CN103872567A - 腔外激光频率变换系统及变换方法 - Google Patents
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Abstract
腔外激光频率变换系统及变换方法，涉及快速获得高效率腔外激光频率变换系统及方法，属于激光与物质相互作用领域。解决了现有腔外激光频率变换方法中存在的倍频效率差，腔外激光频率变换系统的自动化程度低的问题，本发明所述非线性晶体放置在晶体架上，短脉冲激光器发射的激光经光阑调整传输方向后的光束入射至非线性晶体，经非线性晶体进行频率变换后的混合光入射至滤波片，经滤波片滤波后的目标光束发射至偏振片或衰减片，经偏振片或衰减片后射出的光束入射至光电探测器的感光面上，光电探测器的光强电信号输出端连接计算机的光强电信号输入端，计算机的串口通过数据线连接步进电机的位移信号输入端。本发明适用于进行腔外激光频率变换。
Description
技术领域
本发明涉及快速获得高效率腔外激光频率变换系统及方法，属于激光与物质相互作用领域。
背景技术
激光的出现给生物医学、军事、材料加工等领域注入了新的活力。不同的领域往往需要用不同波长的激光作为光源，对某一固定波长激光，通过非线性光学的光参量过程，而得到波长连续可调的光参量激光技术成为了一种获得新的波长激光的重要手段。根据非线性晶体放置的位置——激光谐振腔内或腔外，频率变换方式分为谐振腔内频率变换和腔外频率变换两种。与腔内频率变换相比，腔外频率变换具有结构简单，容易搭建等优点。但是由于非线性晶体的阈值很高，要获得高的变换效率，基波的功率密度要足够高，所以基波多采用调Q激光脉冲或锁模激光脉冲。在稳定工作的非线性晶体中，同时存在倍频、和频与差频等多种非线性效应，故更换不同滤波装置就可获得不同波长的激光输出。现有的腔外激光频率变换系统，多采用手动操作的机械装置来调节非线性晶体的位置，以实现相位匹配条件，这种方法需进行大量的机械调节，其不仅费时费力，而且极易造成晶体位置不准确，降低频率变换效率。公开号为CN101436753的专利虽然改机械调节为光学调节，仍需手动旋转波片，公开号为CN101436753的专利虽引入了步进电机系统，但其只采用了硬件来改变非线性晶体的位置，未做到软硬件结合，这两种方式均存在自动化程度低的问题。
发明内容
本发明为了解决现有腔外激光频率变换方法中存在的倍频效率差，腔外激光频率变换系统的自动化程度低的问题，提出了一种腔外激光频率变换系统及变换方法。
本发明所述腔外激光频率变换系统，该系统包括短脉冲激光器、光阑、非线性晶体、滤波片、偏振片或衰减片、光电探测器、步进电机、晶体架和计算机；
非线性晶体放置在晶体架上，所述晶体架的底面中心固定在步进电机的输出轴上，短脉冲激光器发射的激光经光阑调整传输方向后的光束入射至非线性晶体，经非线性晶体进行频率变换后的混合光入射至滤波片，经滤波片滤波后的目标光束发射至偏振片或衰减片，经偏振片或衰减片后射出的光束入射至光电探测器的感光面上，光电探测器的光强电信号输出端连接计算机的光强电信号输入端，计算机的串口通过数据线连接步进电机的位移信号输入端。
腔外激光频率变换方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、短脉冲激光器输出的线偏振光脉冲经光阑调整传输方向后的光束，入射到非线性晶体，在非线性晶体中发生频率变换效应，再经滤波片滤除杂质光获得目标光束，目标光束经衰减片或偏振片减小光束的光强后，入射至光电探测器的光敏面上；
步骤二、光电探测器将照射在感光面上的光强信号转化为光强电流信号，并将光强电流信号传输至计算机；
步骤三、计算机接收光电探测器发送的光强电流信号，并根据光强电流信号的电流大小调整步进电机运动，每调整一个步长，光电探测器将接收到的光强信号转化为光强电流信号，并将光强电流信号传递给计算机，直至转化获得光强电流信号达到最大；
此时基频光与高次谐波在晶体中满足相位匹配条件，输出效率最大实现腔外激光频率变换。
本发明所述腔外激光频率变换系统及方法，采用计算机对步进电机进行控制，同时采用光电探测器采集光信号，并将光信号转化为电信号发送给计算机，计算机根据接收到的信号光强调节步进电机的位置，进而调节非线性晶体的位置，使经非线性晶体后的混合光束的效率最大，有效地提高了腔外激光频率变换方法的倍频效率和腔外激光频率变换系统的自动化程度，且同比腔外激光频率变换方法的倍频效率提高了10%～20%，腔外激光频率变换系统的自动化程度提高了50%。
附图说明
图1为本发明所述的腔外激光频率变换系统的原理框图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述腔外激光频率变换系统，该系统包括短脉冲激光器1、光阑2、非线性晶体3、滤波片4、偏振片或衰减片5、光电探测器6、步进电机8、晶体架7和计算机9；
非线性晶体3放置在晶体架7上，所述晶体架7的底面中心固定在步进电机8的输出轴上，短脉冲激光器1发射的激光经光阑2调整传输方向后的光束入射至非线性晶体3，经非线性晶体3进行频率变换后的混合光入射至滤波片4，经滤波片4滤波后的目标光束发射至偏振片或衰减片5，经偏振片或衰减片5后射出的光束入射至光电探测器6的感光面上，光电探测器6的光强电信号输出端连接计算机9的光强电信号输入端，计算机9的串口通过数据线连接步进电机8的位移信号输入端。
具体实施方式二、参见图1说明本实施方式，本实施方式是采用具体实施方式一所述的腔外激光频率变换系统的变换方法，该方法的具体步骤为：
步骤一、短脉冲激光器1输出的线偏振光脉冲经光阑2调整传输方向后的光束，入射到非线性晶体3，在非线性晶体3中发生频率变换效应，再经滤波片4滤除杂质光获得目标光束，目标光束经衰减片或偏振片5减小光束的光强后，入射至光电探测器6的光敏面上；
步骤二、光电探测器6将照射在感光面上的光强信号转化为光强电流信号，并将光强电流信号传输至计算机9；
步骤三、计算机9接收光电探测器6发送的光强电流信号，并根据光强电流信号的电流大小调整步进电机8运动，每调整一个步长，光电探测器6将接收到的光强信号转化为光强电流信号，并将光强电流信号传递给计算机，直至转化获得光强电流信号达到最大；
此时基频光与高次谐波在晶体中满足相位匹配条件，输出效率最大实现腔外激光频率变换。
具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式二所述的腔外激光频率系统的变换方法的进一步说明，步骤三所述的计算机9接收光电探测器6发射的光强信号，并根据光电流信号电流的大小调整步进电机8运动，直至光电流信号的电流值达到最大的具体方法为：
步骤A1、计算机9读取光电探测器6的输出信号，并以步长a控制步进电机8向x轴正方向移动，步进电机8每移动一个步长a光电探测器6向计算机9发送一次光强电流信号；以步进电机8为中心建立坐标系，竖直方向为y轴方向，水平方向为x轴方向，光线传播方向为z轴方向，所述a大于0；
步骤A2、判断步进电机第i次向x轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Ixi和步进电机第i-1次向x轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Ix(i-1)的差的绝对值是否小于光电探测器6的电流跳变阈值Ijum，如果是，则步进电机停止该方向的移动，执行步骤A5；否则,执行步骤A3；i≥1，且i为整数，电流跳变阈值Ijum大于0；
步骤A3、判断步进电机9第i次向x轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Ixi减去步进电机第i-1向x轴方向次移动后计算机接收到的光强电流信号Ix(i-1)的值是否大于光电探测器6的电流跳变阈值Ijum，是则返回执行步骤A1，否则执行步骤A4；
步骤A4、计算机9向步进电机8发送向-x方向移动控制信号，步进电机向-x方向移动一个步长a；此时，令i=i+1，返回执行步骤A2；
步骤A5、记录此时光强电流信号Ixi，以光强电流信号Ixi为初始值，以步长a控制步进电机8向y轴正方向移动，并且步进电机8每移动一个步长a光电探测器6向计算机9发送一次光强电流信号；
步骤A6、判断步进电机第p次向y轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Iyp和步进电机第p-1次向y轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Iy(p-1)的差的绝对值是否小于光电探测器6的电流跳变阈值Ijum，如果是，则步进电机停止该方向的移动，执行步骤A9；否则,执行步骤A7；p≥1，且p为整数；
步骤A7、判断步进电机9第p次向y轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Iyp减去步进电机第p-1次向y轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Iy(p-1)的值是否大于光电探测器6的电流跳变阈值Ijum，是则返回执行步骤A6，否则执行步骤A8；
步骤A8、计算机9向步进电机8发送向-y方向移动控制信号，步进电机向-y方向移动一个步长a；此时，p=p+1执行步骤A6；
步骤A9、记录此时光强电流信号Iyp，以光强电流信号Iyp为初始值，以步长a控制步进电机8向z轴正方向移动，并且步进电机8每移动一个步长a光电探测器6向计算机9发送一次光强电流信号；
步骤A10、判断步进电机第q次向z轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Izq和步进电机第q-1次向z轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Iz(q-1)的差的绝对值是否小于光电探测器6的电流跳变阈值Ijum，如果是，则步进电机停止该方向的移动，实现光强电流信号达到最大；否则,执行步骤A11；q≥1，且q为整数；
步骤A11、判断步进电机9第q次向z轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Izq减去步进电机第q-1次向z轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Iz(q-1)的值是否大于光电探测器6的电流跳变阈值Ijum，是则返回执行步骤A6，否则执行步骤A8；
步骤A12、计算机9向步进电机8发送向-z方向移动控制信号，步进电机向-z方向移动移动一个步长a；此时，q=q+1执行步骤A10；所述z轴正方向为轴向，即光束传播的方向。
按照图1调整光路并连接元器件，短脉冲激光器输出的线偏振光脉冲，在经光阑控制光束传输方向后入射到非线性晶体中发生非线性效应，然后杂质光与目标光的混合光通过滤波片，滤波片的型号由选用的激光器的输出波长决定；杂质光得到滤除，目标光通过衰减片或偏振片，防止因倍频光能量过大而使探测器出现饱和，光电探测器将入射到其光敏面上的光信号转化为电信号，光电探测器通过USB电缆与计算机连接。计算机实时读取探测器信号值，并向步进电机发出相应移动的指令。
首先粗调电机系统，使得肉眼观察到的光信号最强。设置步进电机的移动步长越小，获得的调制精度越高。先控制步进电机在x方向上的移动，即水平移动，步进电机每移动一步长，计算机就读取一次探测器的读数,并将第i次探测器获得光强电流信号Ixi和第i-1次探测器获得光强电流信号Ix(i-1)作比较，若两次的光强电流信号之差的模很小，相对于探测器因工作条件不稳定在同一时刻出现的电流的跳变阈值Ijum可以忽略，该阈值根据光强信号、所处环境的光信号的干扰等因素确定，且Ijum大于0。此时认为晶体在此方向上已达到最佳位置；如若不然，继续做出判断，若读数之差大于Ijum，控制步进电机使晶体x方向移动，若读数之差小于-Ijum，控制步进电机使晶体向-x方向移动，直至晶体在这个方向上达到最佳位置。然后在y方向上调整晶体的位置，使这个方向的电流最大；最后在z方向上找到电流最大的位置，此时就找出晶体的最佳位置，在这个位置基频光与倍频光在晶体中满足相位匹配条件，输出效率最大。
在后续实用时可拆除计算机、步进电机系统与光电探测器之间的连接导线，并撤去偏振片与衰减片，此时频率变换系统就可工作在输出最大效率目标光的状态。
Claims (3)
1.腔外激光频率变换系统，其特征在于，该系统包括短脉冲激光器（1）、光阑（2）、非线性晶体（3）、滤波片（4）、偏振片或衰减片（5）、光电探测器（6）、步进电机（8）、晶体架（7）和计算机（9）；
非线性晶体（3）放置在晶体架（7）上，所述晶体架（7）的底面中心固定在步进电机（8）的输出轴上，短脉冲激光器（1）发射的激光经光阑（2）调整传输方向后的光束入射至非线性晶体（3），经非线性晶体（3）进行频率变换后的混合光入射至滤波片（4），经滤波片（4）滤波后的目标光束发射至偏振片或衰减片（5），经偏振片或衰减片（5）后射出的光束入射至光电探测器（6）的感光面上，光电探测器（6）的光强电信号输出端连接计算机（9）的光强电信号输入端，计算机（9）的串口通过数据线连接步进电机（8）的位移信号输入端。
2.腔外激光频率变换方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：
步骤一、短脉冲激光器（1）输出的线偏振光脉冲经光阑（2）调整传输方向后的光束，入射到非线性晶体（3），在非线性晶体（3）中发生频率变换效应，再经滤波片（4）滤除杂质光获得目标光束，目标光束经衰减片或偏振片（5）减小光束的光强后，入射至光电探测器（6）的光敏面上；
步骤二、光电探测器（6）将照射在感光面上的光强信号转化为光强电流信号，并将光强电流信号传输至计算机（9）；
步骤三、计算机（9）接收光电探测器（6）发送的光强电流信号，并根据光强电流信号的电流大小调整步进电机（8）运动，每调整一个步长，光电探测器（6）将接收到的光强信号转化为光强电流信号，并将光强电流信号传递给计算机，直至转化获得光强电流信号达到最大；
此时基频光与高次谐波在晶体中满足相位匹配条件，输出效率最大实现腔外激光频率变换。
3.根据权利要求2所述的腔外激光频率变换方法，其特征在于，步骤三所述的计算机（9）接收光电探测器（6）发射的光强信号，并根据光电流信号电流的大小调整步进电机（8）运动，直至光电流信号的电流值达到最大的具体方法为：
步骤A1、计算机（9）读取光电探测器（6）的输出信号，并以步长a控制步进电机（8）向x轴正方向移动，步进电机（8）每移动一个步长a光电探测器（6）向计算机（9）发送一次光强电流信号；以步进电机（8）为中心建立坐标系，竖直方向为y轴方向，水平方向为x轴方向，光线传播方向为z轴方向，所述a大于0；
步骤A2、判断步进电机第i次向x轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Ixi和步进电机第i-1次向x轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Ix(i-1)的差的绝对值是否小于光电探测器（6）的电流跳变阈值Ijum，如果是，则步进电机停止该方向的移动，执行步骤A5；否则,执行步骤A3；i≥1，且i为整数，电流跳变阈值Ijum大于0；
步骤A3、判断步进电机（9）第i次向x轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Ixi减去步进电机第i-1向x轴方向次移动后计算机接收到的光强电流信号Ix(i-1)的值是否大于光电探测器（6）的电流跳变阈值Ijum，是则返回执行步骤A1，否则执行步骤A4；
步骤A4、计算机（9）向步进电机（8）发送向-x方向移动控制信号，步进电机向-x方向移动一个步长a；此时，令i=i+1，返回执行步骤A2；
步骤A5、记录此时光强电流信号Ixi，以光强电流信号Ixi为初始值，以步长a控制步进电机（8）向y轴正方向移动，并且步进电机（8）每移动一个步长a光电探测器（6）向计算机（9）发送一次光强电流信号；
步骤A6、判断步进电机第p次向y轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Iyp和步进电机第p-1次向y轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Iy(p-1)的差的绝对值是否小于光电探测器（6）的电流跳变阈值Ijum，如果是，则步进电机停止该方向的移动，执行步骤A9；否则,执行步骤A7；p≥1，且p为整数；
步骤A7、判断步进电机（9）第p次向y轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Iyp减去步进电机第p-1次向y轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Iy(p-1)的值是否大于光电探测器（6）的电流跳变阈值Ijum，是则返回执行步骤A6，否则执行步骤A8；
步骤A8、计算机（9）向步进电机（8）发送向-y方向移动控制信号，步进电机向-y方向移动一个步长a；此时，p=p+1执行步骤A6；
步骤A9、记录此时光强电流信号Iyp，以光强电流信号Iyp为初始值，以步长a控制步进电机（8）向z轴正方向移动，并且步进电机（8）每移动一个步长a光电探测器（6）向计算机（9）发送一次光强电流信号；
步骤A10、判断步进电机第q次向z轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Izq和步进电机第q-1次向z轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Iz(q-1)的差的绝对值是否小于光电探测器（6）的电流跳变阈值Ijum，如果是，则步进电机停止该方向的移动，实现光强电流信号达到最大；否则,执行步骤A11；q≥1，且q为整数；
步骤A11、判断步进电机（9）第q次向z轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Izq减去步进电机第q-1次向z轴方向移动后计算机接收到的光强电流信号Iz(q-1)的值是否大于光电探测器（6）的电流跳变阈值Ijum，是则返回执行步骤A6，否则执行步骤A8；
步骤A12、计算机（9）向步进电机（8）发送向-z方向移动控制信号，步进电机向-z方向移动移动一个步长a；此时，q=q+1执行步骤A10；所述z轴正方向为轴向，即光束传播的方向。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |