[发明专利]钇/铝/硼酸盐类未掺杂晶体在产生非线性效应方面的应用

说明书

本发明涉及一种产生相干的蓝光或紫外光的方法，钇/铝硼酸盐类晶体产生相干的蓝光或紫外光的应用，以及特别适合用来产生相干的蓝光或紫外光的钇/铝/硼酸盐类的晶体。 

科学技术背景 

在蓝光或紫外光范围产生激光的固态激光器是技术领域中许多具有高市场潜力的应用的重要光源，所述应用包括例如微型机械加工、精确测量工程，半导体制造，生物科技，医药工程，显示器和印刷技术等。 

这些应用所需的波长都处于小于450纳米的光谱范围内。常见的波长(所谓的基波)通过非线性频率转换，可以产生紫外波长，其占据着特殊的地位。因此例如各种激光器主体晶体中的Nd³⁺结产生的波长可以在以下范围内：1.047-1.080μm：0.349-0.360μm(三倍频)，0.261-0.270μm(四倍频)，0.209-0.216μm(五倍频)。其他的例子是基于Yb³⁺的0.980-1.100μm的基波(因此以类似的方式可以覆盖0.326-0.366，0.245-0.275和0.196-0.220μm)，基于Pr³⁺的0.490-0.730μm的基波(倍频得到0.245-0.365μm的波长)，等等。基波是可以由处于各种频率转换选择相关范围内的大量激光源产生的(例如二极管泵浦的固态激光器，二极管激光器，纤维激光器)。具有相应的非线性光学(NLO)性质的晶体允许进行所需的频率转换。用于特定应用的NLO晶体必须满足以下一般要求： 

-可以针对所需的频率转换进行相位调适(phase-adaptable)， 

-对基波波长和转换后的波长透明， 

-作为光源操作时具有低光损耗和高破坏阈值， 

-性质适于晶体生长和机械加工，使得可以制得可商业使用的NLO部件， 

-足够高的有效非线性。 

目前已知的可以在商业上使用的适合频率转换到蓝光或紫外光频谱中的NLO晶体是BBO(BaB₂O₄，β-硼酸钡)，LBO(LiB₃O₅，三硼酸锂)， YCOB(YCa₄O(BO₃)₃，BiBO(BiB₃O₆，硼酸铋)和CLBO(CsLiB₆O₁₀)。 

BBO，LBO，YCOB和BiBO允许1.064微米的波长三倍频。这些NLO晶体通过两种波长(本文所述为1.064μm＝λ及其二次谐波0.532μm＝λ/2)的所谓合频发生(SFG)，可以产生0.355μm＝λ/3的三次谐波。在所述的第I类中，混合波长包括相同的偏振，在所述的第II类中，混合波长正交偏振的。 

即使在晶体中发生了基本非线性效应，它们的效率也要取决于一些另外的次要条件。因此，对于高效SFG，必须使得辐射的一种或多种波以及晶体中产生的一种或多种波相长相干。为此，必须进行相位调适，也即是说，需要寻找晶体中的传播方向，由此在频率转换中得到能量和脉冲。如果波在该方向的传播速度相同，则可以达到这一点。相位调适角度或取向角度如图1定义： 

关于NLO晶体数据的详细概括可以参见参考文献Nik 03。补充信息可参见Eim 87，Ger 03和Pel 06。这些参考文献还描述了化学组成和主要的材料性质。 

BBO和CLBO可以在商业上用作0.532μm的倍频(或者SHG，二次谐波发生)的NLO晶体。1.064μm的四倍频也可以看作0.532μm＝λ的倍频以产生0.266μm＝λ/2的紫外光。 

可以用来产生蓝光或紫外光激光源的市售NLO晶体在其应用领域具有以下缺陷： 

-BBO：BBO的缺点在于，材料对潮湿敏感(因此表面不稳定，比较难以进行抛光和涂覆)，而且受光角不良(disadvantageous angle acceptance)，以及发生“走离”。后者限制了基波的可聚焦性以及可用的晶体长度。 

-LBO：LBO的缺点在于材料对潮湿敏感，对短波长缺少相位调适性(当波长低于555nm的时候，便无法进行SHG)。 

-YCOB：YCOB和此类的其它晶体的缺点在于，低非线性系数，对短波缺少相位调适性(低于720nm的时候，无法进行SHG)。