本发明属于激光，具体涉及一种基于全反射在单块非线性晶体中产生多次谐波的方法。
背景技术：
1、深紫外激光具有波长短，单光子能量高、分辨率高的特点，在光刻、微纳加工、等离子体诊断等领域具有重要应用。将成熟的1μm波段的nd:glass或者nd:yag激光器作为基频光源，利用基于二阶非线性的倍频、和频等过程进行非线性频率转换，是获得266nm以及更短波长深紫外光源的主要方式。在实际的工业及科研应用中，高相干度的深紫外激光器不仅要向高通量、高重频方向发展，激光器的小型化、集成化也是重要的发展方向。
2、非线性频率变换在满足相位匹配角和对应的光的偏振态的时候才能高效进行。在传统的晶体级联方案中，单块晶体只能进行一种非线性过程，产生四次谐波需利用两块、甚至多块不同切割角度的晶体分别进行倍频过程和四倍频过程。因此要实现同一块晶体中多个不同波长的非线性频率变换，需要克服单块晶体对谐波偏振态与相位匹配角的限制。
技术实现思路
1、本发明针对目前基于非线性晶体级联获得多次谐波面临的偏振态与相位匹配角限制，提出了一种通过全反射级联两个或多个非线性光学过程实现在单块非线性晶体中产生多次谐波的方法。该方法利用晶体的全内反射，在发生全内反射前后面分别实现不同波长频率转换所需的相位匹配和偏振态转换，从而克服了传统方案单块晶体只能进行一种频率转换过程、产生多次谐波需要多块不同晶体等方面的局限性。
2、本发明的技术解决方案如下：
3、一种基于全反射在单块非线性晶体中产生多次谐波的方法，其特点在于，激光光束入射经非线性晶体的入射平面入射至非线性晶体的斜面发生谐波转换产生二次谐波，同时，在该非线性晶体内发生全反射，改变二次谐波相对晶体光轴的夹角以及偏振态，使得全反射后的二次谐波满足谐波转换的相位匹配角及偏振态条件，从而获得四次谐波，包括基频、二次谐波和四次谐波的激光光束经该非线性晶体的出射平面出射。
4、基于所述的光学元器件，本发明包括如下关键特征：
5、1.基频激光器的输出光垂直入射所述非线性光学晶体并在其斜面发生全反射；在发生全反射前后，激光光束在所述非线性晶体中分别实现基频转换为二次谐波以及二次谐波转换为四次谐波这两个不同的非线性过程。包含原有的基频以及转换产生的二次谐波和四次谐波的激光光束从非线性晶体出射后，依次由与光路夹角为45°的第一谐波分束镜及第二谐波分束镜分别反射四次谐波和二次谐波。
6、2.所述非线性光学晶体外观呈三棱柱，三个侧面分别为相互垂直的入射平面和出射平面以及使得激光光束在非线性晶体内实现全内反射的斜面，即激光光束至所述斜面的入射角大于全反射临界角。所述非线性晶体在激光光束发生全内反射前的部分，基频在非线性晶体内实现满足产生二次谐波的相位匹配，即基频偏振方向以及基频波矢方向满足相位匹配条件；在发生全内反射后，二次谐波在非线性晶体内实现满足产生四次谐波的相位匹配，即二次谐波偏振方向以及二次谐波波矢方向满足相位匹配条件。基频波矢方向以及二次谐波波矢方向由非线性晶体的折射率椭球方程和相位匹配条件得出。
7、3.非线性晶体出射的激光光束经第一谐波分束镜分为以四次谐波为主的反射光和以基频光、二次谐波为主的透射光。其中，透射光经第二谐波分束镜分为以二次谐波为主的反射光和以基频光为主的透射光。第一谐波分束镜镀有可实现基频和二次谐波透射、四次谐波反射的膜层；第二谐波分束镜镀有可实现基频透射、二次谐波反射的膜层。
8、4.非线性晶体可以是bbo、lbo、clbo、ln、adp、kdp或dkdp晶体。
9、与现有技术相比，本发明的效果如下：
10、1、通过全反射级联两个倍频过程，解决了谐波偏振和相位匹配角这两个关键问题，从而在单块非线性晶体中实现了二次谐波和四次谐波产生，为紫外、深紫外等短波激光的产生提供了新途径，为提高激光器小型化、集成化提供了新方向。
11、2、基于非线性晶体全内反射产生多次谐波的方案，还可以应用于级联各种非线性过程，包括倍频、差频、和频产生及光参量放大，使得单块晶体中多种非线性光学效应的研究、集成和应用得到拓展。
1.一种基于全反射在单块非线性晶体中产生多次谐波的方法，其特征在于，激光光束入射经非线性晶体的入射平面入射至非线性晶体的斜面发生谐波转换产生二次谐波，同时，在该非线性晶体内发生全反射，改变二次谐波相对晶体光轴的夹角以及偏振态，使得全反射后的二次谐波满足谐波转换的相位匹配角及偏振态条件，从而获得四次谐波，包括基频、二次谐波和四次谐波的激光光束经该非线性晶体的出射平面出射。
2.根据权利要求1所述的基于全反射在单块非线性晶体中产生多次谐波的方法，其特征在于，所述非线性晶体呈三棱柱型，三个侧面分别为相互垂直的入射平面和出射平面以及使得激光光束在该非线性晶体内实现全内反射的斜面，即激光光束至所述斜面的入射角大于全反射临界角。
3.根据权利要求1所述的基于全反射在单块非线性晶体中产生多次谐波的方法，其特征在于，所述激光光束入射至非线性晶体的入射平面，在发生全内反射前，基频ω1在非线性晶体内实现满足产生二次谐波ω2的相位匹配，即基频偏振方向(p1)以及基频波矢方向(θ1)满足相位匹配条件；在发生全内反射后，二次谐波ω2在非线性晶体内实现满足产生四次谐波ω4的相位匹配，即二次谐波偏振方向(p2)以及二次谐波波矢方向(θ2)满足相位匹配条件，其中，所述的基频波矢方向(θ1)以及二次谐波波矢方向(θ2)由晶体折射率椭球方程及晶体相位匹配条件得出。
4.根据权利要求1所述的一种基于全反射在单块非线性晶体中产生多次谐波的方法，其特征在于，沿所述非线性晶体的激光光束出射方向依次设置与光路夹角为45°的第一谐波分束镜(3)及第二谐波分束镜(4)，用于分别反射四次谐波(ω4)和二次谐波(ω2)。
5.根据权利要求3所述的一种基于全反射在单块非线性晶体中产生多次谐波的方法，其特征在于，所述第一谐波分束镜(3)镀有可实现基频(ω1)和二次谐波(ω2)透射，四次谐波(ω4)反射的膜层，所述的第二谐波分束镜(4)镀有可实现基频(ω1)透射，二次谐波(ω2)反射的膜层。
6.根据权利要求1-4任一所述的一种基于全反射在单块非线性晶体中产生多次谐波的方法，其特征在于，所述的非线性晶体为bbo、lbo、clbo、ln、adp、kdp或dkdp非线性晶体。
