專利名稱：用三硼酸鋰單晶體制造的非線性光學(xué)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用化合物單晶體制造的非線性光學(xué)器件，特別是用LiB3O5單晶體制造的非線性光學(xué)器件。
通常將具有非零二級(jí)極化率的晶體稱為非線性光學(xué)晶體。這類晶體在強(qiáng)激光照射下會(huì)產(chǎn)生倍頻、和頻、差頻、參量放大等非線性光學(xué)效應(yīng)。關(guān)于如何利用這類晶體產(chǎn)生有效的倍頻、頻率上、下轉(zhuǎn)換和參量放大輸出，美國(guó)專利No.3262058、No.3328723及No.3747022中已作了說明。
已知在激光束的入射功率Iin較小大部分基波光功率未轉(zhuǎn)換成其它激光功率時(shí)，非線性光學(xué)晶體對(duì)激光功率的轉(zhuǎn)換效率
其中，Iout為激光束的出射功率;
Iin為激光束的入射功率;
deff為有效倍頻系數(shù);
l為晶體厚度;
△k＝k3-(k1±k2)，稱為相位失配度。
相干長(zhǎng)度定義為lc＝π/△k。
當(dāng)△k＝0時(shí)，lc＝∝，Sinc2(△kl)＝1，轉(zhuǎn)換效率η達(dá)到最大值，這種情況即稱為相位匹配。
存在著兩種類型的相位匹配方式Ⅰ型和Ⅱ型，前者指入射光波具有相同的偏振方向，后者指入射光波偏振方向正交。
通常有四種實(shí)現(xiàn)相位匹配的方法(參見美國(guó)專利NO.3949323)，最常用的方法是通過變化晶體取向以達(dá)到相位匹配。
限制相位匹配的因素有二。其一是所謂的光束離散(Walkoff)效應(yīng)，它是因晶體雙折射的影響致使相互作用光波的能流方向和相位方向不一致而引起的。其二，由于激光束有一定的發(fā)散度，從而當(dāng)激光束沿晶體的相位匹配方向入射時(shí)產(chǎn)生部分相位失配。
對(duì)于單軸晶體，相位匹配只與θ角有關(guān)，θ角是晶體的光軸和入射光方向之間的夾角。因此，相位失配度
由上式可以看出，δθ增大將引起△k增大、lc減小，從而使轉(zhuǎn)換效率η下降。一般將光的出射功率降至峰值的0.405(e-1)時(shí)的θ角變化δθ稱為角度調(diào)諧半寬度(acceptanceangle，又稱可接受角)。若能使
，則△k僅與δθ2成正比，而對(duì)θ的變化不再敏感。
對(duì)于雙軸晶體，相位匹配由θ、φ角共同決定(φ角為光束的入射方向與結(jié)晶軸a的夾角)，因此，△k與δθ、δφ均有關(guān)。此時(shí)，通常固定其中一個(gè)角度，然后測(cè)定另一角的角度調(diào)諧半寬度。一般取其中較小者定義為雙軸晶體的角度調(diào)諧半寬度，關(guān)于雙軸晶體中相位匹配的討論已由Hobden給出(M.V.Hobden.J.Appl.Phys.384365.1967)。
目前，普遍使用的非線性光學(xué)晶體主要有KDP、Urea、KTP、KB5O3·4H2O等，它們的共同缺點(diǎn)是①不能產(chǎn)生低于2000A°的紫外光輸出(波長(zhǎng)在2000A′以下的激光在激光光譜等方面有重要應(yīng)用);②光操作閾值不夠高，例如KDP的光損傷閾值為7GW/Cm2(Ins，λ＝1.064μm);③角度調(diào)諧半寬度較小，例如KDP晶體的角度調(diào)諧半寬度僅為1.0mrad/Cm;④化學(xué)穩(wěn)定性不好，在空氣中會(huì)潮解。因此，用現(xiàn)有的上述非線性光學(xué)晶體制備的非線性光學(xué)器件在耐受功率、對(duì)激光束發(fā)散度的嚴(yán)格要求以及轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)等方面還存在有若干缺點(diǎn)。因而有必要發(fā)展能克服上述缺點(diǎn)的非線性光學(xué)器件。
德國(guó)的《無機(jī)和普遍化學(xué)雜志》439(1978)，71.和日本的《窯業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)志》88(1980)，179。上均報(bào)導(dǎo)過化合物晶體LiB3O5的晶體結(jié)構(gòu)。該晶體屬于正交晶系、Pna21空間群，其晶胞參數(shù)a＝8.446，b＝7.378，c＝5.141，每個(gè)晶胞含4個(gè)LiB3O5化學(xué)式，其密度為2.478g/Cm3。根據(jù)上述雜志報(bào)導(dǎo)，所得單晶的大小為1×1×4mm3。迄今為止，還沒有關(guān)于得到大小足以供實(shí)際應(yīng)用的LiB3O5單晶的報(bào)導(dǎo)。此外，也無報(bào)導(dǎo)指出過LiB3O5晶體具有非線性光學(xué)性能。
本發(fā)明的目的是提供一種具有高轉(zhuǎn)換效率、對(duì)光束的發(fā)散度要求低並能耐大功率的非線性光學(xué)器件;
本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種能產(chǎn)生波長(zhǎng)短于2000A°的相干光輸出的非線性光學(xué)器件;
本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供一種截面大于等于70mm的大型倍頻、三信頻光學(xué)器件;
本發(fā)明的第四個(gè)目的是提供一種能產(chǎn)生波長(zhǎng)短于2000A°的相干光輸出的光波導(dǎo)器件。
本發(fā)明的上述目的是通過由LiB3O5化合物晶體制備的非線性光學(xué)器件來實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明者用熔鹽籽晶法已獲得了大小為20×35×9mm3的可供實(shí)際生產(chǎn)使用的LiB3O5單晶體。
本發(fā)明采用LiB3O5單晶體制成的非線性光學(xué)器件克服了現(xiàn)有技術(shù)中用KDP、Urea等晶體所造器件的缺點(diǎn)，本發(fā)明的非線性光學(xué)器件能耐受的功率大(可達(dá)到20GW/Cm2，Ins，λ＝1.064μm)，轉(zhuǎn)換效率高，而且對(duì)入射光束的發(fā)射度要求低(對(duì)激光束的發(fā)散度可容許到幾十個(gè)mrad)。本發(fā)明的非線性光學(xué)波導(dǎo)器件能輸出波長(zhǎng)短于2000A°的相干紫外光，這為制造輸出相干光波長(zhǎng)在2000A°以下的集成光學(xué)器件提供了基礎(chǔ)。用LiB3O5晶體還能制造出大截面的非線性光學(xué)器件。
本發(fā)明者在研究中已發(fā)現(xiàn)，化學(xué)式為L(zhǎng)iB3O5的化合物晶體是一種新的具有非線性光學(xué)性質(zhì)的晶體。LiB3O5晶體的點(diǎn)群對(duì)稱為mm2，是雙光軸晶體。該晶體在0.16～1.6μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)無任何吸收。
LiB3O5晶體有五個(gè)非零的二級(jí)極化率。本發(fā)明者對(duì)LiB3O5晶體在ω1＝ω2(λ＝1.06μm)，ω3＝2ω1(λ＝0.53μm)時(shí)的二級(jí)極化率(此時(shí)稱倍頻系數(shù))進(jìn)行了測(cè)量，其結(jié)果如下d31＝
2.82(1±0.08)×10-9esud32＝±3.39(1±0.08)×10-9esud33＝±0.53(1±0.10)×10-9esud15≈d31d24≈d32本發(fā)明者利用最小偏向角測(cè)定了LiB3O5晶體從1.06～0.2537μm之間16個(gè)波長(zhǎng)下的主折射率，擬合得到了Sellmeire方程
其中λ為入射光波長(zhǎng)，單位為μm。
本發(fā)明者還測(cè)量了LiB3O5晶體在θ≠90°和θ＝90°時(shí)的角度調(diào)諧曲線，從而得到了LiB3O5晶體的角度調(diào)諧半寬度分別為25mrad(θ≠90°)95mrad(θ＝90°)與現(xiàn)有技術(shù)中常用的KDP、Urea等晶體相比，LiB3O5晶體的角度調(diào)諧半寬度要大得多，這就使LiB3O5晶體在入射光具有相同發(fā)射度時(shí)，相位失配度比其它晶體小，所以用LiB3O5晶體可以得到具有大發(fā)散度、高度聚集的激光裝置中的諧波轉(zhuǎn)換器件。在由小截面晶體諧波轉(zhuǎn)換器件拼接成大截面晶體諧波轉(zhuǎn)換器件的過程中，角度調(diào)諧半寬度大還降低了對(duì)晶體加工精度的苛刻要求。例如，在采用KDP晶體制造大截面倍頻器件時(shí)，要用多塊晶體進(jìn)行拼接，由于KDP晶體的角度調(diào)諧半寬度為1mrad/Cm，所以拼接時(shí)要求每塊晶體的加工精度必須達(dá)到分級(jí)。而采用LiB3O5晶體進(jìn)行拼接時(shí)，每塊晶體的軸向加工精度只要求達(dá)到度級(jí)即可滿足拼接要求，因此，用9塊大小適當(dāng)?shù)腖iB3O5晶體即可拼接出70×70mm2的大截面倍頻器件。
本發(fā)明者使用Nd∶YAG鎖模激光器，在0.1ns，λ＝1.064μm的條件下測(cè)得LiB3O5晶體的光操作閾值為25GW/Cm2，是在同樣條件下測(cè)得的KDP晶體的光損傷閾值的3.6倍。因此，用LiB3O5晶體制造的非線性化學(xué)器件可用于高功率或高平均功率的激光裝置，如用于激光受控?zé)岷朔磻?yīng)裝置等。
由于LiB3O5晶體在0.16～1.6μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)無任何吸收，所以用這種晶體制成的非線性光學(xué)器件能夠輸出波長(zhǎng)在0.375～3.0μm以內(nèi)的光波，也就是說可以輸出波長(zhǎng)短于2000A°的紫外光。
本發(fā)明者將用熔鹽籽晶法生長(zhǎng)得到的LiB3O5單晶體作拋光處理后放入水中(常溫)，經(jīng)過一個(gè)月仍觀察不到其光潔度有任何變化。因此其化學(xué)穩(wěn)定性高，不潮解，用如此獲得的LiB3O5晶體制成的光學(xué)器件可在無任何保護(hù)措施的情況下使用。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。其中

圖1為典型的本發(fā)明LiB3O5晶體制成的非線性光學(xué)器件的工作原理圖;圖2為用LiB3O5晶體制成的諧波波導(dǎo)元件的工作原理示意圖。
如圖1所示，由YAG激光器(1)輸出的光束沿豎直方向偏振，經(jīng)過聚焦棱鏡(2)入射到LiB3O5晶體(3)中，晶體這樣放置使其結(jié)晶學(xué)b軸與入射光的極化方向相同(即沿豎直方向)，同時(shí)使其結(jié)晶學(xué)a軸與光束入射方向成φ角，該φ角可由下列聯(lián)立方程求出n2 ω(φ)=nωz1n2 ω(φ)2=Sin2φn2ωx2+Cos2φn2ωy2]]>……(4)
方程中的n2ωx、n2ωy及nω2可由(3)式得出。由上式計(jì)算得出，當(dāng)入射光的波長(zhǎng)為1.06μm時(shí)，φ＝10.73°。由晶體(3)中射出的光束增加了倍頻光的成分。使該光束經(jīng)過準(zhǔn)直棱鏡(4)，再通過濾波片(5)吸收或反射掉基波光，從而得到沿水平方向偏振的倍頻光。其中取消棱鏡(2)，和/或用分光棱鏡代替濾波器(5)均不改變本非線性光學(xué)器件的工作原理。
圖(2)中，在晶體(3)的上表面用離子取代或離子注入法形成有一個(gè)Li1-xMxB3O5波導(dǎo)區(qū)(4)，其中M為Na、K等堿金屬，O＜x＜1。襯底(3)的取向是這樣確定的使晶體(3)的結(jié)晶學(xué)b軸平行于入射光的極化方向，而使結(jié)晶學(xué)a軸與入射光的通過方向成φ角，φ角由(4)式計(jì)算求出。當(dāng)入射光波長(zhǎng)為1.06μm時(shí)，φ＝10.73°。這時(shí)，由圖2所示的裝置即可得到出射光波長(zhǎng)為0.53μm的倍頻光。其工作原理如下由YAG激光器(1)輸出的光束沿水平方向偏振，經(jīng)過光束注入棱鏡(2)，按圖所示方向入射到晶體(3)上表面的波導(dǎo)區(qū)(4)，出射的基波光和倍頻光通過準(zhǔn)直棱鏡(5)后變成準(zhǔn)直光束，然后再通過濾波比(6)吸收或反射掉基波光，從而得到沿垂直方向偏振的倍頻光。
實(shí)例1將21.1克Li2CO3和141.2克H3BO3均勻混合后裝入φ40×40mm3的鉑坩堝，然后把坩堝裝入晶體生長(zhǎng)爐并用合適的保溫材料(如Al2O3磚)將爐口封上，在與坩堝中心位置對(duì)應(yīng)處留有一供籽晶桿自由出入的孔。將生長(zhǎng)爐快速升溫至950℃，恒溫5小時(shí)，然后快速降溫至848℃，將籽晶緩慢地經(jīng)由上述孔導(dǎo)入坩堝，使之與液面接觸並恒溫半小時(shí)，再迅速降溫至833℃，此后以0.5℃/天的速率把爐溫降至180℃，生長(zhǎng)結(jié)束，生長(zhǎng)過程中晶體不轉(zhuǎn)動(dòng)。生長(zhǎng)結(jié)束后將晶體提離液面，並以40℃/小時(shí)的速率降至室溫，如此獲得的透明LiB3O5單晶尺寸達(dá)18×20×6mm3。
實(shí)例2將40.6克Li2CO3、203.9克H3BO3和158.3克MoO3均勻混合后裝入φ50×50mm3的鉑坩堝中，然后把坩堝放入生長(zhǎng)爐，用保溫材料將爐口封上，在與坩堝中心位置對(duì)應(yīng)處留有一供籽晶桿自由出入的孔。將爐溫升至850℃，恒溫5小時(shí)，然后降至673℃，將籽晶緩慢導(dǎo)入坩堝，使之與液面接觸并恒溫半小時(shí)，再降至670℃，此后，以5℃/天的速率將爐溫降至580℃，生長(zhǎng)結(jié)束。生長(zhǎng)過程中籽晶桿一直以30rpm的速率轉(zhuǎn)動(dòng)。生長(zhǎng)結(jié)束后，將晶體提高液面，并以100℃/小時(shí)的速率退火至室溫。結(jié)果得到尺寸達(dá)20×35×9mm3的透明LiB3O5單晶。
實(shí)例3把按實(shí)例1的方法得到的原胚大小為15×15×10mm3的LiB3O5晶體按結(jié)晶軸a、b、c定向，按φ＝10.73°的取向切出一塊6×6×6mm3的晶體，將此晶體置于圖1所示的光路中，使用光譜物理公司DCR2A型YAG激光器的輸出作為光源(λ＝1.064μm)，其每個(gè)脈沖的脈寬為7ns，光斑面積為φ＝4mm，當(dāng)各個(gè)脈沖的脈沖能量達(dá)到190mj/pulse時(shí)，得到λ＝0.53μm的倍頻光輸出。測(cè)定該非線性倍頻器件的光入射功率與出射功率，求出其轉(zhuǎn)換效率達(dá)59%(未加表面反射修正)，滿足實(shí)際使用的需要，比用同樣大小的KDP晶體制成的倍頻器件的轉(zhuǎn)換效率高。
實(shí)例4把用實(shí)例2的方法生長(zhǎng)得到的原胚大小為20×20×9mm2的LiB3O5按結(jié)晶軸a、b、c定向，根據(jù)φ＝10.73°的晶體取向切出一塊9×9×6mm3的晶體，將該晶體置于圖1所示的光路中，用調(diào)Q YAG激光器輸出作為光源(λ＝1.064μm)，每個(gè)脈沖的脈寬為7ns，光斑面積為φ＝6mm，當(dāng)每個(gè)脈沖能量達(dá)到195mj/pulse時(shí)，得到λ＝0.53μm的倍頻光輸出。測(cè)定該非線性倍頻器件的光入射功率與出射功率，求出其轉(zhuǎn)換為65%(已作表面修正)。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員使用類似的方法將不難用LiB3O5晶體設(shè)計(jì)制造出其它的非線性光學(xué)器件，如上、下頻率轉(zhuǎn)換器、光參量振蕩器等，這些均不可能超出本發(fā)明的構(gòu)思和范圍。
④文件名稱頁(yè)行補(bǔ)正前補(bǔ)正后說明書4倒數(shù)第1行0.16-1.60.16-2.67 第1行由于LiB O……以由于LiB3O5晶體在0.16-2.6μm的波至長(zhǎng)范圍內(nèi)無任何吸收，所以用這種晶體第3行內(nèi)的光波制成的非線性光學(xué)器件能夠在0.375-3.0μm的輸入波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作。
權(quán)利要求
1.一種非線性光學(xué)器件，它包含將至少一束入射電磁輻射通過至少一塊非線性光學(xué)晶體后產(chǎn)生至少一束頻率不同于入射電磁輻射的輸出輻射的裝置，其特征在于其中的非線性光學(xué)晶體為L(zhǎng)iB3O5晶體。
2.如權(quán)利要求1所述的非線性光學(xué)器件，其特征在于所述入射電磁輻射的波長(zhǎng)范圍為0.375～3.0μm。
3.如權(quán)利要求1所述的非線性光學(xué)器件，其特征在于所述非線性光學(xué)晶體通過拼接技術(shù)使其截面大于等于70mm。
4.一種諧波波導(dǎo)元件，它包含將至少一束入射電磁輻射通過至少一塊非線性光學(xué)晶體后產(chǎn)生至少一束頻率不同于入射電磁輻射的輸出輻射的裝置，其特征在于所述非線性光學(xué)晶體為L(zhǎng)iB3O5晶體，其表面上有一波導(dǎo)區(qū)，所述入射電磁輻射通過該波導(dǎo)區(qū)。
5.一種如權(quán)利要求4所述的諧波波導(dǎo)元件，其特征在于所述波導(dǎo)區(qū)是由離子取代或離子注入法形成的Li1-xMxB3O5(M＝Na，K…O＜x＜1)。
6.一種如權(quán)利要求4所述的諧波波導(dǎo)元件，其特征在于所述入射電磁輻射的波長(zhǎng)范圍為0.375～3.0μm。
7.一種如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的非線性光學(xué)器件，其特征在于所述的LiB3O5晶體是由熔鹽籽晶法生長(zhǎng)的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有高轉(zhuǎn)換效率、對(duì)光束發(fā)散度要求低的大功率非線性光學(xué)器件。該光學(xué)器件中的非線性光學(xué)晶體為L(zhǎng)iB
文檔編號(hào)C30B11/00GK1030482SQ8810208
公開日1989年1月18日 申請(qǐng)日期1988年4月14日 優(yōu)先權(quán)日1988年4月14日
發(fā)明者陳創(chuàng)天, 江愛棟, 吳以成, 吳柏昌, 尤桂銘 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所