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CN116724470B - 使用分层非线性光学器件的腔内谐波产生 - Google Patents

使用分层非线性光学器件的腔内谐波产生 Download PDF

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CN116724470B CN202280010304.9A CN202280010304A CN116724470B CN 116724470 B CN116724470 B CN 116724470B CN 202280010304 A CN202280010304 A CN 202280010304A CN 116724470 B CN116724470 B CN 116724470B
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Abstract

本发明提出针对腔内谐波产生使用专门设计的分层非线性光学器件(LNO)。LNO产生谐波并通过全内反射将产生的谐波光束引导至与基波光束路径不同的路径，全内反射现象是指，当一个(“内部”)光学器件中的光充分倾斜地射到折射率低于内部光学器件的第二个(“外部”)光学器件的界面时，所有光都被反射。基波光束激光腔内的谐波不需要镀膜。产生的谐波光束也不会传播穿过基波光束腔内的任一表面。因此，本发明提高了腔内谐波产生激光器的可靠性，尤其是当谐波在紫外范围内时。

Description

使用分层非线性光学器件的腔内谐波产生
技术领域
在许多领域中存在激光应用，从生物医学、半导体到国防工业。不同的应用需要不同的波长。一些所需的波长很难通过直接的激光发射获得。扩展激光波长范围的一种方法是通过谐波产生。有两种产生谐波的方式，即腔内谐波产生和腔外谐波产生。本发明主要涉及腔内谐波产生。
背景技术
图1显示了一种用于腔内二次谐波产生(SHG)的已知方案。项107是泵浦增益介质102的泵浦光束。项101是反射基波光束108同时透射泵浦光束107的光学器件。激光腔在项101和项105之间，项105是反射基波光束108和二次谐波106的光学器件。基波光束108沿着由项101、项103以及项105限定的光束路径在腔内振荡。项103是反射基波光束108、但透射由SHG非线性光学器件104产生的二次谐波光束106的光学器件，项104的两表面镀有针对基波光束108和二次谐波106的防反射(AR)膜。项103、项104以及项105的镀膜暴露于二次谐波光束106，并且可能导致性能下降，尤其是当产生的二次谐波在UV范围内时。轻微的镀膜性能下降可能会导致输出功率的显著降低，因为它们是基波光束腔内的光学器件。
图2显示了一种用于腔内三次谐波产生(THG)的已知方案。项217是泵浦增益介质209的泵浦光束。项208是反射基波光束218同时透射泵浦光束217的光学器件。激光腔在项208和项214之间，项214是同时反射基波光束218和二次谐波216的光学器件。项210是反射基波光束218并透射剩余的二次谐波光束216的光学器件。基波光束218沿着由项208、项210以及项214限定的光束路径在腔内振荡。项213是产生二次谐波光束216的SHG非线性光学器件。基波光束218和二次谐波216两者都进入THG光学器件212、并产生三次谐谐波215。三次谐波215被项211反射出腔，项211还透射基波光束218和剩余的二次谐波216。项211和项212的镀膜暴露于三次谐波光束215并且可能导致性能下降，尤其是当产生的三次谐波在UV范围内时。轻微的镀膜性能下降可能会导致输出功率的显著降低，因为它们是基波光束腔内的光学器件。
发明内容
本发明提出针对腔内谐波产生使用专门设计的分层非线性光学器件(LNO)。LNO产生谐波并通过全内反射将产生的谐波光束引导至与基波光束路径不同的路径，全内反射现象是指：当在一个(“内部”)光学器件中的光充分倾斜地射到折射率低于内部光学器件的第二个(“外部”)光学器件的界面时，所有的光都被反射。基波光束激光腔内的谐波不需要镀膜。产生的谐波光束也不会传播穿过基波光束腔内的任何表面。因此，本发明提高了腔内谐波产生激光器的可靠性，尤其是当谐波在UV范围内时。
所提出的用于腔内谐波产生的LNO是分层结构，包括：产生谐波的一个非线性光学器件层，和用以通过全内反射将产生的谐波引导出基波光束腔的至少一个其它光学层。这些光学器件在没有任何粘合剂的情况下，例如使用光学接触而结合在一起。在基波光束腔内，无需针对产生的谐波镀膜。产生的谐波也不会传播穿过基波光束腔内的任意表面。所有层的基波光的折射率都可以被选择为匹配的，以最小化基波光束的损失。
附图说明
发明将参照附图进行描述。
图1显示了用于腔内二次谐波产生(SHG)的已知方案。
图2显示了用于腔内三次谐波产生(THG)的已知方案。
图3显示了用于腔内SHG的分层非线性光学器件或LNO。
图4显示了在腔内SHG中的LNO应用的示例。
图5显示了以用于反向反射二次谐波的第一种方式添加的反射光学器件。
图6显示了以用于反向反射二次谐波的第二种方式添加的反射光学器件。
图7显示了用于ooe SHG的LNO的详细示例。
图8显示了在腔内THG中的LNO应用的示例。
图9a显示了在侧面出射的三次谐波。
图9b显示了在底面出射的三次谐波。
图10显示了取代图8的三层LNO的两层LNO。
图11显示了用于ooe THG的LNO的示例。
图12显示了用于腔内四次谐波产生(FHG)的LNO。
图13显示了在使用两层LNO的单向激光器中的腔内SHG的示例。
具体实施方式
图3示出了用于腔内SHG的LNO。项319是夹在项318和项320之间的用于SHG的非线性光学器件，项318和项320被选择成使得它们针对二次谐波的折射率低于项319针对二次谐波的折射率。角度α被选择成使得：在项319内部产生的二次谐波322和二次谐波323在项318和项319之间的界面以及在项319和项320之间的界面经历全内反射，而基波光束321不会在任一界面经历全内反射。理解该结构的一种方法是：将项318和项319视为包层材料，该包层材料创建光导用以将二次谐波光束322和二次谐波光束323限制在项319内，直到二次谐波光束322和二次谐波光束323到达位于结构侧面的出射表面。出射表面可以被选择为布儒斯特表面，以避免需要AR镀膜。从基波光束321的视角考虑，项318、项319和项320的折射率可以被选择为彼此相同或几乎相同，以最小化基波光束321的损失。
应用于非线性光学器件的材料可以是：β-硼酸钡(beta-barium borate，β-BBO)、三硼酸锂(lithuim triborate，LBO)、硼酸铯锂(cesium lithium borate，CLBO)、氟代硼铍酸钾晶体(KBe2BO3F2，KBBF)、硼酸铋(bismuth borate，BiBO)、磷酸氧钛钾(potassiumtitanyl phosphate，KTP)、磷酸二氘钾(potassium dideuterium phosphate，KD*P)、周期性极化铌酸锂(periodically poled lithium niobate，PPLN)、周期性极化化学计量钽酸锂(periodically poled stoichiometric lithium tantalate，PPSLT)或周期性极化LaBGeO5(periodically poled LaBGeO5，PP-LBGO)。
应用于包层318和包层320的材料(较低折射率材料)可以是：α-硼酸钡(α-BBO)、β-硼酸钡(β-BBO)、三硼酸锂(LBO)、硼酸铯锂(CLBO)、KBBF(KBe2BO3F2)、硼酸铋(BiBO)、磷酸氧钛钾(KTP)、磷酸二氘钾(KD*P)，钒酸钇YVO4，铌酸锂LiNbO3，钽酸锂LiTaO3，LBGO，石英晶体，熔融石英，BK7和CaF2。
在图4中示出了在腔内SHG中的LNO应用的示例。项421和项424是形成基波光束激光腔的两个端部光学器件。项422是增益介质。因为本发明适用于所有泵浦方法，诸如光学、电学或其它泵浦方法，所以为清楚起见在本图中省略了泵浦源。基波光束427在由项421和项424限定的腔内振荡。项423是在图3中描述的LNO。项425和项426是由LNO产生的两个二次谐波光束。
如果希望只有一个输出光束而不是两个输出光束，则可以添加如图5或图6所示的光学器件428以反向反射二次谐波，从而使得只有一个输出二次谐波光束。光学器件428可以这样的方式设计，即，使得反向反射的二次谐波光束的空间模式与另一个二次谐波光束的空间模式相匹配。
定义一些术语会对接下来的讨论很有帮助。定义的术语将允许有效地讨论发明的特定方面，因为它涉及非线性光学。“双折射光学器件”是指：折射率根据撞击或穿过光学器件的光的偏振和传播方向而变化的光学器件。我们将术语“普通光(o)”定义为：偏振垂直于双折射光学器件光轴的光。我们将术语“非常光(e)”定义为：偏振和传播方向形成平行于双折射光学器件光轴的平面、且偏振不垂直于光轴的光。这允许我们定义另一个术语，即“ooeSHG”，其意味着：用于SHG的基波光是普通光，并且产生的二次谐波是非常光。
在图7中显示了用于ooe SHG的LNO的详细示例。非线性β-BBO夹在两层α-BBO之间。项528、项529以及项530分别是顶部α-BBO、底部α-BBO和β-BBO的光轴。两个α-BBO层(项528和项529)的光轴都垂直于与β-BBO的界面。β-BBO(项530)的光轴平行于纸面(该附图所在的平面)，并且由SHG相位匹配来确定纸面内的取向。基波光束531的偏振垂直于纸面。在这三层中都是普通光。由于折射率在α-BBO和β-BBO中基本相同，因此基波光束基本上以直线无损耗的方式穿过整个LNO。作为非常光束的二次谐波532和二次谐波533的折射率在β-BBO内部较高。因此，如果入射角大于临界角，则可以实现全内反射。例如，针对698nm的ooe SHG，选择α为15.2°。这不仅实现了全内反射，而且还在LNO的侧面被切割成垂直于基波光束531时允许二次谐波532和二次谐波533以布儒斯特角离开LNO。机敏的读者会明白，虽然这里给出的示例是使用ooe SHG，但这种LNO结构的好处也适用于其它类型的SHG，包括准相位匹配SHG。
在图8中示出了在腔内THG中的LNO应用的示例。项631和项636是形成基波光束激光腔的两个端部光学器件。项632是增益介质。因为本发明适用于所有泵浦方法，诸如光学、电学或其它泵浦方法，因此为清楚起见省略了泵浦源。项633是反射基波光束639并透射剩余的二次谐波光束638的光学器件。基波光束639沿着由项631、项633和项636限定的光束路径在腔内振荡。项634是LNO。基波光束639和由二次谐波非线性光学器件635产生的二次谐波638穿过LNO，而三次谐波637被反射出腔。激光腔内无需针对三次谐波镀膜。令人欣赏的是，三次谐波637不会传播穿过激光腔内的任何表面。出射表面可以被选择为布儒斯特面，以使得不需要AR镀膜。从基波光束639的视角来看，材料的折射率可以在所有层中被选择为彼此相同或几乎相同，以最小化基波光束639的损失。在产生三次谐波之后，二次谐波638不必与基波光束639共线。二次谐波638不必传播穿过LNO。二次谐波638可以像三次谐波637那样被LNO全反射，或可以被部分反射。
如图9a和图9b所显示，更简单的两层LNO也可以用于THG。项739是非线性THG光学层。对于产生的三次谐波741而言，光学层740的折射率低于项739的折射率。角度α被选择为使得：在项739内部产生的三次谐波741在项739和项740之间的界面处经历全内反射，而基波光束742不会在界面处经历全内反射。三次谐波741在如图9a所示的侧面S1处离开项739，该侧面S1可以被设计为布鲁斯特表面以免去AR镀膜。替代地，三次谐波741可以在如图9b所示的底面S2处离开项739，底面S2也可以被设计为布鲁斯特表面以免去AR镀膜。从基波光束742的视角来看，材料的折射率可以在两个层中被选择为相同或几乎相同，以最小化基波光束的损失。在生成三次谐波741之后，二次谐波743不必与基波光束742共线。二次谐波743不必传播穿过上层740。二次谐波743可以在层739和层740之间的界面处被全反射，或者可以在此处被部分反射。这种双层LNO可以替代图8中的项634。整个设置如图10所示，其中项640是双层LNO。
在图11中显示了用于ooe THG的LNO示例。项842和项843分别是α-BBO和β-BBO的光轴。α-BBO(项842)的光轴项垂直于β-BBO的界面。β-BBO(项843)的光轴项平行于纸面，且由THG相位匹配来确定纸面内的取向。
在这里，我们展示使用图11中所示的LNO的腔内THG的示例。将采用如图10所示的相同的方案。基波光束639的偏振垂直于纸面。SHG光学器件635被选择为PPLN(Periodically Poled Lithium Niobate，周期性极化铌酸锂)。由项635产生的二次谐波638的偏振也垂直于纸面。基波光束639和二次谐波638在项640的两个层中都是普通光。基波光束639和二次谐波638基本上以直线无损耗的方式穿过整个LNO，因为对于那些光束而言α-BBO和β-BBO的折射率基本相同。作为非常光束的三次谐波637的折射率在β-BBO层中较高。因此，如果入射角大于临界角，则可以实现三次谐波637的全内反射。机敏的读者再次意识到，虽然给出的示例是ooe THG，但LNO结构的优势也适用于其它类型的THG，包括准相位匹配THG。
LNO也可以用于腔内四次谐波产生(FHG)。方案可以基于在图4中显示的腔内SHG方法。图12示出了这种方案。项431和项432是两个端部光学器件，项431和项432为通过基波光束427产生的二次谐波430创建腔。端部光学器件431和端部光学器件432中的一者由反馈回路控制以锁定二次谐波光束430的相位。另一个LNO 429是针对二次谐波430的SHG设计的。项433和项434是双输出四次谐波光束。同样，LNO 429的出射表面可以被设计为用于四次谐波的布儒斯特表面，使得不需要AR镀膜。
相同的原理可以应用于腔内2n次谐波产生，其中n>2。
LNO也可以用在单向激光器中。在图13中显示了在单向激光器中使用两层LNO的腔内SHG的示例。光学器件901、光学器件902、光学器件903和光学器件904形成用于基波光束908的腔。项905是增益介质。因为本发明适用于所有泵浦方法，诸如光学、电学或其它泵浦方法，因此为清楚起见省略了泵浦源。项906是强制单向操作的单向光闸。项907是产生二次谐波909的两层LNO。
如果谐波产生是临界相位匹配的，则在普通光束和非常光束之间存在走离。接受角在两个方向，即，垂直于光轴的方向以及其正交方向上也是不同的。生成的谐波光束变成椭圆的。许多激光器制造商使用光束整形光学器件将谐波转换为圆形输出光束。
然而，在一些应用中，椭圆聚焦是优选的。通常利用光束整形光学器件将圆形或接近圆形的光束聚焦到椭圆聚焦。在这里，我们提出了一种无需光束整形光学器件而直接获得椭圆聚焦的方法。当上面段落中提到的椭圆谐波光束在无需光束整形的前提下被聚焦时，光束束腰的大小和位置在两个方向，即，垂直于光轴的方向以及其正交方向上是不同的。在两个光束束腰位置周围的不同位置可以得到不同长短轴比的椭圆焦距。增加谐波晶体长度将增强走离，并使谐波光束更加椭圆。因此，使用更长的谐波晶体，焦点周围能够达到的最大长短轴比更大。在我们使用3mm和5mm长BBO的SHG实验中，使用单个聚焦透镜和无光束整形光学器件，已经相应地获得了二次谐波的长短轴比为3:1和4:1的椭圆聚焦。
机敏的读者将毫无困难地设计出本发明的大量明显改进和变体，所有这些都旨在被包括在所附权利要求中。

Claims (27)

1.一种腔内谐波产生激光器，包括至少一个分层非线性光学器件LNO，所述LNO包括：
非线性光学器件的第一光学层，用于在被基波光束激励时产生谐波，其中，所述第一光学层具有相对的第一平面和第二平面，以及不与所述第一平面和所述第二平面中的任何一个平行或垂直的第一侧面；
第二光学层，具有第三平面以及不与所述第三平面平行或垂直的第二侧面，所述第三平面与所述第一平面以无粘合剂的方式结合在一起，以限定第一界面；以及
第三光学层，具有第四平面以及不与所述第四平面平行或垂直的第三侧面，所述第四平面与所述第二平面以无粘合剂的方式结合在一起，以限定第二界面；
其中，所述第一光学层、所述第二光学层和所述第三光学层的折射率被选择为使得：
产生的谐波在所述第一界面和所述第二界面发生全内反射并作为至少一个光束通过所述第一侧面离开所述第一光学层，且
所述基波光束遵循路径，所述路径通过所述第二光学层且垂直于所述第二侧面进入和离开所述LNO、以与所述第一界面和所述第二界面之间的角度为非零角度通过所述第一界面和所述第二界面，并通过所述第三光学层且垂直于所述第三侧面进入和离开所述LNO。
2.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述结合是光学接触、熔接结合或扩散结合。
3.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述第三平面与所述第一平面，以及所述第四平面与所述第二平面在所述结合之前被镀介质膜。
4.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述腔内谐波产生是腔内二次谐波产生。
5.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述腔内谐波产生是腔内三次谐波产生。
6.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述腔内谐波产生是腔内四次谐波产生，或腔内2n次谐波产生，其中n>2。
7.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述激光器是双向激光器或单向激光器。
8.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述激光器是双向激光器。
9.根据权利要求1所述的激光器，其中，所述LNO包括夹在所述第二光学层和所述第三光学层之间的、产生期望的谐波的非线性谐波光学器件的一个光学层。
10.根据权利要求9所述的激光器，其中，关于由所述LNO产生的谐波，所述第二光学层和所述第三光学层中的每一者的相应的折射率低于所述第一光学层的折射率。
11.根据权利要求9所述的激光器，其中，所述第一光学层包括：β-BBO，LBO，CLBO，KBBF，BiBO，KTP，KD*P，PPLN，PPSLT，或者PP-LBGO。
12.根据权利要求9所述的激光器，其中，所述第二光学层和所述第三光学层中的每一者包括：α-BBO，β-BBO，CLBO，KBBF，BiBO，KTP，KD*P，YVO4，LiNbO3，LiTaO3，LBGO，石英晶体，熔融石英，BK7，或者CaF2。
13.根据权利要求9所述的激光器，其中，由LNO产生的谐波光束以布儒斯特角度离开所述第一光学层。
14.一种腔内谐波产生激光器，具有至少一个分层非线性光学器件LNO，所述LNO包括：
非线性光学器件的第一光学层，用于在被基波光束激励时产生谐波，其中，所述第一光学层具有相对的第一平面和第二平面，以及不与所述第一平面和所述第二平面中的任何一个平行或垂直的第一侧面；以及
第二光学层，具有第三平面以及不与所述第三平面平行或垂直的第二侧面，所述第三平面与所述第一平面以无粘合剂的方式结合在一起，以限定第一界面；
其中，所述第一光学层和所述第二光学层的折射率被选择为使得：
产生的谐波在所述第一界面发生全内反射并作为至少一个光束通过所述第一侧面离开所述第一光学层，且
所述基波光束遵循路径，所述路径通过所述第二光学层且垂直于所述第二侧面进入和离开所述LNO，并以与所述第一界面之间的角度为非零角度通过所述第一界面。
15.根据权利要求14所述的激光器，其中，所述结合是光学接触、熔接结合或扩散结合。
16.根据权利要求14所述的激光器，其中，所述第三平面与所述第一平面在所述结合之前被镀介质膜。
17.根据权利要求14所述的激光器，其中，所述腔内谐波产生是腔内二次谐波产生。
18.根据权利要求14所述的激光器，其中，所述腔内谐波产生是腔内三次谐波产生。
19.根据权利要求14所述的激光器，其中，所述激光器是双向激光器或单向激光器。
20.根据权利要求14所述的激光器，其中，所述激光器是双向激光器。
21.根据权利要求14所述的激光器，其中，所述LNO包括：非线性谐波光学器件的一个光学层，用于产生期望的谐波；和第二层。
22.根据权利要求21所述的激光器，其中，关于由所述LNO产生的谐波，所述第二光学层的折射率低于所述第一光学层的折射率。
23.根据权利要求21所述的激光器，其中，所述第一光学层包括：β-BBO，LBO，CLBO，KBBF，BiBO，KTP，KD*P，PPLN，PPSLT，或者PP-LBGO。
24.根据权利要求21所述的激光器，其中，所述第二光学层包括：α-BBO，β-BBO，CLBO，KBBF，BiBO，KTP，KD*P，YVO4，LiNbO3，LiTaO3，LBGO，石英晶体，熔融石英，BK7，或者CaF2。
25.根据权利要求21所述的激光器，其中，由LNO产生的谐波光束以布儒斯特角度离开所述第一光学层。
26.一种用于产生谐波光束的方法，由分层非线性光学器件LNO执行，所述LNO包括：
非线性光学器件的第一光学层，用于在被基波光束激励时产生谐波，其中，所述第一光学层具有相对的第一平面和第二平面，以及不与所述第一平面和所述第二平面中的任何一个平行或垂直的第一侧面；以及
第二光学层，具有第三平面以及不与所述第三平面平行或垂直的第二侧面，所述第三平面与所述第一平面以无粘合剂的方式结合在一起，以限定第一界面；
其中，所述第一光学层和所述第二光学层的折射率被选择为使得：
产生的谐波在所述第一界面发生全内反射并作为至少一个光束通过所述第一侧面离开所述第一光学层，且
所述基波光束遵循路径，所述路径通过所述第二光学层且垂直于所述第二侧面进入和离开所述LNO，并以与所述第一界面之间的角度为非零角度通过所述第一界面；
所述方法包括以下步骤：
a.使所述基波光束通过所述第一光学层和所述第二光学层，其中，所述基波光束被设置为遵循所述路径；
b.在所述第一光学层内产生谐波；
c.允许产生的谐波光束通过所述第一侧面离开所述第一光学层。
27.一种产生谐波光束的方法，由分层非线性光学器件LNO执行，所述LNO包括：
非线性光学器件的第一光学层，用于在被基波光束激励时产生谐波，其中，所述第一光学层具有相对的第一平面和第二平面，以及不与所述第一平面和所述第二平面中的任何一个平行或垂直的第一侧面；
第二光学层，具有第三平面以及不与所述第三平面平行或垂直的第二侧面，所述第三平面与所述第一平面以无粘合剂的方式结合在一起，以限定第一界面；以及
第三光学层，具有第四平面以及不与所述第四平面平行或垂直的第三侧面，所述第四平面与所述第二平面以无粘合剂的方式结合在一起，以限定第二界面；
其中，所述第一光学层、所述第二光学层和所述第三光学层的折射率被选择为使得：
产生的谐波在所述第一界面和所述第二界面发生全内反射并作为至少一个光束通过所述第一侧面离开所述第一光学层，且
所述基波光束遵循路径，所述路径通过所述第二光学层且垂直于所述第二侧面进入和离开所述LNO、以与所述第一界面和所述第二界面之间的角度为非零角度通过所述第一界面和所述第二界面，并通过所述第三光学层且垂直于所述第三侧面进入和离开所述LNO；
所述方法包括以下步骤：
使所述基波光束通过所述第一光学层、所述第二光学层以及所述第三光学层，其中，所述基波光束被设置为遵循所述路径；
在所述第一光学层内产生谐波；
允许产生的谐波光束通过所述第一侧面离开所述第一光学层。
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