CN106654842B - 激光器及其倍频模组 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光器及其倍频模组。倍频模组包括二倍频晶体、分色镜、第一全反射镜、三倍频晶体、第二全反射镜及滤光组件。第一全反射镜位于第一位置时，基频激光可直接输出。第一全反射镜位于第二位置时，基频激光进入二倍频晶体实现倍频，得到二倍频激光。此时，若第二全反射镜位于第三位置，二倍频激光则会经分色镜分离，从而实现二倍频激光的输出。进一步的，将第二全反射镜移动至第四位置，第一混合光束则进入三倍频晶体中。而从第二输出端输出的第二混合光束经滤光组件过滤后，便可得到三倍频激光的输出。因此。在上述激光器及其倍频模组中，通过调整第一全反射镜及第二全反射镜的位置，即可进行三种不同频率的激光输出之间的切换。

Description

激光器及其倍频模组
技术领域
本发明涉及激光的技术领域，特别涉及一种激光器及其倍频模组。
背景技术
激光作为近代科学技术中的重大发明之一，广泛应用于冷加工领域。特别是在非金属以及精密加工中，激光的应用价值尤其突出。现有激光技术基本是通过808nm或880nm半导体泵浦激光晶体或利用线偏振发生器产生1064nm的激光束。
而随着全球对精细加工的需求日益增加，使得532nm绿光激光及355nm紫外激光的应用领域不断扩大。因此，需要对产生的基频1064nm激光束进行变频，以得到两倍频的532nm绿光激光及三倍频的355nm紫外激光。目前，市面上的绿光激光器多采用固体倍频的方案。即在激光器的腔内或者腔外设置倍频晶体，使激光束通过倍频晶体来实现激光由1064nm到532nm、355nm的转换。
然而，目前的激光器只能分别输出经过变频后的532nm、355nm激光束或者基频的1064nm激光。但有些场景则需要1064nm、532nm、355nm三种频率的激光同时使用。这样，就需要准备三个激光器分别输出不同频率的激光束才能满足需求，这将会使得成本升高，也使得操作不方便。
发明内容
基于此，有必要针对现有激光器只能输出一种频率激光的问题，提供一种能输出三种不同频率激光的激光器及其倍频模组。
一种倍频模组，包括：
二倍频晶体，包括第一入射端及第一出射端，基频激光可经所述第一入射端进入所述二倍频晶体，并从所述第一出射端输出频率加倍的二倍频激光与所述基频激光的第一混合光束；
分色镜，所述第一混合光束出射至所述分色镜表面时，所述基频激光发生透射且所述二倍频激光发生反射；
活动设置的第一全反射镜，可设置于第一位置及第二位置，所述第一全反射镜位于所述第一位置时，所述基频激光直接输出，所述第一全反射镜位于所述第二位置时，所述基频激光进入所述二倍频晶体；
三倍频晶体，包括第二入射端及第二出射端，所述第一混合光束可经所述第二入射端进入所述三倍频晶体，并从所述第二出射端输出频率加三倍的三倍频激光与所述二倍频激光、所述基频激光的第二混合光束；
活动设置的第二全反射镜，可设置于第三位置及第四位置，所述第二全反射镜位于第三位置时，所述第一混合光束出射至所述分色镜的表面，所述第二全反射镜位于所述第四位置时，所述第一混合光束进入所述二倍频晶体；及
滤光组件，与所述第二出射端耦合，接收所述第二混合光束并出射所述三倍频激光。
在其中一个实施例中，还包括光束整形组件，所述光束整形组件与所述第一入射端相对设置并耦合，所述基频激光经所述光束整形组件输出后，进入所述二倍频晶体。
在其中一个实施例中，所述光束整形组件包括相对且平行设置的凸透镜及凹透镜，且所述凸透镜与所述凹透镜的相对位置可调。
在其中一个实施例中，所述第一全反射镜位于所述第一位置时，遮挡所述第一入射端，以使所述基频激光发生反射，所述第一全反射镜位于所述第二位置时，避位所述第一入射端。
在其中一个实施例中，还包括第一输出反射镜及第二反射输出镜，所述第一全反射镜位于所述第一位置时，与所述第一输出反射镜相对设置，所述基频激光经所述第一全反射镜反射至所述第一输出反射镜；
所述第二输出反射镜与所述第一出射端相对设置并相对于所述二倍频晶体的轴线倾斜，所述分色镜与所述第二输出反射镜相对设置，所述第一混合光束经所述第二输出反射镜反射至所述分色镜；
其中，所述第一全反射镜位于所述第一位置时，所述第一全反射镜、所述第一输出反射镜、所述分色镜平行及所述第二输出反射镜相互平行。
在其中一个实施例中，所述第一全反射镜、所述分色镜、所述第一输出反射镜及所述第二输出反射镜均与所述二倍频晶体的轴线呈45度夹角。
在其中一个实施例中，所述第二全反射镜位于所述第四位置时，设置于所述分色镜与所述第二输出反射镜之间，所述第一混合光束经所述第二全反射镜反射进入所述三倍频晶体中。
在其中一个实施例中，所述第二出射端的表面为相对于所述三倍频晶体的轴线倾斜的斜面，且所述滤光组件为小孔光阑。
在其中一个实施例中，所述三倍频晶体相对于所述二倍频晶体的轴线倾斜预设角度，以使所述滤光组件输出的三倍频激光相对于所述二倍频晶体的轴线平行。
一种激光器，包括：
壳体；
安装于所述壳体内的激光发生装置，用于产生基频激光；及
如上述优选实施例中任一项所述的倍频模组，所述倍频模组安装于所述壳体内并与所述激光发生装置相耦合，以使所述基频激光进入所述倍频模组。
上述激光器及其倍频模组，当第一全反射镜位于第一位置时，基频激光无法进入二倍频晶体，故基频激光可直接输出。移动第一全反射镜至第二位置时，基频激光进入二倍频晶体实现倍频，得到二倍频激光。且第二全反射镜位于第三位置时，二倍频激光从第一混合光束中经分色镜分离，从而实现二倍频激光的输出。进一步的，将第二全反射镜移动至第四位置，第一混合光束则进入三倍频晶体中。而从第二出射端输出的第二混合光束经滤光组件过滤后，便可得到三倍频激光的输出。因此。在上述激光器及其倍频模组中，通过调整第一全反射镜及第二全反射镜的位置，即可进行三种不同频率的激光输出之间的切换。
附图说明
图1为本发明较佳实施例中的激光器输出基频激光时，倍频模块的结构示意图；
图2为本发明较佳实施例中的激光器输出二倍频激光时，倍频模块的结构示意图；
图3为本发明较佳实施例中的激光器输出三倍频激光时，倍频模块的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1、图2及图3，本发明较佳实施例中的激光器包括壳体(图未示)、激光发生装置(图未示)及倍频模组100。
壳体具有内部空腔结构，用于收容激光发生装置及倍频模组100。壳体还设有激光输出通道，用于所需频率的激光输出。
激光发生装置安装于壳体内，用于产生基频激光。具体在本实施例中，基频激光为1064nm激光。其中，激光发生装置可以为固体激光发生器、光纤激光发生器或者其他类型的线偏振激光发生器中的任意一种。倍频模组100安装于壳体内并与激光发生装置相耦合，以使激光发生装置产生的基频激光进入倍频模组100。其中，倍频模组100包括二倍频晶体110、分色镜120、第一全反射镜130、三倍频晶体140、第二全反射镜150及滤光组件160。倍频模组100的各部分可直接安装于壳体上，也可安装于支架(图未示)上，再通过支架安装于壳体。
二倍频晶体110包括第一入射端及第一出射端。其中，第一入射端与第一出射端分别位于二倍频晶体110轴线的两端。二倍频晶体110可以为KTP、KDP、LBO及BBO等倍频晶体。原入射的基频激光沿二倍频晶体110的轴线入射。基频激光可经第一入射端进入二倍频晶体110，并在二倍频晶体110内频率加倍，便可得到倍频激光。具体在本实施例中，倍频激光为532nm绿光激光。但是，由于二倍频晶体110无法对基频激光实现百分百的转化。因此，从第一出射端输出的是频率加倍的二倍频激光与基频激光的第一混合光束。
分色镜120具有对基频激光起到增透作用，而使二倍频激光发生全反射的特性。从第一出射端出射的第一混合光束可出射至分色镜120的表面。其中，分色镜120可直接与二倍频晶体110的第一出射端相对设置，也可通过其他反射镜片与二倍频晶体110实现光耦合。第一混合光束出射至分色镜120时，其中基频激光的部分透射至分色镜120的背面，而二倍频激光部分则发生反射。因此，第一混合光束中的基频激光与二倍频激光实现分离，进而得到纯净的二倍频激光。进一步的，二倍频激光被反射进入壳体内的激光输出通道内，便可使激光器实现二倍频激光的输出。
第一全反射镜130具有使基频激光发生全反射的特性。第一全反射镜130活动设置，第一全反射镜130可设置于第一位置及第二位置。具体在本实施例中，第一全反射镜130通过滑动和/或转动，以实现在第一位置与第二位置之间进行切换。进一步的，第一全反射镜130通过电机驱动。需要调整第一全反射镜130的位置时，则电机启动，以驱使第一全反射镜130在壳体内转动或滑动。
第一全反射镜130位于第一位置时，基频激光直接输出。具体在本实施例中，第一全反射镜130位于第一位置时，遮挡第一入射端，以使基频激光发生反射。因此，原入射的基频激光不能进入二倍频晶体110。基频激光在第一全反射镜130的反射下进入壳体的激光输出通道内，便实现基频激光的输出。而第一全反射镜130位于第二位置时，基频激光进入二倍频晶体110。具体在本实施例中，第一全反射镜130位于第二位置时，避位第一入射端，以使原入射的基频激光可进入二倍频晶体110内。
因此，第一全反射镜130相当于一个开关，通过其可控制基频激光是否进入二倍频晶体110中，或者直接输出。
三倍频晶体140包括第二入射端及第二出射端。其中，第二入射端与第二出射端分别位于三倍频晶体140轴线的两端。三倍频晶体140可以为LBO或BBO等倍频晶体。第一混合光束可经第二入射端进入三倍频晶体140。其中，第一混合光束中的基频激光与二倍频激光进行和频，便可产生三倍频激光。具体在本实施例中，三倍频激光为355nm紫外激光。而且，由于三倍频晶体140也不能对基频激光及二倍频激光实现百分之百的转化。因此，从第二出射端输出频率加三倍的三倍频激光与二倍频激光、基频激光的第二混合光束。
第二全反射镜150具有使基频激光及二倍频激光反生全反射的特性，故第一混合光束可在第二全反射镜150表面发生全发射。第二全反射镜150活动设置，可设置于第三位置及第四位置。而且，第二全反射镜150的安装方式可与第一全反射镜130相同。
第二全反射镜150位于第三位置时，第一混合光束出射至分色镜120的表面。具体的，位于第三位置第二全反射镜150不对第一混合光束的光路形成遮挡，故可使第一混合光束顺利传输至分色镜120的表面。此时，激光器的输出为二倍频激光。第二全反射镜150位于第四位置时，第一混合光束进入三倍频晶体140。因此，第二全反射镜150相当于一个开关，通过其可控制第一混合光束是进入三倍频晶体140，还是出射至分光镜120。
滤光组件160与第二出射端耦合，接收第二混合光束并出射三倍频激光。第一混合光束经第二全反射镜150反射进入三倍频晶体140后，从第二出射端输出第二混合光束。由于第二混合光束中包含有三种频率的激光，无法满足工业需求。因此，需要滤光组件160将基频激光及二倍频激光滤除，才可得到纯净的三倍频激光。经过滤光组件160过滤得到的纯净的三倍频激光进入激光输出通道内，便可使激光器实现三倍频激光输出。
在本实施例中，第二出射端的表面为相对于三倍频晶体140的轴线倾斜的斜面，且滤光组件160为小孔光阑。
具体的，第二出射端采用抛光布鲁斯特角方式进行加工。经过三倍频晶体140呈斜面的第二出射端后，由于基频激光、二倍频激光及三倍频激光的折射率不同，故使得第二混合光束中的基频激光、二倍频激光及三倍频激光分离成单独的三束激光。进一步的，再经过小孔光阑挡光过滤，得到纯净的三倍频激光。
传统激光器中一般采用镀膜的分光器(如分色镜)实现不同频率的激光分离。但是，一方面由于三倍频激光(如355nm)光子能量很强，分光器的镀膜难以满足需求，从而使得分光器寿命普遍较短，影响后期分光的效果。另一方面，分光器的增透膜还会造成能量损失。本实施例中仅通过特定形状的第二出射端与小孔光阑配合实现分光，并未采用分光器件分离得到最终的三倍频激光。首先保证输出的三倍频激光的能量不损失。同时，由于无需镀膜，从而提高了可靠性与稳定性。
倍频模组100共包括三个光路，分别为第一光路、第二光路及第三光路。激光光束沿不同光路传输，最终得到不同频率的激光输出。其中，第一光路包括第一全反射镜130；第二光路依次包括二倍频晶体110、分色镜120；第三光路依次包括二倍频晶体110、第二全反射镜150、三倍频晶体140及滤光组件160。
如图1所示，第一全反射镜130位于第一位置时，不论第二全反射镜150位于什么位置，激光光束沿第一光路传输，激光器输出基频激光。
如图2所示，第一全反射镜130位于第二位置且第二全反射镜150位于第三位置时，激光光束沿第二光路传输，激光器输出二倍频频激光；
如图3所示，第一全反射镜130位于第二位置且第二全反射镜150位于第四位置时，激光光束沿第三光路传输，激光器输出三倍频频激光。
因此，只需将第一全反射镜130及第二全反射镜150调整至对应位置，便可使上述激光器的输出在基频激光、二倍频激光及三倍频激光之间进行切换，从而实现三种不同频率的激光输出。
在本实施例中，倍频模组100还包括光束整形组件170。光束整形组件170与第一入射端相对设置并耦合，基频激光经光束整形组件170输出后，进入二倍频晶体110。
具体的，激光发生装置产生的基频激光先进入光束整形组件170中，通过光束整形组件170对基频激光的光斑进行调整后再向二倍频晶体110传输，从而提升二倍频晶体110对基频激光的转化效率。第一光路、第二光路及第三光路均包含光束整形组件170。
进一步的，在本实施例中，光束整形组件170包括相对且平行设置的凸透镜171及凹透镜173，且凸透镜171与凹透镜173的相对位置可调。
通过对基频激光的光束进行缩束、扩束或者聚焦，可实现对光斑形状的调整。而根据激光发生装置类型的不同，会造成基频激光的入射光斑存在差异。因此，需要不同的整形方案以适应不同类型的激光发生装置。具体的，凸透镜171与凹透镜173可分别对光束起到汇聚及发散的作用。而通过调节两者之间的相对位置，便可针对不同的入射光斑进行调整，从而将不同类型的入射光斑均整形成所需的形状。
在本实施例中，倍频模组100还包括第一输出反射镜180及第二反射输出镜190。第一全反射镜130位于第一位置时，与第一输出反射镜180相对设置。基频激光经第一全反射镜130反射后，传输至第一输出反射镜180。
第一输出反射镜180及第二反射输出镜190分别作为第一光路及第二光路的元件。
第二输出反射镜190与第一出射端相对设置并相对于二倍频晶体110的轴线倾斜，分色镜120与第二输出反射镜190相对设置，第一混合光束经第二输出反射镜190反射后，传输至分色镜120。
第一输出反射镜180及第二输出反射镜190分别可使基频激光及二倍频激光在其表面发生全反射。因此，第一输出反射镜180及第二输出反射镜190用于改变激光器基频激光及二倍频激光的输出方向。
从第一全反射镜130及分色镜120反射出的基频激光及二倍频激光将分别作为激光器的两种不同频率的激光输出。其中，第一全反射镜120位于第一位置时，第一全反射镜130、第一输出反射镜180、分色镜120平行及第二输出反射镜190相互平行。
因此，可使两种不同频率的激光输出的光束平行。进一步的，上述两种不同频率的平行光束便可共用激光输出通道，从而可使壳体结构紧凑并有利于缩小激光器的体积。
进一步的，在本实施例中，第一全反射镜130、分色镜120、第一输出反射镜180及第二输出反射镜180均与二倍频晶体110的轴线呈45度夹角。
因此，输出的基频激光以及二倍频激光都会经过两次45度的反射，从而使得激光器最终输出的光束与原入射的基频激光的光束平行(即二倍频晶体的轴线平行)。因此，壳体的结构可设计得更加紧凑，以更一步缩小激光器的体积。
在本实施例中，第二全反射镜150位于第四位置时，设置于分色镜120与第二输出反射镜190之间，第一混合光束经第二全反射镜150反射进入三倍频晶体140中。
进一步的，在本实施例中，三倍频晶体140相对于二倍频晶体110的轴线倾斜预设角度，以使滤光组件160输出的三倍频激光相对于三倍频晶体140的轴线平行。
由于基频激光与二倍频激光的输出相对于原入射的基频激光的光束平行(即二倍频晶体的轴线平行)。因此，通过调整三倍频晶体140的倾斜角度便可使三种不同频率的激光输出的光束相互平行，进而可共用激光输出通道。
上述激光器及其倍频模组100，当第一全反射镜130位于第一位置时，基频激光无法进入二倍频晶体，故基频激光可直接输出。移动第一全反射镜130至第二位置时，基频激光进入二倍频晶体110实现倍频，得到二倍频激光。且第二全反射镜150位于第三位置时，二倍频激光从第一混合光束中经分色镜120分离，从而实现二倍频激光的输出。进一步的，将第二全反射镜150移动至第四位置，第一混合光束则进入三倍频晶体140中。而从第二出射端输出的第二混合光束经滤光组件160过滤后，便可得到三倍频激光的输出。因此，在上述激光器及其倍频模组100中，通过调整第一全反射镜130及第二全反射镜150的位置即可进行三种不同频率的激光输出之间的切换。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种倍频模组，其特征在于，包括：
二倍频晶体，包括第一入射端及第一出射端，基频激光可经所述第一入射端进入所述二倍频晶体，并从所述第一出射端输出频率加倍的二倍频激光与所述基频激光的第一混合光束；
分色镜，所述第一混合光束出射至所述分色镜表面时，所述基频激光发生透射且所述二倍频激光发生反射；
活动设置的第一全反射镜，可设置于第一位置及第二位置，所述第一全反射镜位于所述第一位置时，所述基频激光直接输出，所述第一全反射镜位于所述第二位置时，所述基频激光进入所述二倍频晶体；
三倍频晶体，包括第二入射端及第二出射端，所述第一混合光束可经所述第二入射端进入所述三倍频晶体，并从所述第二出射端输出频率加三倍的三倍频激光与所述二倍频激光、所述基频激光的第二混合光束；
活动设置的第二全反射镜，可设置于第三位置及第四位置，所述第二全反射镜位于第三位置时，所述第一混合光束出射至所述分色镜的表面，所述第二全反射镜位于所述第四位置时，所述第一混合光束进入所述三倍频晶体；及
滤光组件，与所述第二出射端耦合，接收所述第二混合光束并出射所述三倍频激光。
2.根据权利要求1所述的倍频模组，其特征在于，还包括光束整形组件，所述光束整形组件与所述第一入射端相对设置并耦合，所述基频激光经所述光束整形组件输出后，进入所述二倍频晶体。
3.根据权利要求2所述的倍频模组，其特征在于，所述光束整形组件包括相对且平行设置的凸透镜及凹透镜，且所述凸透镜与所述凹透镜的相对位置可调。
4.根据权利要求1所述的倍频模组，其特征在于，所述第一全反射镜位于所述第一位置时，遮挡所述第一入射端，以使所述基频激光发生反射，所述第一全反射镜位于所述第二位置时，避位所述第一入射端。
5.根据权利要求4所述的倍频模组，其特征在于，还包括第一输出反射镜及第二输出反射镜，所述第一全反射镜位于所述第一位置时，与所述第一输出反射镜相对设置，所述基频激光经所述第一全反射镜反射至所述第一输出反射镜；
所述第二输出反射镜与所述第一出射端相对设置并相对于所述二倍频晶体的轴线倾斜，所述分色镜与所述第二输出反射镜相对设置，所述第一混合光束经所述第二输出反射镜反射至所述分色镜；
其中，所述第一全反射镜位于所述第一位置时，所述第一全反射镜、所述第一输出反射镜、所述分色镜平行及所述第二输出反射镜相互平行。
6.根据权利要求5所述的倍频模组，其特征在于，所述第一全反射镜、所述分色镜、所述第一输出反射镜及所述第二输出反射镜均与所述二倍频晶体的轴线呈45度夹角。
7.根据权利要求5所述的倍频模组，其特征在于，所述第二全反射镜位于所述第四位置时，设置于所述分色镜与所述第二输出反射镜之间，所述第一混合光束经所述第二全反射镜反射进入所述三倍频晶体中。
8.根据权利要求1至7任一项所述的倍频模组，其特征在于，所述第二出射端的表面为相对于所述三倍频晶体的轴线倾斜的斜面，且所述滤光组件为小孔光阑。
9.根据权利要求8所述的倍频模组，其特征在于，所述三倍频晶体相对于所述二倍频晶体的轴线倾斜预设角度，以使所述滤光组件输出的三倍频激光相对于所述二倍频晶体的轴线平行。
10.一种激光器，其特征在于，包括：
壳体；
安装于所述壳体内的激光发生装置，用于产生基频激光；及
如上述权利要求1至9任一项所述的倍频模组，所述倍频模组安装于所述壳体内并与所述激光发生装置相耦合，以使所述基频激光进入所述倍频模组。
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