本發(fā)明屬于非線性光學(xué)與激光微納加工，具體公開(kāi)了一種兼具二次諧波產(chǎn)生與光場(chǎng)整形的非線性光學(xué)器件。
背景技術(shù)：
1、傳統(tǒng)激光倍頻系統(tǒng)通常采用分立元件組合：非線性晶體（如bbo、lbo、clbo）用于頻率轉(zhuǎn)換，外部doe或透鏡組（如柱透鏡）實(shí)現(xiàn)光斑整形。現(xiàn)有倍頻晶體（如周期極化晶體ppln、ppktp）主要通過(guò)優(yōu)化相位匹配條件或晶體參數(shù)（如長(zhǎng)度、折射率）來(lái)提升性能，但其功能局限于單一頻率轉(zhuǎn)換，無(wú)法直接輸出定制化光斑（如圓形平頂、矩形平頂、環(huán)形、多焦點(diǎn)）。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本申請(qǐng)旨在提供一種微型化、多功能非線性光學(xué)器件，通過(guò)集成doe微納結(jié)構(gòu)于非線性晶體表面，解決倍頻晶體功能單一性問(wèn)題（僅能實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換，需依賴(lài)外部元件完成光斑整形）和分立元件導(dǎo)致的系統(tǒng)冗余問(wèn)題（體積大、對(duì)準(zhǔn)復(fù)雜、穩(wěn)定性差、影響光斑質(zhì)量）。其技術(shù)方案為：
2、一種兼具二次諧波產(chǎn)生與光場(chǎng)整形的非線性光學(xué)器件，包括非線性晶體，在非線性晶體出射面設(shè)置微納結(jié)構(gòu)；在非線性晶體的入射面鍍基頻光增透膜、出射面鍍基頻光全反膜和二次諧波增透膜。
3、優(yōu)選的，非線性晶體、非線性晶體表面的微納結(jié)構(gòu)；其中，所述非線性晶體依據(jù)基頻光的波長(zhǎng)，根據(jù)相位匹配條件切割成特定的角度，當(dāng)基頻光以垂直于晶體表面入射時(shí)，基頻光光束與晶體光軸之間的夾角等于二次諧波產(chǎn)生的相位匹配角，或非線性晶體按照準(zhǔn)相位匹配條件進(jìn)行周期性極化；所述微納結(jié)構(gòu)由亞波長(zhǎng)尺度的單元構(gòu)成，用于對(duì)產(chǎn)生的二次諧波光束的波前進(jìn)行相位調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)生的二次諧波的光場(chǎng)整形。
4、優(yōu)選的，入射基頻光為連續(xù)激光或脈沖激光。基頻光的波長(zhǎng)包括800nm，由鈦寶石激光器產(chǎn)生；1030nm，由yb稀土離子摻雜激光器產(chǎn)生；1064nm，由nd稀土離子摻雜激光器產(chǎn)生；2000nm由tm或ho稀土離子摻雜激光器產(chǎn)生；3000nm，由er或ho稀土離子摻雜激光器產(chǎn)生，或半導(dǎo)體激光器、光參量振蕩器以及光參量放大器輸出的其他波長(zhǎng)。二次諧波波長(zhǎng)為對(duì)應(yīng)基頻光波長(zhǎng)值的二分之一。
5、優(yōu)選的，其中脈沖激光包括納秒激光（脈沖寬度在ns量級(jí)）、皮秒激光（脈沖寬度在ps量級(jí)）和飛秒激光（脈沖寬度在fs量級(jí)）。
6、優(yōu)選的，非線性晶體的相位匹配條件分為兩類(lèi)：角度相位匹配和準(zhǔn)相位匹配；其中角度相位匹配包括i類(lèi)和ii類(lèi)相位匹配：i類(lèi)相位匹配條件為，要求入射基頻光滿足偏振態(tài)相同，其中為波矢失配量（相位失配因子），為二次諧波的波矢，為基頻光的波矢，為二次諧波在非線性晶體中的折射率，為基頻光在非線性晶體中的折射率，為基頻光的角頻率，為真空光速；ii類(lèi)相位匹配條件為，要求入射基頻光包括兩個(gè)正交偏振方向，其中為波矢失配量（相位失配因子），為二次諧波的波矢，與為兩束正交偏振態(tài)的基頻光波矢，為二次諧波在非線性晶體中的折射率，與為兩束正交偏振態(tài)的基頻光在非線性晶體中的折射率，為基頻光的角頻率，為真空光速；準(zhǔn)相位匹配條件的廣義動(dòng)量守恒條件為，即，其中為準(zhǔn)相位匹配條件下的波矢差，為二次諧波的波矢，為基頻光的波矢，為二次諧波與基頻光的固有波矢差，為準(zhǔn)相位匹配的周期性波矢調(diào)制量，為極化反轉(zhuǎn)周期，m為準(zhǔn)相位匹配階數(shù)，為基頻光在非線性晶體中的波長(zhǎng)，，分別為基頻光和二次諧波光在晶體中的折射率。
7、優(yōu)選的，所述非線性晶體包括通過(guò)角度相位匹配的kta、clbo、bbo、bibo、ktp、ycob、kbbf和lbo，或通過(guò)準(zhǔn)相位匹配ppln和ppktp；晶體的通光孔徑大于基頻光的束腰直徑的2倍，確保基頻光完全通過(guò)晶體，晶體厚度根據(jù)基頻光和倍頻光的相位匹配條件和走離效應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，晶體入射表面鍍基頻光增透膜，出射表面鍍基頻光的全反膜和二次諧波增透膜，實(shí)現(xiàn)基頻光和光場(chǎng)整形后二次諧波的分離。
8、優(yōu)選的，所述晶體表面的微納結(jié)構(gòu)為亞波長(zhǎng)尺度結(jié)構(gòu)，其幾何形態(tài)包括連續(xù)相位輪廓的浮雕型結(jié)構(gòu)或離散化的臺(tái)階型結(jié)構(gòu)，該微納結(jié)構(gòu)通過(guò)精確控制波前的相位延遲量，對(duì)產(chǎn)生的二次諧波波前進(jìn)行空間相位編碼，使其傳播過(guò)程中發(fā)生可控干涉效應(yīng)，在目標(biāo)平面形成具有陡峭邊緣的圓形平頂、矩形平頂或環(huán)形光強(qiáng)分布，從而實(shí)現(xiàn)二次諧波的光場(chǎng)整形。
9、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明至少具有以下有益效果：
10、1.系統(tǒng)緊湊性：通過(guò)單片集成消除分立光學(xué)元件需求，使基頻光到整形二次諧波的系統(tǒng)空間體積大幅度減小；
11、2.工藝兼容性：非線性晶體表面的微納結(jié)構(gòu)加工工藝適配現(xiàn)有doe制造產(chǎn)線，支持批量化生產(chǎn)；
12、3.多功能協(xié)同性：同一元件可同步實(shí)現(xiàn)二次諧波產(chǎn)生與二次諧波的光場(chǎng)整形，簡(jiǎn)化了光路的對(duì)準(zhǔn)流程；
13、4.低成本性：用同一元件同步實(shí)現(xiàn)二次諧波產(chǎn)生與二次諧波光場(chǎng)整形，省去了傳統(tǒng)二次諧波整形中的doe基片，造價(jià)降低。
1.一種兼具二次諧波產(chǎn)生與光場(chǎng)整形的非線性光學(xué)器件，其特征在于：包括非線性晶體，在非線性晶體出射面設(shè)置微納結(jié)構(gòu)；在非線性晶體的入射面鍍基頻光增透膜、出射面鍍基頻光全反膜和二次諧波增透膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的兼具二次諧波產(chǎn)生與光場(chǎng)整形的非線性光學(xué)器件，其特征在于：所述非線性晶體依據(jù)基頻光的波長(zhǎng)，根據(jù)相位匹配條件切割成特定的角度，當(dāng)基頻光以垂直于晶體表面入射時(shí)，基頻光光束與晶體光軸之間的夾角等于二次諧波產(chǎn)生的相位匹配角，或非線性晶體按按照準(zhǔn)相位匹配條件進(jìn)行周期性極化；所述微納結(jié)構(gòu)由亞波長(zhǎng)尺度的單元構(gòu)成，用于對(duì)產(chǎn)生的二次諧波光束的波前進(jìn)行相位調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)生的二次諧波的光場(chǎng)整形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述兼具二次諧波產(chǎn)生與光場(chǎng)整形的非線性光學(xué)器件，其特征在于：入射基頻光可為連續(xù)激光或脈沖激光。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述兼具二次諧波產(chǎn)生與光場(chǎng)整形的非線性光學(xué)器件，其特征在于：入射基頻光的波長(zhǎng)包括800nm，由鈦寶石激光器產(chǎn)生；1030nm，由yb稀土離子摻雜激光器產(chǎn)生；1064nm，由nd稀土離子摻雜激光器產(chǎn)生；2000nm由tm或ho稀土離子摻雜激光器產(chǎn)生；3000nm，由er或ho稀土離子摻雜激光器產(chǎn)生或半導(dǎo)體激光器、光參量振蕩器以及光參量放大器輸出的其他波長(zhǎng)；二次諧波波長(zhǎng)為對(duì)應(yīng)基頻光波長(zhǎng)值的二分之一。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述兼具二次諧波產(chǎn)生與光場(chǎng)整形的非線性光學(xué)器件，其特征在于：脈沖激光包括納秒激光、皮秒激光和飛秒激光。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述兼具二次諧波產(chǎn)生與光場(chǎng)整形的非線性光學(xué)器件，其特征在于：非線性晶體的相位匹配條件分為兩類(lèi)：角度相位匹配和準(zhǔn)相位匹配；其中角度相位匹配包括i類(lèi)和ii類(lèi)相位匹配：i類(lèi)相位匹配條件為：；
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述兼具二次諧波產(chǎn)生與光場(chǎng)整形的非線性光學(xué)器件，其特征在于：所述的非線性晶體包括通過(guò)角度相位匹配的kta、clbo、bbo、bibo、ktp、ycob、kbbf和lbo，或通過(guò)準(zhǔn)相位匹配ppln和ppktp；晶體的通光孔徑大于基頻光的束腰直徑的2倍，確保基頻光完全通過(guò)晶體，晶體厚度根據(jù)基頻光和倍頻光的相位匹配條件和走離效應(yīng)進(jìn)行調(diào)整，晶體入射表面鍍基頻光增透膜，出射表面鍍基頻光的全反膜和二次諧波增透膜，實(shí)現(xiàn)基頻光和光場(chǎng)整形后二次諧波的分離。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述兼具二次諧波產(chǎn)生與光場(chǎng)整形的非線性光學(xué)器件，其特征在于：所述晶體表面的微納結(jié)構(gòu)為亞波長(zhǎng)尺度結(jié)構(gòu)，其幾何形態(tài)包括連續(xù)相位輪廓的浮雕型結(jié)構(gòu)或離散化的臺(tái)階型結(jié)構(gòu)，該微納結(jié)構(gòu)通過(guò)精確控制波前的相位延遲量，對(duì)產(chǎn)生的二次諧波波前進(jìn)行空間相位編碼，使其傳播過(guò)程中發(fā)生可控干涉效應(yīng)，在目標(biāo)平面形成具有陡峭邊緣的圓形平頂、矩形平頂或環(huán)形光強(qiáng)分布，從而實(shí)現(xiàn)二次諧波的光場(chǎng)整形。