CN102292671A - 延长受强激光束辐射的非线性光学系统使用寿命的设备和包括该设备的非线性光源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于延长经受强激光束辐射的频率转换非线性光学系统(19)的使用寿命的设备，该设备包括具有在光束上倾斜的平坦且平行的表面的两个板(2、3)，以及用于横向转动所述板(2、3)的装置，该装置适于在一个角度范围(i₂ ⁰±δi₂)内改变第一板的倾角以相对于该光学系统(19)移动入射光束，同时最小化输出光束(37、47)在该第一板的倾角范围(i₂ ⁰±δi₂)内的移动幅度。本发明还涉及该设备在包括一个或多个非线性晶体(1、16)的非线性光源中的应用。

Description

延长受强激光束辐射的非线性光学系统使用寿命的设备和包括该设备的非线性光源

技术领域

本发明涉及一种用于延长经受强激光束辐射的一个或多个线性或非线性光学元件的使用寿命的设备。本发明特别应用于光频转换器，特别是包括非线性晶体的光学谐波生成器，这种晶体经受到可能是破坏性的辐射，例如强烈集中的UV射线。本发明还应用于频率可调的光学参量振荡器(OPO)激光源。

背景技术

固体激光器已知用于制造具有非常好的光质量的光束并且在许多应用中被使用，包括半导体微加工、塑料产品标志、太阳能电池蚀刻等等。对于大部分应用来说，有必要将激光器发出的通常为红外线的射线转换成频率较高的射线。制造基本频率的第二、第三、第四或甚至第五谐波以获得高功率高质量的连续或脉冲UV光束是相当令人感兴趣的。

脉冲固体激光器能够在持续时间相对较短的脉冲(小于200ns)上产生超过一百瓦特的平均功率。可以列举激光介质，例如Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:YLF，以及Nd或Yb掺杂的玻璃纤维，以用作能够以非常高的频率(通常是10到500kHz)工作的激光脉冲源。第三谐波的制造现在已经工业化了，并且约为20W的功率已经在355nm获得，4W在266nm获得，并且人们越来越关注更短的波长。

当希望制造高频脉冲激光的谐波时主要困难在于遭受高功率UV的光学元件的使用寿命。已知使得包括光学处理或非线性晶体的元件遭受长时间的强UV辐射会导致该元件在接近于被照亮区域的区域中的不可逆转的降级。这种降级的物理原因仍然有待研究并且难以理解。存在用于延长一个区域的使用寿命的手段，但是它们并不总是能够达到这些源的工业应用所需要的使用寿命。利用入射功率强度所进行的加速以及短波长所造成的损坏是已知的，并且光学元件表面上的瑕疵也会造成这种损坏。

所观测到的效应是累积的并且会使得所产生的光束和UV功率的质量逐渐地降级。

为了制造UV射线，传统的方法在于将强光束聚焦于非线性晶体中。典型的晶体是LBO、BBO和CLBO，但是也可以使用任何其他晶体。在以高频工作的激光器的情况下，每个脉冲的低能量必须确保使得光束聚焦于约为100μm的直径范围内。功率强度因而达到每平方厘米几十千瓦并且最终造成严重的损坏。

用于限制晶体降级的一种已知的方法在于在从几小时到几星期的时期之后将横向平面内的非线性晶体移动至激光束轴线，从而找到还未被破坏的新的晶体区域。光束的大小约为100微米并且晶体大小通常为3×3mm，很容易将晶体表面分解成一百个以上的基本区域，这些基本区域将在进行移动的期间被光束逐一照射。例如，如果考虑光束可以在一个区域停留100小时而损失小于其功率的10％，则晶体使用寿命增加一因数100以达到大约10,000小时。当所有区域已经被一一使用过时，必须更换晶体。这种方法在Marason的专利US 5,179,562中针对连续激光的情形而被描述，并且在专利US 5,825,562(Lai等人)中针对脉冲激光的特定情形而被描述。专利US 5,825,562描述了一种平移系统，其包括两个互相垂直并且垂直于激光束的平移板。其他专利公开了对于按照垂直于光束的平面内的晶体的圆形路径的平移或移动系统的改进(专利申请US2003/0147433，“Extendedlifetime harmonic generator”，Kafka等人；专利US 6,859,225，“Methodof programmed displacement for prolonged usage of optical element underthe irradiation of intense laser beam”)。这些方法被用于所有通过生成商业上可获得的第三或第四谐波来进行UV发射的固体激光器。

上述方法的主要缺点在于它们需要完美的平移而不会产生晶体围绕与光束轴垂直的轴的任何转动。实际上，非线性晶体中的谐波的生成是基于相位匹配的。相位匹配是通过非常精细地调节晶体轴与激光束之间的角度来获得的。如果这个角度在平移期间变化，则转换效率将改变并且谐波辐射中产生的功率将改变。15mm长的LBO晶体的典型准确度远低于1毫弧度。对于双折射很强的晶体(例如BBO)或非常短的波长来说会更低。因此有必要确保晶体在垂直于激光束轴的两个方向中的几毫米的平移不会导致大于几毫弧度的转动。这种准确度在几毫米的移动中以及在几年的时期内非常难以维持。此外，可移动元件的存在使得晶体的稳固变得不可能，该晶体的取向因而会在传送事件期间改变。因此有必要每次平移晶体都重新调节相位匹配。这种匹配的重新调节通常通过改变晶体温度来进行，但是它需要复杂的控制回路。

此外，根据光学元件移动方法，当激光器包括串行安排于该激光器的光路上并且经受强激光束的几个固体光学元件时，每个元件必须配备一平移系统来修改每个元件上的光束的照射区域，这使得设备更加复杂。这特别是三重、四重或五重谐波生成器的情形，其使用级联的非线性晶体。如后文中所使用的那样，“非线性光学系统”是指包括至少一个非线性光学元件的光学元件集合，其可以是非线性晶体。当光学系统包括几个元件时，这些元件被串行安排在光路上。

此外，专利US 5,546,764描述了一种用于沿着晶体表面上的圆形路径连续转动激光束以避免局部加热晶体的设备。该设备包括具有平坦且平行的表面的两个相同的板，这两个板被安排在光频转换非线性晶体的两侧。这两个板相对于激光束轴对称地倾斜一固定的角度并且围绕激光束轴连续转动。这个设备使之能够沿着圆形较快地移动(几赫兹)光束影响点，晶体保持固定。两个板的转动必须相同并且同步以使得能够相当近似地维持方向固定的输出光束。然而，这种两个(由于存在一个或多个晶体而)分离的光元件的转动耦合可能难以实现。此外，光束的圆柱形路径不允许利用晶体的整个表面，并且不能够延长太多晶体的使用寿命。最后，用第二板的偏斜来补偿第一板的偏斜通常是不完善的，这使得输出光束执行了残余的圆形或螺线形移动。这种输出光束的残余移动特别地是由于经过第一和第二板的光束间的波长差以及板的色差而导致的。这种寄生移动比光束大小较小具有更大的阻碍。根据文件US 5,646,764，两个板的偏斜差异是几十微米，这对于小尺寸光束而言无法维持固定的输出光束方向和位置。

更具体地，在激光微加工应用中，UV激光束的大小约为100微米。这个UV激光束通常耦合到要准确对焦的光学器件。光束方向和位置必须在几个百分点内(即几微米内)保持稳定。

发明内容

本发明旨在克服这些缺点，并且具体地涉及一种用于延长经受强激光束辐射的至少一个频率转换非线性光学系统的使用寿命的设备，该光学系统能够将具有基本光频ω₁的入射光束转换成具有光频ω₂的输出光束。根据本发明，该设备包括具有平坦且平行的表面的第一传输板，其厚度为e₂并且指数为n₂(ω1)，并且能够被插入所述入射激光束的光路中并且发射光束，所述第一板的平坦表面的法线η₂构成相对于激光束传播轴X的倾角(i₂)。所述设备包括具有平坦且平行的表面的第二传输板，其厚度为e₃并且指数为n₃(ω₂)，并且能够在所述光学系统的出口处被插入光束的光路中并且发射光频为ω₂的光束，所述第二板的法线η₃构成相对于光束传播轴X’的倾角(i₃)。本发明的设备还包括：用于围绕与激光束传播轴(X)垂直的至少一个轴(Y，Z)横向转动所述第一板的装置，其能够在一个角度范围(i₂ ⁰±δi₂)内修改倾角(i₂)以相对于该光学系统移动光束；和用于围绕与光束传播轴(X’)垂直的至少一个轴(Y’，Z’)横向转动所述第二板的装置，其能够在一个角度范围(i₃ ⁰±δi₃)内修改倾角(i₃)。根据本发明，这两个板和用于横向转动两个板的装置能够在所述第一板的倾角范围(i₂ ⁰±δi₂)内在位置和角度方向方面最小化输出光束的移动幅度。

根据特定的实施例，所述设备包括用于机械耦合两个板的装置，其能够使得所述第一板的倾角(i₂)和所述第二板的倾角(i₃)在角度范围(i₂ ⁰±δi₂)内彼此相关，并且第二板的厚度e₃能够根据第一板的厚度e₂、光指数n₂(ω₁)和n₃(ω₂)以及角度范围(i₂ ⁰±δi₂)来最小化输出光束的残余移动幅度。

根据本发明的特定实施例，用于耦合两个板的装置包括能够致使两个板以各自的彼此相反的倾角i₂和i₃同时倾斜的机械驱动装置。

根据本发明的优选实施例，用于耦合两个板的装置包括能够致使两个板以各自的相等的倾角i₂和i₃同时倾斜的机械驱动装置。

有利地，转动装置共用于两个板并且能够以相同的角度修改这两个板的倾角，并且入射光束和输出光束在这两个板之间的平面内传播，并且输出光束在板之间经历奇数次反射。

有利地，所述光学系统的入射光束的直径小于由于所述第一板在倾角范围(i₂ ⁰±δi₂)内的倾斜而导致的光束移动的幅度。

根据另一个特定实施例，这两个板是相同的，并且所述设备包括能够根据板厚度、光指数n₂(ω₁)和n₃(ω₂)和倾角(i₂)来计算和实施倾角(i₃)以补偿针对所述第一板在角度范围(i₂ ⁰±δi₂)内的每个倾角的输出光束移动的装置。

有利地，本发明的设备包括放大率为G的位于两个板之间的光学系统，并且所述第二板的倾角(i₃)、厚度(e₃)和指数(n₃)是根据所述光学系统的放大率G来确定的，从而补偿针对角度范围(i₂ ⁰±δi₂)内的每个倾角(i₂)的输出光束移动。

本发明还涉及一种包括非线性光学系统和根据前述实施例之一的用于延长所述非线性光学系统的使用寿命的设备的非线性光源，其板被安排在所述非线性光学系统的两侧。

根据特定的实施例，本发明的非线性光源包括非线性光学系统，该系统包括位于用于延长所述晶体的使用寿命的设备的两个板之间的两个非线性晶体，第一非线性晶体能够使得入射基本波的频率加倍并且第二非线性晶体能够通过使得基本波及其第二谐波的频率相加来生成第三谐波。

根据另一个实施例，本发明的非线性光源包括非线性光学系统，该系统包括位于两个板之间的两个非线性晶体，第一非线性晶体能够使得入射基本波的频率加倍并且第二非线性晶体能够通过使得第二谐波的频率加倍来生成第四谐波。

根据又另一个实施例，本发明的非线性光源包括非线性光学系统，该系统包括位于两个板之间的三个非线性晶体，第一非线性晶体能够使得入射基本波的频率加倍、第二非线性晶体能够通过混合第二谐波和基本波的频率来生成第三谐波、并且第三非线性晶体能够通过混合第二谐波和由所述第一和第二晶体产生的第三谐波的频率来生成第五谐波。

本发明还涉及一种非线性光源，其包括位于两个板之间并且能够通过光学参量生成来制造相干射线的至少一个晶体。

本发明还涉及一种非线性光源，其包括用于在频率转换后测量光束的发射功率的装置和能够当发射功率降低一预定值时致使所述板横向转动的驱动系统。

本发明还涉及一种非线性光源，其包括用于延长被置于激光腔内的非线性光学系统的使用寿命的设备。

本发明的其他特征将通过下面的描述变得明显并且可以单独考虑或者在技术上可行的情况下组合地考虑。

附图说明

本说明书仅作为非限制性例子而给出并且使得能够参考附图更好地理解如何实现本发明，其中：

-图1示意性地示出了本发明的设备；

-图2示出了具有平坦且平行的表面的倾斜板的工作原理；

-图3示意性地示出了根据现有技术的第二谐波生成器；

-图4示意性地示出了根据本发明的第二谐波生成器；

-图5A和5B示意性地示出了具有位于非线性晶体两侧上的两个倾斜板的系统分别按照这两个板的第一倾角和第二倾角的操作；

-图6示出了输出光束根据倾角范围(i₂ ⁰±δi₂)的补偿误差测量曲线；

-图7示出了根据现有技术的第三谐波生成器；

-图8示出了根据本发明的第三谐波生成器的第一实施例；

-图9示出了根据本发明的第三谐波生成器的第二实施例；

-图10示意性地示出了用于控制本发明的设备中的板取向的系统；

-图11示意性地示出了用于机械耦合本发明的设备的两个板的装置；

-图12示出了利用本发明的设备扫描激光束照射的区域的例子。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的用于延长非线性光学系统的使用寿命的设备的工作原理。非线性光学系统19位于例如激光光束的光束7的传播轴线上。在所考虑的原理的例子中，非线性光学系统包括非线性光元件1。光学元件1接收沿着轴X传播的具有基本光频ω₁的入射光束7，并且发射沿着轴X’传播的具有光频ω₂的输出光束17。尝试最小化经受激光束的光辐射的光学元件1的恶化。所述设备包括两个板2和3，其具有平坦且平行的表面并且各自的厚度为e₂、e₃。这两个板被置于光束的光路中。第一板2被置于入射光束7的光路中并且相对于轴X倾斜一个角度i₂。倾角i₂是在板2表面的法线η₂与光束7的轴线之间形成的角。入射光束7经过板2并且作为具有光频ω₁的发射光束27而离开。发射光束27沿着与入射光束7的传播轴线平行的轴而传播。第二板3被置于光元件1的出口处的具有光频ω₂的光束17的光路中并且相对于轴X’倾斜一个角度i₃。倾角i₃是在板3表面的法线η₃与光束17的轴线之间形成的角。每个板2、3的倾角可以通过围绕与激光束的传播轴X、X’垂直的两个轴(Y，Z)、(Y’，Z’)横向转动而被修改。板2的倾角i₂通过与轴X垂直的一次或两次转动而在角度范围(i₂ ⁰±δi₂)内变化。同样，板3的倾角i₃通过与轴X’垂直的一次或两次转动而在角度范围(i₃ ⁰±δi₃)内变化。在图6所示出的示例性实施例中，i₂的角度变化幅度是±10度。板2和3不是围绕光束轴线轴向转动的。对第一板2的倾角i₂的修改致使由板2发射的光束27移动(d_Y2，d_Z2)到光元件1。这个移动(d_Y2，d_Z2)使之能够修改经受入射光束辐射的光元件的区域。第二板3使之能够在板2、3的倾角范围内最大程度地补偿光元件1出口处的光束17的轴线的侧向偏移(d_Y2，d_Z2)并且通过调节两个板2和3各自的倾角和/或通过优化两个板的厚度来保持所述设备出口处的激光束37的传播轴线固定不动。

图2更详细地指示了激光束在板2或3中的传播。为了给出最好的解释，图2示出了平面上的投影，其包括入射光束的传播轴线X和具有平坦且平行的表面的板的法线η。厚度为e并且具有平坦且平行的表面的板在光元件1的前面被插在入射光束7的轴线上。这个板相对于光束7的角度为i的倾斜致使板出口处的光束27的轴线偏斜，其中光束27沿着偏斜了一个量d的轴线而传播。经过厚度为e且指数为n的板致使光束移动一个距离d，其中该板的法线形成相对于光束的角度i，所述距离d由下式给出：

通过调节角度i，因而可以调节距离d。对角度i的调节是通过组合围绕垂直于传播轴线X的两个方向(Y，Z)的两个转动θ_Y、θ_Z而获得的，这使之能够沿着与光束的传播轴线垂直的两个方向(d_Y，d_Z)来使得板出口处的光束偏斜。因此，可以在相对于光束大小的一个较宽的区域内修改光元件1上被光束照射的区域。离开板2的光束27的轴线通过构造而完全平行于输入光束7的轴线，而与板的倾角i无关。对板2在平移或转动中的错误的调节通过构造只导致输出光束平移而绝不会改变其方向。

图2示出了平面内的光束的偏斜。当板能够围绕垂直于激光束传播轴线的两个轴取向时，偏斜也会出现在垂直于传播轴的另一个方向中。

在许多应用中，特别是在激光微加工中，延长光元件的使用寿命是很重要的，但是也必须以稳定的方向和位置递送输出激光束。

在某些特定的情形中，可以通过添加其厚度和取向被优化以补偿第一板2导致的偏移d的第二板3来使得输出光束与输入光束完全共线。

通过使用倾角相反的两个相同的板(相同的厚度和材料)，当光元件发射的光束和入射光束的波长相同时获得完全的补偿。不管两个板的(对称)倾角如何，该补偿都是有效的。

当输入波长(或光频ω₁)与输出波长(或光频ω₂)不同时，如何在下面两种特定的情形下补偿输出光束的移动也是已知的：

-通过使用两个相同的板并且通过调节第二板的倾角以通过由第二板导致的具有第二波长的光束的相反的移动来补偿由第一板导致的具有第一波长的光束的移动，或

-通过使用具有对称(固定)倾角的板并且通过计算板的厚度以使得它们以所述倾角和波长而导致的偏移能够相互补偿。

这两种解决方案与保持固定倾角的板的轴向转动不相容。对于输出光束偏移的补偿因而仅对于一对预定义的输入和输出波长是有效的(但是对于输出波长变化的OPO是无效的)。

当波长不同并且板的倾角变化时，对于出口处的光束偏移的补偿是非常难以获得的。在这种情况下，输出光束通常由于变化的倾角而没有固定位置。对于输出光束的重新定位的误差取决于两个板的倾角和输入和输出波长二者。本发明的一个目的是在板的倾角变化范围内最小化这种重新定位误差。

实际上，由于色散，板的光指数n随着波长的变化而变化。偏移d同时取决于板的物理属性(厚度e，指数n)、倾角i以及经过该板的光束波长。本发明使用这些不同的参数以在板的预定义横向转动范围内(即在倾角i₂，、i₃范围内)获得两个板2和3之间的尽可能最佳的补偿。

这种优化取决于本发明的设备的应用，特别是当涉及几个波长时，如下面的例子中详细描述的那样。

本发明可以用于许多应用并且将在不同的特定情形中进行说明，即制造激光光束的第二谐波和第三谐波。

图3示出了第二谐波生成的传统实现。激光源4以通常接近于红外线的频率ω来制造源射线。源4包括将源射线转换成可视范围内的频率2ω的第一非线性晶体(未显示)。源4因而向通常为透镜的聚焦光学装置5发射可视射线7。光学装置5也可以是镜子或一组镜子和/或透镜。透镜5将光束7聚焦于非线性晶体1上的一个点。非线性晶体1适于使得光束7的频率加倍并且生成具有频率4ω的光束17。包括准直透镜6和一个或多个二色性镜子10和11的光学系统能够使得频率为2ω的光束7与频率为4ω的光束17分离。在图3所示的现有技术设备中，晶体1通常安装在移动系统上，该系统能够在至第四谐波的转换效率降低时改变光束7对非线性晶体的影响点。

根据图4所示的本发明的实施例，两个板2和3被插在光学装置5、6与晶体1之间。非线性晶体1保持固定并且因而不需要移动系统。板2插在透镜5与晶体1之间，而板3插在晶体1与透镜6之间。板2和3能够以围绕垂直于激光束的两个轴Y、Z的可变倾角来取向。优选地，板2、3包括针对所使用的波长的抗反射处理。

图5示意性地示出了由相对于被聚焦的激光束而倾斜的一对板2、3所导致的在设备出口处和晶体1上的光束移动效应，这对板的不同取向分别由图5A和图5B显示。板2、3导致光轴偏移。所使用的单个第一板2使之能够获得所发射的光束27在晶体1上的影响点移动效应，但是输出光束37的位置和方向随着板2的倾角的变化而改变，这通常是不可接受的。第二板3的厚度和/或倾角i₃因而被优化以在板的倾角范围内最佳地补偿第一板2的移动。

在对于光谐波生成器的应用中，所关注的非线性晶体1出口处的光束17的波长与晶体1上的入射光束27不同。因此，建议在计算板2和3的取向时将该因素考虑在内。公式[I]表明偏移d取决于入射角i以及随波长而变化的指数n。通过使用固定的倾角，偏移可以通过使用取向角度稍微不同的两个相同的板(相同的厚度和材料)以补偿指数差异来获得补偿，或者是使用取向角度大小相同而符号不同并且具有不同物理厚度的板，该物理厚度被计算成使得板2在光束7的波长处的光厚度对应于板3在光束17的波长处的光厚度。然而，这种补偿仅对于固定的倾角i₂和i₃以及固定的输入ω₁和输出ω₂波长有效。

对于关系式[I]的进一步研究表明，由于d、i、e和n之间的关系式非线性的，当i在倾角范围内变化时，指数n的改变无法通过简单地改变厚度e而得到补偿。如果板2具有厚度e₂和指数n₂而板3具有指数n₃，则可以获得最小化入射角范围内和给定偏移范围内的偏移补偿误差的板3的厚度e₃。图6示出了使用针对波长515nm的指数为1.45的26mm板2和针对波长243nm的相同材料制成的板3而导致的重新定位误差结果的例子。

能在i₂的±10°的转动范围内最小化平均误差的板3的最佳厚度e₃是24.9mm，这与为了平衡对应于唯一角度优化i₂＝i₃＝0的光厚度(25.64mm)而给出的物理厚度相差较大。

该优化可以通过不同的用于最小化误差的传统方法来获得。特别地，可以应用最小二乘法，其等价于最小化两个曲线d₂(i)和d₃(i)之间的距离。在数学上，其等同于寻求最小化以下量的n₃和e₃的一组值：

$\underset{i=i_{\min }}{\overset{i=i_{\max }}{\∫}}(d_2-d_3)\mathrm{di}$

然而，可以决定增加特定倾角的权重(例如接近于轴的倾角和对应于晶体中心的倾角)。

在这种情况下，对d的每个值设置权重，并且该公式变成：

$\underset{i=i_{\min }}{\overset{i=i_{\max }}{\∫}}p\left(i\right)(d_2-d_3)\mathrm{di}$

其中，p(i)是为倾角i选定的权重。

这个优化假定角度i₂和i₃是相同的。

可以决定针对特定的角度而准确地取消移动(即d₂-d₃＝0)，但是其通常等同于增大了其他角度的误差。

从图6中观察到，本发明的双板补偿设备出口处的光束的残余移动仅移动了几微米(最大幅度是±6微米)，这相对于光束大小(约为100微米)而言是可接受的。

这种设备的优点是它能够使得激光器中的非线性晶体稳固并且这些晶体的相位匹配对于导致偏移的板2、3的取向和移动是不敏感的。

本发明的第二特定实施例涉及制造第三谐波。图7示意性地示出了传统的第三谐波生成设备。激光源4’被用来以通常接近于红外线的频率ω制造射线。激光器的红外射线被光学装置18聚焦于将该射线转换成频率2ω的第一非线性晶体1。由于这个转换没有完成，该系统因而发射包括频率ω的射线7和频率2ω的射线17二者的光束。混合的频率为ω的光束7和频率为2ω的光束17射入通常为透镜的聚焦光学装置5。透镜5将两个光束7、17聚焦于第二非线性晶体16上的一个点。第二非线性晶体16适于使得光束7和17的频率相加以产生具有频率3ω的光束47。包括聚焦透镜6和一个或多个二色性镜子10和11的光学系统能够使得频率分别为ω和2ω的光束7和17从频率为3ω的光束47中分离出来。优选地，晶体1的取向被选择成使得晶体1中的光束7和17的离开方向与晶体16的相同光束的离开方向相反。

优选地，晶体1和16的温度以约为0.1℃的准确度保持稳定。

在现有技术设备中，晶体16通常安装于移动系统上，该系统能够当至第三谐波的转换效率降低时改变光束7和17的影响点，光束7、17和47保持固定。

根据图8所示的本发明的优选实施例，两个板2和3被插在光学装置5、6与晶体16之间。板2插在透镜5与晶体16之间而板3插在晶体16与透镜6之间。板2、3能够分别以倾角i₂、i₃而取向，该倾角通过围绕垂直于激光束的两个轴Y、Z的横向转动而在倾角范围内变化。相反，非线性晶体16保持固定并且不需要移动系统。优选地，板2、3包括针对所使用波长的抗反射处理。图8所示的设备的限制来自于由板2导致的偏移的色差。实际上，两个光束7和47不具有相同的波长并且因而出现差异微小的偏移，该偏移有可能妨害第三谐波的生成。

根据图9所示的本发明设备的实施例，板2被置于第一加倍晶体1的前面。板3的移动方向和幅度因而必须考虑由透镜5导致的放大以及光束7与47之间的波长差。对板3的倾角变化的这种控制可以借助于能够计算板3的取向以补偿由板2导致的移动的电子系统来执行。所述设备可以通过省略透镜5而被简化。在这种情况下，晶体1和16中的光束大小基本上相同。

图10示出了简化的实施例中的设备拓扑。控制电子系统13控制板2和3的取向变化。根据其中板在光学上等价(相同的厚度和材料)的第一实施例，控制系统确保板2、3各自的取向i₂、i₃完全相等但是彼此相反。根据其中板在物理上等价或板在光学上不等价的实施例，控制系统针对板2的每个倾角i₂来计算板3相对于板2的取向的取向校正。

从图6中可以看出，所述设备可以被设计成使得板2和3的角度移动相等(或对称)。电子系统因而可以用如图10所示的机械耦合系统来替代。每个转轴的唯一的发动机14使之能够控制两个板的相同移动。

最后，存在一种优化的配置，其中可以使用唯一的取向系统来移动两个板2、3。应当指出，在所有前述实现中，板必须经历方向相反的转动，这使得其耦合变得复杂。假定在两个板之间插入奇数个镜子，则能够利用单个取向控制系统获得相同的补偿效应。图11示出了具有三个镜子10、11和15的优选实施例。该系统因而变得十分稳定和简单。由于两个板2、3彼此相关，因此它们各自的取向的突然变化仅导致晶体中的影响点的移动而决不会影响光束47的方向或位置。

在i₂和i₃的倾角变化范围内利用关系式[I]，通过考虑借由射线7和47而获知的指数的差，板2和3的厚度被计算成能够最小化补偿误差。

在图11的实现中，晶体1和16中的光束的大小基本相同。可能希望在两个晶体中具有不同的光束大小。为此，放大率为G的光学系统插在晶体1和16之间。在这种情况下，必须在计算板3对由板2导致的移动的补偿时将该光学系统考虑在内。可以利用其光厚度来维持两个板的相同转动，或者使用独立的转动。为了使用图11的设备，晶体1和16之间的放大符号必须为正。在其中两个晶体之间存在光结合以及希望使用利用能同时移动板2和3的单一机构而实现的简化补偿模式的情况下，板2和3之间的光路中的反射次数必须一直是奇数。

图7至11所示的系统对应于第三谐波生成的特定情形，但是它们也适用于要求光元件上的光束位置随时间变化的其他情形，例如第五谐波生成，光学参量生成，或甚至是激光材料UV泵送或制造非线性效应(例如Raman)。相同的设备也应用于能够制造波长可调的光源(可变ω₂)的光频转换器，包括光学参量振荡器(OPO)。

在前述例子中，板2的转动幅度(即倾角范围i₂ ⁰±δi₂)被计算成引入对应于晶体上的光束直径的大约三倍的移动d₂。板的倾角变化优选地在两次设备使用周期之间是非连续的，光束保持在两次移动之间固定。板的横向转动通常每100到500小时实施一次。公式[I]使之能够根据倾角的绝对值来确定这个转动的幅度。

可以使用用于扫描晶体上的光束移动的不同策略。例如，板可以围绕水平轴逐渐开始转动，直到光束到达晶体边缘。该板因而沿垂直轴转动较小的角度，并且可以重新开始沿水平轴的反向移动。光束在与其传播轴线垂直的平面中的移动因而沿着如图12所示的扫描轨迹。

本发明的设备使之能够沿着与光束轴线垂直的两个独立的方向相对于光学元件局部移动激光束，同时保持所发射的光束的方向平行于入射方向并且设备出口处的光束位置固定不变。只有设备内的光束相对于固定非线性光学系统这样移动，同时确保激光光束相对于光学系统的最佳取向而不管其位置如何，并且确保设备出口处的激光光束的最佳重新定位(就角度和位置而言)。非线性光学系统可以是一个非线性晶体、一组非线性晶体、一组非线性光学元件、或包括上述元件的任何组合。

Claims (15)

1.一种用于延长经受入射激光束(7、27)辐射的至少一个频率转换非线性光学系统(19)的使用寿命的设备，所述光学系统(19)能够将具有基本光频ω₁的所述入射激光束(7、27)转换成具有光频ω₂的输出激光束(17)，该设备包括：

-第一传输板(2)，其具有平坦且平行的表面、厚度为e₂并且指数为n₂(ω₁)，并且能够被插在所述入射激光束(7)的光路中并且发射光束(27)，所述第一板(2)的平坦表面的法线η₂形成相对于所述激光束(7)的传播轴线X的倾角(i₂)，

-第二传输板(3)，其具有平坦且平行的表面、厚度为e₃并且指数为n₃(ω₂)，并且能够被插在所述光学系统(19)的出口处的所述光束(17)的光路中并且发射具有光频ω₂的光束(37、47)，所述第二板(3)的法线η₃形成相对于所述束(17)的传播轴线X’的倾角(i₃)，

其特征在于，包括：

-用于围绕与所述激光束(7)的传播轴线(X)垂直的至少一个轴(Y、Z)横向转动所述第一板(2)的装置，该装置能够在一个角度范围(i₂ ⁰±δi₂)内修改所述倾角(i₂)以相对于所述光学系统(19)移动所述光束(7)，

-用于围绕与所述光束(17)的传播轴线(X’)垂直的至少一个轴(Y’、Z’)横向转动所述第二板(3)的装置，该装置能够在一个角度范围(i₃ ⁰±δi₃)内修改所述倾角(i₃)，

-所述板(2、3)和用于横向转动所述两个板的所述装置能够在所述第一板的倾角范围(i₂ ⁰±δi₂)内在位置和角度方向方面最小化所述输出光束(37、47)的移动幅度。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，包括用于机械耦合两个板(2)和(3)的装置，该装置能够使得所述第一板(2)的倾角(i₂)和所述第二板(3)的倾角(i₃)在所述角度范围(i₂ ⁰±δi₂)内彼此相关，并且所述第二板的厚度e₃能够根据所述第一板的厚度e₂、所述光指数n₂(ω₁)和n₃(ω₂)以及所述角度范围(i₂ ⁰±δi₂)，来最小化所述输出光束(37、47)的残余移动的幅度。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，用于耦合两个板(2、3)的所述装置包括能够致使所述两个板(2、3)以各自的彼此相反的倾角i₂和i₃同时倾斜的机械驱动装置。

4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，用于耦合两个板(2、3)的所述装置包括能够致使所述两个板(2、3)以各自的彼此相等的倾角i₂和i₃同时倾斜的机械驱动装置。

5.根据权利要求2至4之一所述的设备，其特征在于，包括共用于所述板(2)和板(3)的转动装置，该转动装置能够以相等的角度修改所述两个板(2)和(3)的倾角，并且所述入射光束(7、27)和所述输出光束(17、37、47)在所述两个板(2、3)之间的平面中传播，并且所述输出光束在所述两个板(2、3)之间经历奇数次反射。

6.根据权利要求1至5之一所述的设备，其特征在于，所述光学系统(19)上的所述光束(27)的直径小于由于所述板(2)在所述倾角范围(i₂ ⁰±δi₂)内的倾斜所导致的光束(27)的移动的幅度。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述两个板(2、3)是相同的，并且该设备包括能够根据所述板(2、3)的厚度(e₂＝e₃)、其光指数n₂(ω1)和n₃(ω₂)以及所述倾角(i₂)来计算和实施倾角(i₃)以在所述角度范围(i₂ ⁰±δi₂)内针对每个倾角(i₂)补偿所述输出光束(37、47)的移动的装置。

8.根据权利要求1至7之一所述的设备，其特征在于，包括被置于所述两个板之间的具有放大率的光学系统(5、6)，并且所述板(3)的倾角(i₃)、厚度(e₃)和指数(n₃)是根据所述系统(5、6)的放大率来确定的，从而在所述角度范围(i₂ ⁰±δi₂)内针对每个倾角(i₂)补偿所述输出光束(37、47)的移动。

9.一种包括非线性光学系统(19)的非线性光源，其特征在于，包括根据权利要求1至6之一的设备，该设备的板(2、3)被安排在所述非线性光学系统(19)的两侧。

10.根据权利要求9所述的非线性光源，其特征在于，所述非线性光学系统(19)包括位于所述两个板(2、3)之间的两个非线性晶体(1、16)，能够使得入射基本波的频率加倍的第一非线性晶体(1)以及能够通过使得所述基本波和其第二谐波的频率相加而生成第三谐波的第二非线性晶体(16)。

11.根据权利要求9所述的非线性光源，其特征在于，所述非线性光学系统(19)包括位于所述两个板(2、3)之间的两个非线性晶体(1、16)，第一非线性晶体(1)能够使得入射基本波的频率加倍，并且第二非线性晶体(16)能够通过使得第二谐波的频率加倍而生成第四谐波。

12.根据权利要求9所述的非线性光源，其特征在于，所述非线性光学系统(19)包括位于所述两个板(2、3)之间的三个非线性晶体(1、16)，第一非线性晶体(1)能够使得入射基本波的频率加倍，第二非线性晶体(16)能够通过混合第二谐波和所述基本波的频率而生成第三谐波，并且所述第三非线性晶体能够通过混合由所述第一和第二晶体(1、16)生成的所述第二谐波和所述第三谐波的频率来生成第五谐波。

13.根据权利要求9所述的非线性光源，其特征在于，所述非线性光学系统(19)包括位于所述两个板(2、3)之间的至少一个晶体，该至少一个晶体能够通过生成光学参量来制造相干射线。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的非线性光源，包括用于在频率转换后测量所述光束(17、37、47)的发射功率的装置，和能够当所述发射功率降低一个预定义值时致使所述板(2、3)横向转动的驱动系统。

15.根据权利要求9至14中任一项所述的非线性光源，其特征在于，用于延长非线性光学系统的使用寿命的所述设备被置于激光腔内。

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