[发明专利]一种特殊切角的BBO晶体、一种三倍频光学变频器及其工作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种特殊切角的BBO晶体、一种三倍频光学变频器及其工作方法，属于激光和非线性光学技术领域。

背景技术

目前，体块非线性光学(NLO)晶体仍然是光学频率上转换的主要介质，比较常用的有KTP、KDP、BBO、LBO等。对于近红外激光的三倍频(THG)，通常采用级联变频方式实现，传统情况下需要两块非线性光学晶体：第一块晶体产生倍频波(SHG)，第二块对基频波与倍频波进行和频(SFG)，产生三倍频波。

中国专利文献CN105911793A公开了一种基于单块磷酸盐晶体的级联光学变频器及其应用。该光学变频器，包括沿光路方向设置的第一分束镜、磷酸盐晶体、偏振转换模块、第二分束镜和第三分束镜。本发明以磷酸盐晶体作为非线性光学介质，利用四分之一波片改变倍频光偏振态，利用折返光路进行倍频、三倍频的级联变频，在一块晶体中实现了从近红外激光到紫外激光的直接输出；

中国专利文献CN105549295A公开了一种兼具非临界相位匹配倍频、三倍频性能的紫外激光变频器及其工作方法，包括基频光源、缩束系统、第一反射镜、非线性光学晶体、四分之一波片、第二反射镜及滤波片，非线性光学晶体X轴和Z轴的角平分线，与基频光的偏振方向的夹角为0-5°，四分之一波片的光轴方向与基频光的偏振方向的夹角为0-5°；第一反射镜与光路的中心轴的夹角为35-55°；非线性光学晶体为GdxY1-xCOB晶体，当基频光波长为1064nm时，x的取值范围为0.18-0.22,当基频光波长为1053nm时，x的取值范围为0.11-0.15。

上述两篇专利文献公开了两种仅用一块非线性光学晶体实现三次谐波转换的装置，分别应用于KDP、ADP类,以及Gd_xY_1-xCOB晶体。这几种晶体共同特征是：其倍频与和频的最佳切向(即有效二阶非线性光学系数最大的方向)比较相近。对于KDP、ADP类晶体，切割角在主平面内(θ＝60°，φ＝0°)附近，所实现的级联三倍频先后由II类倍频和II类和频构成。对于Gd_xY_1-xCOB晶体，切割角在主轴Y、上，即(θ＝90°，φ＝90°)，为非临界相位匹配方向，所实现的级联三倍频先后由II类倍频和I类和频构成。整体而言，上述晶体的有效非线性光学系数普遍不高，并且KDP、ADP类晶体有潮解性能，而Gd_xY_1-xCOB晶体对组分的依懒性高、紫外光辐照时易出现灰迹损伤，这些因素不同程度地限制了上述器件的应用，通过寻找新的非线性晶体及切型有望弥补上述不足。

发明内容

针对现有单晶体级联三倍频技术中存在的潮解、非线性系数小、抗光伤阈值低等问题，本发明设计了一种特殊切角的BBO晶体，沿特殊空间方向加工，可实现高效级联三倍频输出。本发明提供BBO晶体的切割方式及其单晶体三倍频光学变频器的组装方法。

发明概述：

本发明用特殊方向切割的单块BBO晶体实现光学级联三倍频。BBO晶体在超宽近红外波段(750～1200nm)内II类倍频与I类和频的相位匹配角θ相差不超过3°，可作为该波段三倍频光学变频器的非线性介质，高效输出紫外或者紫色三倍频光。本发明提供了BBO晶体切割角度、长度的优选过程和研究结果。本发明还提供了基于上述特殊切角BBO晶体的三倍频光学变频器的组装和工作方法。测试表明，这种光学变频器的效果优于此前公布的ADP、KDP、Gd_xY_1-xCOB晶体。

本发明的技术方案为：

一种特殊切角的BBO(β-BaB₂O₄)晶体，其相位匹配角随基频光工作波长增加而减小。当基频光工作波长从750nm逐渐增加到1200nm过程中，所述BBO晶体对应的相位匹配角θ从A逐渐减小到B，A的取值范围为42.1°-52.1°，B的取值范围为24.2°-34.2°，所述BBO晶体的方位角φ为6°-16°；极坐标(θ,φ)表示所述BBO晶体的空间方向，相位匹配角θ为该方向与光学Z轴的夹角，方位角φ为该方向在XY平面内的投影与X轴的夹角；所述BBO晶体通光方向上的长度为6-14mm。

基于上述BBO晶体可以实现上述波段近红外激光的高效级联三倍频，输出波长范围在250-400nm的紫外或者紫色激光。