[发明专利]非共线高效率频率转换实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种非线性光学技术领域的方法，具体是一种基于非共线双折射相位匹配条件及相位匹配几何构型对角度带宽的影响，实现锥形光束非共线高效率三倍频的方法。

背景技术

三倍频，即产生三次谐波，其频率为基频光的三倍。利用非线性光学晶体进行三倍频，是目前由固态红外激光产生紫外、真空紫外激光的有效途径。紫外及真空紫外激光在激光光谱、激光微加工、光刻技术和激光光化学合成等领域都具有非常大的潜在应用。

双折射位相匹配，是利用晶体的双折射效应来补偿基波和谐波的色散特性，也就是通过选择适当的光波波矢方向和偏振方向，使基波与谐波满足相位匹配条件。考虑三波相互作用是否在同一直线上，可分为共线相位匹配和非共线相位匹配两种构型。共线相位匹配指的是基频光、倍频光和三倍频光的波矢均在同一直线上；非共线相位匹配指的是基频光、倍频光和三倍频光的波矢满足矢量三角形的几何关系。

光在单轴晶体内发生双折射现象，产生两束光分别为寻常光和非寻常光。根据入射基频光偏振方向的不同，可分为两类相位匹配方式。Ⅰ类相位匹配是指入射基频光均为寻常光或均为非寻常光，偏振方向平行；Ⅱ类相位匹配是指入射基频光既有寻常光，又有非寻常光，偏振方向正交。

当晶体的双折射位相匹配角为90°时，晶体具有较大的角度带宽，且倍频过程不受走离效应的影响。这一特殊角度对某些晶体来说，可通过调节晶体的温度，使其匹配角达到90°，即非临界相位匹配。这一过程所需要的温度变化比较大，对实验温控炉的温度可调节范围要求较大，且要考虑晶体的熔点等问题。

目前，由基频光和倍频光经非线性光学晶体产生的紫外波段的三倍频光，在大能量情况下，对紫外波段的三倍频光进行聚焦时，容易使聚焦透镜损坏，需要更换，而更换后的光路需重新调节。此外，基频光和倍频光共线产生三倍频光的情况下，非线性光学晶体的角度带宽较小，即晶体对角度较为敏感。

发明内容

本发明主要针对在大能量情况下，紫外波段的激光经过聚焦透镜进行聚焦时，容易使聚焦透镜损坏的问题，提出一种非共线高效率频率转换实现方法。采用预聚焦方式，能够克服紫外波段的三倍频光损坏聚焦透镜的问题，可以使三倍频光不经过聚焦透镜而自动聚焦；克服了现有技术中更换透镜后需重新调整光路的步骤，从而提高了效率。与共线情况下三倍频过程中晶体的角度带宽相比，本发明所具有的角度带宽更大。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过将呈一定角度的基频光和倍频光先经过一个聚焦透镜进行预聚焦，然后再经过非线性光学晶体，从而使得产生的三倍频光自动聚焦。

所述的三倍频光具体通过负单轴晶体生成，匹配方式为Ⅰ类匹配方式，即o+o→e，Ⅰ类有效倍频系数不为0，且在θ＝90°时达到最大。

所述的负单轴晶体由以下方式获得：选取厚度为1cm的KDP(磷酸二氢钾)或掺杂氘的DKDP(磷酸二氘钾)晶体，切割角度为θ＝90°,Z向为晶体光轴方向，两面通光，通光面为YOZ面，当基频光倍频光三倍频光的波矢方向在同一主截面内，其Ⅰ类有效倍频系数的表达式为在时有效倍频系数最大，其Ⅱ类有效倍频系数的表达式为在时有效倍频系数为0。

所述的基频光与倍频光呈一定角度指的是基频光与倍频光在非线性光学晶体外的夹角不为零。

所述的基频光与倍频光在非线性光学晶体内的夹角由以下方式获得：基频光k₁、倍频光k₂和三倍频光k₃满足矢量三角形的关系其中k＝nω/c，匹配方式为Ⅰ类匹配方式o+o→e，三倍频光k₃设置为90°，则矢量三角形的三条边长已经确定，分别为和由三角线余弦定理，可计算得到晶体内矢量三角形三个角度，从而得到基频光与倍频光在晶体内的夹角。

所述的基频光与倍频光在非线性光学晶体外的夹角由以下方式获得：由折射定律及前面已经计算得到的晶体内矢量三角形的三个角度，可计算得到对应晶体外的角度，从而得到基频光与倍频光在晶体外的夹角。