（光学专业论文）ld泵浦全固态213nm深紫外激光器的研究.pdf

山东师范大学硕士学位论文 l d 泵浦全固态2 13 n m 深紫外激光器的研究 中文摘要 激光二极管泵浦的全固态激光器( d i o d ep u m p e ds o l i ds t a t el a s e r s ，d p s s u 具 有效率高、稳定性好、光束质量好、结构紧凑、寿命长等优点，是多年来的研究 热点之一。紫外、深紫外激光器在微精细材料加工、光刻、光印刷、高分辨光谱 学、微电子学、光生物学、超高密度光驱、紫外固化、医疗和科学研究等领域有 广泛的应用前景。本论文围绕全固态2 1 3 n m 深紫外激光器进行了理论和实验研究， 论文主要内容概括为： 1 介绍了全固态紫外、深紫外激光的应用，总结了当前全固态紫外、深紫外 激光器研究的国内外动态。 2 介绍了非线性晶体中的相位匹配技术；总结了紫外倍频晶体的基本特性。 3 从高斯光束矩阵变换角度出发，对谐振腔进行了简单的设计；在此基础上结 合理论和工作要求，优化腔结构。介绍了声光调q 原理，比较了几种常用 的掺钕激光晶体的特性；，探讨了获得最佳准连续1 0 6 4 n m 激光的方式。 4 分别选用腔内、腔外倍频的方案实现5 3 2 n m 绿光激光输出。结合理论分析 采用了k t p b b o 晶体实现腔外1 0 6 4 n m 四倍频产生2 6 6 n m 紫外激光。在注 入泵浦功率1 0 3 w 、重复频率2 0 k h z 时，获得5 9 m w 的2 6 6 n m 紫外激光输 出，5 3 2 n m 一2 6 6 u m 光光转换效率为9 ，脉冲宽度8 n s 、峰值功率3 7 0 w 。 5 比较了两种产生五倍频激光的技术方案，根据五倍频的转换效率公式，推出 了当晶体长度为最优化长度时对应的五倍频转换效率：为使激光器的输出 能量得到充分利用，分析了产生紫外激光时各光波偏振的匹配情况，采用 1 0 6 4 n m 和2 6 6 r t m 和频的方案实现了2 1 3 n m 深紫外激光输出。 关键词：2 1 3n i l l 深紫外激光器，全固态，n d ：y v 0 4 ，b b o ，五倍频 分类号：0 4 3 7 山东师范大学硕士学位论文 s t u d yo fd i o d e - - p u m p e da l l - s o l i d - - s t a t ed e e pu l t r a v i o l e t l a s e ra t2 1 3 n m a b s t r a c t d i o d e - p u m p e da l l s o l i d - s t a t el a s e r s ( d p s s l ) h a v eb e c o m eac e n t r a lo ff o c u si n t h ef i e l do fl a s e r sd u et ot h e i rm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s h i g he f f i c i e n c y ，h i g h s t a b i l i t y , g o o dq u a l i t y o fl i g h t b e a m ，c o m p a c t n e s s ，l o n gl i f e t i m ea n d e t c a l l s o l i d s t a t ed e e pu l t r a v i o l e tl a s e r sa r ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do f p r e c i s em a t e r i a l s m a k i n g ，o p t i c a lc h i s e l ，o p t i c a lp r i n t i n g ，s p e c t r o s c o p i ca n a l y s i s ，m i c r o e l e c t r o n i c s ， m e s c a lt r e a t m e n ta n ds c i e n t i f i cr e s e a r c hi ng e n e r a l t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e m s r e s u l t so ft h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so nl a s e r sb a s e do na l l s o l i d s t a t e 2 1 3 r i md e 印u l t r a v i o l e tl a s e r t h ec o n t e n t sc a l lb eo u t l i n e da sf o l l o w s ： 1 t h ea d v a n t a g e sa n da p p l i e so fd i o d e - p u m p e ds o l i d s t a t eu l t r a v i o l e tl a s e r sa r e i n t r o d u c e d t h em a i na p p r o a c h e sa n dn e wr e s u l t so fa l l s o l i d s t a t eu l t r a v i o l e t l a s e r sw i t hd i o d e p u m p e da tp r e s e n ta r es u m m a r i z e d 2 i n t r o d u c i n gt h et h e o r yo fn o n l i n e a rf r e q u e n c yd o u b l i n g ，s u m - f r e q u e n c ya n dt h e p h a s e m a t c h i n gt e c h n o l o g y a n a l y z m gt h ec h a r a c t e r so fe v e r yk i n do f n o n l i n e a r c r y s t a l ，t h e i ra d v a n t a g e sa n ds h o r t n e s sa r ep r e s e n t e d 3 t h eq s w i t c h e dt e c h n o l o g ya n dp r i n c i p l eo fa c o u s t i c o p t i c a lq s w i t c h e da r e s u m m a r i z e d a n a l y z i n gt h e c h a r a c t e r so fs o m ek i n do fl a s e rc r y s t a l s ，t h e i r a d v a n t a g e sa n ds h o r t n e s sa r ep r e s e n t e d t h eb e s tw o r kw a yo f1 0 6 4 n ml a s e ri s i n v e s t i g a t e db yt h e o r ya n a l y z i n ga n dn e e do fo u re x p e r i m e n t s 4 t h ec o n t i n u o u sw a v e so f5 3 2 n mi so b t a i n e db yi n t e r - c a v i t yf r e q u e n c yd o u b l i n g a n de x t r a c a v i t yf r e q u e n c yd o u b l i n gs e p a r a t e l y b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e o r y , t h eu l t r a v i o l e to u t p u ta t2 6 6 r t mi sa c h i e v e db yu s i n gk t p b b oc r y s t a l w h e n t h ei n c i d e n tp u m p i n gp o w e rw a s1 0 3 w , w eo b t a i n e d5 9 m w2 6 6 n mu l t r a v i o l e t o u t p u ta n dg r e e n - u ve n e r g yc o n v e r s i o na sg r e a ta s9 a t2 0k h zr e p e t i t i o nr a t e w i t hp u l s ed u r a t i o no f 8 n sa n dp e a kp o w e ro f 3 7 0 w 山东师范大学硕士学位论文 5 g e n e r a t i o no faf i f t hh a r m o n i ci si n v e s t i g a t e dt h e o r e t i c a l l y w i t ht h eh e l po f a n a l y t i c a l n u m e r i c a li n v e s t i g a t i o n st h eo p t i m i z e dc o n d i t i o n sf o rm a x i m u m c o n v e r s i o ni n t ot h ef i f f l ah a r m o n i ca r ef o u n dt h e n ，w eo b t a i n e dd e e pu l t r a v i o l e t o u t p u ta t2 1 3 n m k e yw o r d s ：2 1 3 r i m u l t r a v i o l e tl a s e r , a l l s o l i d - s t a t e - l a s e r , n d ：y v 0 4 ， b b o f i f t h - h a r m o n i cg e n e r a t i o n ， c l cn u m b e r ：0 4 3 7 山东师范大学硕士学位论文 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如没 有其他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意。 学位论文作者签名：导师签字 学位论文版权使用授权书 柿豇 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权堂撞可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密 后适用本授权书) 学位论文作者躲覃确 签字日期：2 0 05 年月f 日 ， 新嫁乔谤 签字日期：2 0 0 年臼日 山东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 紫外、深紫外相干光源在微精细材料加工、超高密度光驱、光刻、光印刷、 紫外固化、医疗、光谱分析和科学研究等领域有广泛的应用前景，近年来随着对 小型电子产品和微电子元器件需求的日益增长，聚合物材料的精密处理日渐成为 激光在工业应用中发展最快的应用领域之一 1 7 1 。本章介绍了全固态紧外、深紫外 激光器的主要应用，总结了全固态紫外、深紫外激光器研究的国内外动态。 1 1 全固态紫外、深紫外激光器的主要应用 近几年来，世界上几个激光技术较为先进的国家，掀起了研制l d 泵浦全固态 紫外、深紫外激光器的热潮 8 】，这主要得益于其广阔的应用前景和潜在的巨大产业 化市场价值。从微光刻到打标和打印，紫外、深紫外激光器的应用是目前工业激光 市场增长最快的部分。这应该归功于较为成熟的全固态紫外、深紫外激光器技术 以及短波长激光在加工上特有的优点。各种应用的不同需求已经导致紫外、深紫 外激光器制造商发展两类截然不同的脉冲激光器产品一高重复率( 准连续) 激光器 和高输出功率激光器。产生紫外、深紫外激光的激光器有准分子激光器、n 2 激光 器及三、四和五倍频全固态激光器等9 。2 1 。l d 泵浦的全固态紫外、深紫外激光器 作为一种崭新的相干光源由于具有体积小、结构紧凑、寿命长、效率高、运转可 靠、光束质量好、重量轻、操作简单、价格低、可调谐、易维修等一系列实用化 的优点，必将成为紫外、深紫外激光器发展的主要趋势。因此，研究l d 泵浦的紫 外、深紫外全固态激光器具有非常重要的意义。 全固态紫外、深紫外激光器能够在许多其他激光器无能为力的场合大显身手， 具体表现为 1 3 】： ( 1 ) 第三代高密度光盘( 1 0 0 g b 的d v d 或c d ) 光学数据存储 在高密度光盘中有重要的应用，用2 6 6 n m 、2 i 3 n m 的紫外、深紫外激光可作 为d v d 光盘制作的光源。与目前常用作光源的3 5 5 n m 和4 1 3 n m 波长的激光相比， 2 6 6 n m 、2 1 3 n m 紫外、深紫外激光器的优点是波长短、衍射效应小、分辨率高、 山东师范大学硕士学位论文 光点面积小。若利用存储介质对短波长激光敏感的特点，采用新的编码技术及用 光记录代替热记录，则可加速实现太比特存储。 ( 2 ) 生物学上 与传统的氨灯紫外光源相比，紫外、深紫外激光具有方向性好、亮度高、单 色性好、相二f 性好等优点。这大大提高了紫外、深紫外激光仪器的时间分辨率、 波长分辨率和灵敏度。根据蛋白质和核酸的光学特性，用紫外、深紫外光谱仪测 定物质中蛋白质的浓度及蛋白质的纯度，检测d n a 和r n a 两者的分离纯度。 ( 3 ) 医学中的应用 紫外、深紫外激光束直接破坏分子问的连接，使其成为很小的易挥发的碎片， 带走能量，避免因吸收激光造成的组织热损伤。高能量密度的紫外、深紫外激光 器适用于打断有机材料的化学键，准确切割各种生物组织，在眼角膜手术中，对 角膜进行整形，以实现正的或负的曲率校正。另外在治疗白内障、血管整形、神 经外科等方面也有广泛的应用 ( 4 ) 微加工中的应用【1 5 1 相对长波长光而言，紫外、深紫外激光加在微加工中有两个优越性： 较短的波长能够加工更小的部件 光束的衍射现象是限制加工部件最小尺寸的主要因素，最小可达到的聚焦点 直径随着波长的增加而线形增加。 高能量的光予可以直接破坏材料的化学键。 红外或可见光通常利用集中产生局部的热使物质熔化或汽化的方式来加工。 但这种加热会导致周围区域严重破坏。与之相比，紫外、深紫外激光则是直接破 坏连接物质原子组分的化学键。这种将物质分离成原子的过程是一个“冷”过程， 不产生对外围的加热。良好的聚焦性能和冷处理两个优点结合在一起，使得紫外、 深紫外激光器成为加工薄橡胶和塑料制品之类脆弱物质的理想工具；也使对从金 属到半导体等许多物质进行打孔、切割和在其上作精确的标记成为可能。不仅如 此，由于大多数材料都能够有效地吸收紫外、深紫外光，从而紫外、深紫外激光 器有更高的灵活性和更广的应用场合。 由于会聚光斑的最小直径直接正比于激光的波长( 由于衍射) ，因此，更短的波 长意味着更高的空间分辨率，因而提高了紫外激光器精细加工的能力。随着激光 技术的不断进步，研究更短波长的紫外激光器已成为当今激光领域的一个研究热 2 山东师范太学硕士学位论文 点。l d 泵浦的2 1 3r t n l 深紫外激光作为当前微电子光刻产业的光源倍受国内外专 家的重视，此外作为眼科手术中的光源也引起了医学专家的浓厚兴趣，与准分子 激光器相比，l d 泵浦2 1 3 n m 深紫外固体激光器具有重复频率高、峰值功率高、寿 命长和相干性好、结构紧凑、体积小、应用范围广等优点，因而成为近来国际上 固体激光器领域的一个研究热点。就我们所知，我国对于全国态2 1 3 n m 深紫外激光 器的研究尚未见报道。本论文就这一课题展开了研究。 1 2 全固态紫外、深紫外激光器研究的国内外动态 2 0 世纪6 0 年代，有人提出了全固化激光器的思想，在1 9 6 2 年第一个g a a s 激 光二极管( l d ) 发明不久，r j k e y e s 和t m q u i s t 1 6 l 就用此来泵浦固体激光介质 c a f 2 ：u 3 + ，实现了紫外激光输出，但激光功率很低。随着八十年代晶体生长技术分 子柬外延( m b e ) 、金属有机化学气相沉积( m o c v d ) 和化学束( c b e ) 的日益 成熟以及量子阱( q w ) 和应变量子阱( s l q w ) 新结构的出现，有了大功率的l d 管，才真正使l d 泵浦全固化激光器获得了长足的发展i l7 o1 9 9 4 年，c z i m m e r m a n n ， v v u l e t i c ，a h e m m e r i c h ，t w h a n s c h 首先采用k n 作为倍频晶体，得到 4 8 6 n m 的 蓝光；然后用b b o 晶体将蓝光倍频，获得了2 1 w f 构2 4 3 n m 的连续紫外激光【l 。1 9 9 5 年，l e wg g l d b e r g ，d a h v a v k l i n e r 用g a a l a s 半导体激光器作为光源，先直接倍频 k n 晶体，然后再经晶体b b o 倍频得到了平均功率为1 5 矿的2 1 5 n m 的紫外激光【1 9 j 。 不久，他们又采用l b o 晶体和频得到了峰值功率为4 w 、平均功率为5 0 矿的2 8 6 n m 紫外激光幽1 。同年，日本索尼公k u b o t a 光电实验室研究中心的s h i g e ok u b o t a 等人 用1 8 w 的l d 泵浦n d ：y a g ，采用“z ”形腔，通过腔内倍频k t p 晶体，获得2 8 w 的5 3 2 n m 连续绿光输出，b b o 晶体作为四倍频晶体，利用腔外谐振倍频得到了1 5 w 得2 6 6 n m 连续紫外输出 2 1 1 。从1 9 9 6 年起，人们的研究重点放在了新发明的紫外激光晶体 c l b o 上。1 9 9 6 年，日本东京大学的y k y a p 等人用l d 泵浦n d ：y a g ，用k d p 作为 腔内倍频晶体，得到了重复频率为1 0 h z 、脉冲能量为1 0 0 0 n d 的绿光输出，腔外直接 采用尺寸为1 2 m m 1 2 r a m l o m m 的c l b o 晶体进行倍频，最终获得了重复频率1 0 h z 、 脉冲能量为5 0 0 m a 、平均功率为5 w 的2 6 6 n m 的紫外激光【3 】。 山东师范大学硕士学位论文 掺n d 3 + 的n d ：y a g 、n d ：y v 0 4 、n d ：y l f 、n d ：y a p 全固化紫外激光技术已经 比较成熟，尤其是n d ：y a g 。x , l 其基波1 0 6 4 n m 进行腔内、腔外倍频及和频可得到 它的三次谐波3 5 5 n m ，叫次谐波2 6 6 n m 以及五次谐波2 1 3 n m 的深紫外输出，而 3 5 5 n m 平h 2 6 6 n m 这两个波段在应用中是比较广泛的，是两个重要波段【5 1 j 。对 3 5 5 n m 全固态紫外激光技术开发比较有代表性的是美国相干公司【5 】，其研制的第 二代高功率3 5 5 n m 半导体泵浦固体激光器a v i a ，在1 5 k h z 时可以得到最大的平 均功率( 1 5 w ) ，在重复频率从6 k h z 到2 5 k h z 时平均功率都能保持在大于i w 的 水平。而美国光谱物理公司则用端抽运n d ：y v 0 4 的激光可获得1 2 w ，3 0 k h z 的 3 5 5 n m 激光。日本三菱公司的3 5 5 n m 全固态n d ：y a g 紫外激光在2 5 k h z 时功率达 到1 8 w 。2 6 6 n m 紫外激光器具有波长短、衍射效应小、分辨率高、光点面积小， 可加速实现太比特第三代高密度光盘( 1 0 0 g b 的d v d 或c d ) 光学数据存储。并 且由于紫外激光的波长短、能量聚集集中、分辨率高，因此紫外激光器在除去焊 料外壳、在电子线路板上钻微孔、在薄膜或薄片材料中产生微通道、进行精密切 割和对接等微加工领域具有广泛的应用。此外，高能量密度的紫外激光器适用于 打断有机材料的化学键，准确切割各种生物组织，在眼科角膜手术中，对角膜进 行整形，以实现正的或负的曲率校正，治疗白内障：在血管整形、神经外科等方 面也有广泛的应用前景。因此，l d 泵浦2 6 6 n m 紫外激光器的研究成为一个新的 热点f 2 2 】。1 9 9 9 年，文献 2 3 首次研制出t l d 泵浦n d ：y v 0 4 k t p b b o2 6 6 n m 连续 紫外激光器。2 0 0 0 年，文献 2 4 3 采用b b o 晶体对激光二极管抽运n d ：y v 0 4 晶体声 光调q 产生的1 ，0 6 4 p m 激光进行四倍频，获得了平均功率6 3 m w 、重复频率1 2 5 k h z 、 单脉冲能量5 、峰值功率2 5 2 w 的2 6 6 n m 紫外激光运转。同年，文献 2 5 将半导 体泵浦的n d ：y l f 调q 倍频激光器输出的5 2 7 n m 的激光在b b o 晶体中倍频，获得了 平均功率7 8 0 m w 的2 6 3 n m 紫外激光脉冲的输出。2 0 0 1 年，日本的t e t s u ok o j i m a l 2 6 j 利用高亮度的全固态绿光激光器( 1 0 k h z 时1 0 0 w ) 和改进后高质量c l b o 晶体获 得突破性进展，得到了2 0 w 的2 6 6 n m 紫外光输，c l e 0 2 0 0 1 会议上报道输出提高 到2 3 w 。日本三菱机电公司和大阪大学光学技术研究所共同研制成功一种紫外 固体激光器，其波长为2 6 6 m n ，功率为2 3 w ，可以连续工作5 0 小时以上。这种紫 外激光器可用于个人信息终端用于印刷电路基板的微细加工等方面。由于2 1 3 n m 深 紫外激光具有 = l 3 5 5 n m 、2 6 6 n m 紫外激光更窄的谱线宽度、更大的相干长度、更小 4 山东师范大学硕士学位论文 的光斑面积等优点，因而具有更加广阔的应用前景。1 9 7 4 年，g am a s s e y 用l d 泵 浦的n d ：y a g 激光器产生的1 0 6 4 n m 与其四倍频2 6 6 n m 在a d p 中和频产生了平均功 率为0 5 m w 的2 1 3 n m 的输出 2 8 1o1 9 7 8 年，g a i la m a s s e y 等人用l d 泵浦n d ：y a o ， 采用电光调q ，用c d a 作为腔内倍频晶体，当1 0 6 4 n m 的平均输出功率为8 5 0 m w 时， 得到了平均功率为1 1 0 m w 、脉宽为6 0 n s 的5 3 2 n m ，此时的重复频率为1 2 0 k h z 。然 后将5 3 2 n m 在长度为3 5c m 的a d p 中进行四倍频，得至u 1 2 m w 的2 6 6 n m 紫外激光， 最后将基频光与4 h g 光在长3 c m 的) p 中四倍频，得n 2 6 m w2 1 3 n m 的输出【2 9 1 。 1 9 9 6 年，日本东京大学的y k y a p 等人在获得重复频率1 0 h z 、脉冲能量为5 0 0 m j 、 平均功率为5 w 的2 6 6 n m 的紫外激光的基础上，再将产生的2 6 6 n m 和剩余的1 0 6 4 n m 在 1 2 m m 1 2 m m x 6 m m 的c l b o 晶体中和频，最终获得重复频率1 0 h z 、脉冲能量为 2 3 0 m j 、平均功率为2 3 w 的2 1 3 r i m 的紫外激光口1 。2 0 0 4 年，j u ns a k u m a 、y u i c h ia s a k a w a a n dt o m o h i r oh n a h o k o 等人利用c l b o 晶体对l d 泵浦的n d ：y v 0 4 产生的1 0 6 4 a n 激 光进行五倍频，实现了平均功率大于1 0 0 m w 的2 1 3 r i m 连续紫外激光运转p 0 。2 0 0 3 年 文献 3 1 通过半导体抽运的q 开关y l f 倍频激光器抽运钛宝石晶体，在平凹腔内加 入组合的石英双折射滤光片压缩线宽，用l b o 晶体腔内激发二次谐波，聚焦至i j b b o 上产生得到6 4 m w ，2 0 8 n m 的四次谐波深紫外光。国外已经有许多著名的大公司及 科研机构不惜重金致力于2 1 3 n m 深紫外激光器的开发，已推出了几种实用化的2 1 3 n m 深紫外激光器。例如，俄国l o t i s 公司推出的l s 2 1 3 6 ，l s 一2 1 3 7 ，l s 2 1 3 8 。 我们利用l d 泵浦n d ：w 0 4 晶体，腔内声光调q 产生1 0 6 4 n m 准连续波输出， 腔外用k t p 晶体倍频、b b o 晶体四倍频，获得2 6 6 n m 的紫外激光输出：然后将 产生的2 6 6 n m 和剩余的基波通过石英透镜聚焦后在五倍频晶体b b o 中和频，获得 平均功率为3 m w 的2 1 3 n m 深紫外激光输出，脉宽7 5 n s ，峰值功率2 0w ，单脉冲能 量o 1 5 9 j ，紫外一深紫外单次通过功率转换效率为5 。 山东师范大学硕士学位论文 第二章非线性光学相位匹配技术及深紫外倍频晶体的特性 为了获得不同波长的激光，最直接的方法就是采用频率变换技术。而其中最 为关键的元件是倍频晶体。倍频晶体直接影响着倍频效率的高低和输出光斑的质 量。本章介绍了负单轴晶体相位匹配的理论，总结了b b o 等几种非线性紫外倍频 晶体的特性，比较了他们的优缺点。 2 1非线性光学相位匹配技术”。4 1 为了有效地进行非线性光学频率变换，必须使参与相互作用的光波在介质中 传播时具有相同的相速度。实现有效频率变换的方法之一是角度相位匹配技术， 它是利用非线性晶体的双折射与色散特性达到相位匹配。 2 1 1 相位匹配的概念及分类 设参与互作用的三个光波的角频率分别为q ，吐和屿( q = q + 0 9 2 ) ，其波矢 量分别为丘，丘，毛，根据动量守恒定理，完全相位匹配时，有 a k = k l h ) + 如慨) 一岛b ) = 0 ( 2 1 1 ) 即岛h ) + 岛( q ) = k 3 ( c 0 3 ) ( 2 1 2 ) 由于t ：c 。jn i i ( i _ 1 ，2 ，3 ) ( 2 1 3 ) o 式中i 是波矢分别为砖的单位矢量，_ 是频率为q 的光波在介质中的折射率。 将( 2 1 3 ) 式代入( 2 ，1 2 ) 式，则有 址：堕嘲+ 竺也f 2 一c 0 3n 3 i 3 = 0 ( 2 1 4 ) coo 在共线条件下( 即：参与互作用的三个光波的波矢量方向相同) ， = = i 2 ( 2 1 5 ) 则有a k ：旦啊+ 堕啦一些传= 0 ( 2 1 6 ) ooo 即： 叻+ 吐他= c a 3 n 3 ( 2 1 7 ) 堕塑堕燮塑主堂垡堡塞 ( 2 1 7 ) 式即为共线条件下，三波互作用的相位匹配条件。 当q2 吐时称为倍频的相位匹配；当q ：时，称为和频的相位匹配。因此， 倍频可以看作和频的特殊情况。倍频时，0 3 ，= 6 0 2 = 0 3 ，则屿：2 珊。其相位匹配条件 ( 2 17 ) 式变为： _ 如) + n ：( c o ) - - 2 n 3 ( 2 6 0 ) ( 2 1 8 ) 式( 218 ) 是倍频时的相位匹配条件。 对负单轴晶体( n o ，z 。) 来说，双折射补偿色散的方法是和频( 倍频) 光的 偏振取非常光( e 光) 。基频光的偏振有两种选择：对于i 类相位匹配，两基频光取 相同的偏振方向光( o 光) ，记为。十。斗p ；对于i i 类相位匹配，两基频光取相互 垂直的偏振方向的光( o 光和e 光) ，记为d + 寸p 。 2 1 2 和频过程中的几个重要问题5 1 ) 相位匹配角眈 负单轴晶体中i 类相位匹配( 0 + 0 叶e ) 和频匹配角 由文献 3 可得含匹配角的匹配公式为 耐c o s o m2 十【蔫】2 一书慨( + ( 1 卅姒喇 ( 2 1 9 ) 其中y ：旦竺1 6 6 3 负单轴晶体中类相位匹配( p + d jg ) 设频率为j 的光为。光，频率为( 0 2 的光为e 光，即o + e e 的匹配类型为i i ( 1 ) 类相位匹配；设频率为( o l 的光为e 光，频率为2 的光为。光，即e + o 。e 的匹配类 型为i i ( 2 ) 类相位匹配。由文献 3 得1 1 ( 1 ) 类( e + o e ) 相位匹配角公式 为 而c o s d 】2 + 丽s i n 0 , 2 ) 一；= 扣咖+ ( 1 训镯c o s 0 ”) 2 + ( 器) 2 】专 ( 2 1 1 0 ) i i ( 2 ) 类( e + o - - - ，e ) 相位匹配角公式为 耐c o s 护m - 2 + 【器 2 ) k 弘11 厕c o s 0 m ) 2 + ( 黔2 训n 翩：) ) 山东师范大学硕士学位论文 ( 2 1 1 1 ， 2 ) 和频时的走离角 对于负单轴晶体，在通常情况下，i 类相位匹配的走离角计算公式为 p 5 扣( 刚以蚴 _ 南一蒜方8 i n 2 ( 2 以) ( 2 1 1 2 ) i i 类相位匹配时，和频光的走离角计算公式【2 1 为 仰2 圭，而舞貉篇s i n ( 2 1 1 3 ， i i ( 1 ) 类相位匹配时，基频光的走离角计算公式【3 】为 即可1 丽蔷器篙戋硐咖 1 1 ( 2 ) 类相位匹配时，基频光的走离角计算公式 2 】为 即= 三- 而盎端焉拳羽s 协 3 ) 和频时的允许角 对于单轴晶体，当三个波波矢方向为目= 以+ 臼时，相位失配量舭为 龇= 岛一岛一也= 等坞h ，占) 一了0 ) 2 行z h ，目) 一号码( q ，口) 将相位失配舭对护在色附近展成泰勒级数并只取前两项，并与七= 予联立 再考虑后j 口；如= o ，便求得 0 = 所以，对于负单轴晶体，和频时允许角的具体表达式为 姐一叫丽瓦两者瓣i 眩， o n ( 1 ) 2勘b 再西丽再西i 瓦丽硒若笔雨瓦丽矛丽二蠢 9 山东师范大学硕士学位论文 a o l t ( 2 ) 2 j r 地j 面而万而可万磊瓦丽面石写历瓦巧谚瓦f 孑瓦莉 l万l 4 ) 有效非线性系数( d 。) 根据各类晶体的非线性极化率张量j 的具体形式和不同的匹配形式，可求出不同 晶类的有效非线性系数d ( 口，妒) 的表达式a 这里波矢量与光轴的夹角口是由相位匹 配条件确定的瓯：k o z 平面与x 轴的夹角驴是波矢量的方位角，相位匹配角确定后， 方位角伊的选取可根据有效非线性系数的情况来决定。使达到最大的伊即为所选 取的角。例如，一b 。b ：0 4 ( b b o ) ，属3 晶类，则 如( ，) = 以ls i n o + ( d 1 1e o s 3 r p d 2 2s i n 3 o ) c o s 0 ) = 瓴1s i n 3 ( , o + d 2 2c o s 3 ( o ) c o s 2 0 5 ) 接受线宽( 觑) 和频或倍频的相位匹配角随波长不同而变。实际光束都是具有一定谱线宽度 的非理想平面单色波，所有频率分量不可能在同一个匹配角以下达到相位匹配。 可以由尼：车定义一个和频接受线宽觑：a k ：已绘坠】丑。已知匹配角附近的 ，似 8 ( 龇) 归a ，就可求出接受线宽泓。不同晶体的o ( a k ) o ；。数值有很大差异，接受线 宽觑也就不同。 6 ) 温度接受范围留) 晶体温度变化，引起晶体折射率的变化。从而使匹配方向偏离原来已调好的 偏振方向，致使转换效率下降。同样，也可由从= 要定义一个和频的接受温度范 v a ( o v ) ：女= 筹 r ，只要已知工作温度范围内的a ( 七) a 丁，便可求出温度 接受范围盯。 山东师范大学硕士学位论文 2 2深紫外倍频晶体的特性 到目前为止可用作深紫外波段频率转换的非线性晶体，主要集中在b b o 、 c l b o 、k a b o 、k b b f 、b i b o 这些晶体上，它们各有优缺点，下面就这几种非线 性晶体的性质进行简单的讨论。 b b o 晶体 偏硼酸钡( b a b 2 0 4 ，简称b b o ) 由中国科学院福建物质结构所首先研制 成功的，是迄今为止可用于深紫外波段的最优良的非线性晶体之一。 物理化学特性 晶体结构三方晶系，空间群r 3 c 晶格参数 dd a = b = 1 2 5 3 2 a ，c = 1 2 7 1 7 a ，z = 7 熔点 1 0 9 5 5 相变点 9 2 5 士5 光学均匀性 8 n = l o c m 莫氏( m o h s ) 硬度 4 密度 3 8 5g c n a 5 吸收系数 o 1 e r a ( a t1 0 6 4 r i m ) 比热1 91 j c m k 潮解性低 热膨胀系数a , 4 x1 0 6 k ；c ，3 6 x1 0 。6 k 热导率j _ c ，1 2 w m k ；l l c ，1 6 w m k 表2 1b b o 晶体物理化学特性 b b o 是一种负单轴晶体，它的o r a y 折射系数( 1 1 0 ) 要比e r a y ( 也) 折射系数 大，可通过s e l l e i m e r 方程来计算瓴i ng m ) 【6 j ： n 0 2 = 2 7 3 5 9 + 0 0 1 8 7 8 ( 九2 - 0 0 1 8 2 2 ) - - 0 0 1 3 5 4 九2 r t e 2 = 2 3 7 5 3 + 0 0 1 2 2 4 ( x 2 - - 0 0 1 8 2 2 ) - - 0 0 1 5 1 6 九2 有效倍频系数由下列方程式得出： 山东师范大学硕士学位论文 i 类：d e n = d 3 ) s i n 0 + ( d l l c o s 3c p d 2 2 s i n 3 q ) ) c o s o i i 类：d e ( d l l s i n 3 ( p + d 2 2 c o s 3 甲) c o s 2 0 0 和中分别指向极坐标中的z ( c ) 和x ( = a ) 光学特性 透光范围 1 9 0 一3 5 0 0 r i m 折劓系数 1 0 6 4n i n n e = 1 5 4 2 5 ，n o = 1 6 5 5 1 5 3 2n l n l i e = 1 5 5 5 5 ，n 0 _ 1 6 7 4 9 2 6 6 n m m = 1 6 1 4 6 ，n o = 1 7 5 7 1 1 2 1 3 n m n 。= 1 6 7 4 2 ，n o = 1 8 4 6 5 热光系数 d n o d t = 9 3 x1 0 。6 d n j d t = 一1 6 6 x1 0 6 相位匹配波段4 0 9 5 0 0 n m 非线性光学系数 d 1 1 = 5 8 一d 3 6 ( k d p ) d 3n = o 0 5 - - d 1 1 d 2 2 0 0 5 - - d 1 1 电光系数 t l l = 2 7 p m ，2 m l 0 1 7 1 1 半波电压 4 8 k v ( 1 0 6 4n m ) 损失阈值 1 0 6 4 r i m5o w c m 2 ( 1 0 n s ) ；1 0 g w c m 2 n 3 n s ) 5 3 2 n m 1g w c m 2 ( 10 n s ) ；7 g w c m 2 ( 2 5 0 n s ) 表2 2b b o 晶体的光学特性 b b o 晶体的透光曲线如图2 1 ，b b o s h g 相位匹配曲线如图2 2 所示 山东师范大学硕士学位论文 图2 1b b o 的透过率曲线图2 2b b o s h g 相位匹配曲线 目前b b o 已经被广泛应用于n d ：y v 0 4 激光器的三次、四次及五次谐波产生， 分别可得n 3 5 5 n m ，2 6 6 n m 及2 1 3 n m 的深紫外激光输出。但是由于b b o 晶体的紫 外吸收较多，相位匹配的接收角和温度允许范围较小，走离角较大，这样不仅对 相位匹配条件要求比较严格，而且不能同时获得高的倍频转换效率和好的光斑质 量。另外b b o 晶体还存在潮解和难以生长出制造较大尺寸器件的晶体原晶的问题。 c l b o 晶体 硼酸铯锂( c s z m , o , o ，简称c l b o ) 是日本大阪大学的y u s u k em o i l 等人7 1 在 1 9 9 5 年发明的一种性能优良的深紫外非线性晶体，其综合性能优良。其相关参数： 晶格结构：四方晶系：空间群：i 4 2 d 晶格参数： a = 1 0 4 9 4 a ，c = 0 8 9 3 9 a ，z = 4 熔点：8 4 8 0 c 吸收系数：o 0 2 5 c m ( 1 0 6 4 r i m ) ，0 2 5 c m ( 5 3 2 n m ) 潮解：轻微潮解 透光波段： 1 8 0 2 7 5 0 n m 温度带宽： 9 4 0 c 非线性系数：d ，。= 0 9 5 p m v 破坏阈值：沿 面，2 4 g w c m 2 ： 山东师范大学硕士学位论文 沿 面，2 6 g w c m 。( 在10 6 4 n m ，11 n s ) 色散特性： 负单轴晶体，色散公式为( i n _ m ) ( 8 l ： n ! = 2 2 0 8 9 6 4 + ：螋! 塑一0 0 1 1 3 0 6 2 ” 一o 0 1 2 8 6 5 。j ：2 0 5 8 7 9 1 + = ! ：! ! ! ! ! ! 一0 0 0 6 0 6 9 2 2 。 一0 0 1 1 3 9 3 波长使用范围：2 3 0 n m l0 6 4 n m 有效非线性系数 热光系数 d 蚵( ，) = d 3 6s i n gs i n2 d 盯) = 氏s i n 2 0 。s i n 2 庐 d n 。d t = 一1 9 1 0 6 。c d n 。d t = 一0 5 x 1 0 6 。c c l b o 晶体紫外光透过率曲线如图2 3 所示 讯垤j 8 n g t h ( m 图2 3c l b o 晶体紫外部分透过率 与b b o 相比，它虽然具有小的走离角和大的接收角，对泵浦光的光束质量要 求有所下降，但它的有效非线性系数小。对于单次通过的腔外谐波转换而言，有 效非线性系数非常重要。另外，c l b o 不像b b o 在2 6 6 n m 附近波段容易产生光 折变效应，非常适合于n d ：y v 0 4 激光器1 0 6 4 r m a 高次谐波的产生。但物化性差， 脆性高，不易切割，长期使用稳定度不如b b o 晶体。 k a b 0 晶体 硼酸钾铝即k a b o ( k 2 a 1 2 8 2 0 7 ) 晶体是由中国科学院福建物构所于1 9 9 8 年 首次报道1 9 1 。相关参数如下： 山东师范丈学硕士学位论文 晶格结构： 三方，空间群：p 3 2 1 品格参数： a = b = 8 5 3 0 a ，c = 8 4 0 9 a ，z = 3 熔点： 1 0 5 2 0 c 莫氏硬度： 6 潮解：不潮解 透光波段：1 8 0 n m - - 3 6 0 0 r m a 相位匹配波段：( i 类) 4 5 9 5 n m - ( i i 类) 6 0 0 6 m 一 光学均匀性：d n 1 0 。5 c m 非线性系数：d 。= o 4 8p m v 破坏阈值： 1g w c m 2 ( 1 0 6 4 n m ，1 0 n s ) 色散特性：负单轴晶体，色散公式为( 五以b u n 为单位) 【1 o 一。2 = 2 3 7 8 8 8 + 万0 丽0 1 2 8 7 吃2 = 2 1 1 7 3 6 7 + 万0 丽0 0 9 4 7 0 0 1 6 2 2 一0 0 0 6 7 1 2 2 俐觥一斌z 器麓巍 k a b o 晶体的相位匹配曲线如图2 4 所示： s h g 、 陋v e i e n 4 t h ，n m 图2 4k d m 3 0 s h g 相位匹配曲线 k a b o 晶体双折射率幽大小适中，无光折变效应，自外截至吸收边为 1 8 0 r i m ，透光范围宽，物化性能稳定，不潮解，机械加工性能优良。 山东师范大学硕士学位论