CN101436753B

CN101436753B - 激光腔外倍频系统

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Publication number: CN101436753B
Application number: CN2008102408965A
Authority: CN
Inventors: 刘世炳; 刘院省; 黄永光; 陈涛
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2028-12-26
Also published as: CN101436753A

Abstract

本发明激光腔外倍频系统主要用于激光与物质相互作用研究领域中四种激光波长(基频光、二倍频光、三倍频光、四倍频光)的同时输出及其能量的控制。现有的激光倍频技术无法实现多种波长激光的同时输出；且在改变激光波长时，需反复更换倍频装置，进行大量的机械调节。本发明利用半波片及偏振分束棱镜，将耗时耗力的机械调节转换成了简单易于操作的光学调节，并实现了多个倍频波长激光的同时输出。利用本发明对激光器产生的基频光进行了倍频处理。通过旋转半波片，实现了基频、二倍频激光、三倍频激光、四倍频激光的同时输出，且其能量范围可调。

Description

激光腔外倍频系统

技术领域

本发明激光腔外倍频系统主要用于激光与物质相互作用研究中四种激光波长(基频光、二倍频光、三倍频光、四倍频光)的同时输出及能量的控制。

背景技术

激光的出现，使人们拥有了一种研究物质深层次规律的强大光源。近年来激光应用于化学、生物学等领域，形成了许多新兴的交叉学科。在激光与物质相互作用这一基础研究领域，通过改变激光波长、能量，来深入研究分子/原子的动力学规律，已成为人们热衷的技术手段。鉴于激光器的昂贵造价，通过对基频激光进行倍频处理，成了获取不同波长激光的有效手段。现有激光倍频方案，多采用通过更换倍频晶体和滤波装置来获取不同波长的激光。如图1所示，全反镜1、调Q晶体2、偏振片3、工作介质4、泵浦光源5、直角转折镜6、耦合输出镜7、放大用工作介质8构成基频光的输出。使用二倍频波长的激光时，需安装二倍频晶体9、基频激光滤波器10，通过机械调节全反镜1、耦合输出镜7及二倍频晶体9，获得最优的二倍频激光输出；使用三倍频波长的激光时，需安装二倍频晶体9、三倍频晶体11、高通滤波器12，通过机械调节全反镜1、耦合输出镜7、二倍频晶体9、三倍频晶体11，得到最优的三倍频波长激光；使用四倍频波长激光时，需安装二倍频晶体9、基频光滤波器10、四倍频晶体13、二倍频光滤波器14，通过机械调节全反镜1、耦合输出镜7、二倍频晶体9、四倍频晶体13，获得最优四倍频波长的激光输出。目前的激光倍频过程中，需反复更换倍频装置，并进行大量的机械调节，存在如下两方面问题。第一，每次调节只能输出一种波长的激光，无法实现多种波长激光的同时输出；第二，变换激光波长时，需更换倍频晶体，并进行大量机械调节，耗时耗力。

发明内容

基于目前激光倍频过程中存在的问题，本发明激光腔外倍频系统将耗时耗力的机械调节转换成了简单易于操作的光学调节，并实现了多个倍频波长激光的同时输出。图2示出了激光腔外倍频系统框图。

全反镜1、调Q晶体2、偏振片3、工作介质4、泵浦光源5、直角转折镜6、耦合输出镜7、放大用工作介质8构成激光器的基频输出。

基频光经全反镜15反射，进入第一半波片16，改变偏振状态后的基频光由第一偏振分束棱镜17分为两束，一束直接输出，一束进行倍频处理。使用基频光时，旋转第一半波片16，实现对基频输出光35能量的控制。

基频光经第二半波片18改变偏振状态后，由第二偏振分束棱镜19分为两束，一束进行二倍频处理，另一束进行其它倍频处理。由于二倍频晶体对基频光的偏振方向有要求，因此，进行二倍频处理的基频光首先由第三半波片20进行偏振调节，然后由第一二倍频晶体21进行倍频，倍频后的激光中基频光和二倍频光共轴混在一起，通过第一滤波器22将基频光吸收，将二倍频激光36输出。使用二倍频激光时，通过调节第一半波片16、第二半波片18实现二倍频输出光36的能量控制。

基频光经第四半波片23调节偏振状态后，由第三偏振分束棱镜24分为两束，一束进行三倍频处理，一束进行四倍频处理。同样由于倍频晶体对偏振方向的要求，进行三倍频处理的基频光，首先由第五半波片30调节其偏振状态，而后经第二二倍频晶体31产生二倍频激光，二倍频激光和基频光同时进入三倍频晶体32进行合频，产生三倍频激光。基频光、二倍频光、三倍频光共轴混在一起进入第二滤波器33，基频光和二倍频光被吸收，三倍频光经全反镜34反射变换方向，输出三倍频激光38。使用三倍频激光时，通过调节第一半波片16、第二半波片18、第四半波片23实现三倍频激光38的能量控制。

根据倍频晶体对偏振方向的要求，进行四倍频处理的基频光，首先由第六半波片25进行偏振调节，而后经第三二倍频晶体26，生成二倍频激光，经第三滤波器27后，基频光被吸收，二倍频光经四倍频晶体28后，产生四倍频激光，二倍频光和四倍频光共轴混在一起进入第四滤波器29，二倍频光被吸收，输出四倍频光37。使用四倍频激光时，通过调节第一半波片16、第二半波片18、第四半波片23实现四倍频激光37的能量控制。

同时，通过调节第一半波片16、第二半波片18、第四半波片23能任意控制基频光在各个倍频过程中的能量分配，从而实现四种激光波长的同时输出，并且输出能量可以通过调节相应半波片方便地控制。

本发明原理如下：

1)通过第一半波片16和第一偏振分束棱镜17控制基频激光能量的大小。

激光经过第一半波片16后，设其线偏振方向与水平方向的夹角为θ，如图3。该线偏振光经过第一偏振分束棱镜时，其水平方向的偏振分量E_//透过晶体直接输出；其垂直方向的偏振分量E_⊥则经晶体反射后输出。输出基频光能量E_//由(1)式表示：

E_//＝E₀×Cosθ (1)

通过旋转第一半波片16，改变θ，实现输出基频光能量E_//的控制。当θ＝0°时，输出基频光能量最大；当θ＝90°时，输出基频光能量最小。

2)通过第一半波片16、第一偏振分束棱镜17、第二半波片18、第二偏振分束棱镜19控制二倍频激光能量的大小。

基频激光E_⊥经过第二半波片18后，设其线偏振方向与水平方向的夹角为θ₂，如图4。该线偏振光经过第二偏振分束棱镜19时，其水平方向的偏振分量E⁽²⁾ _//透过晶体直接输出；其垂直方向的偏振分量E⁽²⁾ _⊥则经晶体反射后输出。

基频光E⁽²⁾ _⊥由第三半波片20进行偏振调节后，由第一二倍频晶体21进行倍频，倍频后的激光中基频光和二倍频光共轴混在一起，通过第一滤波器22将基频光吸收，将二倍频激光36输出。E⁽²⁾ _⊥的强度直接决定了二倍频光36的输出能量大小。E⁽²⁾ _⊥的强度由(2)式表示：

E⁽²⁾ _⊥＝E₀×Sinθ×Sinθ₂ (2)

通过旋转第一半波片16，第二半波片18，就能实现输出基频光能量E⁽²⁾ _⊥的控制，即实现二倍频光能量的控制。当θ＝90°及θ₂＝90°时，输出二倍频光的能量最大；当θ＝0°或θ₂＝0时，输出二倍频光的能量最小。

3)通过第一半波片16、第一偏振分束棱镜17、第二半波片18、第二偏振分束棱镜19、第四半波片23及第三偏振分束棱镜24，控制三倍频激光能量的大小。

基频光E⁽²⁾ _//经过第四半波片23后，设其线偏振方向与水平方向的夹角为θ₃，如图5。该线偏振光经过第三偏振分束棱镜24时，其水平方向的偏振分量E⁽³⁾ _//透过晶体直接输出；其垂直方向的偏振分量E⁽³⁾ _⊥则经晶体反射后输出。

基频光E⁽³⁾ _//由第五半波片30进行偏振调节后，经第二二倍频晶体31产生二倍频激光，二倍频激光和基频光同时进入三倍频晶体32进行合频，产生三倍频激光。基频光、二倍频光、三倍频光共轴混在一起进入第二滤波器33，基频光和二倍频光被吸收，三倍频光经全反镜34反射变换方向，输出三倍频激光38。E⁽³⁾ _//的强度直接决定了三倍频光38的输出能量。E⁽³⁾ _//的强度由(3)式表示：

E⁽³⁾ _//＝E₀×Sinθ×Cosθ₂×Cosθ₃ (3)

通过旋转第一半波片16，第二半波片18，第四半波片23，就能实现输出基频光能量E⁽³⁾ _//的控制，即实现三倍频光能量的控制。当θ＝90°、θ₂＝0°及θ₃＝0°时，输出三倍频光的能量最大；当θ＝0°或θ₂＝90°或θ₃＝90°时，输出三倍频光的能量最小。

4)通过第一半波片16、第一偏振分束棱镜17、第二半波片18、第二偏振分束棱镜19、第四半波片23及第三偏振分束棱镜24，控制四倍频光能量的大小。

基频光E⁽³⁾ _⊥由第六半波片25进行偏振调节后，经第三二倍频晶体26，生成二倍频激光，经第三滤波器27后，基频光被吸收，二倍频光经四倍频晶体28后，产生四倍频激光，二倍频光和四倍频光共轴混在一起进入第四滤波器29，二倍频光被吸收，输出四倍频光37。E⁽³⁾ _⊥的强度直接决定了四倍频光37的输出能量。E⁽³⁾ _⊥的强度由(4)式表示：

E⁽³⁾ _⊥＝E₀×Sinθ×Cosθ₂×Sinθ₃ (4)

通过旋转第一半波片16，第二半波片18，第四半波片23，就能实现输出基频光能量E⁽³⁾ _⊥的控制，同时实现四倍频光能量的控制。当θ＝90°、θ₂＝0°及θ₃＝90°时，输出四倍频光的能量最大；当θ＝0°或θ₂＝90°或θ₃＝0°时，输出四倍频光的能量最小。

本发明激光腔外倍频系统解决了目前激光倍频过程中存在的机械调节耗时耗力、不能同时输出多个波长激光的问题。其具备的优点如下：第一，实现了四种激光波长的同时输出。第二，通过方便地旋转相关半波片，实现不同波长激光能量的控制。第三，倍频调节过程省时省力。

附图说明

图1现有激光倍频过程框图

图2激光腔外倍频系统框图

图3偏振分束棱镜分光示意图

图4偏振分束棱镜分光示意图

图5偏振分束棱镜分光示意图

具体实施方式

采用上述结构的激光倍频系统对Nd:YAG激光器(白俄罗斯SOLARTIILF117)产生的1064nm基频光进行了倍频处理及其能量控制。

基频1064nm激光能量的控制

通过旋转第一半波片16，实现基频1064nm激光单脉冲能量的控制。当θ＝0°时，1064nm基频激光的单脉冲能量最大，为850mJ；当θ＝90°时，1064nm基频激光的单脉冲能量为0。

二倍频532nm激光能量的控制

通过旋转第一半波片16、第二半波片18，实现了二倍频晶体KD*P产生的532nm二倍频激光单脉冲能量的控制。当θ＝90°及θ₂＝90°时，输出532nm二倍频激光的单脉冲能量最大为500mJ；当θ＝0°或θ₂＝0时，输出532nm二倍频激光的单脉冲能量为0。

三倍频355nm激光能量的控制

通过旋转第一半波片16、第二半波片18、第四半波片23实现了二倍频晶体KD*P及三倍频晶体BBO产生的355nm三倍频激光单脉冲能量的控制。

当θ＝90°、θ₂＝0°及θ₃＝0°时，输出三倍频激光的单脉冲能量最大为350mJ；当θ＝0°或θ₂＝90°或θ₃＝90°时，输出三倍频光的能量为0。

四倍频266nm激光能量的控制

通过旋转第一半波片16、第二半波片18、第四半波片23实现了二倍频晶体KD*P及四倍频晶体BBO产生的四倍频光266nm单脉冲能量的控制。

当θ＝90°、θ₂＝0°及θ₃＝90°时，输出四倍频光的能量最大为200mJ；当θ＝0°或θ₂＝90°或θ₃＝0°时，输出四倍频光的能量为0。

采用上述结构的激光倍频系统对Nd:YAG激光器(白俄罗斯SOLARTIILF117)产生的1064nm基频光进行了倍频处理。通过旋转第一半波片16，基频1064nm激光的单脉冲能量由0-850mJ的变化。通过旋转第一半波片16、第二半波片18，实现了二倍频晶体KD*P产生倍频532nm激光的单脉冲能量由0-500mJ的变化。通过旋转第一半波片16、第二半波片18、第四半波片23实现了二倍频晶体KD*P及三倍频晶体BBO产生的三倍频355nm激光单脉冲能量由0-350mJ的变化。通过旋转第一半波片16、第二半波片18、第四半波片23实现了二倍频晶体KD*P及四倍频晶体BBO产生的四倍频光266nm单脉冲能量由0-200mJ的控制。通过旋转第一半波片16、第二半波片18、第四半波片23，实现了基频光1064nm、二倍频光532nm、三倍频光355nm、四倍频光266nm的同时输出。

Claims

1.一种激光腔外倍频系统，全反镜(1)、调Q晶体(2)、偏振片(3)、工作介质(4)、泵浦光源(5)、直角转折镜(6)、耦合输出镜(7)、放大用工作介质(8)构成激光器的基频输出，其特征在于：

基频光经全反镜(15)反射，进入第一半波片(16)，改变偏振状态后的基频光由第一偏振分束棱镜(17)分为两束，一束直接输出基频输出光(35)，一束基频光有待于进行倍频处理；上述有待于进行倍频处理的基频光经第二半波片(18)改变偏振状态后，由第二偏振分束棱镜(19)分为两束，一束基频光进行二倍频处理，另一束基频光有待于进行其它倍频处理；进行二倍频处理的基频光首先由第三半波片(20)进行偏振调节，然后由第一二倍频晶体(21)进行倍频，倍频后的激光中基频光和二倍频光共轴混在一起，通过第一滤波器(22)将基频光吸收，将二倍频激光(36)输出。

2.根据权利要求1所述的激光腔外倍频系统，其特征在于：上述有待于进行其它倍频处理的基频光经第四半波片(23)调节偏振状态后，由第三偏振分束棱镜(24)分为两束，一束进行三倍频处理，一束有待于进行四倍频处理；

进行三倍频处理的基频光，首先由第五半波片(30)调节其偏振状态，而后经第二二倍频晶体(31)产生二倍频激光，二倍频激光和基频光同时进入三倍频晶体(32)进行合频，产生三倍频激光；基频光、二倍频光、三倍频光共轴混在一起进入第二滤波器(33)，基频光和二倍频光被吸收，三倍频光经全反镜(34)反射变换方向，输出三倍频激光(38)；

上述有待于进行四倍频处理的基频光由第六半波片(25)进行偏振调节，而后经第三二倍频晶体(26)，生成二倍频激光，经第三滤波器(27)后，基频光被吸收，二倍频光经四倍频晶体(28)后，产生四倍频激光，二倍频光和四倍频光共轴混在一起进入第四滤波器(29)，二倍频光被吸收，输出四倍频光(37)。