，以使進入非線性光學材料50的基頻激光ν能量密度得到提高，且基頻激光ν返回閃耀光柵時，能量密度不致于太高而損壞光柵，其對基頻激光ν增透。

進一步地，如圖1所示，沿著閃耀光柵30的入射方向依次設置有光隔離器20和用于將沿著閃耀光柵30的入射方向傳送的基頻激光的光束半徑擴大的腔外整形透鏡10，所述光隔離器20用于通過沿著閃耀光柵30的入射方向入射的基頻激光和阻止通過沿著閃耀光柵30的入射方向的反向反射的基頻激光；具體地，光隔離器20對于沿c→d傳播的基頻激光ν完全通過，而基頻激光沿o→e傳播時將無法通過光隔離器20，光隔離器20作用在于防止從閃耀光柵30反射的基頻激光ν對入射光源可能造成的破壞；利用腔外整形透鏡10和光隔離器20使入射的基頻激光ν保持高的傳輸質量，降低單位面積上的能量密度以免損壞閃耀光柵30，并防止閃耀光柵30反射回的光對基頻激光ν光源造成破壞。

所述腔外整形透鏡10為對基頻激光進行增透的擴束鏡。

所述非線性光學材料50包括具有非線性效應或拉曼效應的光學材料，具體地，包括非線性光學晶體及具有拉曼效應的晶體、陶瓷、液體、氣體，其兩端鍍上效應的光學膜。

所述非線性光學材料50為KTP晶體或PbWO₄晶體。當所述非線性光學材料50為KTP晶體時，由光纖激光器輸出1064nm激光，注入非線性光學器件，從全反射鏡輸出532nm倍頻激光；當所述非線性光學材料50為PbWO₄晶體時，由光纖激光器輸出1064nm激光，注入非線性光學器件，從全反射鏡輸出1.1μm拉曼激光。

所述非線性光學材料50的近閃耀光柵30的一端對非線性激光全反射，所述非線性光學材料50的遠閃耀光柵30的一端對非線性激光增透。

本發明的工作原理如下：

選擇合適的閃耀光柵30，其對選定的基頻激光具有閃耀特性，閃耀方向對應的衍射級為+n（n=1,2,3……），以閃耀光柵30的法線為對稱軸，必定存在衍射級-n，該方向不具備閃耀特性，因此：當基頻激光沿著閃耀方向入射閃耀光柵30時，大部分基頻激光將會反向沿閃耀方向傳播，其余部分衍射到其它衍射級或者反射到衍射級-n；當基頻激光沿著衍射級-n的方向入射閃耀光柵30，大部分基頻激光反射到閃耀方向上，少許基頻激光會沿入射光路反向傳播，剩余部分的光衍射到其它衍射級。以閃耀光柵30的閃耀方向為軸線，依次放置腔內整形透鏡40、非線性光學材料50和全反射鏡60，使它們的對稱軸與軸線重合，構成一個能夠將基頻激光有效約束在其中的振蕩腔，其中，腔內整形透鏡40是對閃耀光柵30反射進來的基頻激光進行整形以使基頻激光保持高的傳輸質量且提高光束的能量密度，非線性光學材料50則通過非線性光學效應或者拉曼效應將基頻激光轉換為其它頻率的激光，全反射鏡60的作用在于完全反射達到該鏡片的基頻激光并輸出轉換得到的其它頻率激光；同樣，以衍射級-n的方向為軸線，依次放置光隔離器10、腔外整形透鏡20，使它們的對稱軸與軸線重合，其中，光隔離器10的目的在于防止入射閃耀光柵30的基頻激光沿入射光路的反向傳播，腔外整形透鏡20用來對輸入的基頻激光進行擴束以降低光束的能量密度。從激光光源出來的基頻激光沿著閃耀光柵30的-n級方向傳輸，首先到達腔外整形透鏡10，通過該腔外整形透鏡10后，基頻激光的光束半徑得到放大，光束單位面積上的能量密度降低，以此來防止激光光束損壞閃耀光柵30；接著基頻激光通過光隔離器20，對于該傳播方向的基頻激光，光隔離器20不起作用；之后，基頻激光入射閃耀光柵30，通過閃耀光柵30的鏡面反射作用，大部分基頻激光反射到閃耀方向上繼續傳播，少部分會反向沿入射光路傳播，在光柵設計時優化光柵刻槽的形狀能夠將該部分基頻激光有效抑制，剩余部分則衍射到其它衍射級損耗；沿著閃耀方向傳播的基頻激光到達腔內整形透鏡40，該整形透鏡40的目的與腔外整形透鏡10正好相反，在保持光束良好傳輸質量的前提下，將光束半徑縮小以提高單位面積上的能量密度；隨后基頻激光到達非線性光學材料50，當其能量密度超過非線性轉換的閾值時，通過非線性光學材料50的非線性效應或者拉曼效應轉換為其它頻率的激光；光束最后抵達全反射鏡60，其中由基頻激光轉換來的其它頻率激光通過全反射鏡60輸出振蕩腔，而基頻激光被完全反射回原光路；反射回的基頻激光再依次通過非線性光學材料50、腔內整形鏡40，到達閃耀光柵30，此過程中，基頻激光在非線性光學材料中繼續轉換為其它頻率激光，腔內整形透鏡40則起擴束作用使激光光束在返回閃耀光柵是不致損傷光柵，由閃耀方向入射閃耀光柵30的基頻激光，大部分被再次反射回去，只有少量逸出；這樣，基頻激光的大部分將會在由閃耀光柵30和全反射鏡60構成的振蕩腔中不斷往返，一方面使基頻激光與非線性光學材料50的作用長度大大增加，另一面可形成基頻激光的光束振蕩，而有效提高腔內的能量密度，由此提高基頻激光的非線性轉換效率。

以上所述的具體實施例，對本發明解決的技術問題、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。