CN115173213B - 一种提高激光变频时开关光功率快速响应的激光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高激光变频时开关光功率快速响应的激光装置，包括：红外基频激光发生器、光学调制开关系统和非线性光学频率变换系统。红外基频激光经光学调制开关系统分为有效光和无效光，有效光进入非线性光学频率变换系统，满足相应晶体的相位匹配条件而参与非线性光学频率变换，无效光不满足晶体相位匹配不参与非线性光学频率变换。将有效光和无效光同时入射到非线性光学频率变换系统，使其始终处于满功率基频光照射状态而处于恒温状态，控制不同比例的有效光进行有效光学变频实现不同功率的短波长激光输出，剩下的无效光不产生光学变频，解决了高低功率输入光导致的温度失配和调制开关激光热平衡时间等导致的不同功率开关功率响应不及时和不一致问题。

Description

一种提高激光变频时开关光功率快速响应的激光装置
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种提高激光变频时开关光功率快速响应的激光装置。
背景技术
在工业激光技术领域，短波长激光器特别是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(Flexible Printed Circuit，柔性电路板)切割，非金属打标等精细加工领域。
为了实现短波长激光输出，一般利用成熟的基频红外激光加非线性光学变频模块实现变频的短波长激光输出。其中非线性光学变频模块包括二倍频，三倍频和四倍频等，变频后激光波长涵盖绿光、紫外和深紫外波段等。短波长激光器因其单光子能量大，特别是紫外和深紫外激光器，高功率输出时容易对后续光学器件造成致命损伤，引起激光输出功率衰减和光束质量下降等。
目前，实现短波长激光开关和功率调节有两种方式，一是直接用短波长激光光开关器件直接调制开关激光输出，二是利用基频激光光开关器件调制开关基频激光，实现变频短波长激光的间接调制开关激光输出。相比于前者容易导致后续的光器件损伤，显然后者为更优方案。目前绝大部分短波长激光器，特别是紫外和深紫外激光器，采用后者。后者一般利用声光调制器(AOM)，电光调制器(EOM)和旋转玻片/偏振器等分光系统实现调制开关激光，经过前述的分光光学系统，基频激光分为两部分，一部分提供给后续变频模块进行有效非线性频率变换的激光我们称之为有效光，另一部分不参与后续非线性变频的激光我们称之为无效光。目前的激光器直接将这一部分无效光从变频模块前当成废光导出，这样的光学结构简单，也能满足大部分激光加工需求，但也会带来高低功率调制开关光时，功率响应速度慢，且高低功率输出响应速度不一致等问题，严重时会带来激光加工时起始阶段加工效果不良等问题。
究其原因，经分析认为是不同功率基频激光入射进非线性光学变频模块时，因变频晶体对基频红外激光存在弱吸收，高低不同功率基频激光照射导致变频晶体在不同功率时的最佳匹配温度不一样。而通常短波长激光器中变频模块晶体都设置成单一的最佳匹配温度为其工作温度，如此则必然导致不同功率输出时偏离最佳匹配温度，从而影响高低功率激光输出瞬间功率过冲或功率缓升等问题。另外，开关基频激光时，功率从零到有的过程，热平衡也需要一定的时间，不同输入基频激光功率热平衡时间不一样，导致变频激光输出功率响应不及时和不一致等问题。
发明内容
为了解决现有技术中的这一问题，本发明提供了一种提高激光变频时开关光功率快速响应的激光装置。该激光装置包括红外基频激光发生器、光学调制开关系统、非线性光学频率变换系统。
其中，红外基频激光发生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；
光学调制开关系统用于对基频激光进行开关并调制输出，经过对基频激光进行开关并调制输出为有效光和无效光。该光学调制开关系统包括声光调制器(AOM)、电光调制器(EOM)；光学调制开关系统也可以是旋转玻片/偏振器组及其他调制开关分光系统。
非线性光学频率变换系统内包括由非线性光学晶体组成的变频模块及组合，有效光和无效光进入非线性光学频率变换系统的变频模块及组合后，有效光满足该变频模块及组合中的非线性光学晶体的相位匹配条件而参与非线性光学频率变换，无效光不满足该变频模块及组合中的非线性光学晶体相位匹配而不参与非线性光学频率变换。
根据本发明的一个优选方案，所述激光装置为共线模式的激光装置；其中，该激光装置还进一步包括分光合束光路；红外基频激光发生器输出的基频激光经过光学调制开关系统的开关调制后输出为有效光和无效光。有效光和无效光经过分光合束光路后共线入射至非线性光学频率变换系统。其中，无效光经过分光合束光路后；无效光的偏振方向与有效光的偏振方向垂直；有效光满足该非线性光学频率变换系统中的非线性光学晶体的相位匹配条件而参与非线性光学频率变换，无效光不满足该非线性光学频率变换系统中的非线性光学晶体相位匹配而不参与非线性光学频率变换。
根据本发明的另一个优选方案，所述激光装置为非共线模式的激光装置；该激光装置还进一步包括非共线入射系统。红外基频激光发生器输出的基频激光经过光学调制开关系统的开关调制后输出为有效光和无效光；有效光直接入射至非线性光学频率变换系统，使其满足相应非线性光学晶体的相位匹配条件，并通过非线性光学频率变换系统有效进行变频。无效光经过非共线入射系统，使其以与有效光成一定的角度入射至非线性光学频率变换系统，使其不满足相应非线性光学晶体的相位匹配条件而不实现变频。
其中，非线性光学频率变换系统由单独二倍频模块构成；或者由二倍频模块和三倍频模块的组合构成；或者由二倍频模块和四倍频模块的组合构成。
其中，所述二倍频模块、三倍频模块和四倍频模块由非线性光学晶体构成，所述非线性光学晶体管是LBO晶体(三硼酸锂晶体)、BBO晶体(β相偏硼酸钡晶体)、CLBO晶体(硼酸铯锂晶体)、KTP晶体(磷酸钛氧钾晶体)或BIBO晶体(硼酸铋晶体)等。
其中，红外基频激光发生器和光学调制开关系统之间，光学调制开关系统和非线性光学频率变换系统之间，还可设置用于光斑扩束、缩束、聚焦或整形的光束变换组件。
其中，激光装置中的激光输出脉冲宽度为纳秒、皮秒或飞秒。
附图说明
图1为本发明提出的一种提高激光变频时开关光功率快速响应的激光装置的简略图。
图2为本发明提出的一种提高激光变频时开关光功率快速响应的激光装置的共线实施案例简略图。
图3为本发明提出的一种提高激光变频时开关光功率快速响应的激光装置的非共线实施案例简略图。
图4a-4c为本发明提出的一种提高激光变频时开关光功率快速响应的激光装置的共线模式示意图。
图5a-5c为本发明提出的一种提高激光变频时开关光功率快速响应的激光装置的共线模式示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
图1示出了本发明提出的一种提高激光变频时开关光功率快速响应的激光装置。
该激光装置包括红外基频激光发生器、光学调制开关系统、非线性光学频率变换系统。
其中，红外基频激光发生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；优选地，所述激光器包括掺杂Yb或Nd离子的激光晶体；所述掺杂Yb或Nd离子的激光晶体用于向外辐射红外基频激光，该红外基频激光发生器激发的红外基频激光的波长优选为1030-1045nm、1064nm、1057nm。光学调制开关系统用于对基频激光进行开关并调制输出，经过对基频激光进行开关并调制输出为有效光和无效光。该光学调制开关系统包括声光调制器(AOM)、电光调制器(EOM)；光学调制开关系统也可以是旋转玻片/偏振器组及其他调制开关系统。
其中，激光装置还包括分光合束光路或者非共线入射系统。
非线性光学频率变换系统由一个或多个倍频模块组成；优选地，由单独的二倍频模块构成，或者由二倍频模块和三倍频模块的组合构成，或者由二倍频模块和四倍频模块的组合构成；倍频模块由非线性光学晶体构成。
有效光和无效光进入非线性光学频率变换系统的倍频模块中的非线性光学晶体后，有效光满足该非线性光学晶体的相位匹配条件而参与非线性光学频率变换，无效光不满足该非线性光学晶体相位匹配而不参与非线性光学频率变换。参与非线性光学频率变换的有效光通过非线性光学频率变换系统，实现光频率的变频输出。
对于经过光学调制开关系统输出的有效光和无效光可以采用共线或非共线方式进入后续的非线性光学频率变换系统；从而实现基频激光变频为短波长激光输出。
第一实施例共线模式
本发明提出的其中一种提高激光变频时开关光功率快速响应的激光装置如图2所示。图2所示的激光装置为共线模式的激光装置。
该激光装置包括红外基频激光发生器、光学调制开关系统、分光合束光路、非线性光学频率变换系统。分光合束光路用于将有效光以原始偏振方向入射至非线性光学频率变换系统，并且将无效光以垂直于有效光的偏振方向入射至非线性光学频率变换系统。
分光合束光路可以由任意个反射镜、任意个半波片以及偏振棱镜组成。作为本发明的一个优选实施例，分光合束光路包括调节反射镜1、调节反射镜2、半波片3以及偏振棱镜4。
下面以分光合束光路由调节反射镜1、调节反射镜2、半波片3以及偏振棱镜4组成的结构为例进行说明。
红外基频激光发生器输出的基频激光经过光学调制开关系统的开关调制后输出为有效光和无效光。有效光入射至后面的非线性光学频率变换系统。无效光经过调节反射镜1、半波片2、调节反射镜3入射至偏振棱镜4。
无效光经过半波片2后，使其偏振方向与有效光的偏振方向垂直。例如，红外基频激光发生器输出的基频激光经过光学调制开关系统的开关调制后输出的有效光和无效光均为水平偏振；其中水平偏振的无效光经过调节反射镜1、半波片2、调节反射镜3入射至偏振棱镜4，半波片2将水平偏振的无效光调制成垂直偏振的无效光；水平偏振的有效光和垂直偏振的无效光共线进入后面的非线性光学频率变换系统。其中有效光和无效光共线进入非线性光学频率变换系统内的非线性光学晶体，满足相应非线性光学晶体的相位匹配条件的有效光参与非线性光学频率变换而进行有效变频，不满足非线性光学相位匹配条件的无效光不参与非线性光学频率变换而不能进行有效变频。两束光同时共线输入非线性光学频率变换系统，使其始终处于满功率红外基频激光照射状态，这样非线性光学频率变换系统始终处于一个恒温状态，控制不同比例的有效光进行有效光学变频来实现不同功率的短波长激光输出，而剩下的无效光不产生光学变频，如此解决了高低功率输入光导致的温度失配和调制开关激光热平衡时间等导致的不同功率开关功率响应不及时和不一致等问题。
其中，非线性光学频率变换系统由一个或多个倍频模块构成。作为优选地，倍频模块由单独二倍频模块构成；或者由二倍频模块和三倍频模块的组合构成；或者由二倍频模块和四倍频模块的组合构成。倍频模块由非线性光学晶体构成，所述非线性光学晶体是LBO晶体(三硼酸锂晶体)、BBO晶体(β相偏硼酸钡晶体)、CLBO晶体(硼酸铯锂晶体)、KTP晶体(磷酸钛氧钾晶体)或BIBO晶体(硼酸铋晶体)等。此外，为保证非线性光学晶体的正常工作，通常每个非线性光学晶体还包括温控模块，通过温控模块来控制非线性光学晶体的工作温度。温控模块采用本领域常用的温控模块即可，在本发明中不再赘述。
图4a-4c为共线模式进入非线性光学频率变换系统的示意图。
其中，非线性光学频率变换系统内的倍频模块包括一个或多个非线性光学晶体，有效光和无效光进入非线性光学频率变换系统的非线性光学晶体后，有效光满足该非线性光学晶体的相位匹配条件而参与非线性光学频率变换，无效光不满足该非线性光学晶体相位匹配而不参与非线性光学频率变换。
继续参见图4a-4c，该图4a-4c中的有效光和无效光是图2中经过偏振棱镜4后的共线激光，为了说明的方便，在图4中将有效光和无效光分为实线和虚线来表示，实际上有效光和无效光是共线进入非线性光学频率变换系统的。
下面以该红外基频激光I的波长为1064nm为例进行说明。红外基频激光I的有效光通过不同的非线性光学频率变换系统后，分别得到波长为532nm的绿光G、波长为355nm的紫外光UV、波长为266nm的深紫外光DUV。
图4a-4c中非线性光学频率变换系统的倍频模块由单独二倍频模块20构成；或者由二倍频模块20和三倍频模块30的组合构成；或者由二倍频模块20和四倍频模块40的组合构成。
参见图4a，满足非线性光学晶体相位匹配条件的波长为1064nm的有效光进入二倍频模块20，二倍频模块20将波长为1064nm的有效光转换为波长为532nm的绿光G；
参见图4b，经二倍频模块20转换得到的波长为532nm的绿光G经过三倍频模块30后，与未转换的波长为1064nm的有效光一起和频转换为波长为355nm的紫外光UV；
参见图4c，经二倍频模块20转换得到波长为532nm的绿光G经过四倍频模块40后，与未转换的波长为1064nm的有效光一起和频转换为波长为266nm的深紫外光DUV；
无效光由于不满足倍频模块中的非线性光学晶体的相位匹配条件而不产生变频，其输出仍是波长为1064nm的红外基频激光。
第二实施例非共线模式
本发明提出的另一种提高激光变频时开关光功率快速响应的激光装置如图3所示。图3所示的激光装置为非共线模式的激光装置。
该激光装置包括红外基频激光发生器、光学调制开关系统、非共线入射光系统以及非线性光学频率变换系统。非共线入射光系统用于将有效光垂直入射至非线性光学频率变换系统，并将无效光相对于有效光偏转一定的角度入射至非线性光学频率变换系统。非共线入射光系统可以由任意具有角度偏转功能的光学器件组成。例如反射镜或偏转棱镜或它们的组合。
在本发明中，如图3所示，优选采用调节反射镜5来构成非共线入射光系统。
参考图3，红外基频激光经过光学调制开关系统的开关调制后输出为有效光和无效光。
其中有效光进入后续非线性光学频率变换系统内的倍频模块的非线性光学晶体，满足相应非线性光学晶体的相位匹配条件的有效光参与非线性光学频率变换，不满足相应非线性光学晶体相位匹配的无效光不参与非线性光学频率变换。
其中，有效光直接入射至后面的非线性光学频率变换系统，使其满足相应非线性光学晶体的相位匹配条件，并通过倍频模块有效进行变频。无效光经过调节反射镜5，使其以与有效光偏转一定的角度入射进后面的非线性光学频率变换系统，使其角度不满足相应的非线性光学晶体的相位匹配条件，从而不能进行有效的变频。入射到非线性光学频率变换系统的有效光和无效光由于成一个夹角，有效光和无效光是以非共线的方式入射到非线性光学频率变换系统，因此非线性光学频率变换系统始终处于满功率红外基频光照射状态，这样该非线性变频模块始终处于一个恒温状态，控制不同比例的有效光进行有效光学变频实现不同功率的短波长激光输出，剩下的无效光不产生光学变频，解决了高低功率输入光导致的温度失配和调制开关激光热平衡时间等导致的不同功率开关功率响应不及时和不一致等问题。
与第一实施例类似，非线性光学频率变换系统内包括一个或多个倍频模块，倍频模块由非线性光学晶体构成，其与第一实施例相同，在此不再赘述。
下面，继续以非共线入射光系统由调节反射镜5构成为例进行说明。
参见图5a，满足非线性光学晶体相位匹配条件的波长为1064nm的有效光进入二倍频模块20，二倍频模块20将波长为1064nm的有效光转换为波长为532nm的绿光G；
参见图5b，经二倍频模块20转换得到的波长为532nm的绿光G经过三倍频模块30后，与未转换的波长为1064nm的有效光一起和频转换为波长为355nm的紫外光UV；
参见图5c，经二倍频模块20转换得到的波长为532nm的绿光G经过四倍频模块40后，与未转换的波长为1064nm的有效光一起和频转换为波长为266nm的深紫外光DUV。
进一步地，第一实施例和第二实施例中，红外基频激光发生器和光学调制开关系统之间，光学调制开关系统和非线性光学频率变换系统之间，还可以设置用于光斑扩束、缩束、聚焦或整形的光束变换组件。此外，上述激光装置中的激光输出脉冲宽度为纳秒，皮秒或飞秒。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种提高激光变频时开关光功率快速响应的激光装置，其特征在于包括：红外基频激光发生器、光学调制开关系统、非线性光学频率变换系统；
其中，红外基频激光发生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；
其中，非线性光学频率变换系统包括由非线性光学晶体组成的变频模块及组合；
所述激光装置为共线模式的激光装置，该激光装置进一步包括分光合束光路；
光学调制开关系统用于对红外基频激光发生器发出的基频激光进行开关调制输出为有效光和无效光；
有效光和无效光分别经过分光合束光路后共线入射至非线性光学频率变换系统；其中，无效光经过分光合束光路后，使其偏振方向与有效光的偏振方向垂直；有效光和无效光共线入射至非线性光学频率变换系统中的非线性光学晶体；有效光满足相应非线性光学晶体的相位匹配条件，并通过非线性光学频率变换系统进行变频输出；无效光不满足该非线性光学晶体相位匹配而不参与非线性光学频率变换。
2.一种提高激光变频时开关光功率快速响应的激光装置，其特征在于包括：红外基频激光发生器、光学调制开关系统、非线性光学频率变换系统；
其中，红外基频激光发生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；
其中，非线性光学频率变换系统包括由非线性光学晶体组成的变频模块及组合；
所述激光装置为非共线模式的激光装置，该激光装置还进一步包括非共线入射光系统；
光学调制开关系统用于对红外基频激光发生器发出的基频激光进行开关并调制输出为有效光和无效光；
所述有效光直接入射至非线性光学频率变换系统中的非线性光学晶体，使其满足相应非线性光学晶体的相位匹配条件，并通过非线性光学频率变换系统进行变频输出；
所述无效光经过非共线入射光系统，使其以与有效光成一定的角度入射至非线性光学频率变换系统的非线性光学晶体；无效光不满足该非线性光学晶体相位匹配而不参与非线性光学频率变换。
3.根据权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于：所述光学调制开关系统为声光调制器、电光调制器。
4.根据权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于：其中，所述非线性光学频率变换系统由单独二倍频模块构成；或者由二倍频模块和三倍频模块的组合构成；或者由二倍频模块和四倍频模块的组合构成。
5.根据权利要求4所述的激光装置，其特征在于：所述二倍频模块、三倍频模块、四倍频模块由非线性光学晶体构成，所述非线性光学晶体是LBO晶体、BBO晶体、CLBO晶体、KTP晶体或BIBO晶体。
6.根据权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于：所述红外基频激光发生器和光学调制开关系统之间或光学调制开关系统和非线性光学频率变换系统之间，还设置用于光斑扩束、缩束、聚焦或整形的光束变换组件。
7.根据权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于：其中，激光装置中的激光输出脉冲宽度为纳秒、皮秒或飞秒。
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