[发明专利]一种氟硼铍酸钾族晶体斜入射激光倍频器

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光倍频器，特别涉及一种氟硼铍酸钾(简称KBBF)族晶体斜入射激光倍频器。

背景技术

通过非线性光学晶体的变频技术(包括倍频、和频、差频等)产生新波段激光，已经得到广泛应用，这里的关键之一是非线性光学晶体及其变频器设计。非线性光学晶体在进行光学频率变换时要满足动量守恒也就是满足相位匹配条件。匹配的方式主要有：角度相位匹配、温度相位匹配和准相位匹配。例如对于常用的倍频过程，角度匹配是将特定偏振方向的激光沿非线性光学晶体的某一特定方向(相位匹配方向)通过，即可产生倍频激光；温度相位匹配是通过控制晶体的温度改变折射率满足匹配条件，但通常晶体折射率椭球随着温度的改变非常有限，所以温度匹配其实可以看做是角度匹配的一个有限修正；准相位匹配在介电超晶格中实现，通过人工调制超晶格倒格失，用于弥补晶体折射率色散引起的相位失配，这种方法实用性较差，应用较少。所以通常来说，倍频器需要沿着相位匹配方向切割加工成所需形状，并将两个通光面精密抛光，乃至镀覆各种所需光学膜层。这种倍频器激光一般是在入射表面上正入射或接近正入射进入非线性光学晶体。

一些非线性光学晶体由于其本征的结构特性，呈现强烈的层状习性，形态为片状晶体而沿某个面极易解理，因此难以沿相位匹配方向进行加工。例如氟硼铍酸钾族晶体(本文指两种：氟硼铍酸钾KBe₂BO₃F₂，简称KBBF；氟硼铍酸铷RbBe₂BO₃F₂，简称RBBF)由于层状生长习性，沿结晶学c面极易解理，沿c方向(即晶体光轴方向)难以长厚，晶体呈现薄片状，两个裸露的自然面为结晶学c面，也叫(001)面，或a-b面。利用KBBF族晶体进行激光倍频时很难按着该晶体的相位匹配方向进行切割。为解决上述困难，一种非线性光学晶体光接触棱镜耦合技术(PCT)及其器件被发明(ZL01115313.X；US6，859，305B2；日本专利4074124)，成功解决了KBBF族晶体相位匹配的难题，使得不易切割的KBBF族晶体与一定形状的棱镜结合，用于激光倍频实现深紫外激光(即波长短于200纳米)输出。该技术也属于角度相位匹配。

上述棱镜耦合器件中，KBBF族晶体和棱镜(一般为石英玻璃或氟化钙晶体)通过普通光胶耦合，由于是非同种材料光胶，结合力不强，而且界面两边材料的热膨胀系数不一样，在受热时会产生不一致的膨胀，导致两个光学元件分离或界面损坏。特别是当KBBF族棱镜耦合器件工作在中、高功率激光系统时，激光功率大，持续时间长，光胶界面处吸收大，温度过高，常常最先在界面处造成损坏，轻者影响激光光束质量，重者导致两个界面脱离，整个器件作废。尽管也发展了所谓的深度光胶技术(US8,773,750)，相比普通光胶提高了棱镜耦合器件的激光损伤阈值，但是相对于KBBF晶体本身的抗光损伤阈值来说，还是太低。例如，KBBF晶体本身的抗光损伤阈值非常高，对于1064纳米，脉冲宽度为80皮秒，重复频率1KHz的激光脉冲而言，其损伤阈值高达900GW/cm²；在基频光波长为390纳米，脉宽200飞秒，重复频率1KHz的激光辐照下，其损伤阈值也高达60GW/cm²。KBBF晶体比在相同条件下BBO晶体的抗激光损伤阈值大了将近一个数量级，在目前已知的非线性光学晶体中，KBBF具有最高的抗光损伤阈值。但是KBBF棱镜耦合器件对于1064纳米，脉冲宽度0.9纳秒，重复频率6KHz激光的损伤阈值只有300MW/cm²。

此外，棱镜耦合器件还有一个缺点，由于光胶了石英玻璃或氟化钙晶体棱镜，器件体积大，而且氟化钙和石英玻璃的导热性能差，在实用过程中不便于对KBBF晶体进行温度控制等热管理技术，从而不利于维持激光倍频输出功率的稳定性。

目前，利用KBBF族晶体实现1064纳米的四倍频266纳米输出也是通过棱镜耦合技术实现的，其最大的障碍就是棱镜器件光胶面率先损坏。棱镜耦合技术对于使用KBBF族晶体倍频实现深紫外激光输出是唯一的技术路线，但是当需要倍频输出266纳米激光时，棱镜耦合技术并非是唯一途径。

发明内容

本发明目的在于提供一种非线性光学晶体激光倍频器，该激光倍频器无需对非线性光学晶体按相位匹配角度进行切割加工，因而可以使得不易切割的非线性光学晶体能够实现相位匹配，实现激光倍频。