CN1402390A - 高效率、高功率三次谐波激光产生技术 - Google Patents
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Abstract
高效率、高功率三次谐波激光产生技术，涉及三次谐波紫外固体激光的产生方法。本技术用红外激光产生技术作为光源，输出的红外激光作为基波射入倍频非线性晶体产生二次谐波光，此光与未被转换的基波光一起作用到三次谐波非线性晶体上进行混频，产生三倍频激光输出，基波与二次谐波在激光谐振腔内同方向、同偏振态，多次往返在三倍频晶体中混频，产生高效三次谐波光。双波长波片改变二次偏振光的偏振态方向，并且二次谐波偏振光通过布鲁斯特角折叠光路形成低损耗偏振耦合，构成闭路多次内全反射，并采用双向混频，单方向反射和布鲁斯特角偏振耦合，输出单束三次谐波光。本技术进步在于产生三次谐波紫外固体激光效率高、功率强，光束稳定。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别涉及三次谐波紫外固体激光的产生方法。
背景技术：
由于紫外固体激光具有高分辨和对材料强吸收的特点，近几年来在国际上发展极为迅速。波长为355nm的Nd：YAG和Nd：YVO4三次谐波激光加工机已主导了精细加工，特别是用于多层、高密度印刷电路板(PCB)的精密打孔设备市场。在特种材料打标、集成电路修复、生物荧光分析、环境污染监测、DNA分析等的应用上，也显示出巨大优势。
另外，三次谐波是产生高次谐波的中间手段。三次谐波与基波混频产生的四次谐波可用于平面液晶显示的薄膜晶体管(TFT)切割，通讯光纤的光栅制造，在精密机械制造中进行紫外凝胶三维立体制模。三次谐波与二倍谐波混频产生的五次谐波深紫外激光，在高密度集成电路制造中用于掩膜修复、光阻材料刻蚀，在半导工业中用于基片缺陷检查，在眼科上用于矫正近视眼视力的眼膜手术。
常用的三次谐波固体激光的产生是在激光谐振腔外进行，见美国专利(US.PATENT NO：6115402、5835513、5742626、5144630及中国公开号为：130311、1058740、1288275专利)。利用一台红外激光产生技术作为光源，输出的红外激光作为基波射入倍频非线性晶体产生二次谐波光，此倍频光与未被转换的基波光一起作用到三次谐波非线性晶体上进行混频，产生三倍频激光输出。这种方法产生的三次谐波光较稳定，易于调试，因为二倍频晶体和三倍频晶体均在腔外，其机械温度变化导致的位相失配、光路变化、损耗、功率起伏等，均不影响基波，即红外激光振荡器的输出性能。问题是很难同时达到高效率和高功率的三倍频效果。其原因有三点：①入射的基波功率低。通常红外激光产生技术的输出耦合率约为20％，即腔外的基波功率仅为腔内基波功率的1/5，而谐波效率与入射基波功率的平方成正比，因而腔外谐波使转换效率受限。②为了提高腔外谐波的转换效率，通常采用透镜聚焦以增强基波的功率密度。但聚集光束会造成非线性晶体表面光学增透膜层和晶体本身的破坏，从而使谐波输出总功率受限。③在腔外混频为单程行为，即基波和二次谐波一次性通过三倍频晶体，未转换为三次谐波的基波和二倍频光全部被浪费掉。
为了利用被转换的倍频光，公开号为1288275号专利在腔外附加了一个二倍频反射子腔，以增强混效效果。但由于其基波为单向传输光，所以混频的利用率仍然有限。
为了充分利用基波功率，近年来腔内混频进展迅速。腔内三次谐波产生可分为两类，其一为：
振荡基波+双程二倍频→单程三倍频见中国公开号为2351897、1285636及美国PANTENT NO：6241720、6229859、6002695号专利。专利2351897和6241720是透射式腔耦合输出三倍频光。专利6229859和6002695是用腔内插入棱镜色散法分离三倍频光。在这类腔内三次谐波产生方法中，基波为腔内振荡光。利用对基波和二倍频光全反射的端面反射镜，使双向产生的二倍频光单向入射到三倍频晶体进行混频，单向输出三次谐波光，其效率比腔外混频要高。但三次混频后未被转换的二倍频光仍然被损失掉，从而使其效率提高受限。
专利1285636和5898717则采45°角折叠腔结构输出三倍频光，这种结构使三倍频光有较大的偏振耦合损耗。因为45°角反射镜必须按有利于基波偏振光全反射的角方位设置，使基波偏振损耗最小，以形成强的基波振荡。但在这类专利中，采用的是I类二倍频晶体和II类三倍频晶体结构，其二倍频光的偏振方向与基波重直，而三倍频光的偏振方向与基波偏振方向平行。根据光学原理，当大角度反射一种线偏振光时，只有与入射面相平行的线偏振光相适合同时透过，而与入射面相垂直的线偏振光不容易透过。
为了弥补这种线偏振耦合损耗，专利[14]采用二倍频晶体和三倍频晶体串接并插入波片，减去了偏振耦合损耗。但是这种方法仍然不能利用未被转换的二次谐波光，因为如果用反射镜把单次混频后剩余的二次谐波光反射回来再次作用到三倍频晶体时，反向输出的三次谐波光将通过波片和二倍频晶体，会造成波片和二倍频晶体及表面增透膜层的强吸收以至损伤。由于只使用了单向次混频，因此，这种方法也不能使三次谐波达到很高的效率和很高的功率。
另一腔内三次谐波产生方法为：
振荡基波+多程二倍频→多程三倍频美专利PATENT NO：5278852、5943351，即在基波振荡器中加进二次谐波子谐振腔或反射镜，使基波和二次谐波在三倍频晶体内多次往返混频转换为三次谐波光，这种方法在直线腔结构可达到很高的转换效率和很高功率的三倍频激光输出，因为0°入射的镜往对各种偏振光都有良好的耦合，这种方法使全部二倍频光都转换为三次谐波光。问题是为了得到高功率三倍频光输出，必须插入三倍频反射镜，使双向混频的三倍频光变为单向输出，因此输出的三次谐波为双光束。虽然可以通过调节反射镜尽量使双光束重叠，但是在激光精细加工应用中，会出现微偏离的双光斑焦点，影响加工精度。
为了克服这个缺点，美国专利PANTENT NO：5943351也设计了45°反射折叠腔结构，可以得到单光束输出。同样，由于采用了I类二倍频晶体和II类三倍频晶体组合，也存在线偏振光耦合损耗问题。该设计的45°反射折叠镜是按有利于基波垂直偏振光方位安置，对水平偏振的二倍频光反射，存在偏振反射损耗，对垂直偏振的三倍频光透射，也存在偏振耦合损耗。因此，该设计是以牺牲效率来达到单次三次谐波输出。
技术内容
本发明目的是针对以上各技术存在的不足，充分利用腔内强基波光，利用二次谐波功率进行多次混频、减少偏振光耦合损耗得到单束光输出等技术，设计一种高效率、高功率、稳定和优良光束质量的三次谐波紫外固体激光产生方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种高效率、高功率三次谐波激光产生技术，包括用红外激光产生技术作为光源，输出的红外激光作为基波射入倍频非线性晶体产生二次谐波光，此倍频光与未被转换的基波光一起作用到三次谐波非线性晶体上进行混频，产生三倍频激光输入；所述基波与二次谐波在激光谐振腔内同方向、同偏振态、多次往返在三倍频晶体中混频，产生高效率三次谐波光。
采用双波长波片改变二次谐波线偏振光的偏振态方向。
所述二次谐波偏振光通过布鲁斯特角折叠光路形成低损耗偏振耦合，使二次谐波光构成闭路多次内全反射。
所述激光产生技术采用双方向混频，单方向反射和布鲁斯特角偏振耦合，输出单束三次谐波光。
所述红外基波谐振腔设计为与激光介质热透镜平衡高功率密度稳定腔结构，并采用多次布鲁斯特角的的内全反射折叠光路，形成高线偏振度激光振荡。
红外基波谐振腔设计为与激光介质热透镜平衡高功率密度稳定腔结构，并用多次布鲁斯特角的内全反射折叠光路，形成高线偏振度激光振荡。
红外激光产生技术为固体激光棒，固体激光棒为两根串接的高功率密度激光谐振腔中，两根棒分别置于正交线偏振状态，两棒间设有半波片达到切向、横向应力补偿。
做为红外激光产生技术的固体激光棒为两根相互串接的高功率密度激光谐振腔中，两根棒分别置于应交线偏振状态，在两棒间设有半波片达到切向、横向应力补偿。
所使用的三倍频晶体为I类LBD，或I类BBO、I类CLBO或其它I类非线性晶体，如LiNb3O4。
所使用的三倍频晶体为I类LBD，或I类BBO、I类CLBO或其它I类非线性晶体，如LiNb3O4。
所使用的二倍频晶体为I类LBO，或I类BBO或I类CLBO或其它I类非线性晶体。所使用的二倍频晶体为I类LBO，或I类BBO，I类CLBO或其它I类非线性晶体，如LiNb3O4。
所使用的基波固体激光介质为：Nd：YAG，也适用于Nd：YVO4、Nd：YLF、Nd：Glass、Yb：YAG、Er：YAG激光介质，或其它激光介质，如：Er：YG，Na：GLASS等。
采用泵浦光源为大功率半导体激光二极管列阵侧面泵浦，也适用于二极管端面纵向泵浦，氪灯、氙灯侧面泵浦。
使用的光开关为声光开关，也适用于电光开关或饱和吸收型被动Q开关。
所使用的固体激光棒是两根Nd：YAG棒串接，也适用于Nd：YLF、Nd：YVO4或其它激光介质串接，或是相同激光波长的不同介质，如Nd：YLF与Nd：YVO4串接。
所使用的是布鲁斯特角折叠腔结构，也适用于45°角折叠腔或其它角度折叠腔结构。所使用的是布鲁斯特角折叠腔结构，也适用于45°角折叠腔或其它角度折叠腔结构。
本发明与腔外三次谐波方法相比，充分利用了腔内强基波光，提高了转换效率。与第一类腔内三次谐波方法相比，充分利用了二次谐波功率进行多次混频，增加了三次谐波的效率和功率；与第二类腔内三次谐波方法相比，减少了偏振光耦合损耗，得到单束光输出，提高了三次谐波的光束质量和稳定性。
附图说明
图1为本发明原理示意图；
图2为本发明半导体泵浦固体激光产生技术的光学谐振腔模拟计算结果图；
图3为本发明内腔式三倍频原理示意图；
图4为本发明三次谐波激光的效率和功率累计计算结果图；
图5为本发明高效率调Q半导体泵浦THG激光产生技术结构示意图；
图6为本发明紧凑型6W THG调Q半导体泵浦激光产生技术结构示意图；
图7为本发明腔内红外、倍频、三倍频累次作用的功率密度示意图；
图8为本发明腔内通过多次作用的三倍频转换变化示意图；
图9为本发明6W泵浦功率所对应的Nd：YAG三次谐波355nm激光输出功率和脉冲宽度变化曲线图；
图10为本发明不同运转重复频率所对应的6W三次频波激光输出功率和脉冲曲线图。
具体实施方法
新型高效率、高效率三次谐波紫外固体激光产生技术结构如图1所示。基波为波长1064nm的振荡器，由大功率激光二极管列阵侧面泵浦的Nd：YAG棒、Q开关(QS)、垂直线偏振片(POL)、限模小孔(A)、端面反射镜(M1、M2)和腔内折叠光路布鲁斯特反射镜(M2、M3、M5)组成。计算和测量了在不同泵浦功率下，Nd：YAG棒的热透镜效应，用光学矩阵方法计算了腔内高斯模传递的空间分布，设计了腔长端面反射镜曲率，使红外激光腔在热透镜大范围变化下仍然保持稳定的振荡。计算结果如图2所示。在大功率连续LD泵浦下，Nd：YAG的等效热透镜焦Fth＝250mm，激光腔保持稳定振荡允许热透镜变化范围为Fth＝180-750mm。限模小孔置于靠近端面反射镜M1的光腰处，以控制基波激光在单横模(TEMOO)或低阶模振荡。在靠近端面反射镜M6的另一光腰处，则放置三倍频非线性晶体。由于红外激光腔为封闭或内全反射振荡，且与高功率泵浦的热透镜效应平衡，因此有很高的腔内功率密度。由于腔内折叠光路反射镜均按适合垂直线偏振光全反射的布鲁斯物角方位设置，因此激光腔的线偏振损耗极小，偏振比超过200∶1。基波，二次谐波和三次谐波为低耗偏振耦合，原理如图3所示。二次谐波波长532nm，由I类临界位相匹配非线性晶体LBO(SHG-LBO)、波片(WP：λ1064nm & λ/2532nm)、端全反射镜(M4、M5)和布鲁斯特镜(M3、M5)组成。布鲁斯特镜按适合垂直偏振高反射和水平偏振高透射角方位设置。M3镀1064nm(S)高反射和532nm(P)高透镜双色膜，M6镀1064nm(S)高反射、532nm(S)高反射和355nm(P)高透射三色膜。
二次谐波构成封闭式低耗偏振耦合内全反射，形成过程如下：从端镜M1方向来的垂直偏振基波光，在I类倍频晶体LBO中产生水平偏振二次谐波光，此水平偏振兴经过波片(WP)偏振态旋转90°，变为垂直偏振光，与基波偏振态相同。二次谐波光经M5偏振耦合全反射作用到三倍频晶体上，再从端镜M6全反射由原光路返回。
同样，从端镜M6方向来的基波垂直偏振光，经M5全反射到波片(WP)，通过波片后偏振态旋转180°，以保持为垂直偏振光。此垂直偏振光基波作用在倍频晶体LBO上，产生水平偏振二次谐波，该水平偏振光在M3上偏振耦合低耗透过，入射到全反射镜M4上，也经原光路返回。M4的镜面曲率设计为使倍频光的光腰与基波光腰重合，并均落在三倍非线性晶体中。
三次谐波波长为35nm，由I类位相匹配晶体LBO(THG-LBO)偏振耦合输出镜M5和反射镜M6组成，为单端开式反射腔结构。具有低损耗，单光束输出特点。形成过程如下：从波片(WP)方向来的基波垂直偏振兴和二次谐波垂直偏振兴入射到从原光路返回，经M5低耗偏振耦合输出，未被混频转换的基波和二次谐波也由M6反射再次作用三倍频晶体，再次产生的三次谐波光通过M5耦合输出，而剩余的基波和二倍频光M5反射和M3偏振分离，分别反射到M1和M4两端全反射镜，并再次折返。由于基波为闭路振荡光，二倍频为闭路多次内全反射光，而且两种光同方向、同偏振态、共光腰作用在三倍频晶体上，多次往返在三倍频晶体中混频，因此产生很高效率的三次谐波激光输出。
用NLO程序和多次混频光强叠加法，计算了三次谐波激光的效率和功率如图4所示。光源为一台Q一开关Nd：YAG红外低模线偏振输出激光产生技术。改输出耦合为红外闭腔振荡后，腔内基波初始功率密度为3MW/cm2，计算了逐次，逐级产生二倍频、三倍频时，基波、二次谐波和三次谐波功率密度变化，倍频效率和混频效率。每次混频的功率分量呈非线性递减曲线，而逐次混频的累结功率的1.96倍，为两次混频功率的1.33倍。基波到二倍频的转换效率为83％，二倍频到三倍频的转换效率为61％，三次谐波功率输出8.6W。光束质量M2≤3.4，用小孔限模可以得到TEMOO模三倍频光输出，功率大于5W，M2≤1.5.
为了实现更高功率的三次谐波激光输出，必须进一步增加腔内基波功率密度，设计的光路如图5所示。在更大功率的LD泵浦下，固体激光介质在轴向和径向均有很大的热效应。其轴向热透镜效应可用光学矩阵程序模拟计算腔长和端反射镜曲率达到腔内基波稳定振荡。而径向热效应造成的径向和切向应力双折射，可采用二根Nd：YAG棒串接加半波片方式互补消除。
用两个正交的布鲁斯特角起偏器分别置于棒的两端。使两根Nd：YAG棒分别处于垂直偏振和水平偏振状态。在两根棒之间插入基波半波片(HWP)，由于半波片的90°旋光作用，使两个处于正交偏振态的激光介质的径向和切向应力互相抵消，形成高功率密度稳定的基波振荡。二次谐波与三次谐波产生方法仍与前同。计算了基波、谐波参数，用二根Nd：YAG棒串接，可以得到18W以上低阶模355nm激光输出和超过12W的TEMOO模输出。如果用两根Nd：YLF棒串接，可以得到20W以上的多模351nm激光输出，或大于10W的单横模激光输出。
为了缩小激光产生技术体积，设计了紧凑、实用的高功率三次谐波激光产生技术如图6所示。三次谐波产生机理同前，仅把图1的布鲁斯特角反射镜M2、M3和M5改为45°角反射镜。整个激光产生技术心度控制在长30cm、宽20cm和高15cm之内。计算了多次三倍频时腔内基波、二次谐波和三次谐波功率密度的逐次变化如图7所示。计算了农次混频的功率分量和多次混频累结的总功率输出如图8所示。在同样腔内初始光功率密度34MW/cm2作用下，得到7.4W三次谐波(355nm)激光输出。略低于布鲁斯特折叠腔结果(8.6W)。这是由于45°偏振耦合略低于全偏振耦合(57°)所至。
实验结果
根据上述技术方案，建立了大功率二极管激光列阵侧面泵浦Nd：YAG激光腔内三倍频实验装置。实验结果与理论计算一致，如图9、图10所示。
图9为不同泵浦功率所对应的Nd：YAG三次谐波355nm激光输出功率和脉冲宽度变化曲线。当激光运转重复频率f＝4-5KHz时，Nd反转粒子粒累结时间与Nd：YAG荧光寿命T＝230ms相当，激光谐波转换效率最高。基波到二次谐波的转换效率η＝93％。，二次谐波到三次谐波的转换效率η＝71％。
图10为不同运转重复频率所对应的三次频波激光输出功率和脉冲曲线。当激光运转重复频率f＝7-8KHz时，基波的峰值功率和平均功率乘积最大，谐波轼率转换最有效。最大三次谐波输出功率P＝8.6W，脉冲宽度T＝56ns。355nm激光输出直径d＝0.8mm，光束发散度θ＝1.1mrad，光束质量M2＝2。光脉冲瞬态峰值起伏ΔT＝7％P-P，长时间运转功率起伏ΔT＝5％/24小时。用小孔光栏置于激光腔内靠近红外腔端的光腰上限制激光模式，得到单模(TEMOO)355nm激光输出功率P＝4.1W。
用同样技术方案，进行了灯泵浦固体激光三次谐波激光实验和两根固体激光棒串接更高功率三倍频功率实验，实验结果也与设计一致。
Claims (18)
1、一种高效率、高功率三次谐波激光产生技术，包括用红外激光产生技术作为光源，输出的红外激光作为基波射入倍频非线性晶体产生二次谐波光，此倍频光与未被转换的基波光一起作用到三次谐波非线性晶体上进行混频，产生三倍频激光输出；其特征在于：所述基波与二次谐波在激光谐振腔内同方向、同偏振态、多次往返在三倍频晶体中混频，产生高效率三次谐波光。
2、根据权利要求1所述的高效率、高功率三次谐波激光产生技术，其特征在于，采用双波长波片改变二次谐波线偏振光的偏振态方向。
3、根据权利要求1或2所述的高效率、高功率三次谐波激光产生技术，其特征在于：所述二次谐波偏振光通过布鲁斯特角折叠光路形成低损耗偏振耦合，使二次谐波光构成闭路多次内全反射。
4、根据权利要求1所述的高效率、高功率三次谐波激光产生技术，其特征在于，所述激光产生技术采用双方向混频，单方向反射和布鲁斯特角偏振耦合，输出单束三次谐波光。
5、根据权利要求1或2述的高效率、高功率三次谐波激光产生技术，其特征在于：所述红外基波谐振腔设计为与激光介质热透镜平衡高功率密度稳定腔结构，并采用多次布鲁斯特角的内全反射折叠光路，形成高线偏振度激光振荡。
6、根据权利要求3所述的高效率、高功率三次谐波激光产生技术，其特征在于：红外基波谐振腔设计为与激光介质热透镜平衡高功率密度稳定腔结构，并用多次布鲁斯特角的内全反射折叠光路，形成高线偏振度激光振荡。
7、根据权利要求1或2所述的高效率、高功率三次谐波激光产生技术，其特征在于，红外激光产生技术为固体激光棒，固体激光棒为两根串接的高功率密度激光谐振腔中，两根棒分别置于正交线偏振状态，两棒间设有半波片达到切向、横向应力补偿。
8、根据权利要求3所述的高效率、高功率三次谐波激光产生技术，其特征在于：做为红外激光产生技术的固体激光棒为两根相互串接的高功率密度激光谐振腔中，两根棒分别置于应交线偏振状态，在两棒间设有半波片达到切向、横向应力补偿。
9、根据权利要求1或2或4所述的高效率、高功率三次谐波激光产生技术，其特征在于：所使用的三倍频晶体为I类LBD，或I类BBO、I类CLBO或其它I类非线性晶体。
10、根据权利要求3所述的高效率、高功率三次谐波激光产生技术，其特征在于：所使用的三倍频晶体为I类LBD，或I类BBO、I类CLBO或其它I类非线性晶体。
11、根据权利要求1或2或4所述的高效率、高功率三次谐波激光产生技术，其特征在于：所使用的二倍频晶体为I类LBO，或I类BBO或I类CLBO或其它I类非线性晶体。
12、根据权利要求3所述的高效率、高功率三次谐波激光产生技术，其特征在于：所使用的二倍频晶体为I类LBO，或I类BBO，I类CLBO或其它I类非线性晶体。
13、根据权利要求7所述的高效率、高功率三次谐波激光产生技术，其特征在于：所使用的基波固体激光介质为：Na2：YAG，也适用于Na：YVO4、Na：YLF、Na：Glass、Yb：YAG、Er：YAG或其它激光介质。
14、根据权利要求1所述的高效率、高功率三次谐波激光产生技术，其特征在于：采用泵浦光源为大功率半导体激光二极管列阵侧面泵浦，也适用于二极管端面绷向泵浦氪灯、氙灯侧面泵浦。
15、根据权利要求1所述的高效率、高功率三次谐波激光产生技术，其特征在于：使用的光开关为声光开关，也适用于电光开关或饱和激收型被动Q开关。
16、根据权利要求7所述的高效率、高功率三次谐波激光产生技术，其特征在于，所使用的固体激光棒是两根Na：YAG棒串接，也适用于Na：YLF、Na：YVO4或其它激光介质串接，或是相同激光波长的不同介质，如Na：YLF与Na：YVO4串接。
17、根据权利要求3所述的高效率、高功率三次谐波激光产生技术，其特征在于，所使用的是布鲁斯特角折叠腔结构，也适用于45°角折叠腔或其它角度折叠腔结构。
18、根据权利要求5所述的高效率、高功率三次谐波激光产生技术，其特征在于，所使用的是布鲁斯特角折叠腔结构，也适用于45°角折叠腔或其它角度折叠腔结构。
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