專利名稱：非平行通光面的激光變頻器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明屬激光技術領域。涉及一種用非線性光學晶體作成的新型激光頻率變換器件。特別是一種非平行通光面的激光變頻器及其制造方法。
自激光發(fā)明以來，為擴展激光波段，獲得新波長激光，人們一直在致力于用非線性光學晶體來研制激光頻率變換器(簡稱變頻器；能使頻率加倍的又叫倍頻器；能使兩束激光混頻后改變頻率的，又叫二波混頻器)。經(jīng)過近四十年的研究，已成功地制作出多種性能優(yōu)良、適合各種應用目的的變頻器。這些變頻器的絕大部分，都被作成如圖1所示的長方體形狀。長方體變頻器的兩個端面1和2被高精密拋光。基頻光3從空氣通過端面1入射到長方塊非線性光學晶體4中發(fā)生變頻轉換效應，所產生的變頻光5通過端面2出射到空氣中，從而完成基頻激光的頻率轉換。端面1和端面2因此而被稱作通光面。
非線性光學晶體的光學性質都是各向異性的。對特定波長的激光，只在非線性光學晶體的某些特定方向上才能進行有效的頻率轉換，這些方向被稱作相位匹配方向。其中轉換效率最高的，稱作最佳相位匹配方向。在制作變頻器時，總是將垂直于通光面的棱邊6(見圖1)安排在沿最佳相位匹配方向上。只要基頻光垂直于端面入射，則不論是端面1或是端面2作為入射通光面，都能保證需變頻的激光束是沿非線性光學晶體的最佳相位匹配方向通過變頻器，從而保證了該波長的激光頻率變換能取得最好的效果。
由于空氣的折射率n1與非線性光學晶體的折射率n2不相等，當基頻光從空氣入射到變頻器中或變頻光從晶體出射到空氣中時，在空氣與晶體的界面上，即通光面1和2上，都要產生反射，從而使一部分激光被損耗掉。為提高變頻轉換效率，需要減少這種損耗。為此而采取的措施之一，是提高加工精度，盡量使通光面垂直于最佳相位匹配方向，兩通光面盡可能平行(一般要求兩通光面之間的平行度相差不大于10″)，另一個措施是在入射和出射通光面上鍍上相應于基頻光和變頻光的減反射膜(又稱增透膜)。在近紅外至400nm波段范圍內，鍍增透膜可將反射損失減少到千分之幾。
但是，當波長小于400nm或大于近紅外波段時，在變頻器通光面上鍍增透膜就比較困難，特別是鍍紫外及真空紫外波段的增透膜，不但十分困難，而且價格特別昂貴。于是人們試圖按圖2所示的所謂布儒斯特(Brewster)角切割方法(以下簡稱布氏切割法)來加工變頻器的通光面，以期獲得不用鍍膜又能減少反射的非線性光學晶體激光變頻器件。
圖2所示的是一布氏切割通光面的光學器件的平面示意圖。圖中AB和CD為通光面，EF和RS為通光面的法線。在入射面(法線EF與入射線IO構成的平面)內振動的入射光IO，從折射率為n1的介質(一般為空氣)入射到折射率為n2的介質中去。當入射角∠IOE等于tan-1(n2/n1)時，在入射通光面AB上將不產生反射，入射光全部折射到介質晶體中。這時的入射角θB＝tan-1(n2/n1)就是布氏角，折射角θt＝90°-θB。當光線到達出射通光面CD時，出射線的布氏角θ′B＝tan-1(n1/n2)。以θ′B角從出射通光面CD出射的光OQ也沒有反射損失地全部出射到折射率為n1的介質中去。通過計算，可知θ′B正好等于θt，這表明兩通光面的法線EF和RS平行，所以，這種布氏切割通光面的光學器件，其通光面也是相互平行的。
圖2所示的布氏切割通光面光學器件，在光學界早已獲得廣泛的應用。光束通過這種器件，除了介質本身的吸收外，幾乎沒有反射損耗。但是，當用非線性光學晶體按圖2所示的原理，作成布氏切割通光面的變頻器進行實際應用時，卻發(fā)現(xiàn)其減反射效果不但達不到預期的目標，反而比不進行布氏切割的垂直通光面的還糟，因而從未獲得有實際價值的應用。
本發(fā)明的目的之一在于提出一種非平行通光面的激光變頻器。
本發(fā)明的目的之二在于提出上述變頻器的制作方法，該變頻器的通光面之間的相對位置，取決于非線性光學晶體的晶軸類型，變頻操作的相位匹配類型以及入射激光束的數(shù)量及偏振狀態(tài)。其中入射、出射通光面皆切割成布氏角(以下稱為雙布氏切割)的激光變頻器，不用鍍膜即可使反射損耗降到幾乎為零，特別適用于不易鍍膜的紫外、真空紫外激光的頻率變換，其原理詳述如下。
根據(jù)描述入射平面電磁波在兩種不同介質交界面上發(fā)生折射和反射的菲涅爾方程組，可解得在分界面上反射波強度與入射波強度之比，即反射比R的表達式(參見E.赫克特，A.贊斯著；秦克誠，詹達三，林福成譯《光學》，1979年7月第1版，第141、466、468頁)R||=tan2(θi-θt)tan2(θi+θt),R⊥=sin2(θi-θt)sin2(θi+θt)·················(1)]]>式中R‖表示入射波中電場矢量在入射面內振動部分的反射比，R⊥表示入射波中電場矢量垂直于入射面振動部分的反射比，θi、θt分別為入射角和折射角，如圖3所示。在圖3中，AB為入射通光面，EF為入射通光面的法線，入射光IO與法線EF構成入射面。相應地，出射通光面CD的法線RS與出射線OQ構成出射面。
由(1)式可見，不論θi、θt為何值，R⊥總不為零。即是說，與入射面垂直振動的光在界面上的反射是不可避免的。對于R‖，則當θi+θt＝90°時，tan90°為無窮大，所以在界面上的反射為零。通常將R‖＝0時的θi表為θB＝tan-1(n2/n1)就是所謂的布氏角。式中n1和n2分別為介質1和介質2相應于入射光波長的折射率。當光折射到介質2中后，如果入射光對介質2的折射率不發(fā)生變化，那么出射光相對于出射通光面的布氏角θ′B＝tan-1(n1/n2)，正好就是90°-θB，按此切割出的出射通光面與入射通光面平行，圖2所示的切割方式就是根據(jù)這一原理進行的。這種布氏切割減反射的效果相當不錯，如果加工精確，可達到幾乎100％的透過。這在光學界早已得到廣泛的應用。
但是，在將上述布氏切割方法用于激光變頻器通光面的減反射時，效果并不好。其根本原因在于，人們一直忽略了一個重要的事實入射基頻光在非線性光學晶體變頻器內產生的變頻光，其振動方向都會發(fā)生變化，因而出射通光面的布氏切割方式不應如圖2所示那樣，而應該根據(jù)變化后的變頻光的振動方向作相應的改變，以保證出射光在出射面內振動。下面根據(jù)圖2舉一例進一步加以說明。
對于負單軸非線性光學晶體CsLiB6O10(簡稱CLBO)作成的倍頻器，在進行I型相位匹配的532nm→266nm的倍頻轉換時，只有當基頻光532nm為o光(垂直于光軸振動)，產生的倍頻光266nm為e光(在光軸所在的平面內振動)時，倍頻轉換才能有效地進行。由此可見，在這里，產生的倍頻光的偏振態(tài)與基頻光的偏振態(tài)是互相垂直的。如果倍頻器的出射通光面還是按照圖2所示的方法切割，即是將出射通光面切割成與入射通光面平行，那么對于倍頻光在出射通光面的反射比是用R⊥來表示，而不是用R‖。R⊥的值可計算如下已知空氣折射率n1＝1，CLBO在λ＝532nm時的o光折射率n5320=1.4985,]]>I型相位匹配條件要求n5320=n266e,]]>所以266nm的e光折射率也為1.4985。經(jīng)計算可知入射通光面的布氏角θB＝tan-1(n2/n1)＝56°17′，出射通光面的θ′B＝tan-1(n1/n2)＝33°43′＝90°-θB，即出射通光面的布氏角正好是入射通光面的折射角。
如果532nm基頻光垂直入射到具有長方體形狀倍頻器的通光面(如圖1所示的情形)，根據(jù)菲涅耳相關公式(參見前述的《光學》第157頁)，可算出正入射時的反射比R⊥=R||=(n1-n2)2(n1+n2)2=(1-1.4985)2(1+1.4985)2=4%.]]>兩個通光面的反射損失共計為8％。即是說，在用非線性光學晶體CLBO進行I型相位匹配激光倍頻時，按圖2切割成布氏角的平行通光面造成的反射損失，比不切成布氏角的正入射通光面的反射損失還要大75％。
圖2所示的平行通光面布氏角切割方式，不但不能減少倍頻器的反射損耗，反而加大了損耗。制作變頻器的介質的折射率n越大，這種損耗就越大，當n＝2時，損耗達36％。對于其它類型的倍頻轉換，其本質都與此相同。象圖2所示那種兩通光面互相平行的布氏切割方法，都不能使變頻器取得減反射的效果。
根據(jù)這一現(xiàn)象，本發(fā)明提出一種非平行通光面的布氏角切割方法。利用此法作成的變頻器，能真正達到減反射的目的。該法的基本準則如下對于一束激光入射進行倍頻的雙布氏切割情形，在非線性光學晶體倍頻器入射通光面按符合相位匹配原則切割成減反射的布氏角后，根據(jù)變頻光的振動方向，確定出射通光面的切割方位。以確保倍頻光在出射面內振動為條件，進行出射通光面的切割。
此外，本發(fā)明提出的非平行通光面激光變頻器還包括以下只將一個通光面切割成布氏角而另一通光面保留為垂直于通光方向的單布氏切割變頻器對于兩束不同的激光混頻為一束激光的二波混頻情形，由于不可能找到一個布氏角能同時滿足兩束光都能減反射的要求，在這種情況下，入射面按常用變頻器切割方式進行切割，即使入射通光面垂直于激光入射方向，并鍍上對入射的兩束光都能減反射的增透膜(又叫雙增透膜)，而出射通光面則根據(jù)混頻后的差頻或和頻光的偏振方向，確定出射通光面布氏角的切割方位，以保證差頻光或和頻光在出射面內振動為條件，來進行出射通光面的布氏角切割。
二波混頻變頻器的出射通光面，當然也可以采用正出射的切割方式，即通光面垂直于出射線，然后在出射通光面鍍上與出射光相應的減反膜。如前所述，問題在于當出射光波長小于400nm時，鍍減反膜就很困難，到了真空紫外波段(小于200nm)，不但鍍膜非常困難，價格也十分昂貴。這時若采用本發(fā)明提供的上述方法切割出射通光面，則不但可達到幾乎100％的出射，而且成本也會大大降低。
對于紅外光向可見光方向的倍頻，也可將倍頻器的入射通光面作成布氏切割通光面而出射通光面為垂直于通光方向的平面并鍍膜；對于可見光，特別是藍紫光向紫外、真空紫外方向的倍頻，也可將入射通光面作成垂直于通光方向的平面并鍍膜，而出射通光面作成布氏切割通光面。
如前所述，由于相位匹配條件的要求，變頻光與入射基頻光不在同一個平面內振動，故本發(fā)明提供的減反射布氏切割變頻器的兩個通光面不再是相互平行的平面。
這種非平行通光面激光變頻器可分為三類(1)對于雙布氏切割的I型相位匹配倍頻器，其出射面與入射面的夾角為90°(相互垂直)；(2)對于雙布氏切割的II型相位匹配倍頻器，其出射面與入射面間的夾角為45°；(3)對于單布氏切割的變頻器，其出射通光面與入射通光面之間的夾角為出射通光面的布氏角，或入射通光面布氏角的余角；對于雙軸非線性光學晶體，在切割通光面時，還需將入射光的電場矢量振動方向與光束和Z軸構成的平面之間的夾角δ考慮進去。
為進一步闡明本發(fā)明的技術特征，下面配合附圖再加以詳述
圖1.一般非線性光學晶體變頻器的長方體切割形狀示意圖。
圖2.慣用的布氏角通光面切割方法示意圖。
圖3.入射光在界面上的反射和折射示意圖。
圖4.本發(fā)明提出的正單軸晶I型相位匹配雙布氏切割非平行通光面激光倍頻器立體示意圖。
圖5.本發(fā)明提出的用于正單軸晶I型相位匹配雙布氏切割非平行通光面激光倍頻器側視示意圖。
圖6.本發(fā)明提出的用于負單軸晶I型相位匹配雙布氏切割非平行通光面激光倍頻器側視示意圖。
圖7.線偏振光在非線性光學晶體中分解為o光和e光的示意圖。
圖8.本發(fā)明提出的用于正單軸晶II型相位匹配雙布氏切割非平行通光面激光倍頻器側視示意圖。
圖9.本發(fā)明提出的用于負單軸晶II型相位匹配雙布氏切割非平行通光面激光倍頻器側視示意圖。
圖10.慢光e1和快光e2在雙軸非線性光學晶體中的方位，以及本發(fā)明提出的雙軸晶I型相位匹配雙布氏切割非平行通光面激光變頻器立體示意圖。
圖11.本發(fā)明提出的用于正單軸晶I型相位匹配單布氏切割非平行通光面激光二波混頻器的側視示意圖。
圖12.本發(fā)明提出的用于負單軸晶I型相位匹配單布氏切割非平行通光面激光二波混頻器側視示意圖。
圖13.本發(fā)明提出的用于正單軸晶I型相位匹配單布氏切割非平行通光面激光倍頻器側視示意圖。
圖14.本發(fā)明提出的用于負單軸晶I型相位匹配單布氏切割非平行通光面激光倍頻器側視示意圖。
實施例一制作正單軸晶I型相位匹配雙布氏切割非平行通光面激光倍頻器。正單軸晶I型相位匹配的特點是e+e→o即入射基頻光為e光，入射到非線性光學晶體中通過自身相互作用后產生倍頻o光，因而倍頻光的振動面相對于基頻光旋轉了90°。為保證倍頻光出射時能在出射面內振動，其出射通光面的布氏角切割方位也要作相應的調整，即使得出射面與入射面垂直，具體制作方法可分為如下三個步驟。
1、切割長方體倍頻器基體。
按所要求變換的激光波長的折射率求出正單軸晶I型相位匹配的匹配角θ，φ。在正單軸非線性光學晶體中，按倍頻轉換要求的尺寸大小(長度方向上要預先留出切割布氏角的余量)，切割出通光方向為θ、φ的長方體，如圖4中的ABDCEFHG所示。兩通光面ABDC和EFHG垂直于通光方向WO(WO與光軸OZ的夾角為θ，其在另外兩個主軸OX和OY構成的平面XOY上的投影OP與OX軸的夾角為φ)，兩側面ABFE和CDHG分別平行于主截面(對單軸晶體而言，包含光軸OZ和光束在內的平面叫主截面)ZOP面。四條棱邊AE、BF、CG以及DH全都與相位匹相方向WO(也即通光方向)平行。
2、切割布氏角入射通光面考慮到正單軸晶I型相位匹配要求入射光的振動方向平行主截面，故入射通光面的布氏角必須以BD(或CA)為角頂線(這里所謂的“角頂線”，是指構成立體角的兩個平面相交的交線，如圖4中構成立體布氏角的兩個平面MBDN和BFHD相交的交線)進行切割，以使得切出的布氏角入射通光面MBDN的入射面(由入射通光面MBDN的法線QT和入射線IQ構成的平面)與主截面ZOP平行。在此平面內振動的入射光，不但滿足正單軸晶I型相位匹配需要e光入射的要求，還同時滿足減反射布氏切割的要求。
3、切割布氏角出射通光面基頻入射光IQ無反射地沿通光方向WO折射入倍頻器后，由于自身的相互作用，產生出倍頻o光。為保證倍頻光能在出射面內振動，出射通光面的布氏角必須以EF(或GH)為角頂線進行切割。如此切割出來的出射通光面EFLK的出射面(由出射通光面EFLK的法線RS和出射線QR構成的平面)QRS即與主截面ZOP垂直，保證了出射的倍頻o光在出射面內振動的要求，故使倍頻光能無反射地由EFLK面射出。
將入射通光面MBDN和出射通光面EFLK精密拋光，，即制得本發(fā)明提出的，用于正單軸晶I型相位匹配的雙布氏切割非平行通光面激光倍頻器MBDNKLFE，如圖4中粗實線的圖形所示。從垂直于主截面ZOP的方向看去，可得到如圖5所示的圖4中粗實線所繪圖形的側視圖。此側視圖完全能反映圖4中所繪的本發(fā)明提出的非平行通光面激光變頻器的主要特征。而且圖形簡潔明晰，故在下面的實施例中，對于單軸非線性光學晶體非平行通光面激光變頻器，都只給出相關的側視圖。其中橫座標OP即如圖4中那樣，表示通光方向WO在XOY面上的投影，其與OX軸的夾角為相位匹配角φ。并按國際光學界通行的約定，以“”表示光束在平行于ZOP平面的方向上振動；以“●”表示光束在垂直于ZOP平面的方向上振動。
實施例二制作負單軸晶I型相位匹配的雙布氏切割非平行通光面激光倍頻器。負單軸晶I型相位匹配的特點是o+o→e，即入射基頻光為o光，沿通光方向WO入射到非線性光學晶體中通過自身相互作用后產生倍頻e光。即倍頻光的振動方向相對于基頻光旋轉了90°，為保證倍頻光出射時能在出射面內振動，其出射通光面的布氏切割方位也要作相應的調整，即要使出射面與入射面垂直。具體制作時，第一步與實施例一的第一步相同。第二步切割入射通光面的布氏角時，是以AB(或CD，見圖4)為角頂線進行切割。第三步切割出射通光面的布氏角時，是以FH(或EG，見圖4)為角頂線進行切割的。圖6示出本發(fā)明提出的用于負單軸晶I型相位匹配雙布氏切割激光倍頻器的側視圖。入射光在入射面內垂直于主截面ZOP振動，而出射光在出射面內平行于主截面ZOP振動，完全滿足相位匹配條件和減反射布氏通光面切割要求。
實施例三制作正單軸晶II型相位匹配雙布氏切割非平行通光面激光倍頻器。正單軸晶II型相位匹配的特點是o+e→o。即線偏振激光沿通光方向入射到非線性光學晶體后分解為o光和e光，這兩束光相互作用的結果產生倍頻o光。只當基頻光的振動方向與主截面ZOP成45°時，分解的o光和e光的振幅之和才最大，如圖7所示。圖中所示的情形相當于θ＝90°，即OP與OW重合。01為線偏振光，在與主截面成45°的平面內振動。02為分解的e光。03為分解的o光。為保證基頻光01在入射面內振動，入射通光面的布氏角切割方位應定在使01所在的平面為入射面的位置上。因為產生的倍頻光為o光，所以出射通光面布氏角的切割方位應使其出射面與主截面ZOP垂直。在具體制作時，第一步及第三步與實施例一的第一步和第三步相同。第二步在切割入射通光面的布氏角時，因為只要求入射面與主截面ZOP相交為45°，故圖4中長方體ABDCEFHG的通光面ABDC的四個頂點中的任一點，都可以作為布氏角切割的頂點，然后沿對角線AD或BC進行布氏角入射通光面的切割。圖8為本發(fā)明提出的用于正單軸晶II型相位匹配雙布氏切割非平行通光面激光倍頻器的側視圖，入射光在與主截面ZOP成45°夾角的入射面內振動，而出射光在垂直于主截面ZOP的出射面內振動。完全滿足相位匹配條件和減反射布氏通光面切割要求。出射面與入射面相交為45°。
實施例四制作負單軸晶II型相位匹配雙布氏切割非平行通光面激光倍頻器。負單軸晶II型相位匹配的特點是o+e→e，即線偏振激光沿通光方向入射到非線性光學晶體中后分解為o光和e光。這兩束光相互作用的結果產生倍頻e光。只當基頻線偏振光的振動方向與主截面ZOP成45°時，分解的o光和e光的振幅之和才最大，如圖7所示。為保證此入射光在入射面內振動，入射通光面的布氏角切割方位應定在使其入射面與主截面ZOP夾角也為45°的位置上。因為產生的倍頻光為e光，所以出射通光面布氏角切割的方位應使其出射面與e光的振動面重合。具體切割時，第一步與實施例一的第一步相同，第二步與實施例三的第二步相同，即在切割入射通光面的布氏角時，可選擇圖4中長方體通光面ABDC的任一頂點作為布氏角切割的頂點，然后沿對角線AD或BC進行布氏角入射通光面的切割，以使入射面與主截面ZOP相交為45°。第三步切割出射通光面的布氏角時，是以圖4中的EG(或FH)為角頂線進行切割的。圖9是本發(fā)明提出的用于負單軸晶II型相位匹配雙布氏切割非平行通光面激光倍頻器的側視圖。出射光在與主截面ZOP平行的出射面內振動，而入射光在與主截面ZOP相交為45°的入射面內振動，滿足相位匹配條件和減反射布氏通光面切割要求，出射面與入射面相交為45°。
實施例五制作雙軸晶I型相位匹配雙布氏切割非平行通光面激光倍頻器。雙軸晶I型相位匹配的方式是e1+e1→e2其中e1為慢光，e2為快光，且e1e2。
在雙軸晶中，對于一個給定的光束傳播方向，光波的振動方向由Biot-Fresnel定理確定[參見謝繩武、郭嘉榮、趙家駒《上海交通大學學報》，1982年第1期，第37～52頁；Hiromasa Ito，Journal of AppliedPhysics.Vol.46，No.9.(1975)P3992-3998]，如圖10所示。圖中OA，OB為光軸，同在XOZ平面內。光束沿WO方向傳播，方位角為θ、φ(在相位匹配方向上即為相位匹配角)。光束中的慢光e1總是在OQA與OQB兩平面構成的球面三角AQB的角平分面OJQD上垂直于OW振動。在Q點，e1與ZQP面之間的夾角δ可由下式確定ctg2δ=ctg2Ωsin2θ-cos2θcos2φ+sin2φcosθsin2φ······················(2)]]>式中Ω為光軸角。對于雙軸晶三個主軸折射率之間的關系為nx＜ny＜nz的情形，sinΩ=nzny(ny2-nx2nz2-nx2)12]]>對于nx＞ny＞nz的情形cosΩ=nxny(ny2-nz2nx2-nz2)12]]>求出Ω后，連同相位匹配角θ、φ一同代入公式(2)中，即可求出δ。δ角的量級在幾度范圍之內，由(2)式可見，當θ＝90°，或φ＝0°或90°時，δ＝0。
在具體制作時，應使入射面與e1的振動面重合來切割入射通光面，因此，第一步在制作非線性光學晶體的長方體倍頻器基體時，圖4中的兩側面ABFE和CDHG應分別平行于圖10中與ZOP面相交為δ角的OJQD平面。即是將圖4中的長方體ABDCEFHG以通過兩端面ABDC和EFHG中心的通光方向WO為軸轉動一個角度δ后(圖10中用點線所畫的長方體的位置相當于圖4中長方體所在位置，而用虛線所畫的長方體表示轉動δ角后的位置)，再進行長方體倍頻器基體的切割。其第二步、第三步制作方法與實施例一的第二、第三步相同，從垂直于圖10中OJQD平面的方向看去，此類非平行通光面激光倍頻器的側視圖與圖5相同，入射面與出射面相互垂直。
實施例六制作雙軸晶II型相位匹配雙布氏切割的非平行通光面激光倍頻器。雙軸晶II型相位匹配的方式是e1+e2→e2。即入射線偏振光要在雙軸晶中分解為e1和e2，此兩束光相互作用后產生e2偏振的倍頻光。與實施例五相同，雙軸晶中的e1是在與ZOP面相交為δ的平面OJQD內振動，所以入射線偏振光的振動面應與圖10中的OQB和OQA兩平面構成的球面三角AQB的角平分面OJQD相交成45°。具體制作時，第一步與實施例五的第一步相同，即將圖4中的長方體ABDCEFHG以通光方向WO為軸轉動一個角度δ后，再進行長方體倍頻器基體的切割。第二、第三步與實施例三的第二、第三步相同。從垂直于圖10中OJQD平面的方向看去，此類非平行通光面激光倍頻器的側視圖與圖8相同，入射面與出射面相交為45°。
實施例七制作正單軸晶I型相位匹配單布氏切割非平行通光面激光二波混頻器。正單軸晶I型相位匹配二波混頻的特點是e+e→o，這里的兩個e代表的是兩個不同波長的e光作為入射光。由于波長不同，不可能找到一個布氏角能同時滿足這兩個波的減反射切割要求，所以本例的入射通光面應按常規(guī)的辦法作成正入射的垂直表面，精密拋光后鍍上對兩束入射光都增透的雙增透膜。在具體制作時，第二個步驟就省了，第一步和第三步都與實施例一的相同。圖11示出本發(fā)明提出的用于正單軸晶I型相位匹配單布氏切割非平行通光面激光二波混頻器的側視圖。兩通光面之間的夾角為出射通光面的布氏角θ′B＝tan-1(n1/n2)。
實施例八制作負單軸晶I型相位匹配單布氏切割非平行通光面激光二波混頻器。負單軸晶I型相位匹配的特點是o+o→e。這里的兩個o代表兩束不同波長的o光作為入射光。由于波長不同，不可能找到一個布氏角能同時滿足這兩個波長的減反射切割要求。所以本例的入射通光面應按常規(guī)的辦法作成正入射的垂直表面，精密拋光后鍍上對兩束入射光都增透的雙增透膜，在具體制作時，第二個步驟就省了。第一步和第三步都與實施例二的相同。圖12示出本發(fā)明提出的用于負單軸晶I型相位匹配單布氏切割非平行通光面激光二波混頻器的側視圖。兩通光面之間的夾角為出射通光面的布氏角θ′B。
制作用于正、負單軸晶II型相位匹配單布氏切割非平行通光面激光二波混頻器的方法，與實施例七和例八基本相同，只是兩束入射混頻光一個是e光，一個是o光。因為II型相位匹配的特點是o(e)+e(o)→o(正單軸晶)或o(e)+e(o)→e(負單軸晶)。將圖11中的兩束入射e光中的一束改為o光，即為正單軸晶II型相位匹配單布氏切割非平行通光面激光二波混頻器的側視圖；將圖12中的兩束入射o光中的一束改為e光，即為負單軸晶II型相位匹配單布氏切割非平行通光面激光二波混頻器的側視圖。
此兩種結構類型的變頻器還特別適于藍紫光向紫外、真空紫外方向的倍頻。
實施例九制作入射通光面為布氏切割面而出射通光面垂直于通光方向的正單軸晶I型相位匹配非平行通光面激光倍頻器。正單軸晶I型相位匹配的特點是e+e→o，即入射基頻光為e光，倍頻光為o光。制作布氏切割入射通光面的第一步和第二步與實施例一相同，第三步就省掉了。出射通光面精密拋光后鍍上對倍頻光的增透膜。其側視投影圖如圖13所示。入射通光面與出射通光面之間的夾角為90°-θB，θR為入射通光面的布氏角。
此種結構類型的變頻器特別適于紅外光向可見光方向的倍頻。
實施例十制作入射通光面為布氏切割面而出射通光面垂直于通光方向的負單軸晶I型相位匹配非平行通光面激光倍頻器。負單軸晶I型相位匹配的特點是o+o→e，即入射基頻光為o光，倍頻光為e光。制作布氏切割入射通光面的第一步和第二步與實施例二相同，第三步就省掉了。出射通光面精密拋光后鍍上對倍頻光的增透膜。其側視投影圖如圖14所示。入射通光面與出射通光面之間的夾角為90°-θB，θB為入射通光面的布氏角。。
此種結構類型的變頻器特別適于紅外光向可見光方向的倍頻。
以上實施例只對本發(fā)明進行說明，并不構成對本發(fā)明的限制，例如對雙軸晶單布氏切割非平行通光面激光二波混頻器的制作方法，就與實施例七和例八基本相同，只是在切割非線性光學晶體的長方體變頻器基體時，要象實施例五那樣把δ角考慮進去等等。
權利要求
1.一種非平行通光面的激光變頻器，由非線性光學晶體加工而成；該變頻器的外形為六面體，包含兩個通光面(其中至少有一個切割成布儒斯特角)以及四個側面；其特征在于入射通光面和出射通光面互不平行，相應的出射面與入射面之間具有一定夾角，其夾角大小，取決于非線性光學晶體的晶軸類型、相位匹配類型及入射激光束的數(shù)量和偏振方向，其變化范圍從45°～90°。
2.按照權利要求1所述的非平行通光面的激光變頻器，當入射、出射通光面皆切成布儒斯特角時，其特征在于對于正或負單軸非線性光學晶體的I型相位匹配，該變頻器的入射面與出射面之間的夾角為90°，一對側面與通光方向和光軸構成的主截面平行。
3.按照權利要求1所述的非平行通光面的激光變頻器，當入射、出射通光面皆切成布儒斯特角時，其特征在于對于正或負單軸非線性光學晶體的II型相位匹配，該變頻器的入射面與出射面之間的夾角為45°，一對側面與通光方向和光軸構成的主截面平行。
4.按照權利要求1所述的非平行通光面的激光變頻器，當入射、出射通光面皆切成布儒斯特角時，其特征在于對于雙軸非線性光學晶體I型相位匹配，該變頻器的入射面與出射面之間的夾角為90°，一對側面與通光方向和主軸構成的截面間夾角為δ；δ由下式確定ctg2δ=ctg2Ωsin2θ-cos2θcos2φ+sin2φcosθsin2φ]]>式中Ω為雙軸晶的光軸角，θ、φ為相位匹配角。
5.按照權利要求1所述的非平行通光面的激光變頻器，當入射、出射通光面皆切成布儒斯特角時，其特征在于對于雙軸非線性光學晶體II型相位匹配，該變頻器的入射面與出射面之間的夾角為45°，一對側面與通光方向和主軸構成的截面間的夾角為δ；δ由下式確定ctg2δ=ctg2Ωsin2θ-cos2θcos2φ+sin2φcosθsin2φ]]>式中Ω為雙軸晶的光軸角，θ、φ為相位匹配角。
6.按照權利要求1所述的非平行通光面的激光變頻器，當出射通光面為布氏切割面而入射通光面為垂直于通光方向的平面時，其特征在于對于正或負單軸非線性光學晶體型I型或II型相位匹配，該變頻器的入射通光面與出射通光面之間的夾角為出射光的布氏角θ′B，θ′B按下式計算tanθ′B＝n1/n2；當出射通光面為垂直于通光方向的平面而入射通光面為布氏切割面時，該變頻器的入射通光面與出射通光面之間的夾角為90°減去入射光的布氏角θB，θB按下式計算tanθB＝n2/n1，其中n1為空氣折射率，n2為制作該變頻器的非線性光學晶體的折射率。
7.一種非平行通光面的激光變頻器的制作方法，主要包括非線性光學晶體的定向、變頻器的切割和兩個通光面的精密拋光；其特征在于該變頻器的加工首先要確定變頻器的類型；在入射通光面按符合相位匹配原則切割成減反射的布氏角或垂直于通光方向的通光面后，按需要決定出射通光面的切割形式；對于出射通光面也是布氏切割的情形，則根據(jù)變頻光的振動方向，確定出射通光面的布氏切割方位，以確保變頻光在出射面內振動為條件，進行出射通光面的布氏切割。
8.按照權利要求7所述的非平行通光面的激光變頻器的制法，其特征在于制作出射、入射通光面皆切成布儒斯特角的激光倍頻器A、按非線性光學晶體的晶軸類型、相位匹配類型及所需變換的激光波長在該晶體中的折射率，求出相位匹配角θ、φ，然后在該晶體中按頻率轉換要求的尺寸大小，切割出通光方向為θ、φ的平行六面體，其中兩個垂直于通光方向的面為通光面，平行于通光方向的四個面為側面；對于單軸非線性光學晶體的情形，其中一對側面平行于通光方向與光軸構成的主截面；對于雙軸非線性光學晶體的情形，其中一對側面與通光方向和主軸構成的截面之間的夾角為δ；B、按公式tanθB＝n2/n1(n1空氣折射率，n2為所需變換的激光波長在用來制作變頻器的非線性光學晶體中的折射率)求出入射光的布氏角；根據(jù)相位匹配的需要，確定入射基頻光的偏振方向，從而確定入射通光面的布氏切割方位，然后將步驟A中作成的兩通光面之一切割成所需的布氏角，制得入射通光面；C、按公式tanθ′B＝n1/n2(n1，n2的定義如B中所述)求出出射光束的布氏角θ′B；根據(jù)相位匹配的需要確定出射倍頻光的偏振方向，從而確定出出射通光面的布氏切割方位，然后將步驟A中制得的另一通光面切割成所需的布氏角，即制得出射通光面；D、將步驟B中制得的入射通光面和步驟C中制得的出射通光面精密拋光。
9.按照權利要求7所述的非平行通光面的激光變頻器制作方法，其特征在于制作入射通光面為垂直于通光方向的平面，出射通光面被切成布儒斯特角的倍頻器或二波混頻器A、按非線性光學晶體的晶軸類型、相位匹配類型及基頻光或參與混頻的兩束激光在該非線性光學晶體中的折射率，求出倍頻或二波混頻的相位匹配角θ、φ，然后在該晶體中按倍頻或二波混頻要求的尺寸大小，切割出通光方向為θ、φ的平行六面體；其中兩個垂直于通光方向的面為通光面，平行于通光方向的四個面為側面；對于單軸非線性光學晶體的情形，其中一對側面平行于通光方向與光軸構成的主截面；對于雙軸非線性光學晶體的情形，其中一對側面與通光方向和主軸構成的截面之間的夾角為δ；B、按公式tanθ′B＝n1/n2(n1為空氣折射率，n2為倍頻光或兩入射激光混頻后產生的混頻光的折射率)求出出射光束布氏角θ′B；根據(jù)相位匹配的需要，確定出射倍頻光或混頻光的偏振方向，從而確定出出射通光面的布氏切割方位；然后將步驟A中作成的兩通光面之一切割成所需的布氏角，即制得出射通光面；C、將步驟A中制得的另一個垂直通光面及步驟B中制得的出射通光面精密拋光，并在垂直通光面上鍍上對基頻光的增透膜或對兩束入射激光同時增透的雙增透膜。
10.按照權利要求7所述的非平行通光面的激光變頻器制作方法，其特征在于制作入射通光面為布氏切割通光面而出射通光面垂直于通光方向的倍頻器A、按非線性光學晶體的晶軸類型、相位匹配類型及用來倍頻的基頻光在該非線性光學晶體中的折射率，求出倍頻的相位匹配角θ、φ，然后在該晶體中按倍頻要求的尺寸大小，切割出通光方向為θ、φ的平行六面體；其中兩個垂直于通光方向的面為通光面，平行于通光方向的四個面為側面；對于單軸非線性光學晶體的情形，其中一對側面平行于通光方向與光軸構成的主截面；對于雙軸非線性光學晶體的情形，其中一對側面與通光方向和主軸構成的截面之間的夾角為δ；B、按公式tanθB＝n2/n1(n1為空氣折射率，n2為倍頻光的折射率)求出入射光束的布氏角θB，根據(jù)相位匹配的需要，確定入射倍頻光的偏振方向，從而確定出入射通光面的布氏切割方位；然后將步驟A中作成的兩通光面之一切割成所需的布氏角，即制得入射通光面；C、將步驟A中制得的另一個垂直通光面及步驟B中制得的入射通光面精密拋光，并在垂直通光面上鍍上對倍頻光的增透膜。
全文摘要
本發(fā)明提出非平行通光面的激光變頻器及其制造方法。該變頻器是布氏切割減反射激光變頻器,其特點是兩個通光面互不平行,相應的出射面與入射面之間的夾角取決于非線性光學晶體的晶軸類型,相位匹配類型及入射基頻光的數(shù)量和偏振狀態(tài),變化范圍在45°～90°之間。其制作的關鍵是按出射變頻光的振動方向來確定出射通光面的布氏角切割方位。按此法加工出的布氏切割激光變頻器,能真正將反射損耗減少到幾近于零,對紫外及真空紫外等不易鍍膜的激光變頻領域有重要的應用價值。
文檔編號G02F1/35GK1233094SQ99103558
公開日1999年10月27日 申請日期1999年4月2日 優(yōu)先權日1999年4月2日
發(fā)明者沈德忠, 沈光球, 王曉青, 王曉洋 申請人:清華大學, 國家建筑材料工業(yè)局人工晶體研究所