深紫外KBBF薄片晶体的连续波激光倍频器设计

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0162

摘要/Abstract

摘要： 深紫外激光（波长<200 nm）在光刻、角分辨光电子能谱、激光精密加工等前沿领域具有不可替代的应用价值。为实现实用化、高精度的深紫外激光输出，基于非线性光学晶体的多级倍频技术已成为最具可行性的方案，其极限性能由终端深紫外倍频晶体决定。然而，目前见诸报道的深紫外非线性晶体仅有KBBF（KBe₂BO₃F₂）和RBBF（RbBe₂BO₃F₂）两种，且二者均受层状生长习性限制，仅能获得毫米级厚度的薄片状晶体。针对薄片状非线性光学晶体制作倍频器件的技术挑战，传统解决方案采用在晶体两面光胶两个异质材料棱镜的耦合技术。但该方案存在固有缺陷，形成的两个异质界面引入了额外光损耗，也成为激光损伤的薄弱环节，使器件的损伤阈值比晶体下降超过一个数量级。本研究创新性地提出布儒斯特角的特殊切割方法，可在保证相位匹配的前提下，使晶体获得最大有效通光长度。这种无棱镜的倍频器件摒弃了异质棱镜结构，充分发挥非线性晶体本征的高损伤阈值特性，提高了倍频器件的总透过率，为实现高功率/连续波深紫外激光输出提供了新途径。

关键词: 非线性光学晶体; 深紫外; KBBF晶体; 连续波激光; 倍频器件; 布儒斯特切割; 薄片晶体

Abstract: Deep ultraviolet （DUV） lasers （wavelength is less than 200 nm） play an indispensable role in advanced applications such as lithography， angle-resolved photoemission spectroscopy， and micromachining. For achieving practical and high-precision DUV laser output， the cascade frequency conversion approach based on nonlinear optical crystals has emerged as the most viable solution， whose ultimate performance is determined by the terminal DUV frequency doubling crystal. However， only two DUV nonlinear crystals—KBBF （KBe₂BO₃F₂） and RBBF （RbBe₂BO₃F₂） have been reported to date， both constrained by layered growth habits that yield only millimeter-thick plate-like crystals. To address the technical challenges in fabricating frequency-doubling devices from such thin-plate crystals， conventional solutions employ prism coupling techniques involving optical bonding of two heterogeneous prisms to the crystal surfaces. This approach suffers from inherent limitations： the introduced heterointerfaces not only cause additional optical losses but also become vulnerable points for laser damage， reducing the device's damage threshold by over one order of magnitude compared to the crystal itself. This study innovatively proposes a specialized Brewster-angle cutting method that maximizes the effective optical path length while maintaining phase-matching conditions. By eliminating the prism structures， this prism-free frequency doubler fully exploits the intrinsic high-damage-threshold characteristics of the nonlinear crystal while improving overall transmittance， thereby providing a new pathway for high-power/continuous-wave DUV laser generation.

Key words: nonlinear optical crystal; deep ultraviolet; KBBF crystal; continuous-wave laser; frequency doubler; Brewster-angle cutting; thin-plate crystal

中图分类号:

王晓洋, 刘丽娟. 深紫外KBBF薄片晶体的连续波激光倍频器设计[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(10): 1732-1739.

WANG Xiaoyang, LIU Lijuan. Design of a Continuous-Wave Laser Frequency Doubler Using KBBF Thin-Plate Crystals[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(10): 1732-1739.

图/表 8

图1 KBBF生成态晶体

Fig.1 As-grown KBBF crystal

图2 KBBF晶体棱镜耦合器件的原理图

Fig.2 Schematic diagram of KBBF prism coupled device

图3 三方晶系薄片状晶体及物理学坐标系示意图

Fig.3 Schematic diagram of a trigonal system flake-shaped crystal and the physics coordinate system

图4 无棱镜倍频器件切割示意图

Fig.4 Cutting layout of a non-prism frequency doubler

图5 无棱镜倍频器件在Y方向的投影图

Fig.5 Y-direction projection of the non-prism frequency doubler

图6 布儒斯特切割倍频器示意图。（a）传统切割方法；（b）本论文方法

Fig.6 Schematic diagram of a Brewster-cut frequency doubler. （a） Conventional cutting method；（b） method proposed in this paper

图7 （a）传统布儒斯特切割倍频器在Y方向投影图；（b）本论文新布儒斯特切割倍频器在Z方向投影图

Fig.7 （a） Y-direction projection of the Brewster-cut frequency doubler；（b） Z-direction projection of the novel Brewster-cut frequency doubler proposed in this paper

图8 （a）传统布儒斯特切割倍频器在垂直于Y方向和相位匹配方向的投影图；（b）本论文新布儒斯特切割倍频器侧面投影图

Fig.8 （a） Projection of the Brewster-cut frequency doubler perpendicular to both the Y-direction and phase-matching direction；（b） side projection of the novel Brewster-cut frequency doubler proposed in this paper

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