[发明专利]基于多片结构的非线性光学晶体激光变频耦合器

说明书

技术领域

本发明涉及紫外及深紫外全固态激光领域，特别涉及一种能产生高效率、高功率紫外、深紫外激光的非线性光学晶体变频耦合器件。

背景技术

目前波长200nm以下的深紫外全固态激光器，在物理、化学、材料、信息等学科领域具有重大的应用价值，并将促进一些交叉学科和一些新领域的发展(参见文献1和文献2)。

氟硼铍酸钾晶体(KBe₂BO₃F₂以下简称KBBF)棱镜耦合(PCT)技术是目前唯一可通过直接倍频产生波长200nm以下深紫外激光的方法(参见文献3和文献4)。

基于KBBF-PCT直接倍频技术的深紫外全固态激光源具有实用化与精密化的突出优点。近年来，大量研究及应用领域对高功率深紫外激光提出了迫切的需求，如193nm光刻技术、拉曼光谱技术、高精度能谱分析、光化学反应仪等。另一方面，Nd:YAG激光的四倍频266nm紫外激光具有波长短、光子能量大、聚焦特性好、热效应小等优点，在激光精细精密加工技术中有重大的应用价值。目前，获得四倍频266nm激光输出的非线性光学晶体主要有BBO、CLBO等，然而，对于BBO晶体，当四倍频输出功率超过300mW左右时将会出现严重的光折变效应，大大限制了266nm激光输出功率；采用CLBO晶体虽已可以获得几十瓦的266nm激光输出，但是CLBO晶体具有严重的潮解性，很难实现实用化与产业化应用。近年来，KBBF晶体以其优良的特性在四倍频266nm激光产生上展示出了极大的潜力(如文献5所示)，有望成为一种产生高功率四倍频激光的实用化晶体。

然而，目前通过KBBF-PCT技术高效率地产生高功率深紫外激光及四倍频266nm激光主要受限于KBBF晶体厚度，原因是，目前可实用的KBBF晶体厚度太薄(小于3mm)，远小于倍频所允许的孔径长度。例如，对于177.3nm、193.5nm及266nm激光的产生，当基频光光斑直径为500um时，倍频的孔径长度分别为 9.3mm、7.8mm、8.1mm，远大于目前所能得到的KBBF晶体厚度。

文献6公开的非线性光学晶体激光变频耦合器，其包括一非线性光学晶体，及非线性光学晶体的前端面上或后端面上单独或同时刻有衍射光栅；或者非线性光学晶体的前端面上刻有衍射光栅，后端面上放置一输出耦合棱镜；或非线性光学晶体的后端面上刻有衍射光栅，前端面上放置一输出耦合棱镜；其优点是：可以使没有按照位相匹配方向切割的非线性光学晶体实现位相匹配，获得变频输出；可以把那些不易切割、不能切割或由于造价昂贵而不便切割的非线性晶体使用起来，使之有效地应用于激光变频领域，为非线性光学晶体材料的充分应用提供一种重要途径。但是却存在的缺陷是：所述的非线性光学晶体为一块，对于不易长厚的非线性光学晶体，限制了激光变频的转换效率，不易获得高平均功率激光输出。

文献7公开的非线性光学晶体激光变频耦合器，虽然所述的非线性光学晶体可以为M块(M≥1)，非线性光学晶体之间使用匹配液粘接，然而，至今仍未发现可以适用于184nm以下光波的匹配液，限制了其在深紫外波段的应用，且匹配液无法将晶体真正粘接为一体，使用极不方便，因此，基于匹配液粘接的晶体难以实用化。

发明内容

本发明的目的在于，针对非线性光学晶体KBBF的厚度瓶颈及文献7中涉及到的基于匹配液粘接的晶体无法实用化的缺点，提出了采用光胶(超光滑表面光接触)粘接或离子键合粘接多块KBBF晶体以增加KBBF晶体厚度而制作基于多片结构的非线性光学晶体激光变频耦合器，从而实现高效率、高功率紫外、深紫外激光输出。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的基于多片结构的非线性光学晶体激光变频耦合器，其包括N块非线性光学晶体，N为≥2的正整数，该非线性光学晶体具有呈平板形的光束入射面和出射面，在非线性光学晶体的光束入射面上或同时在光束入射面及光束出射面上置有一耦合棱镜；其特征在于，所述N块非线性光学晶的c面光胶或离子键合粘合成一体，所述N块非线性光学晶体的a轴相互平行并上下对准，所述N块非线性光学晶体的a轴相互平行并上下对准的对准度为≤1°；所述N块非线性光学晶体的c轴相互平行并上下对准，所述N块非线性光学晶体的c轴相互平 行并上下对准的对准度为≤0.1°。

所述的非线性光学晶体为具有片状或层状结构的非线性光学晶体。所述具有片状或层状结构的非线性光学晶体为KBBF、RBBF、CBBF或NBBF等。

本发明的基于多片结构的非线性光学晶体激光变频耦合器的制作步骤如下(以非线性光学晶体KBBF为例)：