CN114421262A - 一种采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置及方法 - Google Patents

一种采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置及方法 Download PDF

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    • H01S3/109—Frequency multiplication, e.g. harmonic generation

Abstract

本发明提供了一种采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置及方法，该装置包括用于输出红外激光基频激光器，所述红外激光经该第一晶体转化后形成部分红外激光转化的绿光激光和剩余的第一残余红外激光，然后经过第二晶体转化后，形成紫光激光、残余绿光激光和第二残余红外激光，该三种光以布儒斯特角入射无需镀膜的佩林布洛卡棱镜进行分光，入射的紫光激光经折射、全反射后依然按布儒斯特角出射，实现紫光光斑无畸变且光束偏转90度输出，达到快速方便调试的效果，且佩林布洛卡棱镜无需镀膜，不会引入膜层对紫光损伤的问题，确保了本发明紫光输出功率不受损失，提高使用寿命的有益效果。

Description

一种采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置及方法
技术领域
本发明涉及紫外激光器技术领域，具体涉及一种采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置及方法。
背景技术
紫外激光器因其输出波长更短，光子能量更高，聚焦光斑更小，与材料作用时直接破坏连接物质原子组分的化学键，所以加工时几乎无热效应，广泛应用于FPC切割，电路板切割，非金属打标等精细加工领域。
紫外激光器基本都是采用红外激光依次进行二倍频和/或三倍频晶体输出紫外激光。目前，紫外激光器大多会用多片双色镀膜镜片(如紫外高反射，红外和绿光高透射或紫外高透射，红外和绿光高反射的膜系)对残余红外和绿光激光进行滤除，输出干净的紫外激光，此种紫外激光器采用多片镀膜镜片，因膜层材料容易吸收紫外，造成膜层损伤，进而使激光输出功率下降，输出光束模式变差，激光器使用寿命大打折扣。
再者，还有将三(或四)倍频晶体输出面做成布儒斯特角，因折射率和偏振不同对输出三种波长光进行分离，光斑形状发生了畸变变化，如：由圆形变为椭圆形，若要恢复原形状，还需要再用棱镜、棱镜组或柱透镜组进行光斑整形，造成系统结构复杂，且调试起来也极不方便。
因此，对于本领域技术人员来说，亟需研发一种紫外激光器，以解决上述问题所带来的困扰。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置，以解决现有技术中因镀膜镜片而造成的紫光输出功率损失，进而影响使用寿命，及因光斑整形系统而造成的系统复杂，调试不便的问题，进而本发明在实现结构简单、调试操作方便的同时，也能够实现确保紫光输出功率不受损失，提高使用寿命的有益效果。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置，包括：
基频激光器，用于输出红外激光；
第一晶体，所述红外激光入射所述第一晶体，经该第一晶体转化后，形成第一合频体激光，所述第一合频体激光包括绿光激光和剩余的第一残余红外激光；
第二晶体，所述第一合频体激光入射所述第二晶体，经该第二晶体转化后，形成第二合频体激光，所述第二合频体激光包括紫光激光、残余绿光激光和第二残余红外激光；
无需镀膜的佩林布洛卡棱镜，所述第二合频体激光以布儒斯特角入射所述佩林布洛卡棱镜的第一直角面进行分光，入射的所述紫光激光经折射、全反射后依然按布儒斯特角出射，形成出射的所述紫光激光，入射的所述紫光激光的方向与出射的所述紫光激光的方向之间的夹角为90°，所述残余绿光激光和第二残余红外激光以不同的角度出射，并均由废光吸收座收集。
进一步地，所述第二晶体的出射面的倾斜角度不大于5°，以确保输出的紫光激光、残余绿光激光和第二残余红外激光不易产生分光，及确保紫光激光几乎无形状变化的效果。
进一步地，所述第一晶体为二倍频晶体，所述第二晶体为三倍频晶体或四倍频晶体。
进一步地，还包括光束变换组件，所述光束变换组件位于所述红外激光器与所述二倍频晶体之间和/或所述二倍频晶体与所述三倍频晶体或四倍频晶体之间。
进一步地，所述光束变换组件为单透镜或多透镜组。
进一步地，所述二倍频晶体为两端面均镀有增透膜的LBO,BBO,CLBO，KTP,BIBO晶体等非线性变频晶体。
进一步地，所述第二晶体为入射面镀有增透膜的LBO,BBO,CLBO等非线性变频晶体。
进一步地，所述佩林布洛卡棱镜的材料为紫外熔石英或CaF2等对紫外光吸收弱的材料。
进一步地，出射的所述紫光激光的脉冲宽度输出为纳秒，皮秒和/或飞秒。
进一步地，所述红外激光波长为掺杂稀土离子辐射的波长，所述稀土离子优选但不限于为Nd，Yb；其中，Yb辐射的是一个宽带为1025～1045nm的红外激光波长，进一步优选为1030nm；Nd辐射的红外激光波长为1064nm或者1053nm。
进一步地，所述基频激光器为全固体红外激光器、全光纤红外激光器或者光纤、固体混合结构的红外激光器。
本发明实施例还提供了一种利用上述实施例所述的紫外激光器装置实现输出紫光激光的方法，基频激光器输出红外激光，该红外激光经过第一晶体转化后，形成第一合频体激光，所述第一合频体激光包括部分红外激光转化的绿光激光和剩余的第一残余红外激光；所述第一合频体激光经过第二晶体转化后，形成包括转化的紫光激光、残余绿光激光和第二残余红外激光的第二合频体激光，所述第二合频体激光以布儒斯特角入射无需镀膜的佩林布洛卡棱镜的第一直角面进行分光，入射的所述紫光激光经折射、全反射后依然按布儒斯特角出射，形成出射的所述紫光激光，入射的所述紫光激光的方向与出射的所述紫光激光的方向的夹角为90°，所述残余绿光激光和第二残余红外激光以不同的角度出射，并均由废光吸收座收集。
本发明的有益效果：
本发明通过提供的一种采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置，对三波长进行光分离，实现不但不会对光斑形状造成影响，而且还不用再对紫外激光进行整形，结构简单，操作调试方便。
再者，本发明通过第二合频体激光以布儒斯特角入射佩林布洛卡棱镜的第一直角面进行分光，入射的紫光激光经折射、全反射后依然按布儒斯特角出射，实现紫光光斑无畸变且光束偏转90度输出，达到快速方便调试的效果，且佩林布洛卡棱镜无需镀膜，不会引入膜层对紫光损伤的问题，确保了本发明紫光输出功率不受损失，提高使用寿命的有益效果。
具体地，本发明通过基频激光器输出红外激光，该红外激光入射第一晶体(二倍频晶体)后，转化成绿光激光和第一残余红外激光；然后，该绿光激光和第一残余红外激光入射进第二晶体(三倍频晶体或四倍频晶体)后，转化成第二合频体激光(包括紫光激光、残余绿光激光和第二残余红外激光)；最后，第二合频体激光以布儒斯特角入射佩林布洛卡棱镜的第一直角面进行分光，入射的紫光激光经折射、全反射后依然按布儒斯特角出射，形成出射的紫光激光，入射的紫光激光的方向与出射的紫光激光的方向之间的夹角为90°，实现紫光光斑无畸变且光束偏转90度输出，达到快速方便调试的效果。
附图说明
以下附图是用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，且仅旨在于对本发明做示意性的解释和说明，并非用以限制本发明的范围。在附图中：
图1为本申请实施例一中的一种采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置的结构示意图；
图2为本申请实施例二中的一种采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置结构示意图；
图3为本申请实施例三中的一种采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置结构示意图；
图4为本申请实施例四中的一种采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置示意图；
图5为本申请实施例五中的一种采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置示意图。
附图标记：
1、基频激光器；10、红外激光；2、二倍频晶体；2’、第一晶体；20、第一合频光；21、二倍频晶体入射面；22、二倍频晶体出射面；3、第二晶体；30、第二合频光；301、第二晶体出射面；31、三倍频晶体；310、三倍频晶体出射面；32、四倍频晶体；320、四倍频晶体出射面；321、四倍频晶体入射面；4、佩林布洛卡棱镜；41、第一直角面；42，布洛斜面；43、第二直角面；61、第一光束变换组件；62、第一光束变换组件；θb、布儒斯特角。
具体实施方式
下面将以图式揭露本申请的若干个实施方式，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，构成本申请的一部分说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及说明是用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，除非单独定义指出的方向以外，本文中涉及到的上、下、左、右等方向均是以本申请实施例图1所示的上、下、左、右等方向为准，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应随之改变。“若干个”、“多个”的含义是指两个或两个以上，“至少一个”的含义是指一个或一个以上，在此一并说明，本申请使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。此外，在本公开各个实施例中，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以互相结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求保护的范围之内。
实施例一
结合图1所示，本实施例提供了一种采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置，该装置包括基频激光器1，用于输出红外激光10，该红外激光10经第一晶体入射面入射进第一晶体2’内，经过第一晶体2’转化后，形成包括部分红外激光转化的绿光激光和剩余的第一残余红外激光的第一合频体激光20，然后，第一合频体激光20入射进第二晶体3内，经过第二晶体3转化后，经第二晶体出射面301出射形成第二合频体激光30，该第二合频体激光30包括转化产生的紫光激光、残余绿光激光和第二残余红外激光；所述第二合频体激光30以布儒斯特角θb入射进无需镀膜的佩林布洛卡棱镜4的第一直角面41进行分光，由于残余的绿光激光、第二残余红光激光和产生的紫光激光三个波长的偏振和折射率不一样，入射的紫光激光经佩林布洛卡棱镜4的两个直角面(第一直角面41、第二直角面43)的折射、一次布洛斜面42的全反射后依然按布儒斯特角θb出射，形成出射的无损紫光激光，入射的紫光激光的方向与出射的紫光激光的方向之间的夹角为90°；残余的绿光激光、第二残余红光激光以其它不同的角度出射，并均由废光吸收座5收集。
需要说明的是，所谓的“第二合频体激光”是指部分红外激光转化的绿光激光和剩余的第一残余红外激光的出射方向相同，“第二合频体激光30”是指经第二晶体转化后残余的绿光激光、第二残余红光激光和产生的紫光激光的出射方向相同，故称其为合频体激光。所谓佩林布洛卡棱镜常用于分离激光束的谐波，也可以用来补偿群速度色散。由于光线以接近布儒斯特角进出棱镜，最大限度地减少了P偏振光的损耗。光束以布儒斯特角进入棱镜之后，会经过一次全反射，然后以布儒斯特角出射，出射光相对于入射光被偏转了90度。所谓布儒斯特角，又称偏振角(Brewster's angle)，是自然光经电介质界面反射后，反射光为线偏振光所应满足的条件。自然光在电介质界面上反射和折射时，一般情况下反射光和折射光都是部分偏振光，只有当入射角为某特定角时反射光才是线偏振光，其振动方向与入射面垂直，此特定角称为布儒斯特角或起偏角，用θb表示。
作为一种优选的实施方式，本实施例中的佩林布洛卡棱镜的材料优选但不限于紫外熔石英或CaF2，还可以为其它对紫外光吸收弱的材料。出射的紫光激光的脉冲宽度优选但不限于为纳秒，皮秒或飞秒，还可以为连续光。进一步地，本实施例中的基频激光器1优选但不限于为全固体红外激光器、全光纤红外激光器或者光纤、固体混合结构的红外激光器。其中，所谓的纳秒ns,属于短脉冲，主要应用于激光标刻、钻孔、医疗及快速成型；皮秒ps、飞秒fs，属于超短脉冲分类，主要应用于微钠加工、精细激光医疗、精密钻孔及精密切割。
利用本实施例的技术方案，本发明实施例通过提供的一种采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置，对三波长进行光分离，实现不但不会对紫光激光的光斑形状造成影响，而且还不用再对紫外激光进行整形，结构简单，操作调试方便。再者，通过第二合频体激光以布儒斯特角入射佩林布洛卡棱镜的第一直角面进行分光，入射的紫光激光经折射、全反射后依然按布儒斯特角出射，实现紫光光斑无畸变且光束偏转90度输出，达到快速方便调试的效果，且佩林布洛卡棱镜无需镀膜，不会引入膜层对紫光损伤的问题，确保了本发明紫光输出功率不受损失，提高使用寿命的有益效果。
实施例二
本实施例相对于实施例一不同的是，作为一种优选的实施方式，结合图2所示的一种掺杂Nd的红外激光的采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置结构示意图，本实施例中的第一晶体为二倍频晶体2，第二晶体为三倍频晶体31。进一步地，二倍频晶体2的两端面(二倍频晶体入射面21、二倍频晶体出射面22)均镀有增透膜，二倍频晶体2优选但不限于为临界相位匹配或非临界相位匹配的LBO晶体,BBO晶体,KTP晶体或者CLBO晶体等非线性光学晶体；三倍频晶体入射面311镀有增透膜，其出射面可镀增透膜，还可选不镀增透膜，三倍频晶体31优选但不限于临界相位匹配的LBO晶体,BBO晶体,CLBO，KBBF等非线性变频晶体。
具体地，本实施例通过基频激光器输出红外激光，该红外激光入射二倍频晶体后，转化成绿光激光和第一残余红外激光；然后，该绿光激光和第一残余红外激光入射进三倍频晶体后，转化成第二合频体激光(包括紫光激光、残余绿光激光和第二残余红外激光)；最后，第二合频体激光以布儒斯特角入射佩林布洛卡棱镜的第一直角面进行分光，入射的紫光激光经折射、全反射后依然按布儒斯特角出射，形成出射的紫光激光，入射的紫光激光的方向与出射的紫光激光的方向之间的夹角为90°，实现紫光光斑无畸变且光束偏转90度输出，达到快速方便调试的效果。
实施例三
本实施例相对于实施例二不同的是，本实施例中的紫外激光器装置还包括用于光斑扩束，缩束，聚焦或整形的光束变换组件，如图3所示，该光束变换组件为第一光束变换组件61，所述第一光束变换组件61位于红外激光器与二倍频晶体2之间。即是说，红外激光经过第一光束变换组件61对红外激光进行光束变换调整后进入二倍频晶体，该第一光束变换组件61用于光斑扩束，缩束，准直、聚焦或整形等方式调整光斑的大小。
需要说明的是，本实施例中的第一光束变换组件包括单透镜和多透镜组等。
实施例四
本实施例相对于实施例二、实施例三不同的是，作为一种优选的实施方式，结合图4所示的一种采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置结构示意图；本实施例中的第二晶体为四倍频晶体32，四倍频晶体入射面321镀有增透膜，其出射面320可镀增透膜，还可选不镀增透膜，四倍频晶体31优选但不限于LBO晶体,BBO晶体,CLBO，KBBF等非线性变频晶体。
再者，本实施例中的光束变换组件为位于二倍频晶体2和四倍频晶体32之间的第二光束变换组件62，该第二光束变换组件62包括单透镜和多透镜组，用于对残余的未转换的第一残余红外激光和转化的绿光激光进行光束变换，如扩束，缩束，准直、聚焦或整形等方式调整光斑的大小后，进入到四倍频晶体转化输出紫外激光。
实施例五
本实施例相对于实施例三、实施例四不同的是，作为一种优选的实施方式，结合图5所示的一种采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置结构示意图；本实施例中的光束变换组件为位于红外激光器与二倍频晶体2之间的第一光束变换组件61和位于二倍频晶体2和四倍频晶体32之间的第二光束变换组件62，即是说，红外激光经过第一光束变换组件61进行光束调整后，进入二倍频晶体进行转换，转换为绿光激光和第一残余红外激光，再经过第二光束变换组件62对残余的未转换的第一残余红外激光和转化的绿光激光进行光束变换，如扩束，缩束，聚焦或整形等方式进入到四倍频晶体输出紫外激光。当然，也可以不经光束变换直接调节二倍频晶体和四倍频晶体之间的距离，来调整光斑的大小，实现光束变换。
实施例六
本实施例提供了一种利用上述实施例一、实施例二、实施例三、实施例四或实施例五中的任一实施例的紫外激光器装置实现输出紫光激光的方法，该方法的步骤包括：S01基频激光器输出红外激光；S02该输出的红外激光经过第一晶体转化后，形成第一合频体激光，所述第一合频体激光包括部分红外激光转化的绿光激光和剩余的第一残余红外激光；S03第一合频体激光经过第二晶体转化后，形成包括转化的紫光激光、残余绿光激光和第二残余红外激光的第二合频体激光，所述第二合频体激光以布儒斯特角入射无需镀膜的佩林布洛卡棱镜的第一直角面进行分光，入射的所述紫光激光经折射、全反射后依然按布儒斯特角出射，形成出射的所述紫光激光，入射的所述紫光激光的方向与出射的所述紫光激光的方向的夹角为90°，所述残余绿光激光和第二残余红外激光以不同的角度出射，并均由废光吸收座收集。
综上所述，本发明通过提供的一种采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置，对三波长进行光分离，实现不但不会对光斑形状造成影响，而且还不用再对紫外激光进行整形，结构简单，操作调试方便。再者，本发明通过第二合频体激光以布儒斯特角入射佩林布洛卡棱镜的第一直角面进行分光，入射的紫光激光经折射、全反射后依然按布儒斯特角出射，实现紫光光斑无畸变且光束偏转90度输出，达到快速方便调试的效果，且佩林布洛卡棱镜无需镀膜，不会引入膜层对紫光损伤的问题，确保了本发明紫光输出功率不受损失，提高使用寿命的有益效果。
具体地，本发明通过基频激光器输出红外激光，该红外激光入射第一晶体(二倍频晶体)后，转化成绿光激光和第一残余红外激光；然后，该绿光激光和第一残余红外激光入射进第二晶体(三倍频晶体或四倍频晶体)后，转化成第二合频体激光(包括紫光激光、残余绿光激光和第二残余红外激光)；最后，第二合频体激光以布儒斯特角入射佩林布洛卡棱镜的第一直角面进行分光，入射的紫光激光经折射、全反射后依然按布儒斯特角出射，形成出射的紫光激光，入射的紫光激光的方向与出射的紫光激光的方向之间的夹角为90°，实现紫光光斑无畸变且光束偏转90度输出，达到快速方便调试的效果。
上述说明示出并描述了本申请的优选实施方式，但如前对象，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施方式的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文对象构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置，其特征在于，包括：
基频激光器，用于输出红外激光；
第一晶体，所述红外激光入射所述第一晶体，经该第一晶体转化后，形成第一合频体激光，所述第一合频体激光包括绿光激光和剩余的第一残余红外激光；
第二晶体，所述第一合频体激光入射所述第二晶体，经该第二晶体转化后，形成第二合频体激光，所述第二合频体激光包括紫光激光、残余绿光激光和第二残余红外激光；
无需镀膜的佩林布洛卡棱镜，所述第二合频体激光以布儒斯特角入射所述佩林布洛卡棱镜的第一直角面进行分光，入射的所述紫光激光经折射、全反射后依然按布儒斯特角出射，形成出射的所述紫光激光，入射的所述紫光激光的方向与出射的所述紫光激光的方向之间的夹角为90°，所述残余绿光激光和第二残余红外激光以不同的角度出射，并均由废光吸收座收集。
2.如权利要求1所述的采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置，其特征在于，所述第一晶体为二倍频晶体，所述第二晶体为三倍频晶体或四倍频晶体。
3.如权利要求2所述的采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置，其特征在于，还包括用于光斑扩束，缩束，聚焦或整形的光束变换组件。
4.如权利要求3所述的采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置，其特征在于，所述光束变换组件位于所述红外激光器与所述二倍频晶体之间和/或所述二倍频晶体与所述三倍频晶体或四倍频晶体之间。
5.如权利要求2所述的采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置，其特征在于，所述二倍频晶体的入射面、出射面均镀有相应波长的增透膜，所述二倍频晶体为LBO晶体、BBO晶体、CLBO晶体、KTP晶体或BIBO晶体。
6.如权利要求2所述的采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置，其特征在于，
所述第二晶体的入射面镀有相应波长的增透膜，所述第二晶体为LBO晶体、BBO晶体、CLBO晶体或KBBF晶体。
7.如权利要求1所述的采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置，其特征在于，所述佩林布洛卡棱镜的材料为紫外熔石英或CaF2。
8.如权利要求1所述的采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置，其特征在于，出射的所述紫光激光的脉冲宽度输出为纳秒，皮秒或飞秒。
9.如权利要求1-8任一所述的采用佩林布洛卡棱镜分光的紫外激光器装置，其特征在于，所述基频激光器为全固体红外激光器、全光纤红外激光器或者光纤、固体混合结构的红外激光器。
10.利用权利要求1所述的紫外激光器装置实现输出紫光激光的方法，其特征在于，基频激光器输出红外激光，该红外激光经过第一晶体转化后，形成第一合频体激光，所述第一合频体激光包括部分红外激光转化的绿光激光和剩余的第一残余红外激光；
所述第一合频体激光经过第二晶体转化后，形成包括转化的紫光激光、残余绿光激光和第二残余红外激光的第二合频体激光，所述第二合频体激光以布儒斯特角入射无需镀膜的佩林布洛卡棱镜的第一直角面进行分光，入射的所述紫光激光经折射、全反射后依然按布儒斯特角出射，形成出射的所述紫光激光，入射的所述紫光激光的方向与出射的所述紫光激光的方向的夹角为90°，所述残余绿光激光和第二残余红外激光以不同的角度出射，并均由废光吸收座收集。
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