CN101986484A - 一种激光三倍频系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光三倍频系统，属于非线性光学领域。本发明主要包括聚焦系统、倍频系统及和频系统，基频激光经过聚焦系统聚焦后进入倍频系统，在倍频系统中产生二倍频光，二倍频光和剩余的基频光一起射入和频系统，产生三倍频光；其中，该系统在聚焦系统前还包含基频光功率密度调节装置，在倍频系统与和频系统之间，还设有走离补偿装置；基频光功率密度调节装置可连续地对基频光的功率密度进行调节；走离补偿装置可以对走离补偿值进行连续的调整。本发明通过对激光功率密度和走离补偿量的优化得到较高的三倍频转换效率，同时由于采用双折射晶体或色散玻璃作为走离补偿装置，可以大大降低三倍频系统的成本。

Description

 一种激光三倍频系统

技术领域

本发明属于非线性光学领域，涉及一种倍频系统，特别涉及一种激光三倍频系统。

背景技术

自上世纪60年代激光问世以来，由于其强度高、方向性好、相干性好引起了人们的广泛关注，并被应用于照明、测量和医疗等多个领域。近40年来，随着激光技术的不断发展，锁模、调Q和CPA技术的出现，激光的强度被不断的提高，其在激光加工领域中的优势也越来越明显，全固态激光器更因为其高转换效率、高光束质量和高稳定性受到激光加工行业的青睐。

目前的全固态激光器主要以波长在800~1000nm的半导体激光器作为泵浦源，对作为工作物质的Nd：YAG晶体或Nd：YVO₄晶体进行激励，并通过调Q技术，产生波长为1064nm、脉冲宽度为几ns至几十ns、功率为几瓦到几十瓦的脉冲激光。由于此类激光器脉冲宽度短，光束质量好，且工作稳定、转换效率高，所以被广泛应用于激光打标、激光微加工、激光打孔和激光生物学等方面。众所周知，激光在上述各方面的应用和激光波长有密切的关系，具体表现在：一方面，激光单光子的能量为hν，其和波长有着密切的关系，激光波长越短，单光子能量越大，对于多光子激发荧光光谱来讲，激光波长越短，其所需要的光子数则越少，所以其激发的几率更大。另一方面，激光可聚焦光斑的大小和激光波长有着密切的关系，一般来讲，激光的聚焦光斑可以用下述公式计算：

                   (1)

从公式中可以看出，激光波长越短，激光可聚焦光斑越小，对于激光加工特别是激光微加工来讲，激光可聚焦光斑的大小直接决定了加工精度的大小；此外，波长大于800nm的激光属于近红外激光，波长小于400nm的激光属于近紫外激光，红外激光的热效应比较强，而紫外激光的光化学作用比较明显，针对不同的应用，不同波长的激光的优势也不相同。所以全固态激光器在努力提高其输出功率的同时，也在努力寻找提高波长转换效率的办法。

目前激光波长的转换主要是通过晶体的非线性效应实现的，可以分为倍频转换与和频转换两种，其转换效率主要受到激光功率密度和走离效应的影响。一般来讲，激光功率密度越大，转换效率越高。目前的倍频或者和频系统主要是通过对光束进行聚焦或提高激光功率从而提高激光在非线性晶体中的功率密度，对于相同的激光条件和聚焦条件，则没有提出有针对性的提高激光功率密度的方法，从而错失了优化激光转换效率的机会。对于走离效应来说，倍频系统可以通过使用温度匹配的方式将其消除，但是对于和频效应来说，其很难找到合适的晶体来进行温度匹配，所以走离效应对于和频系统的影响尤为明显。现有技术中针对走离效应采取的措施是对其进行补偿，即在两种不同频率的光进入和频系统之前先引入一个预走离量，该预走离量与两种光束在和频系统中的走离分离方向相反，大小有一定关联，从而提高和频系统的效率。此种方法虽然能在一定程度上提高和频效率，但是对于预走离的大小的最优值一直没有一个确定的结论，且未考虑功率密度对走离补偿结果的影响。现有技术的另一个突出缺点是：其走离补偿多采用非线性晶体来实现，非线性晶体的厚度与走离补偿量有直接关系，所以为了调整走离补偿量需要选用一系列不同长度的非线性晶体，其缺点在于非线性晶体价格昂贵，若选用的晶体数目过多则会导致整个走离补偿系统的造价过高；且非线性晶体的厚度只能是一系列的点，不能对走离补偿量进行连续的调整，所以不易找到走离补偿的最优值。

目前的三倍频系统主要由倍频系统与和频系统共同构成，即使采用了上述走离补偿系统对和频转换效率进行优化，其得到的转换效率最高也仅在25%左右，无法进一步提高。从而大大限制了三倍频光的应用。本发明正是针对上述缺点提出的改进，目的在于提高三倍频光的转换效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的缺点，提供一种激光三倍频系统；本发明通过采用激光功率密度调整装置和走离补偿装置，寻求最优的三倍频转换条件，从而提高三倍频转换效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

本发明的一种激光三倍频系统，其主要包括聚焦系统、倍频系统及和频系统，基频激光经过聚焦系统聚焦后进入倍频系统，在倍频系统中产生二倍频光，二倍频光和剩余的基频光一起射入和频系统，产生三倍频光；其中，该系统在聚焦系统前还包含基频光功率密度调节装置，在倍频系统与和频系统之间，还设有走离补偿装置。

基频光功率密度调节装置可以为多组扩束比不同的扩束镜，通过使用不同的扩束镜，可以改变入射到聚焦系统中的基频光的光斑大小。不同扩束比的扩束镜放可以置于可旋转的转盘上，通过转盘的转动实现扩束镜的切换。

走离补偿装置可以为双折射晶体，双折射晶体的厚度满足：通过走离补偿装置后基频光和倍频光的走离量为基频光和倍频光在和频系统中走离量的一半。

走离补偿装置可以为一组不同长度的双折射晶体，通过使用不同长度的双折射晶体，实现对走离补偿量的调整。

不同长度的双折射晶体可以放置于可旋转的转盘上，通过转盘的转动实现不同长度双折射晶体的切换。

在上述三倍频系统中，聚焦系统和倍频系统之间的距离可以改变，倍频系统可以采用温度匹配的方式对倍频系统的相位进行匹配。

在倍频系统与走离补偿装置之间还插有一功率密度调整装置，走离补偿装置与和频系统之间还插有一聚焦系统。

上述系统的特点在于，通过使用一组扩束镜，改变入射到聚焦系统的基频光的光斑大小，根据公式1可知，其可以改变基频光在倍频系统与和频系统中的功率密度，从而实现功率密度的调节，再与走离补偿装置相配合，可以得到最优的三倍频转换效率；由于本系统中的走离补偿装置仅仅采用双折射晶体就可以实现，所以大大降低了系统的造价；且在倍频系统中采用温度匹配方式，消除了走离效应对倍频系统的影响；通过对聚焦系统和倍频系统之间距离的改变，可以单独调整基频光在倍频系统中的功率密度，使得倍频系统与和频系统可以分别独立的寻找密度最优值；也可以通过在倍频系统和走离补偿系统之间再插入功率密度调整装置和聚焦系统来对和频系统中的激光功率密度进行进一步调节。

本发明的另一种激光三倍频系统，其主要包括聚焦系统、倍频系统及和频系统，基频激光经过聚焦系统聚焦后进入倍频系统，在倍频系统中产生二倍频光，二倍频光和剩余的基频光一起射入和频系统，产生三倍频光。其中，在聚焦系统前还包含可连续地对基频光的功率密度进行调节的基频光功率密度调节装置，在倍频系统与和频系统之间，还设有可以对走离补偿值进行连续调整的走离补偿装置。 

基频光功率密度调节装置为一扩束比可连续调整的扩束镜。

走离补偿装置为一角度可旋转的色散装置。色散装置可以为一倾斜的平板熔融石英玻璃片。

三倍频系统中的聚焦系统和倍频系统之间的距离可以改变。倍频系统采用温度匹配的方式对倍频系统的相位进行匹配。

在倍频系统与走离补偿装置之间还插有一功率密度调整装置，走离补偿装置与和频系统之间还插有一聚焦系统。

上述系统的特点在于功率密度调节装置采用扩束比可以连续调整的扩束镜，从而实现功率密度的连续调整；走离补偿装置则主要采用色散玻璃，通过改变玻璃与入射光束的夹角来改变走离补偿量，从而可以实现走离补偿量的连续调节；由于两个装置均可以进行细微连续的变化，所以十分有利于寻找转换效率的最优值，且通过使用色散玻璃，可以进一步降低三倍频系统的成本。

平板玻璃的材料为色散较大的材料，即两种不同波长的光在平板玻璃中的折射率差较大，其可以为熔融石英玻璃或者ZF₂玻璃，厚度一般小于等于10mm。

平板玻璃的两通光面上镀有两种不同波长的增透膜，用于减少两种波长的光在平板玻璃上的反射损耗。

平板玻璃置于一可旋转的旋转台上，旋转台的旋转可以手动或电动控制，通过旋转台的旋转带动平板玻璃转动，从而改变平板玻璃与激光之间的夹角，实现走离补偿量的连续调整。

走离补偿装置还可以采用多块平板玻璃串联组成，借以增大走离补偿量。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明通过添加基频光功率密度调节装置，给出了调高激光功率密度的新方法，从而大大提高了激光转换效率，同时本发明的调节装置可实现对功率密度的连续调节，便于技术人员寻找最优的功率密度值；进一步的，本发明的走离补偿装置采用双折射晶体或平板玻璃代替现有技术中的非线性晶体，从而大大节约了系统的成本，同时本发明中的走离补偿装置可以实现对补偿量的连续调节，大大提高了补偿精度。

附图说明

图1是本发明的三倍频系统的示意图；

11－扩束装置(光功率密度调节装置)，12－聚焦系统，13－倍频系统，14－走离补偿装置，15－和频系统；

图2是本发明的一种功率密度调节装置的示意图；

图3是本发明的一种走离补偿装置的示意图；

图4是本发明实施例3的三倍频系统的示意图；

41－扩束装置(光功率密度调节装置)，42－聚焦系统，43－倍频系统，44－扩束装置，45－走离补偿装置，46－聚焦系统，47－和频系统；

图5是本发明实施例4的三倍频系统的示意图；

51－连续可调光功率密度调节装置，52－聚焦系统，53－倍频系统，54－走离补偿装置，55－和频系统；56－凹透镜，57－凸透镜，58－凸透镜；

图6是多个平板玻璃串联组成的走离补偿装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述：

实施例1：

图1是本发明的三倍频系统的示意图，其中图1a为三倍频系统的光路图，从图1a中可以清楚的看到光束的扩束及聚焦情况；图1b为三倍频系统的光线图，从图1b中可以清楚的看到光束的走离补偿情况。该系统包括扩束装置(功率密度调整装置)11，聚焦系统12，倍频系统13，走离补偿装置14，和频系统15；其中扩束装置11由一对共焦的凹透镜和凸透镜组成，基频光经过扩束装置后其光斑直径被放大一定比例，扩束后的光斑被聚焦装置收集后聚焦到倍频及和频系统中，根据公式(1)所述，对于相同的聚焦系统，其聚焦光斑的大小和入射光斑的直径成反比，所以基频光通过扩束装置后再被聚焦装置会聚，可以提高基频光在倍频装置及和频装置中的功率密度，提高倍频及和频的转换效率。

本发明的倍频系统13由LBO和TEC温控系统组成，其中LBO的切割角度为 theta=90, phi=0，采用温度匹配的方式，匹配温度为150℃，由TEC温控系统提供。由于采用温度匹配方式，倍频光与基频光不会发生走离，倍频效率仅由基频光的功率密度决定。基频光的功率密度一方面可以通过扩束系统进行调整，也可以通过延x方向移动倍频系统，改变倍频系统与聚焦系统之间的距离，进而改变基频光在倍频晶体中的功率密度，这种方式的优点是可以单独调整基频光在倍频系统中的功率密度，而不会影响基频光在和频系统中的功率密度。

本发明的和频系统15也由LBO和TEC温控系统组成，与倍频系统不同的是LBO的切割角为theta=44.6, phi=90，采用角度匹配的方式，温度通过TEC温控系统控制在55℃，根据非线性光学原理，可计算LBO在此种条件下的走离角为0.54°，对于长度为20mm的LBO来讲，其走离长度为188.5 μm。若没有走离补偿装置，基频光和倍频光进入和频系统后便开始逐渐分离，使得转换效率逐渐下降，因此为了提高转换效率，需要插入走离补偿装置。

本发明的走离补偿装置14由一块双折射晶体构成，由非线性光学原理可知，当光束入射到双折射晶体中时，其o光分量和e光分量会发生走离。由于从倍频系统中射出的基频光和倍频光恰恰为偏振方向互相垂直的两束光，所以通过选择双折射晶体的光轴方向，可以使得基频光和倍频光发生走离，且其走离方向与在和频系统中的走离方向相反，故而可以对和频系统中的走离进行补偿，提高和频转换效率。优选的，同时考虑激光功率密度对转换效率的影响，对于图1所示的走离补偿装置，其走离补偿量应在和频系统走离补偿量的1/3到1/2之间。

通过如图1所示的系统，同时对激光的功率密度和走离补偿量二者进行优化，可以大幅提高三倍频系统的转换效率，实现输出高功率的三倍频光。

实施例2：

图2是本发明的功率密度调节装置(扩束装置)的示意图，图2a、图2b、图2c分别为三对共焦凹透镜和凸透镜的组合，其中凸透镜和凹透镜的焦距比分别为1.5、2、2.5，由光学原理可知，平行光通过此三组扩束镜后，光斑直径可以被分别扩大1.5、2、2.5倍，根据公式(1)可知，其通过相同的聚焦系统后，其在倍频系统与和频系统中的功率密度也被对应的提高1.5、2、2.5倍。为了方便调节，可以将三组扩束镜放置于一可旋转的圆盘上，如图2d所示，通过圆盘旋转可以实现不同扩束镜的切换，从而实现激光功率密度的可变调整。

图3是本发明的走离补偿装置的示意图，图3a、图3b、图3c分别为相同材料、相同切割角度、不同长度的双折射晶体，其中双这是晶体可以为石英、方解石等。从图中可以明显看出，由于基频光和倍频光偏振方向不同，一个作为o光一个作为e光会在双折射晶体中产生走离。在材料和切割角度相同的情况下，其走离量只与晶体的长度有关。所以可以通过切换不同长度的晶体实现走离量的调整。为了调节方便，可以将三块不同长度的晶体放置于一可旋转的圆盘上，如图3d所示，通过圆盘旋转可以实现不同长度晶体的切换，从而实现走离量的可变调整。

如果将图2d和图3d所示装置安装于同一三倍频系统中，则可以通过二者之间的相互配合寻找到最优的三倍频转换效率。

 

实施例3：

图4是本发明的三倍频系统，与实施例1不同的是，其在倍频系统43与走离补偿装置45之间又插有扩束装置44，在走离补偿装置45与和频系统47之间插有聚焦系统46，且和频系统可相对于聚焦系统46沿x方向移动。

与实施例1相比，此系统的优点在于可以通过扩束装置44与聚焦系统46近一步提高基频光和倍频光在和频系统中的功率密度，因为一般来讲，通过倍频系统后的基频光和倍频光能量都比较低，所以为了仍然维持较高的功率密度，需要再一次进行扩束。且走离补偿系统的补偿量和功率密度有密切关系，之前的现有技术在考虑走离补偿时均未考虑到功率密度对最优补偿量的影响，而根据我们的实验结果来看，对于三倍频系统，其最优补偿量与实施例1给出的最优补偿量不同，其需要进一步的寻找和细化。

 

实施例4：

图5a是本发明的三倍频系统的示意图。与实施例1相比，本实施例的改进点在于：功率密度调节装置51采用扩束比连续可调的扩束装置，通过连续改变基频光的光斑直径实现对激光功率密度的连续调整；走离补偿装置54采用色散玻璃，通过利用光的折射率随着波长的改变而改变使得基频光和倍频光分开，从而形成预走离量，采用色散玻璃的优点在于可以通过旋转色散玻璃的角度实现走离补偿量的连续调节。

与实施例1、3相比，本实施例的最大特点在于可以实现激光功率密度和走离补偿量的连续调节，更有利于寻找最优转换条件，可以大幅提高转换效率。同时由于走离补偿装置采用色散玻璃，大大降低了整个系统的成本，且调节方便，使得整个系统简单易行。

功率密度调节装置51的具体结构如图5b所示，整个系统可以由三片镜片构成，两片间距可变的凸透镜57、58构成焦距可变的凸透镜组，通过调整凹透镜56与凸透镜组之间的距离，同时改变凸透镜57、58之间的距离，可以实现扩束比的连续变化。

走离补偿装置54有平板熔融石英玻璃构成，基频光和倍频光以一定角度射入平板玻璃后，由于折射率的不同而发生分离，穿过平板玻璃的另一表面后平行射出，此时基频光和倍频光之间存在一预走离量，预走离量的大小可通过沿z方向旋转平板玻璃来实现。通常选择平板玻璃的厚度为10mm。

图6是多个平板玻璃串联组成的走离补偿装置的示意图。从图中可以看出通过多个平板玻璃的串联，可以增加走离补偿装置的走离补偿量。与采用单块平板玻璃相比，其每一块平板玻璃的角度可以独立调节，可以增大走离补偿量调整范围，并降低单个平板玻璃的镀膜难度。

 

尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以基于本发明公开的内容进行修改或改进，并且这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (10)

1.一种激光三倍频系统，其特征在于包括基频光功率密度调节装置、聚焦系统、倍频系统、走离补偿装置、和频系统；其中，输入的基频激光依次经所述基频光功率密度调节装置、聚焦系统、倍频系统、走离补偿装置、和频系统后输出。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述光功率密度调节装置为一组扩束镜；所述扩束镜为一对共焦的凹透镜和凸透镜。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述光功率密度调节装置包括扩束比不同的多组扩束镜和一可旋转的转盘，该扩束比不同的多组扩束镜分别安装于所述可旋转的转盘上。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述光功率密度调节装置为一扩束比可连续调整的扩束镜；所述扩束镜包括一凹透镜和一焦距可变的凸透镜组，其中所述焦距可变的凸透镜组包括两间距可调的凸透镜；所述凸透镜组与所述凹透镜之间的距离可调。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述走离补偿装置为一双折射晶体，双折射晶体的一光轴与所述倍频系统出射光中基频光或倍频光的偏振方向一致，且使基频光和倍频光的走离方向与在所述和频系统中的走离方向相反；所述倍频系统出射光经所述走离补偿装置后基频光和倍频光的走离量为基频光和倍频光在所述和频系统中走离量的1/3到1/2。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述走离补偿装置包括一组长度不同的双折射晶体和一可旋转的转盘，该组长度不同的双折射晶体分别安装于所述可旋转的转盘上。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述走离补偿装置包括一色散平板玻璃和一可旋转的旋转台，所述色散平板玻璃安装于所述可旋转的旋转台上。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述走离补偿装置包括多块色散平板玻璃；该多块色散平板玻璃相互平行排列的安装于所述可旋转的旋转台上。

9.如权利要求7或8所述的系统，其特征在于所述色散平板玻璃为熔融石英玻璃或ZF₂玻璃，其厚度小于或等于10mm；所述色散平板玻璃的两通光面上镀有基频光和倍频光两种不同波长的增透膜。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述倍频系统与所述走离补偿装置之间还插有一光功率密度调整装置；所述走离补偿装置与所述和频系统之间还插有一聚焦系统。

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