CN109196737A - 用于三次谐波生成的高效激光系统 - Google Patents

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Abstract

频率转换激光系统被配置有：单模(SM)激光源，其输出基频的脉冲泵浦光束；以及非线性光学系统，其操作以将基频依次转换为二次谐波(SH)然后转换为三次谐波(TH)。非线性光学系统包括细长的SHG晶体，SM脉冲泵浦光束穿过所述细长的SHG晶体，所述SHG晶体生成SH光束。SHG晶体的输出表面相对于SHG晶体的纵轴以第一楔角倾斜，所述第一楔角不同于直角。非线性光学系统还具有细长的THG晶体，其输入表面被泵浦光束的其余部分和SHG光束照射，所述泵浦光束的其余部分和SHG光束以其间的走离角传播通过THG晶体以生成三次谐波(TH)光束，THG晶体的输入表面以第二楔角向THG晶体的纵轴倾斜。相应SHG和THG晶体的输出和输入表面是倾斜的，以便最小化THG晶体中SH和IR指向矢量之间的走离角，从而改善转换效率和TH输出光束的椭圆率。

Description

用于三次谐波生成的高效激光系统
技术领域
本公开涉及一种用于在针对和频混频(SFM)非线性过程而设计的非线性晶体中获得增强的频率转换效率的系统。
背景技术
目前，在例如LED划线、芯片切割、通孔钻孔、塑料标记等的各种工业应用中对大功率紫外(UV)激光器的需求不断增加。与更常见的IR激光器相比，UV激光器具有某些材料对UV光的线性和非线性吸收较高的优点，且它们实现较小尺寸的可能性。
通常，生成UV光需要使用两种非线性光学晶体，例如三硼酸锂或硼酸锂(LBO)。最初，泵浦光束的基频-红外(IR)激光光束-在传播通过第一非线性晶体时生成其二次谐波(SH)。二次谐波生成(SHG)非线性过程包括组合IR输入辐射的两个光子以产生频率为输入红外辐射的频率的两倍的可见光输出辐射的光子。在发生于第二非线性晶体中的三次谐波生成(THG)中，非线性过程包括将SH输出的光子与IR输入的光子组合以输出频率是泵浦光束的频率的三倍的UV辐射。
包括LBO的非线性晶体通常以各向异性折射率为特征，这意味着折射率取决于辐射在双折射晶体中的偏振方向。在双折射晶体中，强度分布偏离由波矢量k定义的方向，该波矢量k总是垂直于波前WF，如图1所示。这种被称为空间走离、双折射走离或坡印亭矢量S走离的现象定义了能量传输的方向，并且与坡印亭矢量S和波矢量k之间的某个有限走离角ρ相关联。空间走离仅针对相对于光轴以某个角度θ传播的具有非寻常偏振的光束发生，以使得折射率ne和相速度变得依赖于该角度。具有普通偏振的光束(其中，折射率no不依赖于传播角度)不会经历走离。
图2示出了用于生成UV光的典型方案。在所示方案中使用I型非临界匹配的LBO 12作为用于SHG的非线性介质。LBO 12输出正交偏振的泵浦光束16和SH光束18。第二LBO 14是被切割以在相互作用的频率下用于SFM以生成三次谐波(TH)输出光束22的II型临界相位匹配(CPM)LBO。对于II型相位匹配，处于相应的基频及其二次谐波的输入泵浦(IR)光束16和SH光束18的偏振应该彼此垂直，即o+e→o或o+e→e，这正是LBO 12提供的效果。因此，所示的方案是方便的，这是因为除了光束的聚焦之外，在非线性晶体之间不需要光束操纵。
在图2的THG方案中，光束16、18共线且同轴，并沿着在垂直于LBO晶体14的输入面20的方向上的光路传播。在II型相位匹配LBO晶体14的和频非线性过程期间，各泵浦波和信号波的波矢量k1和k2以及泵浦波的坡印亭矢量S1都彼此平行/共线。然而，SH的坡印亭矢量S2偏离波矢量k2并且因此以走离角ρ偏离指向矢量S1。这意味着在晶体14内光束16、18之间的能量传递仅沿着被称为交互长度L的相对短的长度发生。因此，当这些光束传播通过晶体14时，它们之间的分离降低了THG转换效率，在脉冲激光器的情况下，THG转换效率是所生成的TH中的峰值功率。基于前述描述，转换效率受到相对较小的交互长度L的限制。
当使用紧密聚焦(小直径)的高强度光束时，走离现象对转换效率特别不利。然而后者是必要的，这是因为频率转换过程的效率是光强度的函数，特别是在输出不超过几百千瓦的相对低峰值功率系统中。响应于此，已经设计了许多方法来补偿在单模(SM)激光系统中采用的高谐波转换过程中的走离效应。
许多方法中的一种通过使晶体的长度相对较短以使在离开晶体时矢量之间的分离最小化来解决走离的问题。然而，减小晶体长度会导致转换效率降低，转换效率对于任何THG过程都是至关重要的。
使走离效应最小化的另一种方法包括扩大光束的直径，以使位移效应最小化。然而，由于光功率密度降低，转换效率随着晶体中聚焦光束的光斑尺寸的增大(强度降低)而降低。然而，对于峰值输出功率达到数百MW的大功率激光源，这种方法可以很好地工作，这是因为光功率密度的下降小到足以很难被注意到。相反，当采用具有高达数百kW的输出峰值功率的低功率激光源时，即使相对不显著的功率密度下降也会显著地降低转换效率。
另一种方法包括在THG过程中使用两个非线性晶体，其中由适当取向的第二晶体产生的走离通过第一晶体中的走离来抵消。虽然这种方法在降低走离效应方面有些成功，但是此构思的某些方面存在问题。例如，通常很难实现对走离效应的完全补偿。此外，增加了如此设计的激光器的成本和复杂性。
又一种方法是基于当光束以法线入射角进入非线性晶体的输入面时发生的折射效应。在这种情况下，入射光束的波矢量k在传播通过晶体的输入面时根据斯涅尔定律而折射。斯涅尔定律建立了入射角和折射角与输入面两侧的材料的折射率之间的关系。在THG过程的上下文中，与相应的寻常(o)偏振态和非寻常(e)偏振态相关联的两个波矢量(k1和k2)以不同角度折射。总之，在本发明公开的系统中使用的被称为波矢量双折射的这种效应的程度取决于第二晶体的输入面相对于晶体的光轴的取向和相应的泵浦光束和SH入射光束的入射角，其可以被选择以提供走离补偿。
在US 5,136,597(’US 597)中在SHG过程，更具体地在谐振腔方法中的SHG的上下文中公开了波矢量双折射效应。重申半个世纪前已知好的内容，该参考文献公开了设置泵浦光束的入射角，使得在KTP晶体中补偿走离角以提供最佳转换效率。该参考文献没有预见到更复杂的要求，这些要求是SFM的一般情况的特征，其中必须考虑许多其他考虑因素。例如，甚至没有提到整个THG系统的紧凑性、其多级结构和都适用于THG系统的其他考虑因素。
在其他考虑因素中，光束形状和像散特性对于高次谐波生成方案与转换效率一样重要。这是因为大多数激光工业应用受益于圆形光束。这些应用中的光束沿X-Y轴的强度应尽可能彼此接近。当然，圆形横截面非常适合此目的。
US 7,292,387(US′387)解决了THG过程中的椭圆率问题，并教导了一种基于波矢量双折射的方案。该参考文献公开了通过调节泵浦光束和SH光束相对于第二晶体的光轴的入射角来补偿走离角。所公开的THG方案包括两个LBO晶体-用于SHG过程的非临界相位匹配的LBO 95和用于输出TH的II型临界相位匹配的LBO 100。
在US′387中公开并在图3中示出的方案包括许多增加整体结构复杂性的光学元件。所示的光学元件的位置使得晶体95和100具有彼此不平行并且实际上在它们之间限定钝角的相应平面。该方案的最大缺点是必须很复杂并因此难以对准。这种结构需要特定轮廓的支撑表面和额外的空间，这会引起结构的复杂性和成本。
再考虑THG方案中的光束畸变问题，如果椭圆SH和泵浦光束的其余部分耦合到THG晶体100中，则该THG方案可能会更复杂化。通常，透镜92用于将光束耦合到THG晶体100中。三个光束在THG晶体中传播：泵浦光束、SH光束和TH输出光束。对于THG晶体中要满足的相位匹配条件，换句话说，为了使频率转换过程高效，THG晶体中的三个光束中的一个或两个必须是非寻常光束。如图所示，第二THG晶体处于o-e-o配置：泵浦光束和TH光束具有寻常偏振，而SH光束具有非寻常偏振。结果，SH光束相对于泵浦光束和TH光束以第二走离角ρ’传播，并且此走离以及SH光束的椭圆率一般导致输出TH光束非圆形。
因此，需要一种以高频率转换效率工作的THG激光系统。
还需要一种THG激光系统，其被配置成使输出UV光束的固有像散和椭圆率最小化。
还需要一种简单的低成本简单配置和稳健的THG激光系统。
还需要一种成本高效的THG激光系统，该系统配置有少于已知系统组件的组件，所有这些组件都基本上共面。
发明内容
根据本公开配置的非线性光学系统满足上述需求。本发明的激光系统可以成功地用于平均功率和峰值功率相对较低的镱(Yb)泵浦源，该泵浦源输出频率约300kHz在1μ波长范围内的红外(IR)光脉冲。在本公开的上下文中，低功率泵浦Yb源是在1-2ns脉冲中输出30W的平均功率的源，其中脉冲能量在50-60微焦耳(μJ)范围内。TH的生成的特征在于在50-55％的范围内改变的转换效率，其中UV光的平均功率和峰值功率大致等于IR功率的一半。Yb泵浦源的高平均功率被认为是在50-60W范围内，而脉冲能量可以高达180μJ。在这类激光器中生成TH时的转换效率在65-70％的范围内。据申请人所知，对于所公开的输出高斯光束或基本高斯光束的激光源，从未获得上述公开的效率范围中的任何一个。
根据第一方面，所公开的系统配置有至少一个第一上游非线性晶体，其响应于基频的泵浦光束的辐射而提供SH光束。SH光束和泵浦光束的其余部分入射在第二下游非线性晶体上，生成三次谐波(TH)的第三光束。第一非线性晶体和第二非线性晶体具有相应的输出和输入表面，所述输出和输入表面相对于相应的纵向晶轴以倾斜角度延伸。
输出和输入表面被制造成具有这样的楔角，使得入射在第二晶体的输入表面上的SH光束折射，从而使其与入射在完全矩形的第二晶体上的SH光束相比，基于波矢双折射现象的在该晶体内以可控角度倾斜(改变方向)。取决于转换效率和UV光椭圆率之间的所需折衷，SH光束可以在晶体的整个长度上在相应的基频和TH频率处完全重叠光线。因此，相应的第一和第二晶体的倾斜输出和输入表面为第二晶体中的相应泵浦光束和SH光束的指向矢量之间的走离角提供所需的补偿，以便最大化转换效率并最小化UV光束的椭圆率。
根据本公开的第二方面，第一方面中公开的第一晶体和第二晶体都是LBO晶体。第一晶体是用于SHG过程的I型非临界相位匹配LBO，而第二晶体被配置为用于生成TH的UV光的II型临界相位匹配LBO。
然而，LBO晶体不是能够满足本公开目的的唯一类型的非线性晶体。在激光物理学领域的技术人员很好理解最小修改的情况下，如硼酸钡(BBO)、磷酸二氢钾(KDP、KD*P-磷酸二氘钾)和其他能够生成高次谐波的晶体可以很容易地并入本公开的范围内并与所有或任何上述和后续方面结合使用。
在第三方面，根据第一方面或第二方面或第一方面和第二方面两者考虑所公开的系统，第一方面或第二方面或第一方面和第二方面两者的相应第一晶体和第二晶体的输出表面和输入表面相对于彼此是平行的或略微倾斜的。表面之间的角度优选不超过0-20°。注意，该角度可以与随后讨论的每个方面一起使用。
在第四方面，任何上述讨论的三个方面或这些方面的任何可能组合的公开系统被配置有位于相应平面中的第一晶体和第二晶体，每个平面包括晶体的纵轴。这些平面可以在垂直于光路的方向上相互偏移在0和1mm之间的距离。因此，出于所有实际目的，第一晶体和第二晶体基本上是共面的。晶体的共面性简化了系统的结构，因此是成本高效且紧凑的。应该指出的是，在这方面讨论的晶体当然可以用于任何随后公开的方面的公开结构中。
根据第五方面，任何上述四个方面以及这些方面的任何组合的公开系统，第一晶体和第二晶体沿光路间隔在0和20mm之间变化的距离。甚至20mm的距离也比申请人已知的现有技术设备的距离小得多。0毫米距离，即当晶体之间没有自由空间时，在具有彼此平行的输出表面和输入表面的晶体结构中是可能的。0-20mm的范围显著改善了所公开的系统的像散，其可以低至0.95D。这里讨论的距离应该总是根据本公开的任何后续方面来考虑的。
根据第六方面，前述五个方面中任一个或这些方面的任何组合的公开系统被配置有第一晶体和第二晶体，如果间隔开，则第一晶体和第二晶体之间具有没有障碍物的空间。缺少现有技术中位于晶体之间的常规聚焦透镜使光学像差最小化，降低了成本并提高了所公开系统的坚固性。显然，该特征不仅可以与上面讨论的方面相结合，而且还有益于所有后续方面。
根据第七方面，在上述前六个方面中的任一个或这些方面的任何组合中公开的系统的特征还在于：定位晶体使得泵浦光束的束腰形成在第一晶体中，并且这个光束的瑞利长度使得光束在两个晶体内不断扩展。该结构消除了对通常位于晶体之间的常规聚焦透镜的需要。
本公开的第八方面涉及UV光的椭圆率。任何前述讨论方面或这些方面的任何组合的系统还被配置有校正光学方案，其最小化输出UV光束的椭圆率。简要地回到第一方面，可以设想需要所公开的最大可能转换效率的情况。然而，所公开的系统中的最高转换效率是以椭圆率为代价的，即使后者在75％和90％之间也是好的。如果在给定的最大效率下希望椭圆率更好，则本发明的系统包括校正光学方案，其位于第二晶体下游，并且被配置成实际上消除可以降低到99％的椭圆率。
在一个优选的配置中，校正光学器件包括反射元件，其具有面向第二晶体的输出表面的凹表面。该凹表面反射输出光束，输出光束随着其沿着光路传播而扩展。扩展的输出光束入射在准直透镜上。因此，UV光束的椭圆率可以增强到99％。在另一优选的配置中，代替反射元件，可以使用负透镜，其余的光学方案保持与其他配置相同。注意，无论是否需要最大可能的转换效率，都可以使用校正光学方案。
本公开还涉及在所公开的激光系统中利用第一方面和第二至第八方面中的任何一个方面或第二至第八方面的任何组合。除了第一至第八方面的非线性系统之外，激光系统还包括泵浦源，其被配置为主振荡器功率光纤放大器方案。
在一个优选配置中，主振荡器是SM二极管激光器，而Yb光纤放大器包括SM Yb掺杂光纤。在另一优选配置中，泵浦源是多模(MM)结构。
在另一方面，第一至第八方面的非线性光学系统和/或所公开的激光系统中的任一个或两者配置有聚焦透镜，该聚焦透镜位于光学系统中的第一晶体的上游并且在本发明激光系统中的第一晶体和泵浦源之间。调节聚焦透镜和第一晶体之间的距离，使得泵浦光束的束腰形成在第一晶体中，并且该光束的瑞利长度使得它在两个晶体内连续扩展。该结构消除了对通常位于晶体之间的常规聚焦透镜的需要。
优选地，在晶体之间的距离固定的情况下聚焦透镜相对于第一晶体是可移位的，以确定最佳距离，在该最佳距离处具有给定束腰并在晶体的给定晶体长度处的泵浦光束不耦合出第二晶体。在备选的优选组合中，晶体可以相对于聚焦透镜移位，或者这些元件中的两个可以相对于彼此移位。
附图说明
以下公开的方面在以下附图中示出，在附图中：
图1是已知的现有技术，示出了走离现象。
图2是非线性晶体中的走离现象的示意图。
图3是被配置为使走离效应最小化的已知现有技术的光学系统的示意图。
图4是具有本发明的频率转换方案的激光系统的示意图，该方案被设计成使三次谐波非线性晶体中的不利的走离现象最小化。
图5是本发明的光束形状校正光学系统的示意性视图，该系统被配置为改善图4的系统的输出光束的像散和椭圆率。
图6和图7分别是由组装有图5的校正系统和未组装图5的校正系统的图4的本发明系统发出的输出光束的计算机生成图像。
图8和图9是计算机生成的图，指示使用图4的本发明系统获得的实验数据。
具体实施方式
所公开的系统25具有简单的易于制造的基于LBO的结构，其包括比已知现有技术少的组件。激光系统25被配置有两个频率转换级，这两个频率转换级以简单的方式彼此对准，并且可操作用于以高达70％的转换效率将单模(SM)泵浦光束的基波波长λf转换为基本圆形的TH光束的1/3λf波长。
参照图4，本发明的激光系统25被配置有泵20，例如SM或基本上SM的光纤或沿光路以300kHz的脉冲重复率输出基波波长(例如，1064nm)的SM泵浦光束的任何其他合适的激光器。泵浦光束20入射在第一细长LBO晶体24上，该晶体具有沿光路延伸的纵向轴线26。优选地，第一晶体24是用于SHG过程的I型非临界相位匹配的LBO。当泵浦光束20传播通过平行于轴26的第一晶体24时，其能量转移到所生成的SH光束，该光束通常被称为532nm波长的信号光束28。由于晶体24的性质，SH光束28不会从泵浦光束22走离，即，光束22和28是同轴的并且是共线的。两个光束(其余的泵浦光束22和生成的SH光束28)通过输出表面30出射进入没有任何障碍物的自由空间，保持共线和同轴，但具有彼此正交的相应偏振面o和e。
第二LBO晶体32是以相对于正主轴A的角度θ切割的II型临界相位匹配(PM)LBO，用于在相互作用的1064和532nm波长下进行SFM，以生成第三波长355nm的输出TH光束。晶体32也是细长的，其纵轴34平行于第一晶体24的轴26。第一晶体24和第二晶体32沿光路间隔开一定距离，该距离在0和20mm之间。而且，在垂直于两个纵轴的平面中，晶体间隔的距离在零(0)(使得轴26和34共线)与1mm之间变化。
对光束22和28的SFM过程中的频率转换效率的优化是基于波矢量双折射效应，其中所述频率转换效率的优化导致在第二晶体32中这些光束之间较大的相互作用长度。后者的实现包括优化楔角α(第二晶体32的输入表面38以该楔角α倾斜)以及寻常泵浦光束22和非寻常光束28与到输入表面38的法线N2之间的入射角β。
确定角度α的方法对于激光领域的技术人员来说是已知的，并且在US 7292387中有很好的解释，这里通过引用将其完全并入本文。通常，取决于此角度选择的转换效率是转换效率、相位匹配条件(例如，温度和SH信号光束28的偏振Sλ2和波矢kλ2)以及三个相互作用光束22、28和SM TH输出光束寻常偏振光束40之间的空间重叠要求之间折衷的结果。在所公开的系统中，选择期望的楔角α和切割角θ的取向，使得泵浦光束22在折射后与晶体32的纵向轴线34共线。利用所选择的楔角α和切割角θ，SH信号光束28的指向矢量Sλ2和波矢量kλ2(以虚线示出并且对应于具有完美矩形横截面的晶体32中SH信号光束28的折射)被角度移位到矢量S’λ2和k’λ2的相应位置。如图所示，矢量S’λ2和k’λ2跨越泵浦光束22的矢量kλ1、Sλ1，这是由于楔角α和适当选择切割角θ。结果，输出TH光束40的波矢量kλ3的方向由矢量相位匹配条件k3＝k1+k2确定。输出TH光束40在与输入泵浦光束22的平面平行的平面中通过晶体32的输出表面与晶体32解耦。
尽管在以下面公开的参数为特征的系统25中的走离角p没有被完全补偿，但是在频率转换效率和输出TH光束40的椭圆率之间达到了正确的平衡。角度α的范围优选地在20°±10°范围内。
本发明的说明了所公开的系统25的紧凑性和简单性的另一突出的结构特征包括第一晶体24的倾斜输出表面36，其相对于输出表面36的法线N1倾斜楔角δ。这里角度δ的选择使得光束22和28以角度β入射在第二晶体32的输入表面38上，泵浦光束22在晶体32中与纵向轴线34共线地传播。第一晶体24的输出表面36的楔角δ根据以下方法确定。
首先，基于相应泵浦光束22和SH信号光束28的波矢之间的最大角度确定最大α角，以保持给定长度的晶体的相位匹配。其次，应选择切割角的取向，以使信号光束28的波矢和指向矢量围绕泵浦光束22的波矢形成扇形。已知楔角α并且基于斯涅尔定律，光束22和28在第二晶体32的输入表面38上的入射角β(相对于法线N2)被确定为
β＝arcsin(sin(α)×n2(1064) (1)
在具体示例中，角度α等于17.5°，并且1064nm的泵浦光束在100℃下相位匹配的第二晶体32的折射率为n2＝1.564，入射角β＝28.05°。接下来，将入射和楔角/折射角α之间的角度k确定为
k＝β-α (2)
在给出的示例中，k＝10.55°。现在可以将来自第一晶体24的输出光束22和28与输出面36的法线N1之间的角度γ确定为
γ＝k+δ (3)
其中δ是输出表面36的楔角。基于斯内尔定律
sin(δ)×n1(1064)＝sin(γ) (4)
基于3，4可以重写为
sin(δ)×n1(1064)＝sin(k+δ) (5)
对于给出的示例，1064nm的泵浦光束在150℃下相位匹配的第一晶体24的折射率是1.605。利用该折射率，
sin(δ)×1.605＝sin(10.55+δ) (6)
根据6，楔角δ等于16.4°。
第一晶体和第二晶体可以根据两个修改来配置，每个修改与本发明系统25的每个单独结构组件以及这些组件的任何合适组合完美地配合。在一个修改中，相应晶体24、32的输出和输入表面36、38以不同的角度δ和α倾斜。在两个楔角20°±10°范围内，楔角基于所选择的角度α和相应晶体相位匹配的温度而尽可能少地彼此不同。楔角之间的角度差k不超过2°是可接受的。备选地，系统25可以设计成输入表面36和输出表面38彼此平行。根据输出表面36和输入表面38之间的空间关系，第一晶体24和第二晶体32可以进行物理接触，即它们之间的轴向距离为零。通常，晶体之间的轴向距离不超过20mm。
所公开的结构25还可以配置为使得晶体24和32位于垂直于纵向轴线26和34的共同平面中。在此配置中，轴是共线的。备选地，第一晶体24和第二晶体32分别在平行平面中延伸，所述平行平面在垂直于轴线的方向上间隔不大于1mm。
以上公开的每个尺寸替代方案可以与所公开的结构25的所有其他单独特征或这些组件的任何可能组合结合使用。
与已知现有技术中公开的系统相反，如果晶体轴向间隔开，则寻常泵浦光束22和非寻常SH信号光束28在晶体24和32之间传播通过无障碍物的自由空间。不需要通常位于晶体之间的聚焦透镜。
然而，本发明的系统25包括位于泵浦源20和第一晶体24之间的聚焦透镜42。透镜42被配置成使得SM泵浦光束22具有在第一晶体中形成的束腰。利用所选择的晶体长度、楔角和晶体之间的间隔，泵浦光束22延伸穿过第二晶体32而不会扩展超出此晶体的物理边界，当然除了第二晶体的输出表面之外。如果需要，透镜42可以在平行于轴26的平面中自动或手动地移位，以提供转化成TH输出光束的最佳频率转换效率。
参见图8和图9，对于每个晶体24、32长度在2-2.5cm范围内变化、楔角α为17.5°、δ角为16.4以及输出1064nm波长的单模(SM)IR光束且平均功率高于15W的IR泵浦源20，本发明的系统对355nm波长的且脉冲持续时间为1.5ns的TH输出光束40具有高达70％的频率转换效率操作(图8)。如图9所示，在具有如下配置的本发明系统中的频率转换效率达到50％：泵浦源20输出1064基波波长且平均功率低于15W的IR光束。转换效率甚至可以更高，但是如下所述，诸如TH输出光束40的像散和椭圆率之类的其他考虑因素权重很大。
特别地，对于M2高达1.2且楔角为所公开的α和δ的高斯或基本上高斯光束依然具有非常高的所公开的频率转换效率，TH光束的像散是不重要的，且椭圆率可能约为0.8。然而，即使没有进一步的光学校正，对于具有高斯强度分布的经聚焦SM光束，像散和椭圆率范围仍然非常高。然而，利用以下光束形状光学校正方案可以改善这些范围。
参考图5，所公开的校正光学方案50包括沿着光路在第二晶体32下游的反射元件46。元件46被配置有反射TH输出光束40的凹面。取决于具体设置，反射的扩展TH光束40可以入射在反射镜42上。光束40继续沿光路扩展，直到它入射到准直透镜48上为止。
校正方案50的效果在图6和图7中示出。图6示出了没有校正系统50的本发明系统25的TH输出光束的椭圆率约0.78。图7示出了达到0.99％的光束椭圆率和可以达到0.95D的像散的改善。
虽然已经参考优选实施例描述了本发明，但是本领域技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不会改变由所附权利要求限定的本发明的范围和精神。

Claims (10)

1.一种非线性光学系统，包括：
细长的二次谐波生成SHG晶体，具有纵轴且基频的脉冲泵浦光束穿过所述SHG晶体，所述SHG晶体生成二次谐波SH光束，所述SHG晶体的输出表面相对于所述SHG晶体的纵轴以第一角度α倾斜，其中所述第一角度α与直角不同；
细长的三次谐波生成THG晶体，所述THG晶体具有与所述SHG晶体的纵轴平行的纵轴以及输入表面，所述泵浦光束的其余部分和所述SH光束入射在所述输入表面上，所述泵浦光束的其余部分和所述SH光束两者以其之间的走离角度传播通过所述THG晶体以生成三次谐波TH光束，所述THG晶体的输入表面以第二角度δ相对于所述THG晶体的纵轴倾斜，其中所述第二角度δ不同于直角，
其中，选择所述第一角度和所述第二角度以在保持相位匹配条件的情况下使相应泵浦光束和SH光束的指向矢量之间的走离角最小化，并提高所述TH光束的椭圆率。
2.根据权利要求1所述的非线性光学系统，其中，所述SHG晶体是I型非临界相位匹配的LBO，而所述THG晶体被配置为II型临界相位匹配的LBO。
3.根据上述权利要求之一所述的非线性光学系统，其中相应SHG晶体和THG晶体的输出表面和输入表面在彼此平行或不平行的相应平面中延伸，非平行平面之间的角度被最小化。
4.根据上述权利要求之一所述的非线性光学系统，其中，所述SHG晶体和所述THG晶体在垂直于所述晶体的纵向维度的方向上共面或偏移不超过1mm的距离。
5.根据上述权利要求之一所述的非线性光学系统，其中，所述SHG晶体和所述THG晶体通过自由空间彼此间隔开并且彼此光学连通，所述自由空间是介于所述SHG晶体和所述THG晶体之间的无光学组件的空间。
6.根据上述权利要求之一所述的非线性光学系统，其中，所述SHG晶体和所述THG晶体沿光路间隔一距离，所述距离在0到20mm之间变化。
7.根据上述权利要求之一所述的非线性光学系统，还包括在所述SHG晶体上游的聚焦透镜，所述聚焦透镜和所述SHG晶体相对于彼此可控制地移位，以为所述泵浦光束提供形成在所述SHG晶体内的束腰，其中，所述泵浦光束沿光路扩展，使得当所述泵浦光束传播通过所述THG晶体时，所述泵浦光束被限制在所述THG晶体内。
8.根据上述权利要求之一所述的非线性光学系统，还包括在所述THG晶体下游的校正光学方案，所述校正光学方案包括：具有凹面的反射元件，用于反射所述THG光束；以及准直器，用于接收经反射的THG光束以便为经反射的THG光束提供约0.95D的像散和约0.99的椭圆率，其中，对于高达30W的单横模SM泵浦光束，在所述THG晶体中对作为单横模SM光束的所述泵浦光束的基频到三次谐波的最大转换效率达到60％，对于高于30W的所述SM泵浦光束，所述最大转换效率达到70％。
9.一种频率转换激光系统，包括：
单模SM脉冲激光光源，被配置为输出基频的脉冲泵浦光束；以及
根据权利要求1至8之一所述的非线性光学系统。
10.根据权利要求9所述的频率转换激光系统，其中，所述SM脉冲光源具有SM二极管激光器和光纤放大器，所述SM二极管激光器和所述光纤放大器被组装为主振荡器功率光纤放大器方案并且以300kHz脉冲重复率进行操作。
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