CN111404010A - 一种四次谐波激光器 - Google Patents

Abstract

本发明开了一种四次谐波激光器，该系统在光学谐振腔内包括激光介质，二次谐波发生器，经二次谐波发生晶体，其中一部分被转换成二次谐波光束。在将二次谐波光束转换为高次谐波光束之前，二次谐波和未转换的基波光束都被一个反射表面反射回二次谐波发生器第二次通过二次谐波发生器。一个三次谐波发生器用于产生三次谐波光束；一个四次谐波发生器用于产生四次谐波光束；一个波长选择耦合器用于输出四倍频光束，它们与反射的二次谐波光束和基波光束光学连通。未转换的二次谐波光束可以被导入激光介质作为额外泵浦。也可以将几乎所有紫外光束都从激光谐振腔中输出。本发明与现有技术相比的优点在于：提高的转换效率和改进的模式质量。

Description

一种四次谐波激光器

技术领域

本发明涉及固体激光技术领域，具体是指一种四次谐波激光器。

背景技术

使用诸如非线性晶体的非线性介质产生光学谐波提供了一种获取激光器或其他高强度源发射的电磁辐射频率的二次谐波，三次谐波或四次谐波的方法。已经在诸如LiNbO3，KDT，KTP，BBO，LBO等晶体中实现了谐波产生和光学参量振荡。而蓝光，绿光和紫外激光在工业，医疗和科研等领域应用广泛。

UV激光可用于钻孔，微焊等应用。已提出内腔四次谐波产生方法，参见Tso YeeFan和Bruce H.T.Chai的文献“Intracavity Fourth Harmonic Generation Using ThreePieces of LBO in a Nd:YAG Laser”，OSA Proceeding on Advanced Solid StateLasers，1994 Vol.20,pps.377-380。然而，现有技术的四次谐波激光功率很低，约为270mW数量级。目前也已经提出了其它的四次谐波激光器，参见美国专利No.5,206,868，目前仍然存在对改进的高功率四次谐波激光器的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服以上技术缺陷，提供一种四次谐波激光器。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种四次谐波激光器，包括第一反射表面、第二反射表面、光学谐振腔、激光介质、二次谐波发生器、三次谐波发生器、四次谐波发生器、四次谐波光束分离器和紫外光束分离器；

所述第一反射表面和第二反射表面之间形成光学谐振腔，所述光学谐振腔中间有光轴，所述光学谐振腔中包含一个能产生选定波长的基波光束电磁辐射的激光介质；

一个所述二次谐波发生器将部分选定波长的基波光束转化为二次谐波光束，一个所述二次谐波发生器包含第一电磁辐射端口和第二电磁辐射端口，用于接收、导引二次谐波光束辐射，二次谐波光束分别从两个电磁辐射端口进入并穿过所述二次谐波发生器，所述二次谐波发生器导引基波光束的端面到第一电磁辐射端口，导引基波光束和二次谐波光束从第二电磁辐射端口入射到所述光学谐振腔第二表面并被反射回所述二次谐波发生器非线性晶体并产生额外的二次谐波，这一过程发生在二次谐波光束转化为更高次谐波之前，从第二电磁辐射端口导引电磁辐射到一个所述三次谐波发生器；

所述三次谐波发生器包含第三、第四电磁辐射端口用于接收、导引电磁辐射穿过所述三次谐波发生器，电磁辐射可以分别从第三、第四电磁辐射端口进入并穿过所述三次谐波发生器，其中，一部分基波光束和一部分二次谐波光束转化为三次谐波光束，电磁辐射从第四电磁辐射端口进入一个所述四次谐波发生器；

所述四次谐波发生器含有第五、第六电磁辐射端口用于接收、导引电磁辐射穿过所述四次谐波发生器。电磁辐射可以分别从第五、第六电磁辐射端口进入并穿过所述四次谐波发生器，其中，一部分基波光束和一部分三次谐波光束转化为四次谐波光束；

一个所述四次谐波光束分离器配合第六电磁辐射端口用于分离四次谐波光束和基波光束，并导引分离的四次谐波光束从所述光学谐振腔输出，并导引基波光束返回所述激光介质；

一个所述紫外光束分离器使紫外光在基波光束返回所述激光介质之前就与其分离。

优选的，所述激光介质为固态激光介质，且主要包括Nd:YLF，Nd:YAG，Nd:YVO4和Nd:YAP晶体

优选的，所述四次谐波光束分离器是位于所述光学谐振腔光轴上与第六电磁辐射端口配合的介质反射镜，所述介质反射镜对基波光束高透，对三次谐波光束、四次谐波光束高反，能将三次谐波光束、四次谐波光束导出光学谐振腔外作为激光器输出。

优选的，所述紫外光束分离器是一个位于所述光学谐振腔光轴上，与所述四次谐波光束分离器和激光介质光学连通的紫外介质反射镜，用于接收透过所述四次谐波光束分离器的电磁辐射，所述紫外介质反射镜对四次谐波光束高反，可将光学谐振腔内额外的四次谐波光束彻底导出腔外。

优选的，所述紫外光束分离器是一个位于所述光学谐振腔光轴上，与所述四次谐波光束分离器和激光介质光学连通的色散棱镜，用于接收透过所述四次谐波光束分离器的电磁辐射，所述色散棱镜将基波光束反射回所述激光介质之前，同时将包括三次谐波光束和四次谐波光束在内的全部紫外光束在空间上充分分离。

优选的，激光器内包含一个用于产生脉冲输出的Q开关。

优选的，二次谐波发生器是一个I类相位匹配非线性晶体，三次谐波发生器是一个II类相位匹配非线性晶体，四次谐波发生器是一个I类相位匹配非线性晶体。

优选的，所述二次谐波发生器的第二电磁辐射端口镀有二次谐波光束和基波光束的高反射介质膜，能反射基波光束和二次谐波光束并再次通过所述二次谐波发生器。

优选的，所述四次谐波光束分离器和紫外光束分离器是一个或多个位于所述光学谐振腔光轴上，处于四次谐波发生器和激光介质之间色散棱镜，所述四次谐波光束分离器与光轴夹角靠近基波光束的布儒斯特角，因此激光介质可产生水平偏振激光束。

本发明与现有技术相比的优点在于：本激光器光学谐振腔内包含了一个激光介质，一个二次谐波发生器，用于产生基波光束的二次谐波。在本发明中，基波光束导入一个二次谐波晶体，其中一部分光束转化为二次谐波光束。已产生的二次谐波光束在转化为更高次谐波之前将与未转化的基波光束被反射再次通过二次谐波晶体。优选方案使用腔内的某一表面共同反射二次谐波光和基波光束；也可以使用独立的表面分别反射二次谐波光束和基波光束。用于产生基波光束三次谐波的三次谐波发生器，用于产生基波光束四次谐波的四次谐波发生器和一个用于导出腔内四次谐波光束的波长选择耦合器将与反射的二次谐波光束和剩余基波光束光学连通。剩余的未转化二次谐波光束可以注入激光介质作为额外的泵浦源。另一方面，大量的全部紫外光可以从激光腔中输出99％甚至更高。四次谐波发生器和激光介质之间有一个紫外光隔离器。紫外光隔离器可以是一个独立的镜片也可以是一个棱镜，用于将未转化的基波光束和三次谐波、四次谐波紫外光分离。这样可以提高能量转化效率和光束质量。

某些应用，比如在多层电路板上钻微型孔要求使用Nd:YAG、Nd:YLF或者Nd:YVO4激光产生的四次谐波。四次谐波的波长是基波光束的四分之一。而光束的聚焦光斑大小正比于波长。这就意味着波长越短，光束可被聚焦的光斑就越小。除了聚焦能力，四次谐波更高的单光子能量有利于对某些材料的激光处理。在本发明中，二次谐波产生装置优选I类相位匹配晶体，三次谐波产生装置优选II类相位匹配晶体，四次谐波产生装置优选I类相位匹配晶体。在二次谐波产生装置的I类相位匹配晶体中，基波光束的偏振方向正交于二次谐波光束的偏振方向。产生的三次谐波光束的偏振方向平行于两个入射光束偏振方向的之一(例如，在II类相位匹配LBO晶体中，基波光束的偏振方向与三次谐波光束的偏振方向平行)。

在I类相位匹配LBO四次谐波晶体中，基波光束和三次谐波光束的偏振方向平行。

本发明的目标之一是提供一种方法，用于利用几种非线性晶体或其它转化方式，在含有激光介质的激光腔中产生有效的光学四次谐波频率变换。

本发明的目标之一是提供一种基于激光腔内LBO非线性晶体的光学四次谐波激光器。

本发明的目标之一是提供一种高转化效率的光学四次谐波装置(四次谐波输出功率/总基频输出功率)。

本发明的目标之一是提供高功率四次谐波紫外激光输出。

本发明的进一步目标之一是将全部四次谐波紫外光输出激光腔外。

本发明的进一步目标之一是提供高光束质量四次谐波紫外激光。

本发明的进一步目标之一是将腔内全部紫外激光在接触激光晶体之前全部导出腔外。

附图说明

图1是本发明一种四次谐波激光器的一个实施例示意图。

图2是本发明一种四次谐波激光器另一个实施例示意图。

图3是本发明一种四次谐波激光器另一个实施例示意图。

图4是本发明一种四次谐波激光器另一个实施例示意图。

图5是本发明一种四次谐波激光器另一个实施例示意图。

图6是本发明一种四次谐波激光器另一个实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

一种四次谐波激光器由两个选择性高反射表面形成光学谐振腔。在腔内产生的四次谐波过程具有显著改善的能量转化效率和光束质量。光学谐振腔内有一个固体激光介质用于产生基波光束，激光介质的前后表面镀有波长选择性介质膜。在光学谐振腔内有一个将部分基波光束转化为二次谐波光束的二次谐波LBO非线性晶体(临界相位匹配或非临界相位匹配切割)和一个II类相位匹配三次谐波LBO非线性晶体(临界相位匹配切割)。激光谐振腔内产生的基波光束导入并穿过I类二次谐波晶体后，一部分基波光束转化为二次谐波光束。基波光束和二次谐波光束被反射后再次穿过I类二次谐波晶体，在二次谐波光束转化为更高次谐波之前又有部分基波光束转化为二次谐波光束。剩余基波光束和产生的二次谐波光束被导入并穿过II类相位匹配三次谐波LBO非线性晶体，一部分基波光束和足量二次谐波光束被转化为三次谐波光束。剩余未转化的基波光束和三次谐波光束被导入并穿过I类相位匹配四次谐波LBO非线性晶体(临界相位匹配切割)，一部分基波光束和一部分三次谐波光束被转化为四次谐波光束。含有剩余基波光束、二次谐波光束、三次谐波光束和四次谐波光束的光束被导入一个四次谐波分离器，四次谐波光束和基波光束分离并导出腔外作为激光输出。同时基波光束被导入回激光介质放大。备选地，也可以将剩余泵浦光和未转化的二次谐波光同时导入激光介质用于提高能量转化效率。激光介质后表面镀有高反射膜用于将基波光束反射进一步放大。

本发明的另一方面是将紫外光与激光介质有任何接触前将全部紫外光束导出谐振腔。紫外光对激光介质尤其是激光晶体具有很强的破坏性，Nd:YVO4晶体尤为敏感。因此，一定要在紫外光束随基波光束返回激光介质之前将紫外光束分离出去。紫外光分离器应介于四次谐波发生器和激光介质之间。紫外光分离器可以是一个也可以是一组分离镜片——优选使用一个棱镜尤其是色散棱镜，可以有效分离基波光束和三次谐波光束和四次谐波光束。也可以使用棱镜和镜片组合。四次谐波光束分离器和紫外光分离器可以结合。在本发明中，三次谐波光束和四次谐波光束都是紫外光束。四次谐波光束和紫外光联合分离器可以是一个双色介质镜，对四次谐波光束和三次谐波光束高反。此外，也可以使用一个棱镜、棱镜对或者多个棱镜将四次谐波光束、三次谐波光束与基波光束空间分离，如图2所示。

图1给出了一个四次谐波激光器实例。激光谐振腔内有激光介质LM，它可以是不同类型的激光介质，但最好是激光晶体，比如Nd:YLF，Nd:YAG和Nd:YVO4等。激光泵浦源LP，比如闪光灯，半导体激光器或者其它的激光器，用于为激光介质提供能量。M1和M4反射镜形成了激光谐振腔。此外，激光谐振腔内还可以插入一个Q开关——QS，用于产生脉冲激光输出。球面透镜L2和柱面透镜L1可用于Nd:YLF晶体作为激光介质的情况。圆柱透镜可以补偿Nd:YLF激光晶体的热透镜效应。在Q开关方案中，首先在谐振腔中引入损耗，阻止激光产生，此时能量被抽运并存储在粒子数反转中；之后一旦达到所需的反转粒子数，腔内损耗减少，从而产生激光。在这种模式下，可以从激光器产生大量脉冲串输出。反射镜M1是基波光束的高反镜。激光介质LM产生的基频激光束沿公共轴1传播。基波光束既可以从激光介质的前端产生，也可以从激光介质的后端产生传向反射镜M1。例如，可以使用Nd:YLF作为激光介质，产生波长为1053nm的基波光束。根据本发明，将产生波长为527nm的二次谐波光束，波长为351nm的三次谐波光束和波长约为263nm的紫外光束。

M2是一个折转反射镜，既可以是基波光束的高反镜，也可以是二次谐波光束的高反镜。MD是一个双色镜，对基波光束高反，对四次谐波光束高透。在另一种方案中，MD既可以是二次谐波光束的高反镜，也可以同时对二次谐波、三次谐波光束高透。NLC3是I类相位匹配四次谐波LBO晶体；NLC2是II类相位匹配三次谐波LBO晶体；NLC1是I类相位匹配二次谐波LBO晶体。在NLC1中，部分基波光束转换为二次谐波光。M4反射镜对基波光束和二次谐波光束高反，使NLC1中传输的剩余基波光束和二次谐波光束沿原路返回。

在激光器运行中，激光介质LM产生的基波光束被M1反射后沿基波光束轴传播再次经LM放大，然后入射到反射镜M2。M2对垂直偏振光高反，对水平偏振光高透，所以腔内水平偏振光被抑制，只有垂直偏振光振荡放大。反之，如果M2的偏振选择性相反，腔内将只有水平偏振光振荡放大。经M2反射的基波光束被MD反射进入四次谐波晶体NLC3，在没有三次谐波光束的情况下，基波光束的传播不受影响。类似地，基波光束透过NLC3进入三次谐波晶体NLC2，在没有二次谐波光束的情况下也不受影响。基波光束透过NLC2后经端面10进入二次谐波晶体NLC1，从端面20出射；一小部分基波光束(光束1)转化为水平偏振的二次谐波光(光束2)。在这一过程中，需通过调节晶体角度或温度满足相位匹配条件，K(2ω)＝K(ω)+K(ω)。光束1和光束2都传向反射镜M4，然后被M4反射经端面20再次进入NLC1。部分剩余基波光束转化为二次谐波光，与之前产生的二次谐波光合束为光束2。光束1和光束2经端面10从NLC1出射后再经端面30进入NLC2。在满足相位匹配条件下，K(3ω)＝K(ω)+K(2ω)，NLC2将一部分基波光束1和足量二次谐波光束2转化为垂直偏振的三次谐波光束3。光束1、2、3经端面40从NLC2出射后经端面50进入NLC3。在满足相位匹配条件下，K(4ω)＝K(ω)+K(3ω)，NLC3将偏振方向相互平行的一部分基波光束1和三次谐波光束3转化为水平偏振的四次谐波光束4。光束1、2、3、4经端面60从NLC1出射后传向光束分离器MD。分离器MD将光束4，也可以包括光束2，光束3导出激光谐振腔；同时反射光束1也可以包括光束2传向反射镜M2。M2反射基波光束1进入激光介质LM，也可以反射光束2。在某些情况下，被M2反射的光束2也可以泵浦激光晶体LM，增加泵浦效率。晶体NLC1，NLC2和NLC3上的光斑应小于晶体直径的一半。这样产生的激光将比前人的方案效率更高，光束质量也将优于传统的基于BBO晶体的腔外四次谐波方案。整体转化率的计算方法是用四次谐波输出功率与腔内没有二次谐波转化时的基波光束输出功率之比。以一台典型的Nd:YLF激光器为例，调Q脉冲重频1kHz，脉宽150ns，平均输出功率8W。使用传统腔外四次谐波BBO方案，波长为263nm的四次谐波光束功率大约1W，光斑呈明显椭圆形状(椭圆比3.5:1)，转化效率是12.5％。使用另一种Tso YeeFan和Bruce Chai给出的方案，263nm的光功率是0.8W，转化效率10％。而使用本发明的方案，在同等条件下可产生光束质量极高的2.2W的263nm的光功率，平均转化效率可达27.5％。

图2给出本方案的另一实施例，使用一对紫外级熔硅玻璃棱镜PR1和PR2从基波光束中分离四次谐波光束。基波光束设为水平偏振。激光介质LM产生的基波光束经M5反射后传向棱镜PR1和PR2，被棱镜偏折后进入NLC30。在棱镜上入射和出射的基波光束的角度都等于或接近布儒斯特角。P偏振基波光束经过PR1和PR2的损耗最小。相反，S偏振基波光束经过PR1和PR2的损耗非常大。因此只有水平偏振光产生激光振荡。类似图1，光束穿过NLC30，NLC20和NLC10，被反射镜M4反射，不同的是光束10，20，30，40(基波光束、二次谐波光、三次谐波光束、四次谐波光束)的偏振态分别是水平、垂直、水平、垂直。NLC30和四次谐波分离器PR2、PR1之间可以插入旋光器，比如一个波片(WP)。旋光器将263nm四次谐波光束旋转半波(90°)，将1053nm基波光束旋转多个全波。旋光器的净作用是将NLC30出射的四次谐波光束从垂直偏振态转化为水平偏振态，而基波光束的偏振态仍保持水平偏振不变。基波光束、二次谐波光束、三次谐波光束和四次谐波光束以等于或接近布儒斯特角入射并从PR1出射，同时被分束。其中，基波光束和四次谐波光束由于是以等于或接近布儒斯特角入射的水平偏振P光，经历的损耗最小。被分开的光束以等于或接近布儒斯特角入射并从PR2出射将进一步被分开。其中，基波光束离开PR2后被M5反射返回LM被再次放大；而二次谐波光束、三次谐波光束和四次谐波光束被传向反射镜M6。M6对四次谐波光束高反，也可以对二次谐波光和三次谐波光束选择性高反，最终导出激光谐振腔。也可以有一个挡块B1用于阻挡二次谐波光和三次谐波光束中的一束或两束。

图3是本发明的另一个实施例。在图3中，激光谐振腔由高反镜M10和M11组成。腔内激光介质可以是Nd:YAG，Nd:YLF或Nd:YVO4晶体。在图3中以Nd:YAG晶体为例，腔内可以插入一个Q开关QS。激光介质由一个泵浦激光二极管LP激发。M10和M11之间形成一个光轴。Nd:YAG晶体产生波长为1064nm的基波光束。光束分离器由沿着光轴方向分布的M21和M22组成。四次谐波非线性晶体NLC30——优选I类相位匹配LBO晶体，位于M10和M11之间的谐振腔光轴上。一个三次谐波发生器——优选一个三次谐波非线性晶体NLC20，比如一个三次谐波II类相位匹配LBO晶体位于NLC30和M10之间。一个二次谐波发生器——优选一个二次谐波非线性晶体NLC10体位于NLC20和反射镜M10之间。

作为分束器的双色镜M21，表面16和表面18对基波光束1064nm高透，表面18对四次谐波光束266nm高反，也可以对三次谐波光束355nm高反，这样三次谐波光束和四次谐波光束将同时从腔内输出，它们将在腔外分开。M21的表面18也可以对三次谐波光束355nm高透。M22镜对基波光束1064nm高透，表面14对四次谐波光束266nm高反，也可以对三次谐波光束355nm高反。特别地，如果要求分开三次谐波光束和四次谐波光束，可以使M21的表面18对三次谐波光束高透，M22的表面14对三次谐波光束高反。此外，M21和M22与光轴的夹角等于或接近基波光束的布儒斯特角。

在激光器运行过程中，Nd:YAG晶体产生1064nm激光。光束沿光轴传播，经过与光轴夹角α等于与接近布儒斯特角的M22镜后，P偏振基波光束高透。M22表面12对基波光束1064nm高透。M21与光轴的夹角β也呈等于或接近基波光束的布儒斯特角，P偏振基波光束高透。因此P偏振基波光束(水平偏振光)将在腔内形成激光振荡。之后，基波光束将通过四次谐波晶体NLC30和三次谐波晶体NLC20但都不受影响。当基波光束穿过二次谐波晶体NLC20时，一小部分基波光束转化为二次谐波光。剩余基波光束和产生的二次谐波光束被M10镜反射再次穿过二次谐波晶体时，将再有部分基波光束转化为二次谐波光。二次谐波光和基波光束穿过三次谐波晶体NLC20时将产生三次谐波光束。当三束光穿过四次谐波晶体NLC30时，一部分基波光束和一部分三次谐波光束转化为四次谐波光束。四束光穿过双色镜M21时，四次谐波光束或者包括三次谐波光束将被反射出腔外。基波光束穿过M21沿着光轴最终返回激光介质再次被放大。透过M21未被反射的三次谐波光束或四次谐波光束将再次被镜M22反射，这样紫外光的排出率将达到99％以上。这样做的原因是紫外光对激光晶体本身和镀膜器件，比如Nd:YAG、Q开关、镜片等有破坏作用。

图4是本发明的另一个实施例。图4类似图3，除了二次谐波晶体NLC10的后表面22镀有高反膜。这样从NLC10出射的基波光束和二次谐波光将直接被晶体后表面反射。

图5和图6是本实施例的变体——分别包含了一个紫外光分束器(紫外分束棱镜)和另一个四次谐波光束分束器。图5和图6中的激光介质LM可以是任何对紫外光敏感的晶体，如Nd:YAG，Nd:YLF和Nd:YVO4。特别地，图5和图6方案尤其适用于Nd:YVO4晶体。紫外光在基波光束到达激光晶体放大前将从腔内导出，这点非常重要。在图5中，反射镜M11和M12形成了谐振腔。M12对基波光束高反。M11对基波光束和二次谐波光束高反。激光介质LM，特别是Nd:YAG，Nd:YLF和Nd:YVO4晶体置于M11和M12之间。Q开关QS也可以置于腔内用于调Q运行。双色镜M23用作四次谐波分束-输出耦合器，两侧都可以透过基波光束，但是反射从四次谐波晶体出射的四次谐波光束。依赖于M23表面的镀膜，M23可以透过大量的三次谐波光束和二次谐波光束。

在图5中，在四次谐波分束器M23和激光介质LM之间有一个紫外分束器。紫外分束器可以是一个四次谐波光束和三次谐波光束的高反镜或者最好是一个或两个甚至更多的色散棱镜组PR3，用于分开各束光。色散棱镜可以将不同波长的光束空间分离。例如，使用Pellin Broca色散棱镜可以将选定波长的方向改变90°。基波光束相对PR3棱镜的偏振方向应该是P偏振，这样经过棱镜组的传输损耗最小。

在激光谐振腔内有三个非线性晶体。在镜M23和M11之间有四次谐波晶体FHG；在四次谐波晶体FHG和M11之间有三次谐波晶体THG；在三次谐波晶体THG和M11之间有二次谐波晶体SHG。二次谐波晶体最接近M11，四次谐波晶体最接近M23，而三次谐波晶体处于FHG和SHG之间。这三种非线性晶体优选LBO晶体。

在激光器运行中，激光介质LM产生的基波光束经棱镜PR3后入射到双色镜M23。M23对基波光束双向高透。基波光束通过M23后入射到四次谐波晶体FHG，由于此时没有三次谐波光束，无法满足相位匹配条件不能产生谐波，所以基波光束可以不受影响穿过FHG。类似地，基波光束经过三次谐波晶体THG也不受影响。当基波光束经过二次谐波晶体时一部分转化为二次谐波光束。剩余基波光束和二次谐波光束从SHG出射后被M11反射再次经过二次谐波晶体，又有一部分基波光束转化为二次谐波光。当二次谐波光和基波光束同时入射到三次谐波晶体内，一部分基波光束和二次谐波光束相互作用产生三次谐波光束。三次谐波光束和未转化的二次谐波光束、基波光束入射到四次谐波晶体内，一部分三次谐波光束和基波光束转化为四次谐波光束。四次谐波光束和基波光束、二次谐波光束、三次谐波光束入射到四次谐波分束器M23。M23对四次谐波光束高反，也可以对三次谐波光束高反，也可以对二次谐波光束高反，或者也可以对二次谐波光束/三次谐波光束高透。四次谐波光束被M23反射输出到腔外。但是，会有少量四次谐波光束透过M23。基波光束和未被反射的二次谐波光、三次谐波光束和四次谐波光束入射到棱镜PR3。基波光束在棱镜PR3内与二次谐波光、三次谐波光束和四次谐波光束充分分离。

图6与图5类似，只是额外增加了棱镜PR4。在这个实施例中，镜M23对二次谐波光束、三次谐波光束和四次谐波光束全部高反。PR4将激光器的输出变为二次谐波光束、三次谐波光束和四次谐波光束组合的三束光输出；也可以将二次谐波光束和三次谐波光束经棱镜PR3导入挡板或者作为额外的激光输出。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种四次谐波激光器，其特征在于：包括第一反射表面、第二反射表面、光学谐振腔、激光介质、二次谐波发生器、三次谐波发生器、四次谐波发生器、四次谐波光束分离器和紫外光束分离器；

所述第一反射表面和第二反射表面之间形成光学谐振腔，所述光学谐振腔中间有光轴，所述光学谐振腔中包含一个能产生选定波长的基波光束电磁辐射的激光介质；

一个所述二次谐波发生器将部分选定波长的基波光束转化为二次谐波光束，一个所述二次谐波发生器包含第一电磁辐射端口和第二电磁辐射端口，用于接收、导引二次谐波光束辐射，二次谐波光束分别从两个电磁辐射端口进入并穿过所述二次谐波发生器，所述二次谐波发生器导引基波光束的端面到第一电磁辐射端口，导引基波光束和二次谐波光束从第二电磁辐射端口入射到所述光学谐振腔第二表面并被反射回所述二次谐波发生器非线性晶体并产生额外的二次谐波，这一过程发生在二次谐波光束转化为更高次谐波之前，从第二电磁辐射端口导引电磁辐射到一个所述三次谐波发生器；

所述三次谐波发生器包含第三、第四电磁辐射端口用于接收、导引电磁辐射穿过所述三次谐波发生器，电磁辐射可以分别从第三、第四电磁辐射端口进入并穿过所述三次谐波发生器，其中，一部分基波光束和一部分二次谐波光束转化为三次谐波光束，电磁辐射从第四电磁辐射端口进入一个所述四次谐波发生器；

所述四次谐波发生器含有第五、第六电磁辐射端口用于接收、导引电磁辐射穿过所述四次谐波发生器。电磁辐射可以分别从第五、第六电磁辐射端口进入并穿过所述四次谐波发生器，其中，一部分基波光束和一部分三次谐波光束转化为四次谐波光束；

一个所述四次谐波光束分离器配合第六电磁辐射端口用于分离四次谐波光束和基波光束，并导引分离的四次谐波光束从所述光学谐振腔输出，并导引基波光束返回所述激光介质；

一个所述紫外光束分离器使紫外光在基波光束返回所述激光介质之前就与其分离。

2.根据权利要求1所述的一种四次谐波激光器，其特征在于：所述激光介质为固态激光介质，且主要包括Nd:YLF，Nd:YAG，Nd:YVO4和Nd:YAP晶体。

3.根据权利要求1所述的一种四次谐波激光器，其特征在于：所述四次谐波光束分离器是位于所述光学谐振腔光轴上与第六电磁辐射端口配合的介质反射镜，所述介质反射镜对基波光束高透，对三次谐波光束、四次谐波光束高反，能将三次谐波光束、四次谐波光束导出光学谐振腔外作为激光器输出。

4.根据权利要求1所述的一种四次谐波激光器，其特征在于：所述紫外光束分离器是一个位于所述光学谐振腔光轴上，与所述四次谐波光束分离器和激光介质光学连通的紫外介质反射镜，用于接收透过所述四次谐波光束分离器的电磁辐射，所述紫外介质反射镜对四次谐波光束高反，可将光学谐振腔内额外的四次谐波光束彻底导出腔外。

5.根据权利要求1所述的一种四次谐波激光器，其特征在于：所述紫外光束分离器是一个位于所述光学谐振腔光轴上，与所述四次谐波光束分离器和激光介质光学连通的色散棱镜，用于接收透过所述四次谐波光束分离器的电磁辐射，所述色散棱镜将基波光束反射回所述激光介质之前，同时将包括三次谐波光束和四次谐波光束在内的全部紫外光束在空间上充分分离。

6.根据权利要求1所述的一种四次谐波激光器，其特征在于：激光器内包含一个用于产生脉冲输出的Q开关。

7.根据权利要求1所述的一种四次谐波激光器，其特征在于：二次谐波发生器是一个I类相位匹配非线性晶体，三次谐波发生器是一个II类相位匹配非线性晶体，四次谐波发生器是一个I类相位匹配非线性晶体。

8.根据权利要求1所述的一种四次谐波激光器，其特征在于：所述二次谐波发生器的第二电磁辐射端口镀有二次谐波光束和基波光束的高反射介质膜，能反射基波光束和二次谐波光束并再次通过所述二次谐波发生器。

9.根据权利要求1所述的一种四次谐波激光器，其特征在于：所述四次谐波光束分离器和紫外光束分离器是一个或多个位于所述光学谐振腔光轴上，处于四次谐波发生器和激光介质之间色散棱镜，所述四次谐波光束分离器与光轴夹角靠近基波光束的布儒斯特角，因此激光介质可产生水平偏振激光束。

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