CN113964637A

CN113964637A - 激光波长切换装置

Info

Publication number: CN113964637A
Application number: CN202111185516.4A
Authority: CN
Inventors: 陈然; 夏涛
Original assignee: Beijing Grace Laser Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Grace Laser Technology Co ltd
Priority date: 2021-10-12
Filing date: 2021-10-12
Publication date: 2022-01-21

Abstract

本申请的实施例提供了一种激光波长切换装置，包括倍频系统和控温系统，控温系统包括至少一个倍频元件，倍频元件配置有倍频晶体，基频光经过所述倍频系统得到不同波长的混合光，控温系统通过调节倍频晶体温度改变倍频效率，在不挪动倍频晶体的情况下，实现激光变频后的波长分离，提高单独输出基频光的能量/功率，也可实现通过调节倍频晶体温度调节或者标定不同波长激光的输出能量。结构简单，节省体积，稳定性好，扩展了激光器的适用范围。

Description

激光波长切换装置

技术领域

本申请的实施例涉及激光学技术领域，尤其涉及一种激光波长切换装置。

背景技术

通过非线性光学晶体可以实现二阶非线性光学效应，用来对激光进行频率变换，常用的方法有倍频、差频、OPO等技术，大大扩展了激光器的可调谐范围，满足现有技术中对不同波段激光的需求。

当基频激光与非线性倍频晶体相互作用，满足一定的相位匹配便可以输出不同于基频光的变频光，实现激光波长的改变。但是，任何一种方法均不能将基频光完全变成另一种波长激光，故需要对变频后的激光进行基频光和变频光的分离。传统分离的方法如棱镜分光法，分色镜分光法等是将不同频率的光分离，然后各自输出。由于基频光一部分能量/功率转换成变频光能量，导致分光后基频光能量下降，转换效率越高，最终分光后输出的基频光能量/功率也越弱。如对于1064nm激光二倍频产生532nm激光，当倍频晶体效率为50%时，经过分光后的1064nm激光便损失50%能量/功率，如果使用者需要更高的基频光输出能量/功率，需要挪动非线性晶体，用晶体的切入切出实现波长的切换，或者提高激光器本身基频光的输出能量/功率。依靠挪动非线性晶体的切换装置结构复杂，容易失调，并且引入的切换装置增加了激光器的故障概率。依靠提高激光器本身基频光的输出能量/功率会大大增加激光器的成本，一定程度上影响了激光器的性能和使用范围。

发明内容

本申请的实施例提供了一种激光波长切换装置，旨在实现激光变频后的波长分离，提高单独输出基频光的能量/功率，在不挪动非线性晶体的情况下，实现波长的切换。

第一方面，本申请的实施例提供了一种激光波长切换装置，包括：

倍频系统，其包括至少一个倍频元件，所述倍频元件配置有倍频晶体，基频光经过所述倍频晶体得到不同波长的混合光；

控温系统，所述控温系统用于在不挪动倍频晶体的条件下改变倍频晶体温度实现变频光的波长分离或对不同波长激光的能量或功率大小实现调节。

在一种可能的实现方式中，所述切换装置还包括：分光系统，其包括至少一个分色镜，用于将所述混合光的波长分离.

在一种可能的实现方式中，所述分光系统包括至少两个分色镜，其中每个分色镜的镜片与混合光呈预设角度配置。

在一种可能的实现方式中，所述的分光系统包括：

第一分色镜和第二分色镜，其中，混合光包括第一波长的光和第二波长的光，混合光经过第一分色镜透射第一波长的光，第二波长的光经过所述第一分色镜反射到第二分色镜反射射出。

在一种可能的实现方式中，所述的分光系统包括：

第三分色镜、第四分色镜及第五分色镜，其中，混合光包括第一波长的光、第二波长的光及第三波长的光，混合光经过第三分色镜透射第一波长的光，第二波长的光经过所述第一分色镜反射到第二分色镜反射射出，第三波长的光透射第四分色镜后经第五分色镜反射射出。

在一种可能的实现方式中，所述控温系统包括：

温控元件，其用于用于调节所述倍频晶体的温度实现不同波长出射的激光能量。

在一种可能的实现方式中，所述倍频晶体为对温度敏感的非线性晶体。

第二方面，本申请的实施例提供了另一种激光波长切换装置，包括：

倍频系统，其包括至少一个倍频元件，所述倍频元件配置有倍频晶体，基频光经过所述倍频系统得到不同波长的混合光；

分光系统，所述分光系统用于通过改变不同分色镜参数以使不同波长的光单独输出；

控温系统，在不挪动倍频晶体的条件下改变倍频晶体温度实现变频光的波长分离或对不同波长激光的能量或功率大小实现调节。

在一种可能的实现方式中，所述切换装置还包括，窗口片，其包括第一窗口片及第二窗口片，基频光经过所述第一窗口片透射到所述分光系统后射出并经过所述第二窗口片射出。

在一种可能的实现方式中，所述切换装置还包括，吸收盒，其配置于分光系统的侧面，用于吸收镜片反射激光。

在本申请实施例提供的激光波长切换装置，包括倍频系统，包括至少一个倍频元件，所述倍频元件配置有倍频晶体，基频光经过所述倍频系统得到不同波长的混合光；分光系统，其包括至少一个分色镜，用于将所述混合光的波长分离；控温系统，所述控温系统用于监测波长分离后射出的不同波长的激光能量，并根据激光能量调节所述倍频晶体的温度或根据所述倍频晶体的温度调节激光能量。该装置在不挪动倍频晶体的情况下，实现激光变频后的波长分离，提高单独输出基频光的能量/功率，也可实现通过调节倍频晶体温度调节或者标定不同波长激光的输出能量。结构简单，节省体积，稳定性好，扩展了激光器的适用范围。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本申请的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本申请的范围。本申请的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本申请各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素。

图1示出了本申请实施例的一种激光波长切换装置的结构示意图。

图2示出了本申请实施例的另一种激光波长切换装置的结构示意图。

图3示出了本申请实施例的另一种激光波长切换装置的结构示意图。

图4示出了本申请实施例的另一种激光波长切换装置的结构示意图。

图5示出了本申请实施例的另一种激光波长切换装置的结构示意图。

图中:10为倍频系统；20为分光系统；30为控温系统；101为二倍频元件；102为三倍频元件；201为第一分色镜；202为第二分色镜；203为第三分色镜；204为第四分色镜；205为第五分色镜；401为第一窗口片；402为第二窗口片；501、502为吸收盒。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本申请通过调节非线性晶体温度实现相位适配，达到输出基频（或倍频）波长的目的。本申请中以选择非线性光学晶体LBO（三硼酸锂）晶体为例。LBO属于负双轴晶体，具有高损伤阈值、接受角度宽、离散角小等优点。并且该晶体相位匹配对温度非常敏感，温度变化会引起晶体的折射率变化，使匹配方向偏离原匹配角方向，影响晶体倍频效率。

通过LBO晶体二倍频和三倍频获得532nm和355nm激光，二倍频LBO晶体选择Ⅰ类相位匹配，即 1064.0(o) + 1064.0(o) =532.0(e)，选择晶体温度为45°时对应最佳相位匹配角，对应晶体参数为θ=90°，φ=10.6°。通过TEC对晶体进行控温。温控板选择市面成熟的温控板，控温精度为0.01℃。温度测量和反馈传感器为NTC热敏电阻。实验表明，当LBO晶体温度为45℃时，选用峰值功率密度215MW/cm²(160mJ单脉冲能量，光斑直径5.2mm，脉宽3.5ns)，重频10Hz，对应的二倍频效率约为60%，当LBO温度降为30℃，二倍频效率将至5%以下，由此可以得出，改变LBO晶体温度可以大大降低倍频效率从而获得高能量基频光输出。

三倍频LBO晶体选择Ⅱ类相位匹配，即 1064.0(o) +532.0(e) =355(o)，选择晶体温度为45°时对应最佳相位匹配角，对应晶体参数为θ=90°，φ=43.7°。1064基频光首先经过二倍频LBO晶体获得1064nm和532nm混合光，然后混合光穿过三倍频LBO晶体，当LBO晶体温度为45℃时，对应的三倍频效率约为33%，当LBO温度降为30℃，三倍频效率将至5%以下。综上所述，通过控制LBO晶体温度可以一定程度实现1064nm、532nm和355nm能量大小控制。

参见图1，本实施例的激光波长切换装置，包括：

倍频系统10，其包括至少一个倍频元件101，所述倍频元件101配置有倍频晶体，基频光经过所述倍频晶体得到不同波长的混合光；本实施例中的备倍频晶体为LBO晶体，需要说明的是倍频晶体不仅仅只是LBO晶体，只要是对温度敏感的非线性晶体均可。当基频激光与非线性倍频晶体相互作用，满足一定的相位匹配便可以输出不同于基频光的变频光，实现激光波长的改变。相位匹配主要分为角度匹配和温度匹配，角度匹配是通过机械调整手段将非线性光学晶体调整到与基频光最佳的匹配角度，温度匹配是通过设置非线性光学晶体特定的温度实现最佳的相位匹配。需要说明的是，本实施例的装置同样适用四倍频等更高倍频。

控温系统30，所述控温系统通过调节倍频晶体温度改变倍频效率，在不挪动倍频晶体的情况下，实现激光变频后的波长分离，提高单独输出基频光的能量/功率，也可实现通过调节倍频晶体温度调节或者标定不同波长激光的输出能量。所述控温系统30例如可以包括：温度监测元件301，其用于监测倍频晶体的温度；以及，温控元件302，其用于在不挪动倍频晶体的情况下，实现激光变频后的波长分离，提高单独输出基频光的能量/功率，也可实现通过调节倍频晶体温度调节或者标定不同波长激光的输出能量。温度监测元件301例如可以为NTC热敏电阻，也可以为铂电阻等器件，温控元件例如可以通过TEC对晶体进行控温。温控板选择市面成熟的温控板，控温精度为0.01℃。温度测量，也可以是加热陶瓷片等可以加热的器件，具体不做限定。

本申请实施例提供的激光波长切换装置，包括倍频系统10和控温系统30，控温系统30包括至少一个倍频元件10，倍频元件10配置有倍频晶体，基频光经过所述倍频系统得到不同波长的混合光，控温系统监测混合光的激光能量，并根据激光能量调节所述倍频晶体的温度或根据所述倍频晶体的温度调节激光能量。该装置在不挪动倍频晶体的情况下，实现激光变频后的波长分离，提高单独输出基频光的能量/功率，也可实现通过调节倍频晶体温度调节或者标定不同波长激光的输出能量，结构简单，节省体积，稳定性好，扩展了激光器的适用范围。

参见图2，本实施例的激光波长切换装置，包括：

倍频系统10、分光系统20及控温系统30，分光系统20包括至少一个分色镜，用于将所述混合光的波长分离，在一种可能的实现方式中，所述分光系统包括至少两个分色镜，其中每个分色镜的镜片与混合光呈预设角度配置。

本申请实施例提供的激光波长切换装置，包括倍频系统10和控温系统30，控温系统30包括至少一个倍频元件10，倍频元件配置有倍频晶体，基频光经过所述倍频系统得到不同波长的混合光，控温系统监测经过分光系统20波长分离后射出的不同波长的激光能量，并根据激光能量调节所述倍频晶体的温度或根据所述倍频晶体的温度调节激光能量。该装置在不挪动倍频晶体的情况下，实现激光变频后的波长分离，提高单独输出基频光的能量/功率，也可实现通过调节倍频晶体温度调节或者标定不同波长激光的输出能量，结构简单，节省体积，稳定性好，扩展了激光器的适用范围。

图3示出了本申请实施例的另一种激光波长切换装置的结构示意图。参见图3，本实施例的激光波长切换装置通过改变非线性晶体LBO温度实现1064nm和532nm波长切换的装置，倍频系统包括一个二倍频元件101，分光系统包括第一分色镜201和第二分色镜202，其中，混合光包括第一波长的光（1034nm）和第二波长的光（532nm），混合光经过第一分色镜透射第一波长的光（1034nm），第二波长的光（532nm）经过所述第一分色镜201反射到第二分色镜202反射射出，第一分色镜201对1064nm光高透，第二分色镜202对532nm光高反，其中，LBO晶体紧贴热沉。将1064nm基频光正入射穿过LBO晶体，此时获得1064nm和532nm混合光；具体安装时，首先安装第一分色镜201，镜片如图与混合光呈45°角放置；再安装第二分色镜202，镜片与混合光呈45°角放置；将分的532nm光入射进NTC热敏电阻，监测激光能量；调节LBO晶体温度，使之输出532能量最高。需要说明的是，本实施例的装置同样适用四倍频等更高倍频。

如果最佳倍频下1064nm基频光能量满足使用要求，则可以直接使用；

如果需要进一步提高1064nm基频光输出能量，降低LBO晶体温度，可以获得更高的能量输出，当降温度至倍频效率最低时，1064nm光能量最高可增加50%。

进一步可以通过调节LBO晶体温度间接实现1064nm和532nm激光能量大小的动态调节。

图4示出了本申请实施例的另一种激光波长切换装置的结构示意图。参见图4，本实施例通过改变非线性晶体LBO温度实现1064、532nm、355nm波长切换的装置，倍频系统包括一个二倍频元件101和一个三倍频元件102、分光系统包括：

第三分色镜203、第四分色镜204及第五分色镜205，其中，混合光包括第一波长的光、第二波长的光及第三波长的光，混合光经过第三分色镜203透射第一波长的光，第二波长的光经过所述第三分色镜203反射到第四分色镜204反射射出，第三波长的光透射第四分色镜204后经第五分色镜205反射射出，其中，第三分色镜203对1064nm光高透，对532nm和355nm光高反。第四分色镜204对1064nm和355nm光高透，对532nm光高反，第五分色镜205对1064nm和532nm光高透，对355nm光高反；LBO晶体紧贴热沉；将1064nm基频光正入射依次穿过二倍频和三倍频LBO晶体，此时获得1064nm、532nm和355nm三波长混合光；第三分色镜203，镜片如图与混合光呈45°角放置；第四分色镜205，镜片如图与混合光呈45°角放置；第五分色镜，镜片如图与混合光呈45°角放置；需要说明的是，本实施例中角度的设置可根据需要具体进行调整，具体角度值不做限定。

首先调节二倍频LBO晶体温度，方法同实施例三；调节三倍频LBO晶体温度，使之输出355nm能量最高。如果最佳倍频下三波长激光能量满足使用要求，则可以直接使用；如果需要获得最大1064nm光输出，则将二倍频和三倍频LBO晶体温度降低至倍频效率最低。如果需要获得最大532nm光输出，则只将三倍频LBO晶体温度降低至倍频效率最低即可。

进一步可以通过调节二、三倍频LBO晶体温度间接实现1064nm、532nm、355nm激光能量大小的动态调节。

图5示出了本申请实施例的另一种激光波长切换装置的结构示意图。参见图5，上述实例三和实例四是通过将不同波长光通过分色镜分离单独实现波长的切换。在实际应用中，有时需要多波长光混合同轴输出、或者每种波长光单独输出时也要保证都在同一光轴，对于该情况，将结构更改如图5所示。倍频系统包括一个二倍频元件101和一个三倍频元件102，所述切换装置还包括，窗口片，其包括第一窗口片401及第二窗口片402，第一窗口片401对基频光1064nm高透，第二窗口片402对1064nm、532nm和355nm光高透，基频光经过所述第一窗口片401透射到所述分光系统后射出并经过所述第二窗口片102射出。所述切换装置还包括，吸收盒501，502，其配置于分光系统的侧面，用于吸收镜片反射激光。分光系统20，通过改变不同分色镜参数可以实现不同波长激光单独输出，两片分色镜呈90°放置，结构件可拆卸更换。用于补偿镜片折射对光路的偏折，实现三波长激光、混合激光同轴输出。具1064nm基频光依次入射二、三倍频LBO晶体；选择两片分色镜参数为532nm光高透，1064nm和355nm光高反，用能量计监测532nm光能量；调节二倍频LBO晶体温度使得532输出能量最高，此时二倍频调节完成；选择两片分色镜参数为355nm光高透，1064nm和532nm光高反，用能量计监测355nm光能量；调节三倍频LBO晶体温度使得355输出能量最高，此时三倍频调节完成。需要说明的是，本实施例的装置同样适用四倍频等更高倍频。

当需要三波长混合输出时，撤掉分光系统20，并且改变二、三倍频晶体温度可以实现三波长不同能量分配；

当需要1064nm基频光输出时，分光系统20选用分光镜参数为1064nm光高透，532nm和355nm光高反，同时降低二、三倍频系统温度至倍频效率最低，便可最大获得1064nm基频光输出，亦可以一定范围动态调节能量大小；

当需要532nm基频光输出时，分光系统20选用分光镜参数为532nm光高透，1064nm和355nm光高反，同时降低三倍频系统温度至倍频效率最低，便可最大获得532nm基频光输出，亦可以一定范围动态调节能量大小；

当需要355nm基频光输出时，分光系统20选用分光镜参数为355nm光高透，1064nm和532nm光高反，便可最大获得355nm基频光输出，亦可以一定范围动态调节能量大小。

应当理解的是，本文提及的“至少一个”是指一个或多个，“多个”是指两个或两个以上。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，A/B可以表示A或B；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，为了便于清楚描述本申请实施例的技术方案，在本申请的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不是对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。

以上所述为本申请提供的示例性实施例，并不用以限制本申请实施例，凡在本申请实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims

1.一种激光波长切换装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的切换装置，其特征在于，所述切换装置还包括：分光系统，其包括至少一个分色镜，用于将所述混合光的波长分离。

3.根据权利要求2所述的切换装置，其特征在于，所述分光系统包括至少两个分色镜，其中每个分色镜的镜片与混合光呈预设角度配置。

4.根据权利要求3所述的切换装置，其特征在于，所述的分光系统包括：

5.根据权利要求3所述的切换装置，其特征在于，所述的分光系统包括：

第三分色镜、第四分色镜及第五分色镜，其中，混合光包括第一波长的光、第二波长的光及第三波长的光，混合光经过第三分色镜透射第一波长的光，第二波长的光经过所述第三分色镜反射到第四分色镜反射射出，第三波长的光透射第四分色镜后经第五分色镜反射射出。

6.根据权利要求1-5任一项所述的切换装置，其特征在于，所述控温系统包括：

温度监测元件，其用于监测倍频晶体温度；

控温元件，其用于在不挪动倍频晶体的条件下改变倍频晶体温度实现变频光的波长分离或对不同波长激光的能量或功率大小实现调节。

7.根据权利要求1-5任一项所述的切换装置，其特征在于，所述倍频晶体为对温度敏感的非线性晶体。

8.一种激光波长切换装置，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的切换装置，其特征在于，所述切换装置还包括，窗口片，其包括第一窗口片及第二窗口片，基频光经过所述第一窗口片透射到所述分光系统后射出并经过所述第二窗口片射出。

10.根据权利要求8或9所述的切换装置，其特征在于，所述切换装置还包括，吸收盒，其配置于分光系统的侧面，用于吸收镜片反射光。