基于石英晶体的深紫外频率转换元件制备方法及相关产品

本发明涉及光电子器件制备，更具体的说是涉及基于石英晶体的深紫外频率转换元件制备方法及相关产品。

背景技术：

1、目前，深紫外频率转换器件的工程化应用仍面临多重掣肘，其中转换效率低下是最直接的性能瓶颈。这意味着若想获得高功率的深紫外波段激光输出，就必须向非线性介质注入高功率的泵浦光，而高功率泵浦光不可避免地伴随着大光斑的出现。然而，现有深紫外频率转换器件普遍采用小口径结构，无法有效接收大光斑，导致泵浦光利用率低，进而制约转换效率的提升。若将大光斑强行聚焦以匹配小口径器件，聚焦后的光束在焦点处具有极高的功率密度，极易对晶体及光学元件造成损伤。这一矛盾使系统陷入两难——高功率泵浦光无法被现有器件有效利用，低功率泵浦光无法实现高功率输出。

2、与此同时，在器件制备层面，现有app频率转换器件同样面临结构性的工艺瓶颈。为实现深紫外波段的相位匹配，需在非线性晶体内部通过飞秒激光直写技术制备由折射率改性刻痕组成的周期性相位光栅。然而，现有技术难以同时满足刻痕长纵深、窄线宽和均匀排布的要求。具体而言，传统飞秒激光加工多采用高斯光束，其聚焦后的焦深受瑞利长度限制，仅约为几十微米。山东大学申请的中国专利cn110068979a提出了app相位匹配原理并制备了频率转换器件，但该专利全文未涉及对刻痕纵深、线宽的优化。技术文献（shao,liang, zhang, et al. spatial frequency manipulation of a quartz crystal forphase-matched second-harmonic vacuum ultraviolet generation. laser&photonicsreviews, 2023, 17(10): 2300244.）虽然通过将高斯光束整形为贝塞尔光束，使刻痕纵深从40 μm提升至120 μm，但这一数值对于大尺寸高功率器件而言仍显不足。同时，窄线宽要求激光能量在横向维度必须高度局域化以形成微米乃至亚微米量级的精细光栅周期，这与为增大刻痕纵深而增加激光能量的需求存在内在矛盾：过高的能量密度易引发材料损伤或导致改性区域横向扩展，破坏窄线宽特性。为保证高效的频率转换，需要将刻痕精确、均匀地排列，这对加工平台的运动精度和稳定性也提出了极高要求。

3、综上，现有文献仅完成了较小尺寸结构的制备，未涉及刻痕纵深、线宽的协同设计，说明如何在同一器件中同时实现长纵深、窄线宽结构的协同优化，仍是本领域技术人员尚未解决的技术难题。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于石英晶体的深紫外频率转换元件制备方法及相关产品。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、第一方面，本发明实施例提供一种基于石英晶体的深紫外频率转换元件制备方法，包括以下步骤：

4、在飞秒激光加工系统中，添加由小底角锥形透镜和凸透镜构成的贝塞尔光束整形模块，形成产生飞秒激光贝塞尔光束的飞秒激光贝塞尔光束整形加工系统，调节小底角锥形透镜和凸透镜之间的轴向间距，使得所述飞秒激光贝塞尔光束整形加工系统能够在待加工石英晶体上产生目标纵深及目标线宽的折射率改性刻痕；所述小底角锥形透镜的底角，即圆锥母线与底面平面之间形成的夹角为1°~5°；

5、利用飞秒激光贝塞尔光束直写技术在待加工石英晶体上制备由目标纵深及目标线宽的折射率改性刻痕组成的大尺寸周期性相位光栅结构，得到深紫外频率转换元件。

6、进一步地，调节小底角锥形透镜和凸透镜之间的轴向间距，具体包括以下步骤：

7、获取飞秒激光贝塞尔光束整形加工系统的光学参数，包括飞秒激光波长λ、小底角锥形透镜的底角α、小底角锥形透镜的折射率n、凸透镜的焦距f、显微物镜的数值孔径na0；

8、基于所述光学参数和衍射光学理论，建立小底角锥形透镜和凸透镜之间的轴向间距d与贝塞尔光束中心光斑半径w(d)及贝塞尔光束无衍射距离z(d)的定量映射关系：

9、;

10、;

11、其中，r为入射到所述小底角锥形透镜的平行光束半径，kw和kz为通过系统标定确定的校正系数；

12、根据贝塞尔光束中心光斑半径w(d)及贝塞尔光束无衍射距离z(d)，构建包含目标纵深dtarget及目标线宽wtarget的优化目标函数j(d)：

13、

14、采用贝叶斯优化算法求解使所述优化目标函数的值j(d)取全局最小值时的轴向间隔d，作为最终的小底角锥形透镜和凸透镜之间的轴向间距。

15、进一步地，所述待加工石英晶体固定于六维电动位移台的载物平台上，且能够随载物平台沿x方向和y方向水平移动。

16、进一步地，所述六维电动位移台包括三层堆叠式精密位移机构与三点支撑式精密调姿机构，所述三层堆叠式精密位移机构为xyz三轴串联滑动结构，单轴定位精度≤±50nm，重复定位精度≤±20 nm，用于带动加工载物台完成待加工基底的全域扫描与大范围对焦调节；所述三点支撑式精密调姿机构为旋转三自由度并联结构，固定安装于三层堆叠式精密位移机构之上，用于校正加工面平面度、补偿基底翘曲带来的加工误差。

17、进一步地，上述方法还包括，所述周期性相位光栅结构制备完成后，对与石英晶体y向垂直的两个端面进行光学抛光处理。

18、第二方面，本发明实施例提供一种基于石英晶体的深紫外频率转换元件，基于本发明第一方面任意一项所述的深紫外频率转换元件制备方法制备得到，包括石英晶体，所述石英晶体的通光方向为沿着晶体

y向，且其内部设置有沿晶体

y向排布的由长纵深、窄线宽的折射率改性刻痕组成的大尺寸周期性相位光栅结构。

19、优选的，所述大尺寸周期性相位光栅结构中单个刻痕纵深为300μm、线宽为2.1μm。

20、优选的，所述大尺寸周期性相位光栅结构中的周期性相位光栅结构采用直线型阵列和正弦线型阵列。

21、优选的，所述大尺寸周期性相位光栅结构中单周期的占空比是0.5。

22、优选的，所述大尺寸周期性相位光栅结构中周期数≥500。

23、第三方面，本发明实施例提供一种基于石英晶体的深紫外频率转换器，包括沿光束传输方向依次设置的紫外脉冲激光器、半波片、聚焦透镜、深紫外频率转换元件和分光棱镜，其中，所述深紫外频率转换元件基于本发明第一方面任意一项所述的深紫外频率转换元件制备方法制备得到。

24、优选的，所述分光棱镜包括caf2分光棱镜。

25、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于石英晶体的深紫外频率转换元件制备方法及相关产品，具有以下有益效果：

26、本发明采用小底角锥形透镜和凸透镜作为飞秒激光贝塞尔光束整形核心元件，在飞秒激光加工光路系统中加入该整形核心元件，构建了飞秒激光贝塞尔光束整形加工系统。在显微物镜数值孔径允许的范围内，通过调节小底角锥形透镜与凸透镜的轴向间隔，可以改变入射到显微物镜的环形光束直径，从而改变贝塞尔光束中心光斑的尺寸。若刻痕线宽未达预期，则增大轴向间隔以增大系统有效数值孔径，减少光斑宽度，从而收窄刻痕线宽；若刻痕纵深不足，则缩小间隔以减小有效数值孔径，延长贝塞尔光束无衍射距离，从而增大刻痕纵深。本发明通过建立小底角锥形透镜和凸透镜之间的轴向间距d与贝塞尔光束中心光斑半径w(d)及贝塞尔光束无衍射距离z(d)的定量映射关系，并构建目标纵深dtarget及目标线宽wtarget的优化目标函数，求解得到满足设定窄线宽、大纵深刻痕加工要求的轴向间隔。此外，本发明通过高精度三维移动控制平台及配套运动控制系统实现刻痕的精确排布。在加工前，通过控制软件对扫描路径进行编程规划，设定各刻痕的起始坐标、长度及间距，使激光在晶体内部沿预设轨迹逐条扫描；加工过程中，利用位置同步输出功能将激光触发脉冲与平台编码器反馈实时联动，确保激光发射与平台位移保持精确同步，使各刻痕的起始位置和长度精度优于±50 nm。折射率改性刻痕在材料内部均匀排列，800条刻痕组成的阵列的误差小于0.5微米。

27、本发明提供的大尺寸深紫外频率转换元件，核心在于其大尺寸通光结构能够直接接收高功率泵浦光产生的大光斑，提高了激光利用率，在增大深紫外激光输出功率的同时，避免了强行聚焦带来的光学损伤风险。本发明有效解决了传统小尺寸结构器件无法高效利用大光斑的困境，为深紫外频率转换技术的高功率化提供了切实可行的器件方案。

28、本发明不仅采用直线阵列结构，还采用正弦线阵列作为周期性相位光栅的结构形式。相较于传统直线阵列光栅，正弦线阵列光栅的平滑轮廓能够有效抑制高阶谐波产生，同时减少光束的散射损耗，从而提升输出深紫外激光的光束质量和信噪比，为高功率深紫外激光的高效、高质量输出提供了结构层面的保障。

29、本发明的深紫外频率转换器凭借由长纵深、窄线宽、高度均匀的折射率改性刻痕组成的大尺寸周期性相位光栅结构，具有功率承载能力强、转换效率高、制备工艺简单等优点，可广泛应用于先进工业制造和基础科学研究等领域。