CN100587578C - 波长变换激光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种波长变换激光装置，该装置能取得使由波长变换晶体进行波长变换后、从出射窗射出的波长变换激光的出射方向靠近通过波长变换晶体的激光的光轴方向，并且当使波长变换晶体移动时，能减少由波长变换晶体进行波长变换后、从出射窗射出的波长变换激光的光轴偏移。

Description

波长变换激光装置

技术领域

本发明涉及通过波长变换晶体，产生高次谐波的波长变换激光装置，特别是涉及波长变换晶体的高次谐波出射一侧端面和容纳它的容器的高次谐波出射窗。

背景技术

在以往的波长变换激光装置中，通过对波长变换晶体的高次谐波出射一侧端面进行布鲁斯特分割，减少在波长变换晶体端面的高次谐波的反射损失(例如，参照专利文献1)。

[专利文献1]

美国专利5850407号说明书(第四栏，第1-A图和第1-B图)

发明内容

当象以往的波长变换激光器那样，使用进行布鲁斯特分割的波长变换晶体时，高次谐波的出射方向相对于通过波长变换晶体的光的光轴，变为倾斜，存在后面的导光系统的配置变得困难的问题。当因为高次谐波引起的波长变换晶体的端面的恶化或杂质附着等，高次谐波的输出下降时，如果使波长变换晶体的位置移动，就存在高次谐波的光轴偏移的问题。

本发明是为了解决所述问题而提出的，其目的在于：提供能使通过波长变换晶体进行波长变换后、从波长变换晶体容器的出射窗射出的波长变换激光(高次谐波)的出射方向靠近通过波长变换晶体的激光的光轴方向，而且当移动波长变换晶体的位置时，能减少通过波长变换晶体进行波长变换后、从出射窗射出的波长变换激光(高次谐波)的光轴偏移的波长变换激光装置。

本发明的波长变换激光装置具有波长变换晶体、配置在所述波长变换晶体内部并且具有由所述波长变换晶体进行波长变换的波长变换激光射出的出射窗的容器，其中：所述波长变换晶体的出射一侧端面对于所述波长变换激光倾斜为布鲁斯特角，并且所述容器的出射窗为使激光入射一侧的面和激光出射一侧的面间的距离在从所述波长变换晶体射出的波长变换激光相对于通过上述波长变换晶体的激光光轴的倾斜方向上缩短的棱柱形状。

须指出的是，这里所说的从波长变换晶体射出的波长变换激光的倾斜方向是通过波长变换晶体的激光相对于光轴的倾斜方向，特别是通过波长变换晶体的激光中垂直于光轴的成分的方向。

根据本发明，波长变换晶体的出射一侧端面相对于由所述波长变换晶体进行波长变换的波长变换激光倾斜为布鲁斯特角，并且将上述波长变换晶体配置于内部的所述容器的出射窗为使其激光入射一侧的面和激光出射一侧的面间的距离在从所述波长变换晶体射出的波长变换激光的倾斜方向上缩短的棱柱形状，所以，由于容器的出射窗为棱柱形状，从波长变换晶体以布鲁斯特角射出的波长变换激光向通过波长变换晶体的激光的光轴方向折射。因此，能使由波长变换晶体进行波长变换后、从出射窗射出的波长变换激光的出射方向靠近通过波长变换晶体的激光的光轴方向，而且当移动波长变换晶体的位置时，能减少从出射窗射出的波长变换激光的光轴偏移。

附图说明

下面简要说明附图。

图1是表示本发明实施例1的波长变换激光装置的全体结构的概略结构图。

图2是表示本发明实施例1的波长变换激光装置中使用的波长变换晶体保持装置的结构的斜视图。

图3是表示本发明实施例1的波长变换激光装置中使用的波长变换晶体保持装置的结构的剖视图。

图4是用于说明本发明实施例1的波长变换激光装置中使用的波长变换晶体高次谐波出射一侧端面的形状的主视图。

图5涉及本发明实施例1，是用于说明波长变换晶体移动时发生的高次谐波的光轴移动样子的图。

图6涉及本发明实施例1，是用于说明波长变换晶体密封容器的出射窗形状的图。

图7涉及本发明实施例1，是用于说明波长变换晶体移动时从波长变换晶体密封容器射出的高次谐波的光轴移动样子的图。

具体实施方式

实施例1

图1是表示本发明实施例1的波长变换激光装置的全体结构的概略结构图。

在基波发生部12中产生基波。作为基波发生部12，例如使用Q-开关Nd:YAG激光振荡器，偏振光是直线偏振光，振荡波长为1064nm。所述激光振荡器为了取得输出，也可以使用放大器。须指出的是，基波发生部12除了所述Nd:YAG，也可以是使用Nd:YVO₄、Nd:YLF、Nd:GdVO₄等激光晶体的激光振荡器。

把产生的基波通过会聚透镜13A会聚到波长变换晶体14上，由波长变换晶体14进行波长变换，产生高次谐波(波长变换激光)。这时使用的波长变换晶体14是不进行无反射涂敷，即没有无反射涂层的TYPE I的LBO(LiB₃O₅)晶体。通过对波长变换晶体14不进行无反射涂敷，能防止由于产生高次谐波、无反射涂层恶化或损伤而引起的高次谐波的输出下降。这时产生的高次谐波是第二次高次谐波，波长是532nm。

须指出的是，第二次高次谐波发生用晶体(波长变换晶体14)与以下说明的第三次高次谐波发生用晶体(波长变换晶体3)相比，恶化速度慢，应用用于第三次高次谐波发生用晶体的波长变换晶体保持装置(后面详细说明)的必要性低。可是，当在聚光强度强的条件下使用时，也可以使用同样的波长变换晶体保持装置。

使用会聚透镜13B把通过波长变换晶体14的激光、即由波长变换晶体14产生的第二次高次谐波和未进行波长变换的基波会聚到波长变换晶体3上，通过和频的产生，产生第三次高次谐波(波长355nm)。这时使用的波长变换晶体3例如是没有无反射涂层的TYPEII的LBO(LiB₃O₅)晶体。与波长变换晶体14同样，通过对波长变换晶体3不进行无反射涂敷，能防止由于产生高次谐波、无反射涂层恶化或损伤而引起的高次谐波的输出下降。

通过分离平面镜15A、15B，把产生的第三次高次谐波分离为基波和第二次高次谐波，在加工等中使用。

下面，说明波长变换晶体3和容纳波长变换晶体3的波长变换晶体保持装置1。

波长变换晶体3由图2和图3所示的波长变换晶体保持装置1保持。

图2是从斜着观察波长变换晶体保持装置1的立体图，图3是沿与光轴平行的面切出的剖视图。在波长变换晶体密封容器2的内部配置有波长变换晶体3。波长变换晶体密封容器2具有用于入射基波和第二次高次谐波(入射光)9的入射窗4。还具有射出通过波长变换晶体3的激光、即由波长变换晶体3产生的高次谐波(波长变换激光)10的出射窗5。此外，在波长变换晶体密封容器2的内部具有进行用于取得波长变换时的相位匹配的温度调节的热电元件6(例如珀耳帖元件)、用于控制热电元件6的软线8。波长变换晶体密封容器2以高精度设置在相当于用于移动波长变换晶体3的位置的移动部件的晶体移动装置11上，构成波长变换晶体保持装置1。

波长变换晶体3的出射一侧端面的高次谐波出射部在由于高次谐波而恶化或附着杂质、从而出射的高次谐波的输出下降时，通过晶体移动装置11将波长变换晶体3从恶化的地点移开，使输出恢复。

须指出的是，波长小于等于400nm的紫外线反应性高，所以当高次谐波10的波长为小于等于400nm时，为了延长维护周期，针对所述恶化或杂质的附着的对策是必不可少的。

当在波长变换晶体密封容器2上安装入射窗4和出射窗5时，使用O形环7密封波长变换晶体密封容器2内部。这时，通过封入干燥空气、氧气、氮气等，能抑制波长变换晶体3的端面的杂质附着速度和恶化速度。须指出的是，在本实施例中，完全密封波长变换晶体密封容器2，但是也可以设置小的出入口，使气体流动。

须指出的是，当在波长变换晶体密封容器2内容纳波长变换晶体3时，如果将波长变换晶体3配置为使波长变换晶体3和出射窗5的距离比波长变换晶体3和入射窗4的距离长，就能使出射窗5上的高次谐波(例如紫外线)10的束径增大。因此，能抑制高次谐波10引起的向出射窗5的杂质附着速度和出射窗5的恶化速度。

波长变换晶体3的高次谐波出射一侧端面(图3中，左侧端面)相对于通过波长变换晶体3的激光90的光轴倾斜给定角度θ₃(可是，0＜θ₃＜90°)，从而使由波长变换晶体3进行波长变换后的波长变换激光(第三次高次谐波)从该端面以布鲁斯特角θ₁射出、即相对于波长变换激光成布鲁斯特角。即波长变换晶体3的高次谐波出射一侧端面进行对第三次高次谐波的布鲁斯特分割。

通过这样进行布鲁斯特分割，能减少在波长变换晶体3的出射一侧端面的反射损失。并且，在波长变换晶体3的出射一侧端面上的光束面积增大，从而能减少高次谐波引起的波长变换晶体3的出射一侧端面的损伤概率和杂质的附着速度。

须指出的是，这时的布鲁斯特分割方向被设定为使从波长变换晶体3射出的第三次高次谐波(来自波长变换晶体3的出射高次谐波10)对于波长变换晶体3的出射一侧端面变为p偏振光。在图3的例子中，第三次高次谐波(来自波长变换晶体3的出射高次谐波10)的偏振光是与纸面平行的方向。

图4表示波长变换晶体3的布鲁斯特分割的样子。例如当使用TYPE II的LBO晶体作为波长变换晶体3时，当产生基于波长变换晶体3的Nd:YAG激光器的第三次高次谐波(波长355nm)时，波长变换晶体3的出射一侧端面相对于通过波长变换晶体3的激光90的光轴的倾角θ₃从表达式(1)所示的布鲁斯特角(θ₁)的定义

θ₁＝tan^-1(n₂/n₁)                 [1]

以及表达式(2)所示的斯涅耳法则，

n₁sin(θ₁)＝n₂sin(θ₂)            [2]

变为：

θ₃＝90°-θ₂

＝90°-sin^-1(n₁/n₂×sin(tan^-1(n₂/n₁)))

＝57.9°；

其中，n₂是波长变换晶体3对第三次高次谐波的折射率，n₁是波长变换晶体密封容器2内的气体介质对第三次高次谐波的折射率，n₁＝1.0，n₂＝1.60。

须指出的是，以下也把波长变换晶体3的出射一侧端面相对于通过波长变换晶体3的激光90的光轴的倾角θ₃称作分割角。

这时，从波长变换晶体3射出的第三次高次谐波10的光轴从水平起的倾角θ₄为：

θ₄＝θ₁-sin^-1(1/n₂×sin(θ₁))

＝25.9°

须指出的是，更正确而言，θ₄是从通过波长变换晶体3的激光90光轴起的倾角，当配置为将通过波长变换晶体3的激光90的光轴变为水平方向时，变为与从水平起的倾角相同。

此外，如图5所示，在通过晶体移动装置11把波长变换晶体3沿与通过波长变换晶体3的激光90的光轴正交的方向只移动δ₁时，从波长变换晶体3射出的第三次高次谐波100和101的光轴的移动距离δ₂是：

${\mathrm{\δ}}_2={\mathrm{\δ}}_1\×\tan \left({\mathrm{\θ}}_4\right)/\tan \left({\mathrm{\θ}}_3\right)$

$\≅0.3\×{\mathrm{\δ}}_1$

须指出的是，第三次高次谐波100是移动前的波长变换激光，第三次高次谐波101是移动后的波长变换激光。

在以往的结构中，这样产生的高次谐波(从波长变换晶体3射出的第三次高次谐波)从通过波长变换晶体3的激光的光轴起的倾斜、晶体移动装置11引起的晶体移动时的光轴移动成为问题。

下面，参照图6说明波长变换晶体密封容器2的高次谐波出射窗5的形状。在本实施例中，使用由对高次谐波的折射率与波长变换晶体3相等或相近的材料构成的出射窗5，并且沿其激光入射一侧的面进行与波长变换晶体3的高次谐波出射一侧端面相同的角度θ₃的分割。例如，当产生基于TYPE II的LBO晶体的Nd:YAG激光器的第三次高次谐波(波长355nm)时，波长变换晶体3的折射率是1.60，但是水晶具有与此相近的折射率。即水晶对异常偏振光的折射率在波长355nm时为1.57。

此外，出射窗5的激光出射一侧的面大致垂直于通过波长变换晶体3的激光90的光轴，出射窗5是使激光入射一侧的面501和激光出射一侧的面502间的距离在从波长变换晶体3射出的出射高次谐波(波长变换激光)10的倾斜方向(图6中的箭头A所示的方向)上缩短的棱柱形状。

须指出的是，这里所说的从波长变换晶体3射出的波长变换激光10的倾斜方向是相对于通过波长变换晶体3的激光90的光轴的倾斜方向，特别是垂直于通过波长变换晶体3的激光光轴的成分的方向。即是图6的箭头A所示的方向。

这样，在本实施例中，使用水晶作为出射窗5，对波长变换晶体3的出射一侧端面和出射窗5的高次谐波入射一侧的面进行与从通过波长变换晶体3的激光90的光轴起的倾角相同的(都是倾角θ₃)分割。这时，高次谐波相对于出射窗5的入射角θ₅与第三次高次谐波(波长355nm)相对于出射窗5(水晶)的布鲁斯特角的不同是0.4°，第三次高次谐波的反射率低于0.1％。可是，这时，对于偏振方向不同的波长532nm的光线(第二次高次谐波)，出射窗5具有反射率。因此，在出射窗5也可以进行对波长532nm或波长532nm和波长1064nm(基波)双方的无反射涂敷。此外，为了避免反射光引起的波长变换晶体密封容器2的内表面加热，也可以不对出射窗5进行所述无反射涂敷，在波长变换晶体密封容器2上接受反射光的部位附近洒冷却水。这时，也可以对来自出射窗5的反射光接触的波长变换晶体密封容器2内表面涂漆，能高效吸收反射光。

这时，从波长变换晶体密封容器2(出射窗5)射出的高次谐波20从水平(通过波长变换晶体3的激光90的光轴)起的倾角θ₆是θ₆＝0.8°，与在晶体密封容器出射窗5上没有倾斜时的倾角θ₄＝25.9°相比，减小到1/32以下。

此外，如图7所示，当通过晶体移动装置11使波长变换晶体3只移动δ₁时，从波长变换晶体密封容器2射出的高次谐波20的光轴移动距离(光轴的偏移量)δ₃变为δ₃＝0.0056×δ₁，与在晶体密封容器出射窗5上没有倾斜时的移动量、即图5所示的上述δ₂＝0.3×δ₁相比，显著减少。

如上所述，根据本实施例，当通过晶体移动装置11使波长变换晶体3移动时，从波长变换晶体密封容器2(出射窗5)射出的高次谐波(波长变换激光束)20的光轴偏移量δ₃能减少到实用的范围。此外，从波长变换晶体密封容器2(出射窗5)射出的高次谐波20从水平(通过波长变换晶体3的激光90的光轴)起的倾角θ₆能减少到实用的范围，所以波长变换后的导光系统的配置变得容易。

须指出的是，波长变换晶体密封容器2的出射窗5的材料在理想上与波长变换晶体3对高次谐波的折射率相等，但是也可以象本实施例那样，用折射率相近的材料实施。

例如，当产生基于TYPE II的LBO晶体的Nd:YAG激光器的第三次高次谐波(波长355nm)时，如果出射窗5的材料对所述高次谐波的折射率是波长变换晶体3的折射率的±3％以内，则从波长变换晶体密封容器2(出射窗5)起射出的高次谐波从水平(通过波长变换晶体3的激光90的光轴)的倾角θ₆为θ₆≤1.7°，当如图7所示，通过晶体移动装置11使波长变换晶体3只移动δ₁时，能使出射高次谐波20的光轴移动距离δ₃为δ₃＝0.012×δ₁以内。

须指出的是，为了进一步减小高次谐波20从水平起的倾角及光轴移动距离δ₃，也可以使出射窗5的激光出射一侧的面从相对于通过波长变换晶体3的激光90的光轴垂直的方向向与波长变换晶体3的出射一侧端面相反的方向稍稍倾斜。

此外，出射窗5的激光入射一侧的面的倾角在理想上与波长变换晶体3的出射一侧端面的倾角相等，但是并不局限于此。例如，如上所述，当出射窗5对于出射高次谐波10(波长变换激光)的折射率与波长变换晶体3对于出射高次谐波10的折射率不同地存在差异时，也可以使出射窗5的激光入射一侧的面的倾角为由波长变换晶体3变换后的波长变换激光(出射高次谐波10)以布鲁斯特角入射激光入射到一侧的面上的倾角、即与波长变换激光成为布鲁斯特角的倾角。

这时，出射高次谐波的从水平(通过波长变换晶体3的激光90的光轴)起的倾角θ₆、从波长变换晶体密封容器2射出的高次谐波20的光轴移动距离δ₃不变为0。可是，为了进一步减小倾角θ₆、移动距离δ₃，也可以使出射窗5的激光出射一侧的面相对于通过波长变换晶体3的激光90的光轴，从垂直方向向与波长变换晶体3的出射一侧端面相反的方向稍微倾斜。

须指出的是，通过使出射窗5的激光入射一侧的面的倾角为通过波长变换晶体3进行波长变换后的波长变换激光以布鲁斯特角入射到激光入射一侧的面上的倾角，能防止在出射窗5的激光入射一侧的面上的反射。

须指出的是，在所述中，说明了波长变换晶体3为LiB₃O₅晶体时的情形，但是并不局限于此，例如可以是CsLiB₆O₁₀(CLBO)晶体或BBO(β-BaB₂O₄)晶体。此外，关于波长变换晶体14，也是同样。

实施例2

在所述实施例中，说明了出射窗5的激光出射一侧的面大致垂直于通过波长变换晶体3的激光90的光轴、波长变换晶体3对于由波长变换晶体3进行波长变换的波长变换激光的折射率与出射窗5的折射率大致相等、并且波长变换晶体3的出射一侧端面的倾角与出射窗5的激光入射一侧的面的倾角大致相同的情形，但是并不局限于此。

例如出射窗5的激光入射一侧的面大致垂直于通过波长变换晶体3的激光90的光轴，波长变换晶体3对于由波长变换晶体3进行波长变换的波长变换激光的折射率与出射窗5的折射率大致相等，并且出射窗5的激光出射一侧的面只以与波长变换晶体3的入射一侧端面的倾角大致相等的角度向与波长变换晶体3的出射一侧端面相反的方向倾斜，这时，能取得与所述实施同样的效果。

实施例3

此外，与波长变换晶体3对于由波长变换晶体3进行波长变换的波长变换激光的折射率以及出射窗5的折射率无关、与波长变换晶体3的入射一侧端面的倾角无关地、波长变换晶体密封容器2的出射窗5可以是使激光入射一侧的面和激光出射一侧的面之间的距离在从波长变换晶体3射出的波长变换激光的倾斜方向上缩短的棱柱形状。

采用这样的结构时，从波长变换晶体3的出射一侧端面以布鲁斯特角射出的波长变换激光(高次谐波)通过棱柱形状的出射窗5，向通过波长变换晶体3的激光90的光轴方向折射。因此，能使由波长变换晶体3进行波长变换后、从出射窗5射出的波长变换激光20的出射方向靠近通过波长变换晶体3的激光90的光轴方向，并在使用晶体移动装置11使波长变换晶体3移动时，也能减小从出射窗5出射的波长变换激光的光轴偏移。

例如当在波长变换晶体密封容器2的出射窗5中使用合成石英(Fused Silica)时，例如对于Nd:YAG激光器的第三次高次谐波的波长355nm的折射率是1.48。这时，如果出射窗5的倾角为56.5°，则晶体移动时的光轴移动量δ₃几乎能为0。从这时的波长变换晶体密封容器2(出射窗5)射出的高次谐波20从水平(通过波长变换晶体3的激光90的光轴)起的倾角θ₆为3.2°。同样，如果出射窗5的倾角为52.8°，则高次谐波20的倾角θ₆几乎能为0，这时的光轴移动量δ₃为δ₃＝0.10×δ₁。

当对出射窗5使用氟化钙(CaF₂)时，对波长355nm的折射率是1.45。这时，如果出射窗5的倾角为56.1°，则晶体移动时的光轴移动量δ₃几乎能为0。这时的高次谐波20的倾角是θ₆＝4.0°。同样，若出射窗5的倾角为51.4°，则高次谐波20的倾角θ₆几乎为0，此时的光轴移动量θ₃＝0.14×δ₁。

须指出的是，在所述各图中，第二高次谐波(入射光)9、来自波长变换晶体的出射高次谐波(波长变换激光)10、来自出射窗(波长变换晶体密封容器)的出射高次谐波20、通过波长变换晶体的激光90、来自波长变换晶体的出射高次谐波(基于晶体移动装置的移动前)100和来自波长变换晶体的出射高次谐波(基于晶体移动装置的移动后)101等各激光都表示其光轴。

Claims (6)

1.一种波长变换激光装置，具有波长变换晶体、配置在所述波长变换晶体内部并且具有使通过所述波长变换晶体进行波长变换后的波长变换激光射出的出射窗的容器，其特征在于：

所述波长变换晶体的出射一侧端面相对于所述波长变换激光倾斜为布鲁斯特角，并且所述容器的出射窗为使激光入射一侧的面和激光出射一侧的面之间的距离在从所述波长变换晶体射出的波长变换激光相对于通过上述波长变换晶体的激光光轴的倾斜方向上缩短的棱柱形状。

2.根据权利要求1所述的波长变换激光装置，其特征在于：

出射窗的激光出射一侧的面垂直于通过波长变换晶体的激光的光轴，波长变换晶体对波长变换激光的折射率和出射窗的折射率相等，并且波长变换晶体的出射一侧端面相对于通过波长变换晶体的激光光轴的倾角与出射窗的激光入射一侧的面的倾角相等。

3.根据权利要求1所述的波长变换激光装置，其特征在于：

波长变换激光的波长为小于或等于400nm。

4.根据权利要求1所述的波长变换激光装置，其特征在于：

具有使波长变换晶体的位置移动的移动部件。

5.根据权利要求1所述的波长变换激光装置，其特征在于：

波长变换晶体是LiB₃O₅、CsLiB₆O₁₀或β-BaB₂O₄晶体。

6.根据权利要求1所述的波长变换激光装置，其特征在于：

不对波长变换晶体的出射一侧端面进行无反射涂敷。

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