CN107077042A - 用于激光应用的晶体安装 - Google Patents

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Abstract

光学晶体可以安装到配置为容纳晶体的安装块。安装块上的基部利用形成角部的两个壁和单个偏置弹簧夹来固定晶体。弹簧夹沿大致正交于两个壁的两个不同方向施加力。弹簧夹基于对称的几何形状，其在两个方向上施加几乎相同的力施加。弹簧还具有圆形的弯曲区域，所述弯曲区域接触晶体以减少点负载或应力梯级的存在。沿着晶体的接触长度得到最大化，从而允许适当的力分布，并且足够的表面接触以具有静态保持能力。

Description

用于激光应用的晶体安装
要求优先权
本申请要求于2014年9月19日递交的共同转让的美国非临时专利申请No.14/491,909的优先权，其全部内容以引用的方式并入于此。
技术领域
本公开的多个方面总体上涉及非线性光学系统，且更具体地，涉及非线性光学晶体的安装。
背景技术
光学系统通常需要透镜、棱镜、反射镜和其他光学部件的精确和刚性对准。适当的对准在激光系统中尤其重要，其中光学部件的未对准可能降低性能。此外，涉及晶体的倍频和其他非线性过程通常需要将晶体精确对准，以实现最佳转换效率，来满足严格的光束性能要求。
因此，稳定的对准对于腔内和腔外非线性晶体谐振器配置尤其关键，其中晶体可以驻留或不驻留在谐振器内。
当激光系统受到振动时，对准问题显著恶化。由于光学部件可以以不同速率随温度的变化而膨胀和收缩，因此温度循环也存在问题。为了最小化对准问题，通常使用专门的光学安装座来固定光学部件。
在波长转换激光系统中，激光辐射在诸如非线性光学晶体之类的一些非线性介质中经历非线性光学过程。非线性光学过程将激光辐射的一部分转换为不同波长。通常通过(1)晶轴上的精确切割，(2)晶体的精确安装，(3)控制晶体的温度来调节非线性晶体的相位匹配。晶体通常安装在专门设计的炉中，且通过调节炉的温度来调节晶体的温度。在美国专利NO.8,422,119中公开了波长转换激光系统的示例，该专利通过引用并入本文。非线性晶体的示例包括但不限于：铌酸锂(LiNbO3)、三硼酸锂(LBO)、β-硼酸钡(BBO)、硼酸铯锂(CLBO)、钽酸锂、化学计量的钽酸锂(SLT)磷酸钛氧钾(KTiOPO4，也称为KTP)、二氢砷酸铵(ADA)、磷酸二氢铵(ADP)、三氟化铯(CsB3O5或CBO)、氘化二氢砷酸铵(DADA)、氘化磷酸二氢铵(DADP)、氘化精氨酸磷酸(DLAP)、铷二氘磷酸盐(RbD2PO4或DRDP)、硼酸钾铝(KABO)、二氢砷酸钾(KDA)、磷酸二氢钾(KDP)、氘化磷酸二氢钾(KD2PO4或DKDP)、Li2B4O7(LB4)或甲酸锂一水合物(LFM)及其同构体、周期极化材料，例如周期极化的铌酸锂(PPLN)、周期极化的钽酸锂和周期极化的化学计量的钽酸锂(PPSLT)。
三硼酸锂LiB3O5或LBO是有趣且有用的非线性光学晶体的示例。LBO在许多方面是独特的，特别是其较宽的透明度范围、中等高的非线性耦合、较高的损伤阈值以及良好的化学和机械性质。LBO晶体还可通过使用I型或II型相互作用来对Nd：YAG和Nd：YLF激光器的二次谐波生成(SHG)和三次谐波生成(THG)进行相位匹配。对于室温下的SHG，可以达到I型相位匹配，并且I型相位匹配在从551nm至约3000nm的宽波长范围内在主XY和XZ平面中具有最大的有效SHG系数。LBO的透射范围从0.21μm至2.3μm。LBO对于1.0-1.3μm、I型SHG允许温度可控的非临界相位匹配(NCPM)，并且对于0.8-1.1μm的II型SHG也提供室温非临界相位匹配(NCPM)。由于LBO具有合理的角接受带宽，从而降低了对源激光器的光束质量要求，LBO还是理想的非线性光学材料。
对于脉冲型Nd：YAG激光器，使用LBO观察到大于70％的SHG转换效率，对于连续波(cw)Nd：YAG激光器，使用LBO观察到30％的转换效率。使用LBO观察到脉冲Nd：YAG激光器的THG转换效率超过60%。LBO还是优异的用于具有较宽可调谐波长范围和较高输出功率的光参量振荡器(OPO)或光参量放大器(OPA)的非线性光学(NLO)晶体。因此，对于许多应用，LBO是期望的非线性光学晶体。
然而，LBO是一种难以操作的材料。LBO是吸湿的且是昂贵的。在光学系统中，LBO晶体需要是清洁、稳定的，例如，完全静止。通常，为了临界相位匹配，必须将晶体的温度控制在0.1℃以内。非临界相位匹配具有更宽松的温度容限。此外，由于LBO的异常的各向异性热膨胀，晶体的安装是至关重要的。具体地，LBO对于其x、y和z晶轴分别具有10.8×10-5/K、-8.8×10-5/K和3.4×10-5/K的热膨胀系数。光学考虑决定晶体的切割，即相位匹配。例如，对于LBO，二次谐波生成(SHG)切割比三次谐波生成(THG)切割更容易实现。同样，SHG的安装系统比THG的更容易。
LBO的性质使其特别难以安装在炉中。在过去，激光系统已经使用胶或夹紧机构(例如，弹簧负载)来将LBO晶体固定到用于SHG或THG的炉。其他系统使用金闪光和焊料来安装LBO晶体。为了避免由于各向异性热膨胀而对晶体造成损坏，可以使用一小点胶将LBO(5mm-15mm长)晶体安装到炉中。为了减少应变，然后通常在室温附近固化胶。然而，单点胶可能不足以牢固且稳定地保持LBO晶体同时保护该晶体免于碎裂或破裂。另一个问题是，热各向异性LBO通常被胶合到热各向同性金属。LBO和金属之间的热膨胀系数(CTE)的不匹配导致热膨胀的差异，这常常破坏LBO晶体。此外，涉及诸如胶或焊料的粘合剂和/或机械夹持的方法具有显著的缺点，例如晶体碎裂和破裂或机械不稳定性。
对于基于激光器的晶体保持存在许多现有设计。在美国专利No.8,305,680中公开了用于基于激光器的系统的晶体保持装置的示例，其全部内容通过引用并入本文。然而，没有具体的设计成功地满足这种组件的所有理想要求，包括但不限于：清洁度、复杂性、组装/循环时间以及再可加工性。
关于当前设计的一个问题是清洁度，特别是在存在附着粘合剂的情况下。由于各种原因，一些设计使用胶将晶体固定在适当位置，而不是机械保持方法(参见图3A)。问题是这种粘合剂在暴露于杂散光或散射光时具有脱气或降解的可能性。这种脱气/降解污染了激光光学器件，潜在地降低了系统寿命。通常认识到，去除粘合剂降低了脱气的可能性。因此，尽管粘合剂很好地用于固定晶体，但是对于整体激光寿命不是理想的。
复杂性是定义成功的晶体外壳设计的另一类别。复杂的设计由于成本、BOM控制和封装尺寸而处于不利地位。尽管对小晶体外壳进行工程化，但是各种部件具有显著的材料成本和管理成本。通常，包含较少部件的组件成本较低。图2C示出了被认为是行业公认的晶体外壳(16个部件)的固有复杂性。最后，由于这些外壳的尺寸小，具有较多部件的设计倾向于具有许多小的部件，这对于受过训练的技术人员来说是非常难以处理的。
与晶体外壳相关的最重要的区域之一是组装/循环时间。组装时间是技术人员构建组装所需的实际时间量。循环时间是组装时间加上在将组件准备投入生产之前的任何额外时间。例如，胶合设计(如图3A所示)的一个缺点是循环时间。虽然实际组装时间小于30分钟，但是循环时间至少为18个小时，所述循环时间包括在可以使用该组件之前等待胶固化的时间。相反，复杂的组件(例如，如图2A-2C所示)需要大量的组装时间(30-60分钟)。虽然涉及额外的循环时间(如胶设计)，但所需的组装时间量是相当大的。最后，延长组装时间和循环时间具有损坏敏感光学晶体的较大风险。
成功设计面临的另一个问题是再加工的能力。胶设计的一个主要缺点是一旦组装就不能重新加工。这意味着如果需要修复，则晶体以及铝基片不能被回收。对于诸如行业公认标准的复杂设计(例如，图2A-2C)，在激光头内重新加工这种组件存在危险。很容易掉落这些小部件，从而仅为了晶体替换，需要将整个组件从激光器中移除。这是一个冗长的过程，增加了大量的时间和精力，相反如果使用理想的外壳设计则可以避免。
在本上下文中呈现本发明的实施例。
附图说明
图1是波长转换激光系统的示意图。
图2A是行业公认标准的晶体外壳的三维视图，示出了利用机械保持方法的晶体安装。
图2B是图2A的晶体安装件的视图，其中重叠部分被制成透明的。
图2C是图2A的晶体安装件的分解图。
图3A是行业公认标准的晶体外壳的三维视图，示出了利用粘合剂保持方法的晶体安装。
图3B是图3A的晶体安装件的分解图。
图4A-4B描绘了根据本公开的一个方面的晶体安装装置。
图5A描绘了根据本公开的一个方面的备选弹簧夹的俯视图。
图5B示出了在图4A-4B的晶体安装装置中使用的弹簧夹的三维视图。
图6是根据本公开的多个方面的弹性弹簧夹的侧视图。
图7是弹性弹簧夹的反向侧视图。
具体实施方式
虽然为了说明的目的，以下详细描述包含许多具体细节，但是本领域普通技术人员将理解，对以下细节的许多变化和改变在本发明的范围内。因此，下面描述的本发明的示例性实施例在不损失所要求保护的发明的一般性并且没有对其进行限制的情况下被阐述。
术语表：
如本文所用，以下术语具有以下含义：
分束器是指能够将光束分成两个或更多个部分的光学设备。
腔体或光学谐振腔是指由光可以沿其往复或循环的两个或更多个反射面限定的光路。与光路相交的对象被称为在腔内。
连续波(CW)激光器是指连续地发射辐射而不是如在脉冲型激光器中那样用短突发发射辐射的激光器。
二极管激光器是指被设计为使用受激发射(stimulated emission)来生成相干光输出的发光二极管。二极管激光器也被称为激光二极管或半导体激光器。
二极管泵浦激光器是指具有被二极管激光器泵浦的增益介质的激光器。
增益是指通过放大器从一点向另一点发送的信号的强度、功率或脉冲能量的增加。术语“不饱和增益”是指通过放大器的小信号的增加，其不会显著改变放大器中的反转能级。如本文所使用的，增益和不饱和增益将可互换使用。
增益介质是指如以下针对激光器描述的能够产生光学增益的材料。
石榴石是指特定种类的氧化物晶体，包括例如钇铝石榴石(YAG)、钆镓石榴石(GGG)、钆钪镓石榴石(GSGG)、钇钪镓石榴石(YSGG)等。
红外辐射是指由约700纳米(nm)和约100,000nm之间的真空波长表征的电磁辐射。
激光器是通过辐射的受激发射进行的光放大的简称。激光器是包含可激射材料的腔。这是任何材料-晶体、玻璃、液体、半导体、染料或气体，其原子能够通过泵浦(例如，通过光或电学放电)而被激发到业稳态。当材料返回到基态时，该材料从亚稳态发射光。由于存在通过光子而刺激光发射，这使得发射的光子与刺激光子具有相同的相位和方向。光(在本文中称为受激辐射)在腔内振荡，其中一部分从腔射出以形成输出光束。
横向方向：如本文所用，术语“侧向”或“横向”描述与使本文公开的弹簧夹的偏置张紧区域和圆形弯曲区域行进在其上的轴垂直的轴。横向方向垂直于安装光学晶体的方向和光穿过光学晶体的方向。
光：如本文所用，术语“光”一般是指从红外线到紫外线的频率范围内的电磁辐射，大致对应于从约1纳米(10-9米)到约100微米的真空波长的范围。
纵向方向：如本文所用，术语“纵向”描述使本文公开的弹簧夹的偏置张紧区域和圆形弯曲区域行进在其上的轴；纵向方向垂直于侧向/横向方向。纵向方向平行于安装光学晶体的方向和光穿过光学晶体的方向。
非线性效应是指可以通常仅用近单色、定向光束的光(例如，通过激光器产生的光)观看的一类光学现象。高次谐波生成(例如，二次、三次和四次谐波生成)、光学参量振荡、和频生成、差频生成、光学参量放大和受激拉曼效应是非线性效应的示例。
非线性光学波长转换过程是非线性的光学过程，其中通过非线性介质的具有给定真空波长λ0的输入光以产生具有与输入光不同的真空波长的输出光的方式与该介质和/或通过该介质的其他光相互作用。。由于波长和频率与光的真空速度相关，非线性波长转换等同于非线性频率转换。两术语可以互换地使用。非线性光波长转换包括：
例如二次谐波生成(SHG)、三次谐波生成(THG)、四次谐波生成(FHG)等的高次谐波生成(HHG)，其中两个或更多个输入光光子以产生频率为Nf0的输出光光子的方式相互作用，其中N是相互作用的光子数。例如，在SHG中，N＝2。
和频生成(SFG)，其中频率为f1的输入光光子以与频率为f2的另一输入光光子相互作用，使得产生频率为f1+f2的输出光光子。
差频生成(DFG)，其中频率为f1的输入光光子与频率为f2的另一输入光光子相互作用，使得产生频率为f1-f2的输出光光子。
非线性晶体的示例包括但不限于：铌酸锂(LiNbO3)、三硼酸锂(LBO)、β-硼酸钡(BBO)、硼酸铯锂(CLBO)、钽酸锂、化学计量的钽酸锂(SLT)磷酸钛氧钾(KTiOPO4，也称为KTP)、二氢砷酸铵(ADA)、磷酸二氢铵(ADP)、三氟化铯(CsB3O5或CBO)、氘化二氢砷酸铵(DADA)、氘化磷酸二氢铵(DADP)、氘化精氨酸磷酸(DLAP)、铷二氘磷酸盐(RbD2PO4或DRDP)、硼酸铝钾(KABO)、二氢砷酸钾(KDA)、磷酸二氢钾(KDP)、氘代磷酸二氢钾(KD2PO4或DKDP)、Li2B4O7(LB4)或甲酸锂一水合物(LFM)及其同构体、周期极化材料，例如周期极化的铌酸锂(PPLN)、周期极化的钽酸锂和周期极化的化学计量的钽酸锂(PPSLT)等。还可以通过在光纤中制造微结构来诱导光纤对光辐射的非线性响应。
光学放大器是指放大输入光信号的功率的装置。光学放大器类似于激光器，因为它使用由泵浦辐射驱动的增益介质。放大器通常缺乏反馈(即，腔)，使得其具有增益但不振荡。如本文所用，光功率放大器通常是指在将放大的光束传输到目标或波长转换器之前的最后一个光学放大器。在本文中，在辐射源和功率放大器之间的放大器级通常被称为前置放大器。
相位匹配是指在多波非线性光学过程中使用的技术，以增强能够在波之间进行能量的相干传递的距离。例如，当k1+k2＝k3时三波过程相位匹配，其中ki是参与过程中的第i个波的波矢量。在倍频时，例如，该过程在基波和二次谐波相位速度相匹配时是最高效的。典型地，通过对非线性材料中光学波长、偏振状态和传播方向的仔细选择，实现相位匹配条件。
脉冲能量是指脉冲中的能量的量。可以通过在脉冲周期上对瞬时脉冲功率进行积分来计算脉冲能量。
脉冲周期(T)是指具有两个或更多个脉冲的脉冲序列中的连续脉冲的等效点之间的时间。
脉冲重复频率(PRF)是指每单位时间的脉冲的重复率。PRF与周期T逆相关，例如，PRF＝I/T。
Q是指谐振器(腔)的品质因数，定义为(2π)×(存储在谐振器中的平均能量)/(每个循环消耗的能量)。光谐振器表面的反射率越高且吸收损失越低，则Q越高且来自期望模式的能量损失越少。
Q开关是指用于快速改变光谐振器的Q的设备。
Q开关激光器是如下激光器：指在激光腔中使用Q开关以防止激光作用，直到在激光介质中实现高水平反转(光学增益和能量存储)为止。当开关例如使用声光或电光调制器或可饱和吸收器快速增大腔的Q时，产生巨脉冲。
准CW是指以足够高的重复率生成一连串脉冲，以看起来连续。
准相位匹配(QPM)材料：在准相位匹配材料中，通过周期性地改变材料的非线性系数的符号对基波和高次谐波辐射进行相位匹配。符号变化的周期(kQPM)的周期将附加项添加到相位匹配方程，使得kQPM+k1+k2＝k3。在QPM材料中，基波和高次谐波可以具有相同的偏振，通常提高效率。准相位匹配材料的示例包括周期极化钽酸锂(PPLT)、周期极化铌酸锂(PPLN)、周期极化化学计量钽酸锂(PPSLT)、周期极化磷酸氧钛钾(PPKTP)或周期极化微结构玻璃纤维。
紫外(UV)辐射是指具备以下特征的电磁辐射：真空波长比可见区域的波长短，但比软X射线的波长长。紫外辐射可以再划分为以下波长范围：近UV，从约380nm至约200nm；远UV或真空UV(FUV或VUV)，从约200nm至约10nm；以及极UV(EUV或XUV)，从约1nm至约31nm。
真空波长：电磁辐射的波长通常是传播波的介质的函数。真空波长是如果给定频率的电磁辐射通过真空传播则该辐射将具有的波长，且表示为真空中的光速除以频率。
束腰：如高斯光学一样，光束的束腰w是指光束在其最小点处的半径；即，在焦点处。光束的半径被定义为光束的中心与强度降到中心值的1/e2的点之间的距离。当光束不是圆形时，通常说两个束腰或束腰半径wx和wy，通过将光束拟合成椭圆高斯并沿着长轴和短轴提取1/e2距离来获得所述束腰或束腰半径。沿着特定方向(例如，沿着x轴)的光束的直径或宽度是束腰的值的两倍：直径＝2w。
在本文中，如在专利文献中常见的那样，术语“一”和“一个”用于包括一个或多于一个。在本文中，除非另有指示，否则术语“或”用于表示非排他性的“或”，使得“A或B”包括“A但不是B”、“B但不是A”以及“A和B”。因此，以下详细描述不应被视为限制意义，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
介绍
为了说明本公开的各方面的上下文，图1描绘了波长转换激光系统10的示例。具体地，系统10通常包括种子源12、一个或更多个光学放大器14、16和波长转换器100。种子源12产生种子辐射11，其由光学放大器14、16放大以产生放大输出，该放大输出用作波长转换器的输入辐射101。波长转换器100对该放大输出的至少一部分进行波长转换，以产生波长转换输出111。输入101的一部分101’还可以从波长转换器100出射。
光学放大器可以包括一个或更多个放大器单元14、16。例如，可选的前置放大器14可以串联地光耦合在种子源12和功率放大器16之间。前置放大器14可以放大种子辐射12，从而产生中间信号15，该中间信号15由功率放大器16放大以产生形成输入光束101的放大输出。放大器14、16光耦合到输出光纤18。输入光束101从光纤18的端面射出。
作为示例，放大器14、16中的一个或更多个可以是包括耦合到泵浦源13、17的光学光纤的光纤放大器。光学光纤通常可以包括包层和掺杂纤芯。光纤的纤芯的直径可以是例如约6微米。光纤可以是偏振保持光纤或单偏振光纤。放大器16之一的一部分可以形成输出光纤18。要放大的输入辐射(例如，种子辐射11或中间辐射15)耦合到该纤芯。来自泵浦源13、17(例如，二极管激光器)的泵浦辐射也通常耦合到该纤芯，但是可以可替代地耦合到包层。光纤纤芯中的掺杂剂原子，例如诸如镱(Yb)、铒(Er)、钕(Nd)、钬(Ho)、钐(Sm)和铥(Tm)等稀土元素或它们中的两种或更多种的组合，吸收来自泵浦辐射的能量。所吸收的能量放大在光纤纤芯中的输入辐射的能量。输入辐射激发从掺杂剂原子发射辐射。受激辐射具有与输入辐射相同的频率和相位。结果是放大输出具有与输入辐射相同的频率和相位但具有更大的光强度。
控制器20可以可操作地耦合到种子源12和/或泵浦源13、17。控制器20可以执行适用于控制种子辐射11的功率或由泵浦源13、17提供的泵浦辐射的硬件或软件逻辑。通过控制来自种子源的种子辐射11和/或来自泵浦源13和17的泵浦辐射的功率，控制器20控制提供给波长转换器100的输入光束101的光功率。
波长转换器100可以包括第一非线性光学晶体102和第二非线性光学晶体104、中继透镜110、112和透镜114。具体地，第一非线性晶体102可以是SHG晶体，其根据晶体和输入辐射101之间的非线性相互作用产生SHG输出103。透镜114可以放置在距SHG晶体102的距离d处。透镜114可以被配置为将圆形输入光束101成像到SHG晶体102内的椭圆束腰，以至少部分地补偿由于SHG晶体的折射率的各向异性而导致的走离。球形透镜116A、116B可以被配置为将SHG输出103与输入辐射101的未转换部分一起耦合到THG晶体104。THG晶体通过SHG输出103和未转换的输入辐射之间的和频相互作用来产生三次谐波辐射。三次谐波辐射从THG晶体出射作为波长转换输出111。一些剩余输入辐射101’也可以从THG晶体104出射。THG晶体可以包括将波长转换输出111与剩余输入辐射101’分离的布鲁斯特切割端面106。通过适当地调整透镜114的焦距和位置，有可能产生具有期望截面形状的波长转换输出111的光束。
根据本公开的多个方面，第一和第二非线性光学晶体102、104中的一个或两个经由本发明的弹簧夹晶体安装件105来固定。每个晶体102、104可以固定在单独的晶体安装件中，或者两个晶体可以固定在相同的安装件中。此外，尽管所示的系统使用两个非线性光学晶体，但本领域技术人员将理解，本公开的各方面可适于使用单个非线性光学晶体或三个或更多个非线性光学晶体。示例性而非限制性地，一个或更多个非线性光学晶体102、104可以是临界相位匹配的三硼酸锂(LBO)晶体。备选晶体包括铌酸锂(LiNBO3)和β硼酸钡(BBO)等。在这样的温度临界系统中，温度的实质波动或梯度是不可接受的。为了实现临界相位匹配，期望将晶体保持在最佳的温度。为了优化LBO中的非线性光学转换效率，例如，期望的温度范围在5-45℃之间，所需的精度为+/-0.1℃。可以通过将每个晶体封装在温度受控的外壳107(例如，炉(或单独的炉))中，来获得温度控制。可以使用单独的外壳来允许对单独晶体的独立温度控制。热外壳可以由例如铝的金属板制成，并且可以包括加热元件、冷却元件(例如，Peltier冷却元件)和温度传感器(例如，热电偶)。这些部件可以在反馈回路中耦合到控制器20。
根据本公开的各方面，晶体安装件105具有在图4A至图7中详细示出的并且如下所述的弹簧夹设计。所公开的设计不仅将晶体保持在用于定位目的的角部中，而且还利用弹簧夹301和晶体205之间的面接触，以提供用于将热传导到晶体或从晶体传导热的路径。为了理解图4至图7所示的晶体安装件的弹簧夹设计的优点，了解以前设计的缺点是有用的。
图2A是行业公认标准的晶体外壳的三维视图，示出了利用机械保持方法的晶体安装。
图2B-2C分别是将重叠部分制成透明的图2A的晶体安装件的视图以及图2A的晶体安装件的分解图。由于使用16个不同的部分来构建晶体外壳，并且晶体外壳可以在任何地方花费30-60分钟来组装，这些图涉及行业公认标准的一般复杂性。
图3A是行业公认标准的晶体外壳的三维视图，示出了利用粘合剂保持方法的晶体安装。图3B是图3A的晶体安装件的分解图。这些图用于说明描述粘合剂保持方法的现有技术需要高达18小时的“循环时间”(组装时间加上在将组件准备投入生产之前的任何额外的时间)。虽然图3A-3B中的装置比图2A-2C中所示的机械保持方法需要更少的组装时间，例如，与针对机械保持方法的30-60分钟相比，针对粘合剂保持装置少于约30分钟，粘合剂保持方法需要高达18小时的循环时间，所述循环时间包括在可以使用组件之前等待胶固化的时间。另外，如本文所述，延长的组装时间和循环时间(例如在当前行业公认标准的生产中使用的那些)具有损坏敏感光学晶体的较大风险。
弹簧夹晶体安装件
图4A-4B描绘了根据本公开的一个方面的晶体安装装置200。该装置通常包括：沿纵向方向延伸的基件202，其具有相对于彼此成一角度以形成角部201的第一纵向延伸壁204和第二纵向延伸壁206；以及单个弹性偏置弹簧夹301，用于将光学晶体205固定到基件。根据本公开的一些方面，晶体205可以被认为是由基件202和弹簧夹301的组合保持的工件。根据本公开的其他方面，可以将由基件202和弹簧夹301保持晶体205的组合认为是较大装置(例如，图1的系统100的子组件)。
在所示示例中，纵向延伸的晶体205包括沿纵向方向延伸的四个面。四个面中的第一面垂直于四个面中的第二面。四个面中的第三面垂直于四个面中的第四面。第一面平行于第三面，第二面平行于第四面。作为示例而非限制，晶体205可以是横截面尺寸为2.5mm×2.5mm和纵向尺寸为15mm的硼酸锂(LBO)的单晶。如上所述，可以使用其他晶体材料和几何形状。
主体202包括对角面，该对角面具有在第二壁206和狭槽208之间的第一部分203以及在成角度的唇状体210的顶点和第一壁204之间的第二部分207。在图4A-4B所示的示例中，对角面相对于第一壁204和第二壁206成45°的角度。主体202可以由适当的耐用材料制成，其中所述适当的耐用材料在升高的温度下可与晶体205的操作相兼容。适当材料的示例包括6061 T6铝。备选物包括铜、不锈钢、碳化硅、钛、钼、钨、钽、因瓦合金、科瓦合金、陶瓷、氮化铝、其他导热适度刚性材料、金刚石。主体202的材料可以是电镀的(例如，w/Ni、Au、Cu)或未电镀的。
图5A-5B示出了弹簧夹301的其他细节。弹簧夹301由弹性材料制成，其中所述弹性材料在升高的温度下可与晶体的操作相兼容。适当材料的示例包括不锈钢，例如300系列不锈钢，例如304不锈钢。备选材料包括但不限于诸如铍-铜(BeCu)的其他金属、足够弹性的聚合物，例如聚丙烯、ULTEM、Delrin、聚碳酸酯、ABS。其他材料包括玻璃纤维、碳纤维、复合材料、石墨烯等。弹簧夹在纵向方向上的总长度为L。在一个非限制性示例中，弹簧夹由厚度为0.010英寸(0.254mm)的304不锈钢板制成。在该示例中，总长度L为10mm。长度L可以小于晶体的总长度。在一些应用中，可能期望总长度L等于或大于晶体205的长度。此外，在一些实施方式中，弹簧夹301可以包括开口321，当夹具将晶体固定到主体202时，开口321允许观察晶体205的各部分。这种开口对于观察晶体205的座置和居中特别有用。在其他实施方式中，较厚的材料可以用于增加沿弹簧夹301的热传导性。
弹簧夹301包括圆形第一弯曲区域312，其中所述第一弯曲区域312被张紧抵靠在晶体的第一面以按压晶体的第三面与基件202的角部201的第一壁204相接触。弹簧夹的圆形第二弯曲区域314被张紧抵靠在晶体的第二面，以按压晶体的第四面与角部201的第二壁206相接触。第一和第二弯曲区域通过曲率与第一和第二弯曲区域的曲率相反的偏置区域320而接合。在图4A-4C描绘的示例中，第一弯曲区域312施加水平力Fh，该水平力Fh将晶体205推靠在垂直的第一壁204上，而第二弯曲区域施加垂直力Fv，该垂直力Fv将晶体205推靠在水平的第二壁206上。通过弯曲区域312、314施加在晶体205上的净力Fnet对角地指向基件202的角部201。
为了张紧第一和第二弯曲区域，弹簧夹301可以包括从第一弯曲区域312延伸并且终止于第一钩状部311的第一叶状部分310以及从第二弯曲区域314延伸并且终止于第二钩状部316的第二叶状部分315。第一叶状部分310和钩状部311形成“L”形，其配合到基部内的槽中。第二叶状部分315和钩状部316形成“J”形，其配合在基部202的成角度的唇状体210上方。
为了将晶体205固定到主体部分202，将晶体纵向放置在基件的第一壁和第二壁之间的角部处，其中晶体的角部位于两个面之间。第一钩状部311插入槽208中，并且第二钩状部316钩在成角度的唇状体212上方。弹簧夹中的张力将第一和第二弯曲区域312、314压向晶体205的第一面和第二面，从而将晶体推向角部201。第一叶状体310压靠主体202的第一对角面203，第二叶状体315压靠第二对角面部分207。为了移除弹簧夹301，例如通过用平头螺丝刀或类似工具撬动第二钩状部316松开，第二钩状部316从成角度的唇状体212脱开。虽然仅示出了单个弹簧，但本领域技术人员将认识到，装置200可以修改为包括两个或更多个弹簧夹以固定较长的晶体。类似地，可以用一个或更多个弹簧夹将两个或更多个晶体固定到同一主体。作为示例而非限制，可以使用本文所述类型的一个或更多个主体和弹簧夹组件来联合地固定多个晶体。这种布置可以用于例如在高达约300℃的温度下的非临界相位匹配。
为了优化弹簧夹的操作，理解其某些尺寸的重要性是有用的。图6描绘了弹性弹簧夹210的侧视图。图6中所示的关键尺寸包括第一弯曲区域312的曲率半径R1、第二弯曲区域314的曲率半径R2和偏置区域320的曲率半径R3。由于每个弯曲区域(尽管主要是第一弯曲区域312和第二弯曲区域314)施加的弯曲力而导致弹簧夹中的张力。弹簧夹中的张力通常随着相应曲率半径的增大而减小。其他重要尺寸包括第一叶状部分310的长度L1和第二叶状部分的长度L2。长度L1、L2还严重影响由弹簧施加在晶体205上的力。通常，较长的长度L1、L2倾向于减小晶体上的力。这是悬臂梁“弹簧等价物”的函数(即，梁上的垂直方向上的固定位移Y将随着梁长度增加而产生较小的力，反之亦然)。对于这种特定设计，长度L1、L2、半径R1、R2和角度θ1对产生在晶体上的力具有最大的控制。弹簧夹的材料的厚度也是确定产生在晶体上的力的主要因素。此外，第一钩状部311的长度L3可以设计成使得该钩状部适当地配合在槽208中，并且第二钩状部316的长度L4可以设计成使得该钩状部适当地配合在成角度的唇状体210上方。如图7所示，其他临界尺寸分别包括第一弯曲区域312、第二弯曲区域314和偏置区域320的弯曲角度θ1、θ1和θ3。可以选择这些角度，使得第一和第二叶状部分310、315相对于彼此处于微小的角度。
除了上述关键的功能要求之外，所公开的设计在组装时间和循环时间方面显著改进。与行业标准(图2A-2C，30分钟组装时间，0循环时间)和胶合版本(图3A-3B，30分钟组装时间，20小时循环时间)相比，所公开的设计需要小于1分钟的组装时间。总组装/循环时间相对于其他设计＜5％！
此外，所公开的设计还是可重复加工的，花费不到1分钟来去除弹簧夹。在再加工操作期间没有可丢失的小部件，且没有产生颗粒的螺钉(摩擦)部件。
最后，所公开的设计仅使用2个部分，并且它们比胶合设计(图3A-3B)便宜。弹簧夹被设计用于批量生产，从而进一步降低成本。
在上述实现方式上存在多种可能的变化。例如，尽管本文描述的示例假设具有正方形截面的晶体，但是本公开的各方面包括不是这种情况的实施方式。可以针对不同的晶体截面(例如，非正方形的矩形截面)修改主体202和弹簧夹301的设计。例如，弯曲区域312、314将具有不同的曲率半径，以便获得施加在晶体上的用于将晶体推向角部201的净力。在测试弹簧夹301的设计期间，可以将测力计放置在晶体的侧面上，以确定由夹具施加在晶体上的力。还可以调整弹簧权利要求的弯曲区域中的弯曲，增加弯曲区域和晶体之间的接触面积。
尽管所示的示例描绘了使用在两个不同的晶面上施加力的单个夹具以将晶体推入容器的角部中，但是本公开的各方面不限于这样的实施方式。在替代实施方式中，所描述的单个夹具的功能可以通过两个单独的夹具来实现，其中每个夹具推动晶体的不同表面以产生将晶体推动到角部中的净力。
此外，尽管上述示例示出了用于固定截面为正方形或矩形的晶体的装置，但是本公开的各方面不限于这样的实施方式。在备选实施方式中，圆柱形晶体可以安装在容器的角部或V形槽中并旋转到正确的偏振。在圆柱形晶体的情况下，单个弯曲片簧可以将晶体固定到v形槽或角部。在其他备选实施方式中，多面晶体可以具有与结晶轴正交的一些暴露面，且适当构造的弹簧夹可以在两个或更多个这样的面上施加力，以产生将晶体推靠到角部或v形槽的力。
虽然以上是本发明的优选实施例的完整描述，但是可以使用各种替代、修改和等同物。因此，本发明的范围应当参考所附权利要求及其等同物的全部范围来确定。任何特征(无论是否优选)可以与任何其他特征(无论是否优选)组合。所附权利要求不应被解释为包括装置加功能限制，除非在给定权利要求中使用短语“用于......的装置”来明确地叙述这种限制。权利要求中未明确陈述用于执行指定功能的“装置”的任何元件不应被解释为如35USC§112(f)中所规定的“装置”或“步骤”条款。特别地，在本文的权利要求中“步骤”的使用不旨在援引35USC§112(f)的规定。

Claims (26)

1.一种装置，包括：
a)主体，包括：
容器，用于容纳晶体，所述容器沿纵向方向延伸，所述容器包括沿所述纵向方向延伸的第一壁和沿所述纵向方向延伸的第二壁，所述第一壁和所述第二壁基本上彼此垂直，以形成沿所述纵向方向延伸的角部区域；
b)一个或多个弹簧夹，能够固定到所述主体，所述一个或多个弹簧夹被配置为在晶体的两个不同面上施加力以将所述晶体推入所述容器的角部。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个弹簧夹包括两个或更多个弹簧夹。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个弹簧夹包括单个弹簧夹。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述单个弹簧夹包括：
沿所述纵向方向延伸的圆形的第一弯曲区域；
沿所述纵向方向延伸的圆形的第二弯曲区域；
将所述第一弯曲区域连接至所述第二弯曲区域的偏置区域。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述单个弹簧夹被配置为通过沿正交方向在晶体上施加几乎相等的力以将晶体推向所述角部区域，来将晶体固定到所述主体。
6.根据权利要求2所述的装置，还包括布置在所述容器中的纵向延伸的晶体。
7.根据权利要求6所述的装置，
其中，所述纵向延伸的晶体包括四个面，所述四个面中的每一个沿所述纵向方向延伸，所述四个面中的第一面垂直于所述四个面中的第二面，所述四个面中的第三面垂直于所述四个面中的第四面，所述第一面平行于所述第三面，且所述第二面平行于所述第四面；
将所述弹簧夹的圆形的第一弯曲区域张紧抵靠在所述晶体的第一面，以按压所述晶体的与所述第一壁相接触的第三面；
将所述弹簧夹的圆形的第二弯曲区域张紧抵靠在所述晶体的第二面，以按压所述晶体的与所述第二壁相接触的第四面。
8.根据权利要求7所述的装置，其中
沿与所述第一壁基本正交的方向将所述圆形的第一弯曲区域张紧抵靠在所述晶体的第一面；以及
其中沿与所述第二壁基本正交的方向将所述圆形的第二弯曲区域张紧抵靠在所述晶体的第二面。
9.根据权利要求7所述的装置，
所述纵向延伸的晶体在与所述纵向方向横切的横向平面中具有矩形截面。
10.根据权利要求3所述的装置，其中，所述单个弹簧夹还包括：
第一叶状区域，与所述圆形的第一弯曲区域相连，所述第一叶状区域远离所述圆形的第一弯曲区域横向地延伸；
第二叶状区域，与所述圆形的第二弯曲区域相连，所述第二叶状区域远离所述圆形的第二弯曲区域横向地延伸。
11.根据权利要求10所述的装置，
其中，所述第一叶状区域终止于第一钩状部，其中所述第一钩状部被配置为容纳在所述主体内的槽中。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述第二叶状区域终止于第二钩状部，其中所述第二钩状部被配置为固定在所述主体的唇状部上方。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述容器布置在所述唇状部和所述槽之间。
14.一种波长转换激光系统，包括：
激光器系统，被配置为发射激光束；
一组一个或多个非线性光学晶体；
光学器件，被配置为将所述激光束耦合到所述一组一个或多个非线性光学晶体中的至少一个非线性光学晶体；以及
用于保持光学晶体的装置，所述装置包括：
a)主体，具有用于容纳晶体的容器，所述容器沿纵向方向延伸，所述容器包括沿所述纵向方向延伸的第一壁和沿所述纵向方向延伸的第二壁，所述第一壁和所述第二壁基本上彼此垂直，以形成沿所述纵向方向延伸的角部区域；以及
b)一个或多个弹簧夹，能够固定到所述主体，所述一个或多个弹簧夹被配置为在晶体的两个不同面上施加力以将所述晶体推入所述容器的角部。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述一个或多个弹簧夹包括两个或更多个弹簧夹。
16.根据权利要求14所述的系统，其中，所述一个或多个弹簧夹包括固定到所述主体的单个弹簧夹。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述单个弹簧夹具有沿所述纵向方向延伸的圆形的第一弯曲区域；沿所述纵向方向延伸的圆形的第二弯曲区域；以及将所述第一弯曲区域连接至所述第二弯曲区域的偏置区域，其中所述弹簧夹被固定到所述主体，且所述弹簧夹将所述非线性光学晶体固定在所述容器中。
18.根据权利要求14所述的系统，其中，所述激光器系统包括种子源和被光学耦合到所述种子源的光纤放大器。
19.根据权利要求16所述的系统，其中，所述单个弹簧夹被配置为通过沿正交方向在晶体上施加几乎相等的力以将所述晶体推向所述角部区域，来将晶体固定到所述主体。
20.根据权利要求16所述的系统，其中，所述纵向延伸的晶体包括四个面，所述四个面中的每一个沿所述纵向方向延伸，所述四个面中的第一面垂直于所述四个面中的第二面，所述四个面中的第三面垂直于所述四个面中的第四面，所述第一面平行于所述第三面，且所述第二面平行于所述第四面；
其中将所述弹簧夹的第一弯曲区域张紧抵靠在所述晶体的第一面，以按压所述晶体的与所述第一壁相接触的第三面；
其中将所述弹簧夹的第二弯曲区域张紧抵靠在所述晶体的第二面，以按压所述晶体的与所述第二壁相接触的第四面。
21.根据权利要求20所述的系统，
其中沿与所述第一壁基本正交的方向将所述圆形的第一弯曲区域张紧抵靠在所述晶体的第一面；
其中将与所述第二壁基本正交的方向将所述圆形的第二弯曲区域张紧抵靠在所述晶体的第二面。
22.根据权利要求20所述的系统，
所述纵向延伸的晶体在与所述纵向方向横切的横向平面中具有矩形截面。
23.根据权利要求16所述的系统，其中，所述单个弹簧夹还包括：
第一叶状区域，与所述圆形的第一弯曲区域相连，所述第一叶状区域远离所述圆形的第一弯曲区域横向地延伸；
第二叶状区域，与所述圆形的第二弯曲区域相连，所述第二叶状区域远离所述圆形的第二弯曲区域横向地延伸。
24.根据权利要求23所述的系统，
其中，所述第一叶状区域终止于第一钩状部，其中所述第一钩状部被配置为容纳在所述主体内的槽中。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，所述第二叶状区域终止于第二钩状部，其中所述第二钩状部被配置为固定在所述主体的唇状部上方。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述容器布置在所述唇状部和所述槽之间。
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