CN100421316C - 四次谐波固体激光产生方法 - Google Patents

四次谐波固体激光产生方法 Download PDF

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Abstract

一种四次谐波固体激光产生方法，用高功率密度基波作用到二倍频非线性晶体上产生二次谐波，二次谐波射入四倍频非线性晶体上，采用二次谐波腔内-腔外多次反射方法，使二次谐波构成闭路多次全反射，产生多次累积的四次谐波固体激光输出，未被转换为四次谐波的二次谐波多次通过非线性晶体进行倍频，达到高转换效率。采用非聚焦光束的方法避免高功率密度的二次谐波入射到四倍频非线性晶体上破坏其表面膜层，延长非线性晶体使用寿命。另外，不需移动非线性晶体，避免逐点扫描引起非线性晶体因温度不匹配造成激光功率瞬间产生突变，保证了输出的激光的稳定性。

Description

四次谐波固体激光产生方法
所属技术领域
本发明涉及一种四次谐波固体激光产生方法。
背景技术
近几年来，国际上激光精细加工发展极为迅速，其市场产值超过激光标记，已成为仅次于激光切割与焊接的主要激光产业，而短波长高功率紫外激光由于具有高分辨率和高吸收的特点，是激光精细加工的重要发展方向。
美国Coherent公司研发了激光平均功率为1～3wNd:YAG调Q四倍频激光器，主要用于激光打标和TFT切割；研发了激光功率200mw连续四倍频激光器，主要用于半导体硅园片的质量检验和微光刻。
美国Spectra-Physics公司研发了激光平均功率1～2w调Q Nd:YVO4和1w连续四倍频激光器，可用于晶园片切割、宝石基片划片、鑚微孔、FBG制造和DVD光碟刻制。
为了产生高功率四次谐波激光通常采用在激光谐振腔外把谐波聚焦到四倍频非线性晶体上，获得足够的二次谐波功率密度来提高倍频效率，如sony公司美国专利第US 6249371号和Acuhighr公司美国专利第US 6741620B2号所示，这种方法简单稳定，适用于产生中小功率，但对高功率激光易导致非线性介质破坏。另外，未被转换为四次谐波的二次谐波将透过非线性晶体被浪费掉，因此，四次谐波激光的转换效率也受到一定的限制。为了克服倍频晶体破坏、效率低等问题，Spectra-Physics公司和Coherent公司采用移动非线性晶体方式，使入射二次谐波光在四次谐波晶体上二维逐点扫描，这种方式可得到高功率、高效率四次谐波激光输出。但逐点扫描存在非线性晶体温度匹配的问题，晶体移动瞬间产生激光突变而使四次谐波激光功率形成瞬态功率急剧下降。
另一种激光调Q四次谐波产生方法为基波谐振腔内谐波晶体串联方法。Lightwave Electronics公司美国专利第US 6697391B2号和Photonics IndustriesInternational公司美国专利第US 6229829号所示。这种方法利用了腔内基波高功率密度，提高了谐波的转换效率，为了避免紫外光对腔内元件的损坏，用棱镜或磨斜非线性晶体端面，把四次谐波激光导出腔外，该方法是基于单向谐波作用，存在未被转换为四次谐波的二次谐波激光仍然被浪费掉，从而限制了四次谐波输出功率。为了提高效率达到高功率输出，Kigre公司美国专利第US5278852号和Quantronix公司美国专利第US 5943351号分别提出了腔内子腔和多次反射法。利用腔内二次谐波倍频光在四次谐波晶体上多次往返倍频，产生高效率、高功率四次谐波激光输出，这种方法的问题是紫外激光输出为双光束和紫外光对腔内元件的损伤，使输出功率和使用寿命均受限。
上述常用四次谐波晶体为BBO，二次谐波激光在BBO上再倍频得到紫外波段。sony公司美国专利第US 6249371号用基波和三次谐波在LBO晶体上混频也获得四次谐波激光输出；另外新非线性晶体CLBO有很高的谐波转换效率和优良的深紫外透光性能，日本Research Development利用CLBO产生了四次谐波和五次谐波深紫外激光。但是CLBO易潮解且材料松软易碎，需逐渐提高后可用于工业产品。
紫外连续激光产生多采用二次谐波单频激光输入到外腔谐振器上，用强聚焦方法增加空间功率密度产生紫外四次谐波激光。Coherent公司用X型与Cfra-Physics公司采用△型共振腔分别得到0.2～2W四次谐波激光输出。但是这种外共振腔对环境要求严格，必须配备自动光程补偿随动装置和光学机械自动跟踪装置，对机械和温度稳定性要求很高，通常用于试验的科学研究，改进后才可适用于工业生产。
国内四次谐波紫外激光尚处于基础研究阶段，南京大学和山东师范大学合作研究用腔外聚焦倍频法得到63mw/266nm激光输出(《物理学报》，何京良等人著，第49卷，第10期，2000年，第2106～2108页)。西安光机所用外腔共振法探测到连续266nm激光信号(《光子学报》，陈国夫等人著，第28卷，第8期，1999年，第684～687页)。清华大学和北京大学联合共同研究用CLBO非线性晶体倍频得到78mw/266nm激光(《人工晶体学报》，孙同庆等人著，第33卷，第2期，2004年，第133～135页)。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种可以获得稳定的四次谐波固体激光输出，并且光转换效率高、非线性晶体使用寿命长的四次谐波固体激光产生方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该四次谐波固体激光产生方法用高功率密度的基波作用到二倍频非线性晶体上产生二次谐波，二次谐波射入四倍频非线性晶体上，采用腔内-腔外多次反射和非聚焦光束的方法产生多次累积的四次谐波固体激光输出，基波和二次谐波偏振光小角度折叠光路形成低损耗的偏振耦合，红外基波谐振腔设计为与激光介质热透镜平衡高功率密度稳定腔结构，并用多次小角度的内全反射折叠光路。
本发明相对于现有技术所具有的创新是：本发明四次谐波固体激光产生方法中，基波和二次谐波偏振光小角度折叠光路形成低损耗的偏振耦合，红外基波谐振腔设计为与激光介质热透镜平衡高功率密度稳定腔结构，并用多次小角度的内全反射折叠光路，形成了高线偏振激光振荡，在这两个条件下，产生高功率密度基波。
采用矩阵光学和非线性程序设计了高功率密度基波的半导体泵浦固体激光谐振腔及高效的谐波转换效率。将高功率密度基波作用到二倍频非线性晶体上产生二次谐波，二次谐波射入四倍频非线性晶体上，采用二次谐波腔内-腔外多次反射方法，使二次谐波构成闭路多次全反射，产生多次累积的四次谐波固体激光输出，未被转换为四次谐波的二次谐波多次通过非线性晶体进行倍频，充分利用了二次谐波功率，达到高转换效率；采用非聚焦光束的方法避免高功率密度的二次谐波入射到四倍频非线性晶体上破坏其表面膜层，延长非线性晶体使用寿命。另外，本发明四次谐波固体激光产生方法不需移动非线性晶体，避免逐点扫描引起非线性晶体因温度不匹配造成激光功率瞬间产生突变，保证了输出的激光的稳定性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明四次谐波固体激光产生方法的原理示意图。
图2a为本发明四次谐波固体激光产生方法的优选方式中，激光谐振腔的稳定性模拟计算结果，其中，横坐标轴单位为：mm；热透镜焦距：fth＝300mm；腔稳定范围：fth＝214～1000mm。
图2b为本发明四次谐波固体激光产生方法的优选方式中，激光谐振腔内高斯光束振荡轨迹模拟计算结果，其中，横坐标轴单位为：mm；纵坐标轴的单位为：μm；光腰：ω01＝ω02＝0.32mm；光发散度：θ1＝θ2＝2.13mrad；激活面积：dA＝0.94mm。
图3为本发明四次谐波固体激光产生方法的优选方式中，产生的四次谐波固体激光的效率和功率累计计算结果图。
图4为本发明四次谐波固体激光产生方法的优选方式中，腔内二次谐波、四次谐波累次作用的功率密度计算结果。
图5为本发明四次谐波固体激光产生方法的优选方式中，不同重复频率所对应的四次谐波固体激光输出功率和二倍频到四倍频转换效率的变化曲线计算结果图。
图6为本发明四次谐波固体激光产生方法的实验中，不同输入电流所对应的四次谐波固体激光功率和脉冲宽度变化曲线的实验结果图(F＝10KHZ)。
图7为本发明四次谐波固体激光产生方法的实验中，产生的四次谐波固体激光的脉冲波形图(F＝10KHZ，I＝60A)。
图8为本发明四次谐波固体激光产生方法的实验中，产生的四次谐波激光的功率长期稳定性实验结果数据(I＝55A)，其中，横坐标轴为时间，单位为：小时。
具体实施方式
本发明四次谐波固体激光产生方法的原理如图1所示，采用基波振荡器，该振荡器包括大功率激光二极管列阵侧面泵浦模块7、Q开关3、垂直线偏振片6、限模小孔2、端全反射镜(1、10、13)、非线性晶体(9、12)及角度镜(4、5、8、11)。其中角度镜(4、5、8、11)为腔内小角度反射镜。通过计算和测量在不同泵浦功率下，泵浦模块7的热透镜效应，以及用光学矩阵方法计算腔内高斯模传递的空间分布，设计腔长和端面反射镜曲率，使红外激光腔在热透镜大范围变化下仍然保持稳定的振荡，计算结果如图2a和图2b所示。在大功率连续LD泵浦下，泵浦模块7的等效热透镜焦Fth＝300mm(I＝50A)，激光腔保持稳定振荡允许热透镜变化范围为Fth＝214～1000mm。限模小孔2置于靠近端全反射镜1的光腰处，以控制基波激光在单模或低阶模振荡。在靠近端全反射镜10的另一个光腰，则放置二倍频非线性晶体。由于红外激光腔为封闭或内全反射振荡，且与高功率泵浦的热透镜效应平衡，因此可以达到很高的腔内功率密度。
产生二次谐波的元件包括非线性晶体9、端全反射镜10、端全反射镜13、角度镜8及角度镜11，其中，非线性晶体9作为二倍频晶体。布鲁斯特镜按适合水平偏振透射和垂直偏振高反射角的方位设置。角度镜8镀基波P方向高透射和二次谐波S方向高反射双色膜，角度镜11镀二次谐波S方向高反射、四次谐波P方向高透射双色膜。二次谐波构成封闭低耗偏振耦合内全反射，形成过程如下：从端全反射镜10方向来的水平偏振基波光，在二倍频晶体中产生垂直偏振二次谐波光，二次谐波光经角度镜8、11偏振耦合全反射作用到四倍频晶体上，再从端全反射镜13全反射由原光路返回。
产生四次谐波的元件包括非线性晶体12、偏振耦合角度镜11和端全反射镜13，为单端开式反射腔结构，具有低损耗、单光束输出特点，其中，非线性晶体12作为四倍频晶体。四次谐波的形成过程如下：从角度镜8方向来的垂直偏振二次谐波光经角度镜11反射后入射到四倍频晶体上，产生水平偏振的四次谐波激光，该四倍频光经端全反射镜13反射从原路返回，经角度镜11输出，未被转换的二次谐波由端全反射镜10、角度镜8、角度镜11、端全反射镜13再次反射后作用四倍频晶体，再次产生的四次谐波光通过角度镜11耦合输出，这样，多次往返在四倍频晶体中倍频，因此产生很高效率的四次谐波激光输出。
为了验证本发明四次谐波固体激光产生方法，选择了一个优选方式进行计算。用NLO程序和多次倍频光强叠加法，计算四次谐波激光的效率和功率，计算结果如图3所示。计算逐次、逐级产生二倍频、四倍频时，二次谐波和四次谐波的功率密度的变化，计算结果如图4所示。每次倍频的功率分量呈非线性递减曲线，逐次倍频的累积功率为单次混频功率的2.98倍，为两次混频功率的1.75倍。基波到二倍频的转换效率为80％，二倍频到四倍频的转换效率为20％，四次谐波功率输出2.4W，光束质量M2≤4。图5为不同重复频率所对应的四次谐波激光输出功率和二倍频到四倍频转换效率的变化曲线计算结果图。
根据本发明四次谐波固体激光产生方法，采用大功率二极管激光列阵侧面泵浦激光腔内四倍频实验装置进行试验。图6为不同输入电流所对应的四次谐波激光功率和脉冲宽度变化曲线的实验结果(F＝10KHZ)，图7为四次谐波激光的脉冲波形图(F＝10KHZ，I＝60A)，图8为四次谐波激光功率长期稳定性实验结果数据(I＝55A)。最大四次谐波输出功率P＝2.4W，脉冲宽度T＝76ns。基波到二次谐波的转换效率η＝80％。当激光运转重复频率f＝7～8KHz时，谐波功率转换最有效，四次谐波效率为20％。四次谐波固体激光输出直径d＝1.5mm，光束发散度θ＝1.6mrad，光束质量M2≤4。光脉冲瞬态峰值起伏ΔT＝8％P-P，长时间运转功率起伏ΔT＝6％/40小时。可以看出，实验结果与理论计算基本一致。
本发明四次谐波固体激光产生方法中，基波和二次谐波偏振光小角度折叠光路形成低损耗的偏振耦合，红外基波谐振腔设计为与激光介质热透镜平衡高功率密度稳定腔结构，并用多次小角度的内全反射折叠光路，形成了高线偏振激光振荡，在这两个条件下，产生高功率密度基波。
采用矩阵光学和非线性程序设计了高功率密度基波的半导体泵浦固体激光谐振腔及高效的谐波转换效率。将高功率密度基波作用到二倍频非线性晶体上产生二次谐波，二次谐波射入四倍频非线性晶体上，采用二次谐波腔内-腔外多次反射方法，使二次谐波构成闭路多次全反射，产生多次累积的四次谐波固体激光输出，未被转换为四次谐波的二次谐波多次通过非线性晶体进行倍频，充分利用了二次谐波功率，达到高转换效率；采用非聚焦光束的方法避免高功率密度的二次谐波入射到四倍频非线性晶体上破坏其表面膜层，延长非线性晶体使用寿命。另外，本发明四次谐波固体激光产生方法不需移动非线性晶体，避免逐点扫描引起非线性晶体因温度不匹配造成激光功率瞬间产生突变，保证了输出的激光的稳定性。
根据本发明四次谐波固体激光产生方法的原理，不难推断，所使用的二倍频非线性晶体可以为I类LBO，I类BBO或I类CLBO非线性晶体；所使用的四倍频非线性晶体可以为I类LBO，I类BBO或I类CLBO非线性晶体：所使用的基波固体激光介质可以为：Nd:YAG，Nd:YVO4、Nd:YLF、Nd:Glass、Yb:YAG或Er:YAG；使用的Q开关可以为声光开关，电光开关或饱和激收型被动Q开关。另外，采用的泵浦光源可以为大功率半导体激光二极管侧面泵浦，二极管端面纵向泵浦，或氪灯、氙灯侧面泵浦。可以采用小角度折叠腔结构，45°角折叠腔结构或布鲁斯特角折叠腔结构。

Claims (6)

1. 一种四次谐波固体激光产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用红外基波谐振腔由基波固体激光介质产生高功率密度的基波，所述红外基波谐振腔为与激光介质热透镜效应平衡的高功率密度稳定腔，所述红外基波谐振腔采用多次内全反射的45°角折叠光路或布鲁斯特角折叠光路；
所述高功率密度的基波作用到二倍频非线性晶体上产生二次谐波；
所述二次谐波射入四倍频非线性晶体上，采用二次谐波腔内-腔外多次反射和非聚焦光束的方法产生多次累积的四次谐波固体激光输出，
其中，产生所述二次谐波和四次谐波的元件包括第一角度镜(8)、二倍频非线性晶体(9)、第一端全反射镜(10)、第二角度镜(11)、四倍频非线性晶体(12)和第二端全反射镜(13)，所述二倍频非线性晶体置于所述第一角度镜和所述第一端全反射镜之间，所述四倍频非线性晶体置于所述第二角度镜和所述第二端全反射镜之间，所述第一角度镜镀基波P方向高透射和二次谐波S方向高反射双色膜，所述第二角度镜镀二次谐波S方向高反射和四次谐波P方向高透射双色膜，从所述第一角度镜透射的水平偏振基波入射到所述二倍频非线性晶体上产生的垂直偏振二次谐波依次经所述第一角度镜和所述第二角度镜偏振耦合反射后作用到所述四倍频非线性晶体上产生水平偏振四次谐波，所述水平偏振四次谐波经所述第二端全反射镜反射后从原路返回，经所述第二角度镜耦合输出。
2. 根据权利要求1所述的四次谐波固体激光产生方法，其特征在于：所述二倍频非线性晶体为I类LBO、I类BBO或I类CLBO。
3. 根据权利要求1所述的四次谐波固体激光产生方法，其特征在于：所述四倍频非线性晶体为I类LBO、I类BBO或I类CLBO。
4. 根据权利要求1所述的四次谐波固体激光产生方法，其特征在于：所述基波固体激光介质为Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:YLF、Nd:Glass、Yb:YAG或Er:YAG。
5. 根据权利要求1所述的四次谐波固体激光产生方法，其特征在于：所述红外基波谐振腔具有Q开关，所述Q开关为声光开关、电光开关或饱和吸收型被动Q开关。
6. 根据权利要求1所述的四次谐波固体激光产生方法，其特征在于：所述红外基波谐振腔采用大功率半导体激光二极管侧面泵浦、大功率半导体激光二极管端面纵向泵浦、氪灯侧面泵浦或氙灯侧面泵浦所述基波固体激光介质。
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