CN111404011A - 一种高次谐波激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高次谐波激光器，一个激光基波谐振腔产生所需基波光束。两个基波光反射镜限定了一个激光谐振腔，谐振腔内有一个激光介质。一个二次或三次谐波腔的一部分与基波腔重合，一部分与基波腔分离。谐波腔由二次谐波或三次谐波光束反射表面与二次谐波或三次谐波发生器，即谐波非线性晶体组成。基波腔光束注入到谐波腔入射到谐波非线性晶体内，一部分基波光转化为谐波光。一个N(N>2)次谐波发生器，即N次谐波非线性晶体，与二次或三次谐波非线性晶体光学连通，产生N次谐波输出。本发明与现有技术相比的优点在于：可以有效提高基波光束和谐波光束向N(N>2)次谐波的转化效率，此外，还可以提高N(N>2)次谐波光束的输出功率。

Description

一种高次谐波激光器

技术领域

本发明涉及脉冲固态激光技术领域，具体是指一种高次谐波激光器。

背景技术

利用非线性介质比如非线性晶体产生光学谐波的原理可以将激光器或其它高强度光源直接产生的光束进行二次谐波、三次谐波或者N次谐波频率变换。一般利用激光基波光束与基波光束产生的二次谐波光束进行和频的方式产生三次谐波光束。以往一般在腔外使用基波光束光和二次谐波和频的方式产生三次谐波。对于一台典型的高功率激光器，整体转化效率一般在25％左右，从而造成未转化的基波光束和二次谐波光束的浪费。甚至对一台功率非常高的脉冲Nd:YAG激光器，整体转化效率也小于25％。

最近，腔内三次谐波方式证明可以明显提高能量转化效率。参考专利U.S.Pat.No.5,898,717。但是在这种装置里，二次谐波光仍然存在浪费。

R.G.Smith已经讨论了腔内二次谐波的原理(I.E.E.E.Journal of QuantrumElectr.QE-6,215-223，1970)。谐波变换可以在大量晶体中实现，比如：LiNbO3，BaNa(NbO3)，LiO3，KDP，KTiOPO4，BBO，LiB3O5和CsLiB6O10。LiB3O5又叫做LBO晶体，CsLiB6O10又叫做CLBO晶体。

四次谐波也可以产生，参阅专利U.S.Pat.No.5，206，868，利用谐振腔产生单纵模谐波。但是，这种腔非常复杂而且有时并不实用。多纵模腔更为流行且更容易维护。五次谐波也可以产生，参阅专利U.S.Pat.No.5，742，626。谐波激光器的发展更需要提高转化效率和更实用的谐波产生方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服以上技术缺陷，提供一种高次谐波激光器，可以有效提高基波光束和谐波光束向N(N>2)次谐波的转化效率，此外，还可以提高N(N>2)次谐波光束的输出功率。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种高次谐波激光器，包括一个谐波光束谐振腔，所述谐波光束谐振腔包括一个基波光束谐振腔、一个二次谐波光束谐振腔和三次谐波光束谐振腔，一个基波光束谐振腔由第一基波光束反射表面和第二基波光束反射表面形成；

一个激光介质，位于所述第一基波光束反射表面和第二基波光束反射表面之间，用于产生基波光束；

基波光束谐振腔有一个基波光束光轴；

一个二次谐波光束谐振腔和三次谐波光束谐振腔，与所述基波光束谐振腔至少部分重合，部分分离；

二次谐波光束谐振腔和三次谐波光束谐振腔，均由第一谐波光束反射表面和第二谐波光束反射表面形成；

谐波光束谐振腔有一个谐波光束光轴；

一个二次谐波或三次谐波非线性晶体，位于谐波光束谐振腔沿谐波光束光轴分布，用于将一部分基波光束转化为二次谐波光束或三次谐波光束；

导引所述基波光束沿谐波光束光轴至谐波光束谐振腔并入射至二次谐波发生器和三次谐波发生器；

一个光束分离器，将未转化的基波光束从谐波光束谐振腔内移除；

导引分离的基波光束穿过激光介质进行放大；

一个N(N>2)次谐波发生器，与二次谐波发生器或三次谐波发生器光学连通，用于将二次谐波光束或三次谐波光束转化为N(N>2)次谐波光束；

导引二次谐波光束或三次谐波光束使二次谐波光束或三次谐波光束穿过N(N>2)次谐波非线性晶体，形成一个N(N>2)次谐波光束。

优选的，包括一个N(N>2)次谐波输出耦合器，用于从谐波光束谐振腔内导出N(N>2)次谐波光束。

作为改进，N(N>2)次谐波发生器是非线性晶体，且为：LiNbO3，BaNa(NbO3)，LiO3，KDP，KTiOPO4，BBO，LBO和CLBO晶体中的一种。

优选的，所述基波光束光轴和谐波光束光轴相交，所述光束分离器包括一个位于所述基波光束光轴和所述谐波光束光轴交点的双色镜，双色镜对基波光束高透，对二次谐波或三次谐波或者二者全部高反，双色镜与基波光束光轴夹角α约等于布儒斯特角。

优选的，所述激光介质的材质为Nd:YAG，Nd:YLF和Nd:YVO4晶体中的一种。

优选的，所述第一波光束反射表面和第二基波光束反射表面是基波光束的高反镜，第一谐波光束反射表面和第二谐波光束反射表面是所述二次谐波和三次谐波光束的高反镜，所述第一基波光束反射表面和所述第一谐波光束反射表面是同一反射表面，即高反镜对基波光束和二次谐波光束或三次谐波光束全部高反。

优选的，所述二次谐波光束谐振腔或三次谐波光束谐振腔和所述二次谐波发生器或三次谐波发生器是二次谐波的，所述N次谐波是三次谐波或四次谐波或五次谐波的。所述二次谐波光束谐振腔或三次谐波光束谐振腔和所述二次谐波发生器或三次谐波发生器是三次谐波的，所述N次谐波是四次谐波或五次谐波的。由一个二次谐波光束谐振腔和三次光束谐振腔与一个二次谐波发生器和三次谐波发生器构成，所述N次谐波是四次或五次谐波的。

优选的，所述激光介质位于基波光束谐振腔与谐波光束谐振腔分离的部分。

本发明与现有技术相比的优点在于：在本发明中，光学谐振腔内产生所需基波光束光。两个基波光束光反射镜定义了光学谐振腔，两个反射镜之间有一个材料，即激光晶体。本发明中还有一个二次谐波光束谐振腔或者既有一个二次谐波光束谐振腔也有一个三次谐波光束谐振腔。要求二次谐波光束谐振腔或者三次谐波光束谐振腔部分与基波光束腔重合，部分与基波光束腔分离。谐波光束谐振腔由二次谐波发生器或者三次谐波发生器与一个二次谐波或三次谐波反射镜形成。谐波光束谐振腔也可以是沿着两个谐波反射表面之间的光轴上有一个谐波非线性晶体。基波光束光从激光基波光束腔导入谐波光束谐振腔，入射到谐波非线性晶体内，一部分基波光束转化为谐波光束。一个N次谐波发生器，即N(N>2)次谐波非线性晶体与二次谐波或三次谐波发生器光学连通。对于一个N(N>3)次谐波发生器，只有三次谐波光束谐振腔或者与一个二次谐波光束谐振腔结合。如果N＝3，则只需一个二次谐波光束谐振腔。根据本发明，谐波光束导入并穿过N(N>2)次谐波非线性晶体，一部分谐波光束转化为所需N(N>2)次谐波光束。这样本装置就能将谐波光束有效地转化为N(N>2)次谐波光束。未转化的基波光束被导回激光材料放大。要求有一个N(N>2)次谐波输出耦合器将N(N>2)次谐波输出腔外。本发明典型的N次谐波光束是三次、四次或者五次谐波光束。本发明可以有效提高基波光束和谐波光束向N(N>2)次谐波的转化效率。此外，还可以提高N(N>2)次谐波光束的输出功率。

在本发明中，激光材料类型的选择依赖所需激光特性，比如激光荧光寿命，热透镜，光学或机械特性。一般使用Nd:YAG，Nd:YLF和Nd:YVO4晶体。也可以使用掺Nd，Er，Ho等元素的玻璃或晶体，或者Ti:Sapphire，Cr:LiSaf晶体等激光介质。

在本发明中，使用I类相位匹配或者II类相位匹配非线性晶体产生二次谐波和三次谐波。在使用I类相位匹配晶体产生二次谐波过程中，基波光束与产生的二次谐波光束偏振态正交。在使用I类相位匹配晶体产生三次谐波过程中，入射到I类晶体上的基波光束和二次谐波光束偏振平行，而所产生的三次谐波光束的偏振态与它们正交。在使用II类相位匹配晶体产生三次谐波过程中，基波光束和二次谐波光束偏振正交，而所产生的三次谐波光束的偏振态与它们中之一平行(例如如果使用II类LBO晶体，基波(1064nm)光束和三次谐波(355nm)光束的偏振态平行)。使用四次谐波和五次谐波晶体的情况类似。

附图说明

图1是本发明一种高次谐波激光器的结构示意图。

图2是本发明一种高次谐波激光器另一实施例示意图。

图3是本发明一种高次谐波激光器另一实施例示意图。

图4是本发明一种高次谐波激光器另一实施例示意图。

图5是本发明一种高次谐波激光器另一实施例示意图。

图6本发明一种高次谐波激光器另一实施例示意图。

图7是本发明一种高次谐波激光器另一实施例示意图。

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。

本发明提供了一种高次谐波激光器，在本发明的一个实施例中，有一个激光器基波光束腔产生预选波长的基波光束。基波光束腔内包含一个激光介质，最好是激光晶体，位于定义激光谐振腔的第一和第二基波光束反射表面之间。在本发明中，激光材料类型的选择依赖所需激光特性，比如激光荧光寿命，热透镜，光学或机械特性。一般使用Nd:YAG，Nd:YLF和Nd:YVO4晶体。也可以使用掺Nd,Er,Ho等元素的玻璃或晶体，或者Ti:Sapphire，Cr:LiSaf等激光介质。本发明中有一个二次或三次谐波光束谐振腔，优选二次谐波光束谐振腔，或者二次谐波光束谐振腔和三次谐波光束谐振腔都有。要求谐波光束谐振腔与基波光束腔部分重合，部分分离。谐波光束谐振腔由二次谐波发生器或者三次谐波发生器——优选二次谐波或三次谐波非线性晶体，与一个二次谐波或三次谐波反射镜组成。谐波非线性晶体位于两个谐波反射表面之间，沿光轴分布。合适的晶体种类包括：LiNbO3，BaNa(NbO3)，LiO3，KDP，KTiOP4，BBO，LBO和CsLiB6O10。优选BBO、LBO和CLBO晶体。

也可以使用其它非线性发生器。比如使用周期极化晶体，包括：周期极化LiNbO3(PPLN)或周期极化玻璃光纤(PPGF)。基波光束从激光基波光束腔导入二次或三次谐波光束谐振腔——优选二次谐波光束谐振腔，入射到二次或三次谐波非线性晶体——优选二次谐波晶体内，一部分基波光束转化为二次或三次谐波光束——优选二次谐波光束。一个N(N>2)次谐波发生器——优选N次谐波非线性晶体与二次谐波或三次谐波发生器光学连通。在本发明中，谐波光束(二次谐波或三次谐波或二者兼有)导入并穿过N(N>2)次谐波非线性晶体，一部分谐波光束转化为所需N(N>2)次谐波光束。根据晶体类型，基波光束伴随二次谐波或三次谐波光束穿过N次谐波晶体。N(N>2)次谐波晶体的例子包括LBO，BBO和CLBO晶体。所得激光器可将转化为N(N>2)次谐波光束。典型地，本发明的N次谐波光束是三次、四次或者五次谐波光束。本发明可以有效提高基波光束、二次谐波光束和三次谐波光束向高次谐波光束的转化效率。此外，还可以提高N(N>2)次谐波光束的输出功率。对于N(N>3)次谐波发生器，只有单独三次谐波光束谐振腔或者与一个二次谐波光束谐振腔结合，后者对于五次谐波发生器特别有必要。三次谐波光束谐振腔与基波光束腔至少部分分离，部分重合。

光学标准具(etalon)效应限制了基波光束腔内的纵模数量。在本发明中，多个腔内纵模被激励。并且腔内器件应呈楔形从而最小化etalon效应。

在本发明中，激光器可以产生N(N>2)次谐波输出。图1描述了一个三次谐波发生器的实施例。在本例中，基波光束谐振腔在两个反射表面，比如反射镜M1和M2之间形成。激光腔内有一个激光介质，最好是激光晶体，比如Nd:YAG，Nd:YLF和Nd:YVO4晶体。在图1中，Nd:YAG或Nd:YVO4晶体产生1064nm波长的激光。其它类型的激光介质或晶体也可以使用。反射镜M1和M2之间形成基波光束光轴。反射镜M1对基波光束、二次谐波光束和三次谐波高反(比如Nd:YAG或Nd:YVO4晶体产生的1064nm基波光束，532nm二次谐波光束，355nm三次谐波光束)。反射镜M2对基波光束高反。还可以有一个Q开关QS。二次谐波光束谐振腔在二次谐波反射表面之间形成。优选的二次谐波反射表面是反射镜M14和M1。反射镜M14对二次谐波高反。M1反射镜与基波光束腔共用。也可以使用另一个反射表面，这样基波光束腔和二次谐波光束谐振腔不必共用反射镜。激光介质LM产生预选基波光束光波长，提供沿基波光束腔光轴传输的基波电磁辐射(EMR)束。如图1所示，在两个反射镜M1和M14之间形成一个二次谐波光束谐振腔。一个二次谐波光束谐振腔光轴在M14和M1之间延伸。二次谐波光束谐振腔和二次谐波光束谐振腔光轴与基波光束腔和基波光束腔光轴部分分离，部分重合。在二次谐波光束谐振腔内沿二次谐波光束谐振腔光轴有一个二次谐波发生器SHG，优选二次谐波I类非线性晶体LBO和BBO晶体，它们与激光介质LM产生的基波光束光学连通。要求激光介质位于与二次谐波光束谐振腔分离的那部分基波光束腔内。基波光束引入二次谐波光束谐振腔并沿部分二次谐波光束谐振腔光轴传播。一个三次谐波非线性晶体，比如一个I型或II型三次谐波晶体LBO晶体或BBO晶体。要求一个II型三次谐波发生器THG与二次谐波晶体和来自激光介质的基波光束光学连通。有一个光束分离器，比如一个棱镜——要求是色散棱镜，一个分光镜或者一个棱镜与一个分光镜结合，在这里是一个双色镜M60和一个棱镜PR。M60既沿着二次谐波光轴也沿着基波光束光轴，最好是位于两个光轴的交点上。镜M60的两个表面12和14对基波光束和三次谐波光束高透，而表面14对二次谐波光束高反。要求双色镜M60呈等于或接近(10°以内)基波光束的布儒斯特角。这样基波光束从两个方向通过镜M60时损耗最小。在图1中，对紫外(UV)级融硅材料布儒斯特角约56°。因此这个角度范围是46°～66°，最好是56°。镜M60的两个表面12和14也可以镀有基波光束的高透膜。一个棱镜——最好是色散棱镜Pellin-Broca棱镜PR在镜M60和激光介质LM之间，用于将三次谐波光束与基波光束分离并将三次谐波导出腔外，而基波光束返回穿过激光材料。三次谐波光束也可以导向镜M80，M80对三次谐波高反，从而将三次谐波输出激光腔外。

在激光器运行中，激光器直接产生基波光束激光。对于Nd:YAG或Nd:YVO4晶体，这个基波光束光波长是1064nm，并且根据镜M60和PR特性，呈P偏振。来自激光晶体的基波光束导向并穿过色散棱镜PR和双色镜M60，棱镜的入射和出射表面对P偏振光高透，双色镜M60的两个表面12和14对基波光束高透。基波光束穿过M60后导向三次谐波发生器。三次谐波晶体最好是I型或II型——最好是II类LBO和BBO晶体。这类晶体对基波光束没有影响，除非伴随二次谐波光束一起入射并且满足相位匹配条件。在本发明中，除了第一次，由于光束都是多次通过，二次谐波光束和基波光束都是一起通过三次谐波发生器，所以一部分基波光束和二次谐波光束将转化为三次谐波光束。来自三次谐波发生器THG的光束导入二次谐波发生器SHG——优选一个二次谐波晶体，比如一个I型或II型LBO晶体——优选I型晶体。一部分基波光束转化为二次谐波光束，而任意三次谐波光束不受影响。镜M1对基波光束(1064nm)、二次谐波光束(532nm)和三次谐波光束(355nm)高反，因此可将二次谐波光束、三次谐波光束和未转化的基波光束反射回二次谐波发生器，然后又有一部分基波光束转化再次转化为二次谐波光束。二次谐波光束、三次谐波光束和未转化的基波光束入射到THG——优选一个II型LBO非线性晶体内，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。

离开三次谐波晶体的光束具有不同的偏振态。镜M60透射P偏振的基波光束和三次谐波光束。比如，相对M60，P偏振是水平偏振光；而S偏振光是竖直偏振光。基波光束水平偏振(P偏振)。二次谐波光束竖直偏振(S偏振)。三次谐波光束水平偏振(P偏振)。这三束光入射到双色镜M60上，M60对S偏振的二次谐波光束高反，对P偏振基波光束和三次谐波光束高透。基波光束和三次谐波光束穿过镜M60后被导向色散棱镜PR，它将基波光束和三次谐波光束空间分离。基波光束被导回激光介质LM。分离后的三次谐波光束被导出腔外作为激光器的输出。也可以使用镜M80反射导出的三次谐波光束。二次谐波光束被导向反射镜M14，M14对二次谐波高反。二次谐波光束返回二次谐波光束谐振腔并被镜M60反射穿过三次谐波晶体THG。因为有来自激光晶体的基波光束，所以又有一部分二次谐波光束和基波光束转化为三次谐波光束。然后光束再次入射到二次谐波晶体SHG，又有一部分基波光束转化为二次谐波。

图2给出本发明的三次谐波发生器的另一个实施例。这个三次谐波发生器采用一个折叠基波光束谐振腔从而使结构更紧凑。反射表面M2和M1定义了基波光束谐振腔。M2镜对基波光束波长高反，对于Nd:YAG或Nd:YVO4晶体情况是1064nm。M2和M1之间有一个基波光束光轴。镜M1对基波光束(1064nm)、二次谐波光束(532nm)和三次谐波光束(355nm)高反。激光器基波光束谐振腔中M2和M1之间的镜M23导引基波光束入射到镜M24。镜M23对基波光束——如1064nm高反，并对三次谐波光束——如355nm高透。镜M24也对基波光束——如1064nm高反，并对三次谐波光束——如355nm高透。一个可选的波片WP1可以旋转多个波长光束的偏振态，可以将三次谐波偏振态旋转90°。当基波光束和三次谐波光束通过WP1后，基波光束偏振态仍保持竖直偏振，而三次谐波光束偏振态旋转了90°变为水平偏振态。这样将提高三次谐波穿过镜M24的透过率。光束分离器——优选双色镜M61的两个表面16和18对基波光束(1064)和三次谐波(355nm)光束都透射。M61的表面18对二次谐波(532nm)光束高反。要求双色镜M61相对光轴呈等于或接近(10°以内)P偏振基波光束和竖直偏振三次谐波光束的布儒斯特角。这样二次谐波光束相对M61偏振态呈S偏振(水平偏振)。布儒斯特角在这里近似56°。如果这个角度不等于或接近布儒斯特角，还可以将镜M61的面16镀有基波光束和三次谐波光束的增透膜。

两个反射表面M15和M1之间形成了一个二次谐波光束谐振腔。镜M1对基波光束、二次谐波光束和三次谐波光束高反。一个二次谐波发生器SHG——优选一个二次谐波晶体位于二次谐波光束谐振腔的光轴上。一个三次谐波发生器THG在二次谐波光束谐振腔内沿着二次谐波的光轴，与二次谐波发生器SHG光学连通。

在激光器运行中，激光器直接产生基波光束激光。对于Nd:YAG或Nd:YVO4晶体，这个基波光束光波长是1064nm。基波光束导入镜M23并反射到镜M24,再反射穿过可选波片WP1到双色镜M61。双色镜M61的两个表面16和18对基波光束和三次谐波光束高透，表面18对二次谐波高反。基波光束穿过镜M61入射到二次谐波晶体SHG，有一部分基波光束转化为二次谐波光束。二次谐波光束和基波光束导向并通过三次谐波发生器，一部分基波光束和二次谐波光束将转化为三次谐波光束。来自三次谐波发生器THG的二次谐波光束、三次谐波光束和基波光束入射到镜M1表面并被反射再次通过非线性晶体。在THG中，再有一部分基波光束和二次谐波光束转化为三次谐波光束。然后光束导向二次谐波发生器并入射到二次谐波晶体SHG内，又有一部分基波光束转化为二次谐波光束。这三个光束导向镜M61。其中，三次谐波光束透过镜M61并穿过可选波片WP1后偏振态旋转90°到P偏振态，再导向作为输出耦合器的镜M24。镜M24对基波光束高反。未转化的基波光束穿过镜M61后被镜M24反射到镜M23，然后被导向激光介质LM进一步放大。而未转化的二次谐波光束则被双色镜M61反射并导向M15，M15对二次谐波光束高反，因此将二次谐波光束反射到M61，再反射穿过三次谐波晶体。由于有沿二次谐波光轴传播的基波光束的存在，又有部分二次谐波光束和基波光束转化为三次谐波光束。它们再次经过SHG时，再有部分基波光束转化为额外的二次谐波光束。这三束光被镜M1反射后再次穿过SHG和THG，将再有额外的二次谐波光束和三次谐波光束产生。之后三次谐波光束透过镜M61和镜M24后导出腔外作为激光器的输出。

图3给出本发明N次谐波发生器的一个实施例——一个四次谐波发生器。基波光束反射表面M31和M2定义了基波光束谐振腔。在谐振腔中有一个激光介质LM，比如激光晶体：Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YVO4或Ti:Sapphire等其它晶体。激光介质产生预选波长的EMR。也可以有一个Q开关QS。一个二次谐波光束谐振腔在两个二次谐波反射表面M16和M31之间形成。二次谐波光束谐振腔沿着两个反射表面M16和M31之间的路径上有一个光轴。基波光束谐波光束谐振腔沿着两个反射表面M2和M31之间的路径上也有一个光轴。基波光束光轴和二次谐波光束光轴部分重合，部分分离。在二次谐波光束谐振腔中有一个二次谐波发生器——优选一个二次谐波非线性晶体，比如一个I型或II型的LBO、BBO或其它晶体，用于从预选基波光束产生二次谐波光束。一个光束分离器，优选一个双色镜M62位于二次谐波光轴和基波光束光轴的交点上。一个四次谐波发生器——优选一个四次谐波晶体，比如BBO、KDP或CLBO晶体位于光束分离器和镜M16之间，并沿着二次谐波光轴分布。光束分离器M62对二次谐波光束(对于Nd:YAG、Nd:YVO4激光器是532nm)高高反，对基波光束(1064nm)和四次谐波光束(266nm)高透。面22镀有对基波光束(1064nm)和四次谐波光束(266nm)的增透膜，对二次谐波光束(532nm)的高反膜。如果入射角等于或接近布儒斯特角，面20则不需镀膜，否则需要镀有对基波光束和四次谐波光束的增透膜。在激光器运行中，使用灯泵、半导体激光器或者其它方式泵浦激光介质LM，基波光束腔直接产生基波光束，例如对于Nd:YAG、Nd:YVO4晶体，波长是1064nm。基波光束导入二次谐波光束谐振腔，透过光束分离器——优选双色镜M62和一个二次谐波发生器SHG，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被导向镜M31。镜M31对基波光束和二次谐波光束都高反。因此基波光束和二次谐波光束都被反射穿过SHG晶体，额外的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导入光束分离器M62。基波光束透过镜M62导入激光介质LM进一步放大；二次谐波光束被M62反射后沿着二次谐波光轴进入四次谐波晶体FHG，一部分二次谐波光束转化为四次谐波。四次谐波光束和二次谐波光束导向反射镜M16。镜M16对四次谐波和二次谐波都高反，因此将四次谐波光束和二次谐波光束都反射回四次谐波晶体，额外的二次谐波转化为四次谐波。二次谐波光束和四次谐波光束导向镜M62。镜M62对四次谐波高透，因此四次谐波光束被导出腔外作为激光器的输出。而二次谐波光束被镜M62反射后通过二次谐波发生晶体；到达镜M31后再被反射通过二次谐波发生晶体；经镜M62反射后再次通过四次谐波发生器将额外的二次谐波转化为四次谐波。

图4是本发明的另一个实施例。图4与图3中四次谐波发生器类似。一般地，紫外光束，特别是波长低于300nm的四次谐波光束对激光腔内的各种镜片和晶体都会造成损伤。在紫外波长范围上限——300nm～400nm的光束也是有破坏性的。因此有必要限制镜片或晶体与四次谐波光束五次谐波光束的不必要接触。在图4中，将图3中的光束分离器换为一系列的三个光束分离器，如双色镜M62、M64和M65。类似的，即使一个镜片对某一波长高反，也会有一小部分光透射。因此有必要阻止对紫外辐射的非有意透射或反射。图4与图3类似，镜M2和M31之间有一个基波光束腔。镜M16和M31之间有一个二次谐波光束谐振腔。一个光束分离器——优选一个双色镜位于二次谐波光束谐振腔光轴和基波光束腔光轴的交点。光束分离器M62如前所述。镜M64位于镜M62和M65之间的二次谐波光束谐振腔光轴上，并与镜M62和M65光学连通。镜M64对二次谐波光束高反，对紫外光——尤其是四次谐波光束高透。可选的光垃圾筒BD与镜M64相邻。镜M65位于二次谐波发生器光学腔，对二次谐波光束高反，对四次谐波光束高透，与镜M64和四次谐波发生器FHG光学连通。

在运行中，来自二次谐波发生器SHG的二次谐波光束和未转化的基波光束入射到双色镜M62的表面22。基波光束被激光介质LM传输放大。二次谐波光束被镜M62反射到镜M64，再被反射到镜M65，再被导引穿过四次谐波发生器，在那里一部分二次谐波转化为四次谐波光束。镜M16对四次谐波和未转化的二次谐波都高反，因此将这两种光束都反射并再次通过四次谐波发生器，将有额外的二次谐波光束转化为四次谐波。双色镜M65对四次谐波高透，因此可作为四次谐波光束的输出耦合器；对于激射1064nm的Nd:YAG和Nd:YVO4晶体而言，四次谐波光束波长是266nm。但是会有少量的四次谐波光束被高透镜M65无意地反射到也对四次谐波光束高透的镜M64上。可选的光束垃圾筒BD用于阻挡任何穿过镜M64的四次谐波。也可以将这个事实存在的光束当作二次UV输出。与图3实施例相比，使用镜M62、M64和M65可将进入基波光束腔的四次谐波光束成分显著减少。

图5描述了一个五次谐波激光器。镜M2和M1之间形成一个基波光束激光谐振腔和一个基波光束光轴。基波光束激光谐振腔内包含一个如前所述的激光介质LM，一个可选的Q开关QS，一个光束分离器——包含双色镜M66和一个棱镜PR1。基波光束沿着基波光束光轴被导向光束分离器——优选棱镜PR1，然后进入分离镜——优选双色镜M66。双色镜M66的表面32和34对基波光束高透，面34对二次谐波和三次谐波光束高反。M66最好也对五次谐波光束高透，将其从谐振腔输出。在镜M1和M18之间有二次谐波光束谐振腔或三次谐波光束谐振腔或二者的结合。谐波光束谐振腔的光轴与基波光束腔光轴部分重合，部分分离。双色镜M66优选位于两个光轴的交点上。镜M66将SHG和THG产生的二次谐波和三次谐波光束反射到镜M67。镜M67对二次谐波(532nm)、三次谐波光束(355nm)高反，对五次谐波光束(213nm)高透。镜M68与镜M67光学连通，相对五次谐波发生器产生的五次谐波光束呈等于或接近布儒斯特角β放置。镜M68对二次谐波和三次谐波光束高反，对五次谐波光束高透。与镜M67相邻有一个可选的光束垃圾筒BD用于接收任何透射光束。一个可选的波片WP3可根据需要在P和S偏振态之间调节各种光束的偏振态。波片WP3可将二次谐波旋转多个全波，将三次谐波旋转半波。通过WP3后，二次谐波和三次谐波将变为相同的竖直偏振态。棱镜PR1将使不同光束之间产生偏离从而将光束分离。一个二次谐波发生器SHG沿着二次谐波光轴位于二次谐波光束谐振腔；一个三次谐波发生器THG也沿着谐波光束谐振腔光轴与二次谐波发生器光学连通。谐波光束谐振腔内还有一个基于和频2ω+3ω原理的五次谐波发生器5thHG——优选一个I型BBO晶体。优选将五次谐波发生器沿谐波光束谐振腔光轴置于镜M66和镜M18之间。

在操作中，激光介质LM——优选Nd:YAG，和Nd:YVO4晶体产生波长为1064nm的基波光束。基波光束穿过光束分离器——优选一个色散棱镜PR1，从面12入射，从面13出射，入射角和出射角都接近或等于布儒斯特角。以UV级融硅材料制作的PR1为例，布儒斯特角约55.6°。并且PR1透射P偏振光束，抑制S偏振光束。因此激光器主要激射P偏振基波光束。穿过PR1后，基波光束导向镜M66，它的两个表面32和34都对基波光束高透。镜M66最好相对基波光束谐振腔光轴以布儒斯特角～56°(±10°)放置。基波光束沿着谐波光束谐振腔光轴传播入射到三次谐波发生器THG。只有在二次谐波光束存在且满足II类相位匹配条件情况下，II类LBO三次谐波晶体才能将基波光束转化为三次谐波。所以基波光束第一次通过时不受影响。而在之后的多次通过过程中，二次谐波存在，因此会有三次谐波光束产生。未转化的基波光束入射到SHG后，一部分基波光束将转化为二次谐波光束。基波、二次谐波和三次谐波光束入射到镜M1后将全部被反射再次通过SHG，再有部分基波光束产生额外的二次谐波光束。从SHG出射的基波和二次谐波光束入射到三次谐波晶体后，将有部分这两种光束转化为三次谐波光束。然后这三种频率的光束将入射到光束分离器——优选镜M66。基波光束透过镜M66和PR1后导向激光介质LM进一步放大。从镜M66透射的残余三次谐波光束被PR1偏转后被挡块BD1阻挡，也可以输出另作它用。二次谐波和三次谐波光束被镜M66的面34反射后导向可选波片WP3，波片WP3用作调节光束的偏振态。在本实施例中，波片将532nm的二次谐波旋转多个全波，将355nm的三次谐波旋转半波。所得到的竖直偏振的二次谐波、三次谐波光束被镜M67、M68导向并穿过五次谐波BBO晶体，并根据2ω+3ω和频原理，一部分二次谐波和三次谐波转化为五次谐波光束。镜M67和M68都对二次谐波和三次谐波光束高反，对竖直偏振的五次谐波高透。来自五次谐波发生器的光束被导向镜M18，二次谐波、三次谐波和五次谐波或者二次谐波和五次谐波或者三次谐波和五次谐波光束被镜M18反射再次通过五次谐波发生器——比如一个BBO组成的5thHG，之前未转化的二次谐波和三次谐波光束转化为额外的五次谐波光束。从五次谐波发生器产生的五次谐波(213nm)光束导向高透镜M68，作为输出导出激光器。而未转化的二次谐波、三次谐波光束被镜M68、M67反射后穿过WP3再被镜M66反射回三次谐波发生器THG。当它们穿过WP3时，三次谐波偏振态旋转90°变为水平偏振态，而二次谐波保持竖直偏振态不变。另一方面，未转化的基波光束入射到二次谐波晶体SHG上一部分转化为二次谐波。只要有基波光束穿过镜M66，整个过程就将不断连续重复。

图6给出了本发明关于四次谐波激光器的另一个实施例。在图6中，两个反射表面——优选镜M1和M2形成基波光束谐振腔。激光腔内有一个激光介质LM，比如Nd:YAG，Nd:YLF和Nd:YVO4晶体，还有一个可选的Q开关QS。镜M2和M1之间延伸有基波光束轴。在本实施例中，既有二次谐波也有三次谐波光束谐振腔，它们之间和它们与基波光束谐振腔之间都是部分重合，部分分离。要求激光介质位于与谐波光束谐振腔不重合的基波光束腔部分。二次谐波光束谐振腔形成于反射表面——优选反射镜M32和M1之间。三次谐波光束谐振腔形成于反射表面——优选反射镜M31和M1之间。镜M32对二次谐波光束高反；镜M31对三次谐波光束高反；镜M1对基波、二次谐波和三次谐波光束全部高反。二次谐波光束谐振腔光轴在镜M32和镜M1之间延伸。一个光束分离器——优选一个分光镜——优选双色镜M74沿光轴位于二次谐波光束谐振腔。镜M74的面43对基波和三次谐波光束高透，对四次谐波高反。镜M74的面44对二次谐波光束高反，对基波光束和三次谐波光束高透。镜M33对四次谐波光束高反，用于接收镜74的面43反射四次谐波光束。三次谐波光束谐振腔由镜M31和M1形成。镜M31对三次谐波光束高反。一个光束分离器——优选一个分光镜——优选双色镜M72位于基波光束光轴和三次谐波光轴上的一点。镜M72的两个面47和48都对基波光束和三次谐波光束高透，而面48对四次谐波光束高反，可将其导出腔外作为激光器输出。在镜M1和M74之间有一个二次谐波发生器——优选I型或II型二次谐波晶体，比如I型LBO晶体和一个三次谐波发生器——优选一个I型或II型三次谐波晶体，比如II型LBO晶体。在镜M72和M74之间有一个四次谐波发生器——优选四次谐波晶体，比如I型LBO晶体。一个光束分离器——优选一个色散棱镜PR2用于分离基波光束、三次谐波光束和从镜M72非故意透射的四次谐波光束。

在运行中，激光介质被一个外部泵浦源，比如半导体激光器闪光灯激励。基波光束沿镜M2和M1之间的光轴谐振。基波光束以布儒斯特角经色散棱镜PR2的端口14入射，从端口15出射。因此基波光束谐振腔仅支持P(水平)偏振基波光束，而抑制S(竖直)偏振基波光束。之后基波光束透过镜M72被导向并穿过四次谐波发生器FHG。在第一次通过之后，三次谐波光束也将穿过四次谐波发生器。在本实施例中，四次谐波发生器优选I型LBO晶体，在相位条件满足时可将基波光束和三次谐波光束转化为四次谐波光束。来自四次谐波晶体FHG的基波、四次谐波和三次谐波光束入射到光束分离器M74，之后四次谐波光束被反射到对其高反的镜M33。而基波光束和三次谐波光束透过镜M74后通过三次谐波发生器THG——优选II型LBO晶体。在三次谐波发生器中，只有基波光束和二次谐波光束都存在的情况下，才有可能产生三次谐波光束。来自三次谐波发生器THG的光束被导向并穿过二次谐波发生器，在那里一部分基波光束转化为二次谐波光束。来自二次谐波发生器的基波、二次谐波和三次谐波光束全被镜M1反射再次通过二次谐波发生器，将再有额外的一部分基波光束转化为二次谐波光束。二次谐波和基波光束再次穿过三次谐波发生器，一部分基波和二次谐波光束转化为三次谐波。来自三次谐波发生器(THG)的光束被导回光束分离器M74。二次谐波光束被反射向镜M32，再被反射回二次谐波光束谐振腔并再次通过THG进一步转化成三次谐波光束。而基波和三次谐波光束通过镜M74并导向四次谐波发生器，在那里一部分基波和三次谐波光束转化为四次谐波。镜M33反射之前通过四次谐波发生器产生的四次谐波光束到镜M74，再被反射通过四次谐波晶体后到镜M72。镜M72的面48对四次谐波高反从而将其导出腔外作为激光器输出。三次谐波和基波光束高透通过镜M72并通过色散棱镜PR2。三次谐波光束与基波光束分离并导向镜M31，再被反射回通过PR2并经相同路线一直到另一个三次谐波光束谐振腔镜M1。基波光束被导向激光介质LM放大，再被镜M2反射回LM进一步放大。最终实现了一个高功率四次谐波激光器。

图7描述了本发明关于五次谐波发生器的另一个实施例。在图7中，两个反射表面——优选镜M1和M2形成基波光束谐振腔。激光腔内有一个激光介质LM和一个可选的Q开关QS。在本实施例中，二次谐波光束谐振腔及其光轴形成于反射镜M32和M1之间；三次谐波光束谐振腔及其光轴形成于反射镜M31和M1之间。二次谐波光束谐振腔与基波光束谐振腔之间部分重合，部分分离；二次谐波光束谐振腔与三次谐波光束谐振腔之间部分重合，部分分离。在激光器内的基波、二次谐波和三次谐波光轴交点位置有一个光束分离器，比如一个分光镜或者色散棱镜——优选一个双色镜M74。双色镜M74的面44对二次谐波光束高反，对三次谐波光束高透；面43对四次谐波光束高反；而两个面都对基波光束高透。如前所述，参考图6，要求镜M74相对基波光束光轴和三次谐波光轴呈接近或等于布儒斯特角，从而增强P偏振基波光束和三次谐波光束的透过率。但是，M74的表面也可以镀有基波光束和三次谐波光束的增透膜。一个四次谐波发生器——优选基于和频原理1ω+3ω的四次谐波非线性晶体FHG与优选位于三次谐波光束谐振腔的三次谐波发生器光学连通。一个五次谐波发生器——优选基于和频原理1ω+4ω的五次谐波非线性晶体，与四次谐波发生器光学连通，并沿基波光束光轴与激光介质LM光学连通。一个光束分离器——优选色散棱镜PR沿基波光束光轴和三次谐波光轴，与来自五次谐波发生器的五次谐波光束光学连通。棱镜PR可将三次谐波、四次谐波、五次谐波和基波光束空间分离。棱镜PR将五次谐波光束导向反射镜M40，再导出腔外作为激光器的输出。棱镜PR将三次谐波光束导向反射镜M31，再沿原路反射回三次谐波光束谐振腔最终到镜M1。棱镜PR将基波光束沿基波光束光轴导向激光介质LM进行放大。

在操作中，激光介质被闪光灯、激光二极管或其它泵浦源激励。基波光束被导向以等于或接近布儒斯特角放置棱镜PR。棱镜PR的入射和出射端面对P偏振的基波光束高透。基波光束被导向穿过五次谐波发生器但不受影响。离开五次谐波发生器的基波光束被导向穿过基于和频原理1ω+3ω的四次谐波发生器。首次通过时，基波光束不受影响。但在之后的通过中，由于三次谐波光束的存在，一部分基波和三次谐波光束将转化为四次谐波光束。来自四次谐波发生器的基波、三次谐波和四次谐波光束被导向镜M74。基波和三次谐波光束将透过镜M74，而四次谐波光束将被反射到镜M33。镜M33对四次谐波高反，可将其反射回镜M74，再反射回并通过四次谐波发生器，再进一步通过五次谐波发生器。另一方面，从M74透过的基波和三次谐波光束被导向三次谐波发生器THG(1ω+2ω)，当基波光束首次通过时不受影响。在之后的每次通过中，由于有二次谐波光束的存在，一部分基波光束和二次谐波将转化为三次谐波。来自SHG的基波、二次谐波和三次谐波光束被导向镜M1，再全被反射并穿过二次谐波发生器SHG，将再有一部分基波光束转化为二次谐波光束。这些来自SHG的光束被导向并穿过三次谐波发生器THG，一部分基波光束和二次谐波光束转化为三次谐波光束。这些光束再被导向双色镜M74。镜M74将二次谐波光束高反到镜M32，再被高反镜M32反射回镜M74并再次通过三次谐波和二次谐波发生器。另一方面，基波和三次谐波光束透过镜M74入射到四次谐波发生器FHG，一部分基波和三次谐波光束转化为四次谐波光束。由于镜M33的反射还存在额外的四次谐波光束。来自FHG的四次谐波、三次谐波和基波光束被导入五次谐波发生器5thHG，一部分四次谐波和基波光束转化为五次谐波光束。四次谐波、五次谐波和基波光束被导向棱镜PR并被空间分离为三束独立的光束。基波光束被导向激光介质LM放大。三次谐波光束被导向反射镜M31，再被反射回三次谐波光束谐振腔。四次谐波光束被导向光束挡块BD，将未转化的四次谐波光束从腔中去除。而五次谐波光束被导向镜M40，最终被反射到腔外作为激光器的输出。

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 (8)

1.一种高次谐波激光器，其特征在于：包括一个谐波光束谐振腔，所述谐波光束谐振腔包括一个基波光束谐振腔、一个二次谐波光束谐振腔和三次谐波光束谐振腔，一个基波光束谐振腔由第一基波光束反射表面和第二基波光束反射表面形成；

一个激光介质，位于所述第一基波光束反射表面和第二基波光束反射表面之间，用于产生基波光束；

基波光束谐振腔有一个基波光束光轴；

一个二次谐波光束谐振腔和三次谐波光束谐振腔，与所述基波光束谐振腔至少部分重合，部分分离；

二次谐波光束谐振腔和三次谐波光束谐振腔，均由第一谐波光束反射表面和第二谐波光束反射表面形成；

谐波光束谐振腔有一个谐波光束光轴；

一个二次谐波或三次谐波非线性晶体，位于谐波光束谐振腔沿谐波光束光轴分布，用于将一部分基波光束转化为二次谐波光束或三次谐波光束；

导引所述基波光束沿谐波光束光轴至谐波光束谐振腔并入射至二次谐波发生器和三次谐波发生器；

一个光束分离器，将未转化的基波光束从谐波光束谐振腔内移除；

导引分离的基波光束穿过激光介质进行放大；

一个N(N>2)次谐波发生器，与二次谐波发生器或三次谐波发生器光学连通，用于将二次谐波光束或三次谐波光束转化为N(N>2)次谐波光束；

导引二次谐波光束或三次谐波光束使二次谐波光束或三次谐波光束穿过N(N>2)次谐波非线性晶体，形成一个N(N>2)次谐波光束。

2.根据权利要求1所述的一种高次谐波激光器，其特征在于：包括一个N(N>2)次谐波输出耦合器，用于从谐波光束谐振腔内导出N(N>2)次谐波光束。

3.根据权利要求1所述的一种高次谐波激光器，其特征在于：N(N>2)次谐波发生器是非线性晶体，且为：LiNbO3，BaNa(NbO3)，LiO3，KDP，KTiOPO4，BBO，LBO和CLBO晶体中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种高次谐波激光器，其特征在于：所述基波光束光轴和谐波光束光轴相交，所述光束分离器包括一个位于所述基波光束光轴和所述谐波光束光轴交点的双色镜，双色镜对基波光束高透，对二次谐波或三次谐波或者二者全部高反，双色镜与基波光束光轴夹角α约等于布儒斯特角。

5.根据权利要求1所述的一种高次谐波激光器，其特征在于：所述激光介质的材质为Nd:YAG，Nd:YLF和Nd:YVO4晶体中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种高次谐波激光器，其特征在于：所述第一波光束反射表面和第二基波光束反射表面是基波光束的高反镜，第一谐波光束反射表面和第二谐波光束反射表面是所述二次谐波和三次谐波光束的高反镜，所述第一基波光束反射表面和所述第一谐波光束反射表面是同一反射表面，即高反镜对基波光束和二次谐波光束或三次谐波光束全部高反。

7.根据权利要求1所述的一种高次谐波激光器，其特征在于：所述二次谐波光束谐振腔或三次谐波光束谐振腔和所述二次谐波发生器或三次谐波发生器是二次谐波的，所述N次谐波是三次谐波或四次谐波或五次谐波的。所述二次谐波光束谐振腔或三次谐波光束谐振腔和所述二次谐波发生器或三次谐波发生器是三次谐波的，所述N次谐波是四次谐波或五次谐波的。由一个二次谐波光束谐振腔和三次光束谐振腔与一个二次谐波发生器和三次谐波发生器构成，所述N次谐波是四次或五次谐波的。

8.根据权利要求1所述的一种高次谐波激光器，其特征在于：所述激光介质位于基波光束谐振腔与谐波光束谐振腔分离的部分。

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