CN114649728A - 一种飞秒三倍频脉冲激光发生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种飞秒三倍频脉冲激光发生装置，包括基频光飞秒激光器、二倍频晶体和三倍频晶体，所述二倍频晶体与三倍频晶体之间设有用于补偿时域和空间上的走离效应的走离补偿晶体组，以及控制两脉冲光偏振方向的双波长波片；所述基频光飞秒激光器输出的飞秒激光依次经过二倍频晶体、走离补偿晶体组、双波长波片、三倍频晶体后输出。该发明将基频光与二倍频光的时域和空间走离补偿、两脉冲光偏振方向的控制以及三倍频的产生都发生在同一段简短光路中，不仅光程大大缩短使系统变的更加紧凑，也能有效的补偿时域和空间上的走离效应以提高转换效率。

Description

一种飞秒三倍频脉冲激光发生装置及方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种飞秒三倍频脉冲激光发生装置及方法。

背景技术

随着近年来智能手机设计不断向着全面屏的方向演进，也出现了“刘海屏”，“挖孔屏”等多种异形屏，如何对蓝宝石等硬度高且脆的面板材质进行加工，成为了考验加工工艺的难题。相比于传统的1 μm 左右的红外激光器而言，波长在0.4 μm 以下的紫外激光器，能创造一个聚焦更集中的光斑，保持最小的热影响区，从而可以实现精度更高尺寸更小的超精密微加工。此外，紫外短波长本身的特性对金属和聚合物的机械微处理具有天然的优越性，由于它的光斑可以被聚焦到亚微米量级上，因此可以达到很高的加工精度和质量，即使在不高的脉冲能量下，也能得到很高的能量密度，可以实现加工一些极其复杂的微结构。因此，脉宽短、单脉冲能量大、重复频率高的超快激光技术与先进微纳加工技术的结合将是未来的主要发展方向。

通常，紫外飞秒脉冲的产生，主要有两种方案，第一种方案是通过在稀有气体或者空心光子晶体光纤中进行四波混频，从而来产生紫外超快脉冲激光[Optics Letters Vol.44, Issue 22, pp. 5509-5512 (2019)]，由于三阶非线性效应的效率低，通常产生的飞秒脉冲能量较低，报道的最高转换效率为能量27μJ的266 nm 紫外脉冲的输出[OpticsLetters Vol. 45, Issue 20, pp. 5648-5651 (2020)]；第二种方案是基于1微米掺镱飞秒光纤激光器出发，利用二阶非线性效应，先倍频再进行和频来产生紫外飞秒脉冲，由于这种方案需要使用两个非线性晶体，例如BBO晶体(偏硼酸钡晶体)或LBO晶体(硼酸锂)，最初基频泵浦光束-红外(IR)激光-在传播通过第一块非线性晶体时生成其二次谐波(SH)，再于第二块非线性晶体中，将倍频光子与基频光子组合以输出频率是基频三倍的紫外光子。

对于低能量超短飞秒脉冲而言，为达到有效非线性转换所需的GW/cm²量级的光强度，需要通过聚焦方式来实现。在这种条件下，时域上群速度失配和空间上的走离效应成为了影响超短脉冲和频转换效率的重要因素。在传统的设计中，一般先将第一块非线性晶体中产生的二次谐波与剩余的基频光分离，在对时空走离和偏振旋转进行补偿后，再通过延迟光路使两个脉冲再次在第二块非线性晶体中进行重叠产生三倍频[激光与光电子学进展, 2008, 45(6): 73]。由于这种装置光程较长，增加了系统复杂性。相比而言，另外一种有效的补偿方式是通过在光路中增加时空补偿版，如文献[Chinese Optics Letters Vol.19, Issue 3, pp. 031402- (2021)]所示，该文献中用一个双折射晶体同时补偿时域和空间上的走离，由于单晶体的限制无法同时补偿好两脉冲时空上走离，导致效率提高有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种飞秒三倍频脉冲激光发生装置，至少可以解决现有技术中存在的部分缺陷。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种飞秒三倍频脉冲激光发生装置，包括基频光飞秒激光器、二倍频晶体和三倍频晶体，所述二倍频晶体与三倍频晶体之间设有用于补偿时域和空间上的走离效应的走离补偿晶体组，以及控制两脉冲光偏振方向的双波长波片；所述基频光飞秒激光器输出的飞秒激光依次经过二倍频晶体、走离补偿晶体组、双波长波片、三倍频晶体后输出。

进一步的，所述走离补偿晶体组包括时域走离补偿晶体和空间走离补偿晶体，所述时域走离补偿晶体设置于二倍频晶体和空间走离补偿晶体之间，所述空间走离补偿晶体设置于时域走离补偿晶体和双波长波片之间。

进一步的，所述二倍频晶体、时域走离补偿晶体、空间走离补偿晶体、双波长波片和三倍频晶体均单独通过铝支架固定，且相邻两个晶体之间留有1～2mm空间距离。

进一步的，所述时域走离补偿晶体为α-BBO晶体或者方解石晶体，所述空间走离补偿晶体为α-BBO晶体。

进一步的，所述时域走离补偿晶体为长度1mm，切割角度63.8°的α-BBO晶体。

进一步的，上述飞秒三倍频脉冲激光发生装置还包括在基频光飞秒激光器和二倍频晶体之间依次设置的功率调节组件、偏振调节组件、准直组件和透镜组件。

进一步的，所述功率调节组件包括第一半波片和偏振分束镜，所述偏振调节组件包括第二半波片，所述第二半波片与第一半波片、偏振分束镜同光轴布置，所述准直组件包括第一全反镜和第二全反镜，第一全反镜和第二全反镜倾斜布置，且第一全反镜和第二全反镜的中心轴线相互垂直，所述透镜组件包括间隔布置第一透镜和第二透镜，所述第一透镜、第二透镜与二倍频晶体同光轴布置。

进一步的，所述基频光飞秒激光器采用掺镱脉冲飞秒光纤激光器，其输出频率为100～2000kHz，脉宽为300fs，波长1μm范围内的红外光脉冲。

进一步的，所述二倍频晶体采用按照第一类临界相位匹配角切割的β-BBO晶体。

另外，本发明还提供了一种飞秒三倍频脉冲激光发生方法，采用上述飞秒三倍频脉冲激光发生装置，具体包括如下过程：

1)基频光飞秒激光器输出的飞秒激光通过二倍频晶体发生二倍频效应，产生二倍频光和基频光；

2)二倍频光和基频光依次通过走离补偿晶体组进行时间和空间上重叠，实现空间和时间上补偿，并通过双波长波片改变基频光的偏振方向，二倍频光偏振保持不变；

3)二倍频光和基频光再一起进入三倍频晶体得到紫外激光，产生的紫外激光在双色镜作用下，与红外和绿光分开，最终得到紫外激光输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供的这种飞秒三倍频脉冲激光发生装置中将基频光与二倍频光的时域和空间走离补偿、两脉冲光偏振方向的控制以及三倍频的产生都发生在同一段简短光路中，不仅光程大大缩短使系统变的更加紧凑，也能有效的补偿时域和空间上的走离效应以提高转换效率。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明飞秒三倍频脉冲激光发生装置的光路示意图；

图2是本发明实施例中脉冲在各晶体间传播时偏振方向及时域相对位置示意图；

图3是本发明实施例中1mmα-BBO晶体不同切割角度下时域及空间补偿大小示意图；其中，(a)入射角为6°时域和空间的补偿大小，(b)切割角度为63.8°时，时域补偿大小随不同入射角时变化，(c)入射角为0°时，时域补偿大小随不同切割角变化，(d)入射角为0°时，空间补偿大小随不同切割角变化。

附图标记说明：1、基频光飞秒激光器；2、第一半波片；3、偏振分束镜；4、第二半波片；5、第一全反镜；6、第二全反镜；7、第一透镜；8、第二透镜；9、二倍频晶体；10、时域走离补偿晶体；11、空间走离补偿晶体；12、双波长波片；13、三倍频晶体；14、双色镜；15、第三全反镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，本实施例提供了一种飞秒三倍频脉冲激光发生装置，包括基频光飞秒激光器1、二倍频晶体9和三倍频晶体13，所述二倍频晶体9与三倍频晶体13之间设有用于补偿时域和空间上的走离效应的走离补偿晶体组，以及控制两脉冲光偏振方向的双波长波片12。在本实施例中，基频光飞秒激光器1输出飞秒激光经过二倍频晶体9发生二倍频效应，产生二倍频光和基频光，由于二倍频晶体9存在空间走离角，经过二倍频晶体9后基频光及产生的二倍频光产生空间走离距离，同时基频光与二倍频光的群速度失配，经过二倍频晶体9后基频光及产生的二倍频光两脉冲时域上将分开，为了有效产生三次谐波，在二倍频晶体9与三倍频晶体13之间设计走离补偿晶体组，实现二倍频晶体9与三倍频晶体13之间光路中时间和空间上走离效应补偿，并且设计双波长波片12控制偏振方向，使得基频光与二倍频光再次在非线性晶体中空间和时间上进行重叠，最后经三倍频晶体13产生三倍频光后输出。本实施例提供的这种飞秒三倍频脉冲激光发生装置将基频光与二倍频光的时域和空间走离补偿、两脉冲光偏振方向的控制以及三倍频的产生都发生在同一段简短光路中，不仅光程大大缩短使系统变的更加紧凑，也能有效的补偿时域和空间上的走离效应以提高转换效率。

具体的，本实施例中基频光飞秒激光器1可以采用商用掺镱(Yb)脉冲飞秒光纤激光器作为泵浦源，该泵浦源输出频率为100～2000kHz，脉宽为300fs，波长1μm范围内的红外光脉冲。

为了有效产生二倍频光，所述二倍频晶体9采用按照第一类（o + o → e）临界相位匹配角切割的β-BaB₂O₄（β-BBO）晶体，具体的，β-BBO晶体的长为1.5 mm，口径为5mm×5mm，切割角度为φ=90°及θ=23.4°。由于β-BBO晶体的空间走离角约为2.70，经过该1.5mm的二倍频晶体9后基频光及产生的二倍频光空间走离距离约为70μm；此外，BBO晶体基频光与倍频光的群速度失配约为94 fs/mm，经过该1.5mm的二倍频晶体9后，两脉冲时域上将分开141fs，如图2所示；基于此，为了有效的产生三次谐波，则要求基频光与二倍频光再次在非线性晶体中空间和时间上进行重叠，因而在二倍频与三倍频之间设计相应的补偿晶体，以及控制偏振方向的双波长波片。

细化的实施方式，所述走离补偿晶体组包括时域走离补偿晶体10和空间走离补偿晶体11，所述时域走离补偿晶体10设置于二倍频晶体9和空间走离补偿晶体11之间，所述空间走离补偿晶体11设置于时域走离补偿晶体10和双波长波片12之间。进一步的，所述二倍频晶体9、时域走离补偿晶体10、空间走离补偿晶体11、双波长波片12和三倍频晶体13均单独通过铝支架固定，然后将铝支架组装在一起，二倍频晶体9、时域走离补偿晶体10、空间走离补偿晶体11、双波长波片12和三倍频晶体13同光轴布置，并在相邻两个晶体之间留有1～2mm空间距离。

可选的，所述时域走离补偿晶体10选用α-BBO晶体或者方解石晶体，通过选择适当的长度和切割角度 θ（晶体表面与光轴的夹角），来实现补偿的目的；时域走离补偿晶体10优选α-BBO晶体，其具有更高的损伤阈值以及更好的抛光质量。所述空间走离补偿晶体11亦可选用为α-BBO晶体。

优化的实施方式，上述飞秒三倍频脉冲激光发生装置还包括在基频光飞秒激光器1和二倍频晶体9之间依次设置的功率调节组件、偏振调节组件、准直组件和透镜组件。具体的，所述功率调节组件包括第一半波片2和偏振分束镜3，通过旋转第一半波片2实现控制入射光功率大小；所述偏振调节组件包括第二半波片4，第二半波片4用于控制入射光到二倍频晶体9的偏振方向，所述第二半波片4与第一半波片2、偏振分束镜3同光轴布置；所述准直组件包括第一全反镜5和第二全反镜6，第一全反镜5和第二全反镜6均倾斜布置，且第一全反镜5和第二全反镜6的光轴线相互垂直，第一全反镜5和第二全反镜6用于准直入射光束；所述透镜组件包括间隔布置的第一透镜7和第二透镜8，所述第一透镜7、第二透镜8与二倍频晶体9同光轴布置，通过透镜组件实现光束整形从而获得想要的光斑尺寸。

一种具体的实施方式，经过二倍频晶体9产生的基频光(1034 nm)与二倍频光（517nm）在α-BBO切割成不同角度时，其时域及空间上的补偿大小如图3(a)所示。由于空间走离补偿晶体11、双波长波片12以及各补偿晶体之间空气都会造成一定量的时域上的分离，为此，需要先计算后面光路造成的时间走离提前做预补偿。如图3(c)和图3(d)所示，基频光（1034 nm）与二倍频光（517 nm）在1mm长，正入射（入射角为0°）时不同切割角度下的时间及空间补偿大小，当切割角度约为34.7°时，两脉冲走离距离正好为70μm，此时空间走离补偿晶体11造成的时域走离约为10 fs，1 mm 厚的石英双波长波片12造成的两脉冲时域走离约为75 fs，因此，总的光学器件导致的时域走离约为226 fs。通过理论计算，当时域走离补偿晶体10切割角度约为63.8°时，此时时域补偿正好为226 fs，造成的空间走离约为4μm，如图3(a)所示。因此，时间补偿版相比于二倍频晶体造成的空间走离可以忽略不计，并且可以补偿二倍频至三倍频光路中所有时域走离效应；此外，通过微调入射角度，亦可以预补偿晶体之间空气中传播导致的两脉冲激光光时间分离，其补偿大小随入射角的变化如图3(b)所示，因此，通过微调时域走离补偿晶体10的入射角最终可以实现时间和空间上补偿效果。之后，基频光的偏振通过双波长半波片12旋转90°，二倍频光偏振依然保持不变，两脉冲激光再一起进入三倍频晶体13得到紫外激光，产生的紫外激光在双色镜14作用下，与红外和绿光分开，最终得到紫外激光经第三全反镜15后输出。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞秒三倍频脉冲激光发生装置，其特征在于：包括基频光飞秒激光器、二倍频晶体和三倍频晶体，所述二倍频晶体与三倍频晶体之间设有用于补偿时域和空间上的走离效应的走离补偿晶体组，以及控制两脉冲光偏振方向的双波长波片；所述基频光飞秒激光器输出的飞秒激光依次经过二倍频晶体、走离补偿晶体组、双波长波片、三倍频晶体后输出。

2.如权利要求1所述的一种飞秒三倍频脉冲激光发生装置，其特征在于：所述走离补偿晶体组包括时域走离补偿晶体和空间走离补偿晶体，所述时域走离补偿晶体设置于二倍频晶体和空间走离补偿晶体之间，所述空间走离补偿晶体设置于时域走离补偿晶体和双波长波片之间。

3.如权利要求2所述的一种飞秒三倍频脉冲激光发生装置，其特征在于：所述二倍频晶体、时域走离补偿晶体、空间走离补偿晶体、双波长波片和三倍频晶体均单独通过铝支架固定，且相邻两个晶体之间留有1～2mm空间距离。

4.如权利要求2所述的一种飞秒三倍频脉冲激光发生装置，其特征在于：所述时域走离补偿晶体为α-BBO晶体或者方解石晶体，所述空间走离补偿晶体为α-BBO晶体。

5.如权利要求4所述的一种飞秒三倍频脉冲激光发生装置，其特征在于：所述时域走离补偿晶体为长度1mm，切割角度63.8°的α-BBO晶体。

6.如权利要求1所述的一种飞秒三倍频脉冲激光发生装置，其特征在于：还包括在基频光飞秒激光器和二倍频晶体之间依次设置的功率调节组件、偏振调节组件、准直组件和透镜组件。

7.如权利要求6所述的一种飞秒三倍频脉冲激光发生装置，其特征在于：所述功率调节组件包括第一半波片和偏振分束镜，所述偏振调节组件包括第二半波片，所述第二半波片与第一半波片、偏振分束镜同光轴布置，所述准直组件包括第一全反镜和第二全反镜，第一全反镜和第二全反镜倾斜布置，且第一全反镜和第二全反镜的中心轴线相互垂直，所述透镜组件包括间隔布置第一透镜和第二透镜，所述第一透镜、第二透镜与二倍频晶体同光轴布置。

8.如权利要求1所述的一种飞秒三倍频脉冲激光发生装置，其特征在于：所述基频光飞秒激光器采用掺镱脉冲飞秒光纤激光器，其输出频率为100～2000kHz，脉宽为300fs，波长1μm范围内的红外光脉冲。

9.如权利要求1所述的一种飞秒三倍频脉冲激光发生装置，其特征在于：所述二倍频晶体采用按照第一类临界相位匹配角切割的β-BBO晶体。

10.一种飞秒三倍频脉冲激光发生方法，其特征在于，采用如权利要求1～8任一项所述的飞秒三倍频脉冲激光发生装置，包括如下过程：

1)基频光飞秒激光器输出的飞秒激光通过二倍频晶体发生二倍频效应，产生二倍频光和基频光；

2)二倍频光和基频光依次通过走离补偿晶体组进行时间和空间上重叠，实现空间和时间上补偿，并通过双波长波片改变基频光的偏振方向，二倍频光偏振保持不变；

3)二倍频光和基频光再一起进入三倍频晶体得到紫外激光，产生的紫外激光在双色镜作用下，与红外和绿光分开，最终得到紫外激光输出。

Images