CN1488084A - 光谐振变频器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光谐振变频器，它由设置在谐振器中的两块镜和一非线性晶体构成，用于将激光束倍频。非线性晶体基于其棱镜形的折射作用，结合两块镜就足以构成一个带有总共为三个光学元件的谐振器。通过适当地选择晶体晶轴相对于激光束方向的定向，减少了激光束在晶体中的散射。在一种实施方式中，在出射面垂直于入射光束且涂覆了抗反射涂层时，该晶体的入射面与入射光束成布鲁斯特角。在另一种实施方式中，该转换射线通过在其中一个非线形晶体面上的一偏振分光层被输出耦合。在又一种实施方式中，该晶体面为圆柱形曲面。由此在晶体中产生一个椭圆形射束断面，这减少了偏移效应。
Description
本发明涉及一种光谐振变频器，其包括一个具有一个第一镜、一个第二镜及一个带有一入射面和一出射面的非线性晶体的环形谐振器，其中在该环形谐振器中形成一个在一谐振器平面中环行的光波，该光波作为第一激光束通过入射面进入非线性晶体且通过出射面再从该非线性晶体出来，并在该非线性晶体中部分转换成频率与第一激光束不同的第二激光束。本发明尤其涉及一种光谐振倍频器，即一种产生一个频率为进入光波两倍的光波的变频器。
一种光谐振变频器用来以特别有效的方式将一种带有一基波波长的激光束(以下称作基波)通过在一合适的非线性晶体中的非线性转换产生一种带有较高频率、尤其是倍频的激光束(以下称作转换射线)。在未能提供一种合适活性的激光材料来直接产生所希望的波长时，总要采用非线性转换技术。考虑到长寿命和高效率，目前越来越多地使用在红色和红外光谱区产生连续光波的半导体激光器和二极管泵浦固体激光器(DPSS激光器)。此外，较短的波长通常通过非线性转换来产生。该转换可以分多级来实现。在DPSS激光器中，用于产生可见光激光束的第一级转换在激光谐振器中自行完成(“腔内倍频”)。其他用于更短波长的转换优选在激光谐振器外完成。尤其在非线性产生连续紫外线(UV)激光时在一外部谐振器中的谐振倍频起重要的作用，因为可提供在此波长区使用的晶体材料仅具有很低的非线性系数，因而未谐振的转换对实际应用来说效率太低了。通过将一腔内倍频的DPSS激光器或一半导体激光器与一谐振变频器结合起来得到一个用于产生连续UV激光的激光源，这在半导体工业、消费电子工业(Konsum-elektronikindustrie)和通信工业中得到多方面的应用。
谐振倍频的原理很久以来就已公知(例如参见Ashkin等“ResonantOptical Second Harmonic Generation and Mixing”，Journal of QuantumElectronics，QE-2，1966，109页；M.Brieger等“Enhancement of SingleFrequency SHG in a Passive Ring Resonantor”，Optics Communications 38，1981，423页)。在那里，将基波耦合输入到一个由一些镜组成的、对基波频率进行调谐的光谐振器中。为此，该谐振器的光学长度借助一合适的装置这样进行调整，使得其为基波波长的整数倍。如果在谐振器中的损失小，输入镜为局部透明且带有有利选择的反射率，则发生谐振增强，即在谐振器中环行的光波的功率大于从外部射入基波的功率。输入镜的反射率R为
R＝1-V时，则该反射率最佳，其中V表示环行光波在该谐振器中环行时的相对损失，以下称作谐振器损失。在此称作“阻抗匹配”的条件下，该增强系数(“enhancement”)为
A＝1/V，即在该谐振器中循环的光波为入射光波功率的A倍。在实践中，该增强系数达到100至200。
在谐振器中设置一个供环行基波透射过的非线性晶体，通过非线性转换产生一个倍频的第二光波，该第二光波经一个对此倍频为透明的谐振器镜从该谐振器输出。
为产生带有可利用效率的转换射线，必须在非线性晶体中存在相位适配，即该晶体对基波波长的折射率必须与其对转换射线波长的折射率相等。相位适配可通过角度调整(严格相位适配)或通过温度匹配(不严格相位适配)来实现。在不严格相位适配时通常频率转换的效率较高，转换射线的光束断面有较高的质量，即接近所希望的高斯射束形状(Gauβsche Strahlform)。然而目前可提供使用的晶体材料仅对少量窄的波长范围可采用不严格的相位适配。尤其是目前还没有晶体材料能在低UV区产生带有不严格相位适配的激光。
由于转换射线的功率正比于基波功率密度的平方，当将基波聚焦到非线性晶体中，该非线性转换的效率提高了。因而这些谐振器镜通常带有球形弯曲表面，从而在晶体中间形成一个射线窄区。通过减小射线窄区可以提高晶体中的功率密度。然而同时在晶体中增大的射线发散降低了在那些比射线窄区、即雷利长度(Raleigh-lnge)长得多的晶体中的转换效率。因而存在一个最佳的射线窄区尺寸，其可以通过合适地选择这些谐振器镜的距离和曲率半径来调节。
通过在谐振器中将基波功率调谐增强，该转换效率相对于一未调谐的装置增加了几个数量级。例如为产生波长为266nm的UV激光束，在基波功率为1W到5W时，现有技术可达到的转换效率介于20％至40％。在此功率区已出现了效率饱和，从而作进一步努力至少对转换效率来说成为多余。但是，在采用功率范围为10mW至100mW(适于建造结构特别紧凑的UV激光器)的基波激光器时，现有技术的变频器的转换效率是令人不满意地低，因为在此功率范围还存在一个基波功率的平方关系。
总体上基于各种在下面要讨论的现象存在着一个带有变频器的激光器的输出功率受影响的问题。本发明要解决的技术问题也就是提供一种在很大程度上可避免功率减小的变频器。
解决上述技术问题的技术方案建立在对功率减小现象分析的基础上，并由后面将要作具体说明的、可分别单独地或组合起来后得到一个严格相位适配的谐振变频器的结构特征来构成，从而使该谐振变频器与现有技术的装置相比其转换射线具有一个更高的转换效率、更好的射线质量和更高的功率稳定性。由于在较低的基波功率时有较高的转换效率，尤其应当提供了这样一种可能性：为发射UV激光束制造一个比现有技术中所采用的激光源在尺寸上更紧凑的激光源。
在本说明书开始部分所提到的这一类变频器中，可分别用来解决或经相互组合后用来解决上述技术问题的特征为：
-该非线性晶体的出射面涂覆了既对第一激光束、又对第二激光束抗反射的涂层，且出射面的法线与从晶体出来的光波的夹角小于15°，其中第二激光束优选通过该出射面离开该非线性晶体，而且第一激光束通过第一镜进入该环行谐振器，第二激光束通过该第一镜离开该环行谐振器。
-作为一种替换方式，该非线性晶体出射面的法线与从该晶体出来的光波之间的夹角接近布鲁斯特角，所述在环形谐振器中环行的光波平行于谐振器平面偏振，该非线性晶体的出射面设有一偏振分光层，该偏振分光层对第一激光束的频率基本是透明的，对第二激光束的频率则是反射的，该非线性晶体具有一个涂覆了对第二激光束的频率为抗反射涂层的第三面，且该非线性晶体这样成形，使得该第二激光束在该偏振分光层上反射，并通过第三面从该非线性晶体中出来。
-在将这些特征组合起来后或以与这些特征无关的方式将非线性晶体的晶轴相对于入射光波的入射方向这样定向，使得该与角度成函数关系的有效非线性系数的平方接近或等于最大值，且该非线性晶体使得该入射光波在与其传输方向相反的方向上有尽可能少的散射。
-作为一种替代选择，至少该非线性晶体的入射面或出射面具有一圆柱形的弯曲面，其中该非线性晶体的圆柱形面的对称轴位于谐振器平面中，至少两镜之一具有一圆柱形的弯曲面，该圆柱形的弯曲面的对称轴与该谐振器平面相垂直，其中，该非线性晶体的主断面与该谐振器平面相垂直，且该光波在该非线性晶体中的光束断面为一椭圆形，其长半轴位于该非线性晶体的主断面中。
分别通过这些特征或它们的组合相对于现有技术的装置减少了谐振损失，并减少了两次折射对严格地相位适配的晶体中的转换效率和射线质量的影响，且减少了基波在非线性晶体中产生那种会导致输出功率不稳定的反向散射。
下面对作为本发明基础的知识进行讨论。
此外，由于在严格的相位适配情况出现的偏离效应、即两次折射的结果，降低了转换效率(如参见Boyd等，Journal ofApplied Physics 39，1968，第3597页)。为产生UV经常采用的晶体材料BBO具有一个特别大的偏离效应。在图1中示意地表示了光射线在一带有严格相位适配的负单轴非线性晶体中按照第一种类型(Typ I)的倍频方式所走过的光路。基波7相对于该非线性晶体3的光轴9以一定的角度θ(相位适配角或“匹配”角)入射。在此角度，基波的折射率n0和所转换射线的折射率ne一样大。
基波表示正常的光束射线，亦即它垂直于一个包含该基波和该晶体光轴的平面偏振。此平面称作主断面(Hauptschnittebene)。在图1中此主断面位于纸平面内。转换射线8则平行于主断面、即垂直于基波偏振，从而成为特殊射线。该特殊射线经受两次折射，即其在该主断面内相对于该正常的射线旋转了偏离角p。如果该基波在该晶体内有一个光束半径w0，则这两束光波射线从入射光束进入该晶体的入射点起会按照如下的间距公式
明显地渐行渐远。如果晶体的长度l大于1a，则在晶体内部的这两个光束场的耦合会明显减弱，从而使得转换效率降低(参见Ashkin等，Journal ofQuantum Electronics，QE-2，1966，109页)。由于偏离效应引起的转换效率降低可以通过一个椭圆形的基波射束断面来减少。代替一个光束半径为wo的圆形光束断面选择一个半轴为wx和wy的椭圆形光束断面
其中wy为沿主断面方向的长半轴，wx为沿与主断面相垂直方向的短半轴，这样就基本排除了偏离效应。在这种情况下保留了基波的功率密度，并避免了光束场的去耦合。
在美国专利文献US 5943350中介绍了一种用于谐振倍频的装置，其中在非线形晶体内的基波有一椭圆的形状。在此采用了一个棱镜形或梯形晶体，其中包含入射射线和入射面法线的一个平面应当平行于这样一个方向，使得该晶体沿此方向具有一个小的用于相位适配的接收角(Akzep-tanzwinkel)。这意味着在此装置中所述主断面与晶体入射面的入射平面相重合。一个带有圆形射束断面的激光束按照所述方式进入所述晶体中后，通过在光密度晶体介质的折射自动得到一个长半轴位于主断面中的椭圆形状，由此减小了偏离效应的影响。入射角选择得越大，椭圆形射束断面的长、短轴比就越大。在材料为BBO和波长为532nm的情况，对于椭圆形射束断面的长短轴比为2∶1时例如需要一个为65°的入射角。但是，为有效地排除偏离效应，对于通常尺寸的晶体长度和射束断面，需要数量级为10∶1的长短轴比。这要求入射角为约85°。
在按照第一种类型倍频时，基波的偏振必须垂直于主断面，在这种情况下也就是垂直于入射平面。在垂直于入射平面偏振(下面称作s-偏振)和具有大的入射角情况下，在未涂覆涂层的晶体入射面上会出现明显的反射损失。在入射角为85°时，反射损失超过80％。在入射角高于50°和s-偏振时抗反射涂层通常仅起有限的作用。在此条件下未能将反射损失减少到低于1％范围的可使用值，从而通过减少由效率损失造成的偏离效应而得到的效率增益被增大的谐振损失再次抵消。与此相反，如果使基波平行于入射面偏振，下面称作p-偏振，且同时使射束断面的长半轴位于主断面中，可以得到一个较高的效率。
此外，所述偏离效应对通过倍频产生的激光束的射束断面有一个不利的影响。正如在德国专利文献DE 198 32 647中所描述的那样，该射束断面在近场区(在典型条件下该区域从射线源处开始延伸几十厘米到一米)具有干涉条纹，该干涉条纹使得该射束断面不能应用到许多在此距离范围内的应用场合。由于在近场区存在成像光学元件，被干涉后失真的射束断面甚至扩张到无穷远处。在德国专利文献DE 198 32 647中描述了应当防止在远场区的射束断面中出现这种不希望的失真的措施。然而还未给出改善近场区射束断面的措施。
如果所发射的激光束被一面镜部分或甚至全部反射回到该激光器中，则大多数激光源以其输出功率和频率的波动作出响应。在一台带有线性谐振器的谐振变频器中原则上应考虑到会出现这样的问题，因为该谐振器的输入镜垂直于入射射线，于是这些射线精确反射回到激光源。与此相反，在一个环形谐振器中入射角不等于零，因而不会出现激光束由该谐振器的输入镜直接反射返回到激光源中的情况。出于此原因，环形谐振器通常优于线性谐振器。然而在环形谐振器中环行的基波通过非线性晶体时会有一定份额沿不同的空间方向散射。由于基波在谐振器中被谐振增强，该散射光的强度明显增加。正好沿与入射基波方向完全相反的方向被散射的那一部分光在该谐振器中同样像该入射基波自身一样也作循环，只是方向相反。由于散射光具有与入射激光一样的频率，该散射光也发生谐振增强，因而由此成为一束带有不可忽略强度的定向激光束。所述在谐振器中反向行进的光波部分由该谐振器的输入镜发射，由此精确地回送到该激光源。该谐振增强、散射回来的光在某些激光源的情况已足以明显影响频率稳定性和功率稳定性。这例如完全符合单模式运行(Einmodenbetrieb)的氩离子激光器情况。在单模运行的半导体激光器中，此现象表现得特别强烈。在这种情况下转换射线的功率处于很强的波动之下，因为其既敏感地取决于基波的频率，又敏感地取决于基波的功率。
在非线形晶体中产生的转换射线的功率P2在谐振倍频时按下式计算
P2＝γ*(A*P1)2其中P1为入射到该谐振器中的基波的功率，γ为转换系数，其取决于波长、晶体中的射束直径、所使用晶体的材料性质和晶体的长度。
谐振倍频器的转换效率η由下式给出
η＝P2/P1＝γ*A2*P1在给定基波功率P1的情况下，该转换效率η既可以通过加大增强系数A来增大，也可以通过加大转换系数γ来增大。
为提高增强系数A＝1/V，必须减小谐振损失V。由于与增强系数A成平方关系，转换效率十分敏感地取决于谐振损失。该谐振损失主要由除输入镜外的所有谐振器镜的剩余透射、晶体界面的反射损失、晶体材料中的散射损失和吸收损失及非线性转换损失组成。在这里所考虑的用于产生UV光的基波功率和晶体材料的情况下，由非线性转换产生的损失起到次要的作用，因为这种材料的非线性系数很低，以致穿过晶体的转换功率部分小到可以忽略不计。
非线性晶体中的散射损失和吸收损失占谐振损失的主要部分。通常这是谐振损失中最大的一部分。此损失正比于基波在晶体中的光程长度。于是通过减少光程可减少损失。考虑到要有尽可能高的转换效率，若布置成使基波沿着对转换不提供贡献的光程穿过晶体显然是不利的。例如，在单片的(如参见美国专利文献US 5027361)或半单片的(如参见美国专利文献US6069903)装置中就是这种情况，其中一个或多个晶体面构成谐振器镜，且在晶体内的基波相对于入射射线方向成一个角度反射。在晶体中的光程则由多段彼此不平行的路段组成。于是，可仅仅对其中的一路段存在相位适配，然而所有的路段都会产生散射损失。因此在本发明中优选这样布置，使得在晶体内部不会发生基波反射，并因此使晶体中的光程在其整个长度上用于频率转换。
基波在非线性晶体中的散射不仅通过增加谐振损失减小了转换效率，而且还会导致功率不稳定，因为一部分散射光与入射基波方向相反，激光源会受到该散射回来的光的影响而变得不稳定。由于激光束的散射在有些非线性晶体中较强地取决于方向(参见Augustov等，Appl.Phys.A29，1982，169页)，通过合适地将晶体的光轴相对于入射基波的方向进行定向可以减少会形成干扰的反向散射。
为满足严格相位适配的条件，即正常射线和特殊射线的折射角相等，在晶体光轴与基波传输方向之间的夹角、亦即所谓的相位适配角具有一个确定的与波长相关的量。然而该相位适配与这两个方向的符号无关。同样，该转换系数的大小取决于基波入射方向和晶体晶轴的夹角，但与该方向的符号无关。
正如在图6中对带有晶体BBO的按照第一种类型的、波长为532nm的激光束的倍频示例所描述的，存在着多种将射线方向和晶体晶轴相对定向的可能性，此时就其相位适配和转换系数大小而言数值相等，但基波的反向散射强度不一样。图6中晶体的晶轴x和z分别位于纸平面内，而y轴与纸平面垂直。该z轴通常称作晶体的光轴，θ和φ是基波传输方向相对于晶体晶轴的偏振角。在波长为532nm时，对BBO晶体来说相位适配角为：
θ＝47.6°
由于相位适配条件与激光束的传输方向的符号无关，则在
θ＝180°-47.6°＝132.4°时同样存在相位适配。
转换系数γ正比于有效非线性系数deff的平方(参见Boyd等，Journal ofApplied Physics 39，1968，第3597页)，该有效非线性系数deff取决于所述两个偏振角θ和φ，且在BBO时由下式给出：
deff＝(d11cos3φ-d22sin3φ)cosθ+d31sinθ在这里，d11、d22和d31是第二级非线性系数(参见如Kato，IEEE Journal ofQuantum Electronics，QE-22，1986，第1013页)。由于系数d22和d31相对于d11可忽略，有效非线性系数的平方近似为
deff 2＝d11 2cos23φ*cos2θ
因此，φ角除通常采用的0°值外，还可以采用60°、120°和180°，而不必考虑转换系数γ值的损失。尤其是图6中所示出的四个带有θ＝47.6°或132.4°及φ＝0°或180°的情况在转换效率和相位适配方面是相同的。
在晶体为BBO时，业已确定按图6a)和6b)所示两种布置情况中的反向散射要大于6c)和6d)的情况。在一个借助腔内校准器(Etalon)强迫作单模式运行的氩离子激光器中作谐振倍频时在按照图6a)和6b)来布置时出现了模式跃变和强度波动，而在图6c)和6d)所示的布置情况下则可以稳定运行。因而，由谐振倍频所产生的激光束的稳定性能通过将晶轴相对于基波传输方向正确定向而得到改善。
在镜像对称的立方体形或如图3所示棱柱形或者点对称的平行四边形、而入射角为布鲁斯特角的晶体中，通过合适地旋转晶体可将图6a)和6b)所示布置状况转变成图6c)和6d)所示布置状况。于是，在制造这种晶体时不必特别花费精力来考虑晶轴的符号，因为通过相应旋转该晶体也可以使其事后按照图6c)和6d)所示来布置。与此相反，在一种如图2所示的非对称晶体3情况下，基波在晶体中的优选传输方向已通过对于晶体面的设计给出。在图2所示的晶体情况下，所述传输方向的反转会大大增加转换射线离开晶体时的损失。因此，生产商在制造这种晶体时必须得到比目前更精确的有关晶轴定向的数据。迄今为止通常仅规定了角度值而未考虑晶轴的方向符号。
因此，本发明的一个特征是：在谐振器中非线性晶体的晶轴的位置不仅通过相位适配角度来确定，而且还通过晶轴的方向符号来确定。
在晶体的入射面和出射面上的反射损失是构成谐振损失的另一重要部分。反射损失既可以通过抗反射涂层来减少，也可以通过使光在布鲁斯特角度下入射来减小。
在采用布鲁斯特角时反射损失可以减小到低于0.1％。在抗反射涂层时通常反射率可达到在0.1％和0.2％之间。因此在许多用于谐振倍频的装置中光束优选按布鲁斯特角度入射。(例如参见Adams等，Optics Communications79，1990，第219页；Angelis等，Applied Physics B 62，1996，第333页；Bourzeix等，Optics Communications 99，1993，第89页)。在这些装置中，该晶体被切割成平行四边形，其入射面和出射面与激光束成布鲁斯特角。另一些装置优选立方体形晶体断面，此时，晶体的入射面和出射面几乎与激光束相垂直，且涂覆了抗反射涂层(例如参见Kondo等，Optics Letters 23，1998，第195页)。
在按照布鲁斯特角入射时反射损失很强地取决于光波的偏振。为了达到低谐振损失，基波必须作p-偏振。由于在晶体中产生的转换射线具有另一个偏振方向，它在布鲁斯特面上会承受一个高反射损失。在最经常采用的第一种类型的转换中，转换射线的偏振与基波的偏振相垂直，即s-偏振。在这种情况下转换射线的反射损失约为20％。虽然这种反射损失在此入射角时还可以通过一抗反射涂层来减小，然而这样一种涂层同时加大了基波的损失。而这是应当避免的，因为基波损失对输出功率有更强的影响。在公知装置中容忍了此转换射线在布鲁斯特面上的反射损失，因为较小的基波损失补偿了此损失，此外制造无涂覆层的布鲁斯特面相当简单和成本低廉。
与布鲁其特角相反，对于小的入射角(低于15°)情况，应当这样建立抗反射涂层，使得所述两个偏振方向的反射损失介于0.1％和0.2％之间。因此合适的做法是仅仅在非线性晶体管的入射侧设置一未涂层的布鲁斯特面(因为此面不必发射UV光)，而出射侧却设有小入射角或垂直入射的带有抗反射涂层的面，该面确保既对基波也对二次谐波具有低反射损失。这样一种非对称晶体形式最后得到的转换效率好于目前通用的或者为立方体形或者为平行四边形的布鲁斯特形式晶体的转换效率。
在入射角接近布鲁斯特角的情况下，也可以涂覆一层对p-偏振具有很低反射损失和对于s-偏振具有很高反射率的涂层。这样的涂层通常称作偏振分光层。如果该晶体处于布鲁斯特角的出射侧设有一偏振分光层，则该p-偏振的基波以很小的损失发射，而转换射线几乎完全反射。通过该晶体涂覆了抗反射涂层的第三面可以使转换射线几乎无损失地输出。由于转换射线不再与基波共轴传输，因此它不必再通过该谐振器的出射镜导送，因而也不再承受在此镜上的反射损失。因为转换射线在一个抗反射层上的反射损失小于其在一个对基波为高反射的谐振器镜上的损失，所以该转换射线在这种情况下可更有效地输出。上述方法的优点在于不会由于UV射线对一个谐振器镜产生降解损害(Degradationsschden)。
谐振器镜的剩余透射是谐振损失的另一个成因。在通常的涂层情况下，剩余透射在0.1％和0.2％之间。因此除输入镜外每个谐振器镜均明显造成谐振损失。于是合适的做法是将谐振器镜减少到所必需的最少数量。只要在此谐振器中不再有其他元件，在一个环形谐振器中谐振器镜的最少数量可为三个。因此在本发明中将非线性晶体设计成梯形，使其入射面与其出射面形成一个不为零的角度。由于在该谐振器中环行的基波被非线性晶体折射，所以用两个谐振器镜就足够实现一个环形谐振器。
下面结合附图所示实施方式对本发明作详细说明：
图1示出了转换射线(konvertierter Strahl)在非线性晶体中由于偏离效应(Walk-Off-Effekt)而发生的偏转；
图2示意描述了第一种实施方式；
图3示意描述了第二种实施方式；
图4示意描述了第三种实施方式；
图5示出激光束按照第三种实施方式在谐振器中走过的光迹；
图6示出了非线性晶体的晶轴相对于激光束方向的四种具有相同转换效率、但不同散射的定向。
在图2所示的实施方式中，镜1既用作基波7的输入镜，又用作转换射线8的输出镜。因此，镜1涂覆了一层对基波波长来说其反射率R尽可能接近最佳值R＝1-V(其中V表示谐振损失)的涂层。对于转换射线的波长，该涂层有尽可能高的透射率。谐振器镜2涂覆了一层对基波波长有尽可能高反射率的涂层，且固定在一压电元件4上，从而通过施加一个电压使该镜运动，该谐振器因此可以调谐到基波的频率。由于该镜2既不用来输入基波，又不用来输出转换射线，则该镜和该压电元件都可以有很小的尺寸，而不会出现一束倾斜穿过的射线的孔径限制(Aperturbegrenzung)。鉴于与此相关由镜和压电元件构成的整个系统的有效质量较小，由外界影响(如声波)产生的干扰可以通过该谐振器长度的有效稳定得到特别好的补偿，由此改善了所得到的转换射线的功率稳定性。
两个谐振器镜具有球状弯曲表面，其半径这样确定，使得在该谐振器中环行的基波周期性地被复制，在晶体中间形成一个射线窄区(Strahltaille)，此处的半径尽可能地有利于转换效率。由于该环行的光波在一个环形谐振器中不垂直于谐振器镜，所以它在入射面方向上的焦距及与此相垂直方向上的焦距不一样大。因此，这两个方向的射线窄区位于该谐振器中的不同位置，且不一样大，此通常称作散光(像散现象)。在激光束非垂直入射地穿过晶体时同样出现散光，然而有一个方向相反的作用(例如参见Kogelnik eta1.，IEEE Journal of Quantum Electronics，QE-8，1972，第373页)。通过合适地选择在该镜上的入射角、晶体面彼此间的夹角和各不同光学元件间的距离，可以实现在该谐振器中介于镜1和镜2间的一段不会出现散光，即激光束的断面在该两镜之间的任何位置是圆形的。由于大多数激光源都投射一个圆形的射束断面，因此入射的基波与该谐振器的主模(Grundmode)的匹配，即“模式匹配(Mode Matching)”大大简化了。该模式匹配可以利用一普通的球形透镜来实现，而不需要其他必需的散光校正。
非线性晶体3的入射面5设置得与激光束成布鲁斯特角(Brewster-winkel)。出射面6基本上与激光束相垂直，并有一层抗反射涂层，该抗反射涂层对基波波长和对转换波波长都具有一尽可能高的透射。该非线性晶体的晶轴相对于激光束方向的定向出于在相位适配和转换效率方面是等效的这种可能性将这样进行选择，即，使得基波通过晶体材料的反向散射尽可能地小。在一个BBO-晶体中，这例如可以是如图6c)和6d)中所示的那种取向。正如在此之前所说明的那样，该措施改善了在采用对反向散射敏感的激光源时所得到的倍频射线的功率稳定性。
在另一个如图3所示的实施方式中，出射面6与激光束成布鲁斯特角，且具有一层偏振分光层(Polarisationsstrahlteilerschicht)，该偏振分光层对基波是高透射的，而对于倍频射线则是高反射的。在晶体中产生的转换射线在面6上反射，且通过另一个对倍频射线是抗反射层的面10离开该晶体。这样一来，在此实施方式中该转换射线的输出损失比图2所示的实施方式更小。在其他方面，图3所示实施方式与图2中的实施方式相应。
在图4所示的另一个实施方式中，所述非线性晶体在入射侧5和出射侧6都具有圆柱形的弯曲表面。为便于理解，在图4的结构中以夸大射束的透视图方式来表示。该谐振器镜不是象其他常规的那样为球面弯曲形表面，而是圆柱形弯曲表面。其他方面该实施方式与图2中的实施方式相应。在图4中示出的坐标系统用于表示不同的空间方向，与该晶体的晶轴无关。在环形谐振器中环行的光波位于xz平面，下面称作谐振器平面(Resonator-ebene)。入射的基波7沿z向传输，且沿x向偏振。它通过输入镜1进入谐振器。同时此镜还用作转换射线8的输出镜。为对谐振器进行调谐，将镜2安装在一压电元件4上。所述晶体未涂覆的入射面5与入射基波成布鲁斯特角，而抗反射涂层出射面6几乎处于垂直入射。在图4中晶体入射面的入射平面与谐振器平面相重合，主断面(Hauptschnittebene)与其相垂直。于是，基波的偏振方向位于入射平面(p-偏振)，从而布鲁斯特面5上的反射损失小。
晶体面在主断面上是弯曲的，也就是说所述圆柱形晶体面的对称轴位于该谐振器平面内。与此相反，所述圆柱形镜面的对称轴则与该谐振器平面相垂直。通过圆柱形面的这种交叉布置在晶体内部产生一个椭圆的射束断面。该椭圆的长半轴位于主断面中。通过这种形式的射束断面减少了在严格相位适配的晶体3中出现的偏离效应，因为由偏离效应引起的偏转在主断面中(在图4中亦即沿y方向)进行。射线沿y方向的扩张可以通过该圆柱形晶体表面的曲率半径来改变，而不会由此影响沿x方向的射束扩张。与美国专利文献US5943350的解决方案(在那里增大椭圆的长短轴比伴随着加大反射损失)不同，在本发明中晶体面上的反射损失受长短轴比的影响仅仅是次要的。因此，在本发明中可以实现很大的长短轴比，10∶1或更大，从而在具有特别大的偏离角的晶体中、如在BBO晶体中，基本上可以排除偏离效应。这样一来既提高了转换效率，又改善了转换射线的射束形状的质量，因为在德国专利文献DE 198 32 647中所描述的由偏离效应而引起的干扰类失真实际上不再发生。
通过合适地选择圆柱形镜面的曲率半径(可以与晶体面曲率半径无关地进行选择)，可以实现使射束断面在介于镜2和镜3之间的谐振器部分中任何位置处都是圆形的。如同在前面实施方式中所述的那样，由此简化了基波进入谐振器的匹配模式。
谐振器中各光学元件间的距离同样可用作自由选择的参数。它们可以这样选择，使得在晶体中的射束横截面断面在一个给定的晶体长度情况下就转换效率而言具有一个最佳尺寸。
在图5中对基波在x和y两个方向的扩张分开来作了描述。为清楚起见，谐振器的射线途径以展开线和直线的方式来表示。谐振元件按照其沿各自观察方向的作用描述成透镜或直线。为清楚起见图中对射束扩张作了夸大描述。输入镜1在图5中一次按其作用描述成左侧的输入元件，一次按其作用描述成右侧的谐振镜。基波从左面以聚焦的圆形高斯射线进入谐振器。在此，输入镜1在x方向和y方向都不具有投影成像功能，因而用直线来表示。在输入镜1和谐振镜2之间形成一射线窄区。其在x方向和y方向具有同样的尺寸。谐振镜2在y方向无投影成像功能，于是这里同样用直线表示。因而，在镜2通往晶体入射面5的行程中沿y方向的射束扩张继续增加。晶体入射面5起到一个具有一个会聚透镜的作用，该会聚透镜的焦距大体与该晶体入射面5到镜1和镜2间射线窄区的距离相一致。这样一来，射线接近准直，在晶体内部有一个相当大的直径和一个小的发散。出射面6同样起到一个带有相同焦距的透镜的作用。且将射线再次聚焦到镜1和镜2间相同的射线窄区。位于其间的镜1对射线没有投影成像功能。
镜2在x方向具有一会聚透镜的作用，它将镜1和镜2间的射线窄区投影成像到晶体内的射线窄区上。在此晶体面5和6无投影成像功能。谐振镜1最后将晶体中的射线窄区再次投影成像到镜1和镜2间的射线窄区上。
本发明不局限于上述实施方式。更确切地说，还可以通过特征组合得到其他的实施方式。
Claims (16)
1.一种光谐振变频器，其包括一个具有一个第一镜、一个第二镜及一个带有一入射面和一出射面的非线性晶体的环形谐振器，该第一镜和第二镜及非线性晶体被这样设置，使得一光波以第一激光束的形式通过该入射面进入该非线性晶体，再通过出射面离开该非线性晶体，其中该光波在非线性晶体中部分转换成另一频率的第二激光束，其特征在于：所述非线性晶体入射面的法线与入射到该晶体中的光波之间的夹角接近布鲁斯特角，且该入射光波平行于谐振器平面偏振，该非线性晶体的出射面涂覆了既对第一激光束、又对第二激光束抗反射的涂层，且该出射面的法线与从晶体出来的光波的夹角小于15°。
2.按照权利要求1所述的光谐振变频器，其特征在于：所述第一镜和第二镜以及非线性晶体被这样布置，使得在所述环形谐振器中形成一个在一谐振器平面内环行的光波，该光波作为第一激光束通过入射面进入非线性晶体且通过出射面再从该非线性晶体出来，并在该非线性晶体中部分转换成频率比第一激光束高的第二激光束，同时该第二激光束通过出射面从该非线性晶体出来，其中该第一激光束通过该第一镜进入该环形谐振器，该第二激光束同样通过该第一镜从该环形谐振器出来。
3.一种光谐振变频器，其包括一个具有一个第一镜、一个第二镜及一个带有一入射面和一出射面的非线性晶体的环形谐振器，该第一镜和第二镜及非线性晶体被这样设置，使得在该环形谐振器中形成一个在一谐振器平面内环行的光波，该光波作为第一激光束通过入射面进入非线性晶体且通过出射面再从该非线性晶体出来，并在该非线性晶体中部分转换成频率比第一激光束高的第二激光束，其特征在于：所述非线性晶体入射面的法线与入射到该晶体中的光波之间的夹角接近布鲁斯特角，且该非线性晶体出射面的法线与从该晶体出来的光波之间的夹角接近布鲁斯特角，所述在环形谐振器中环行的光波平行于谐振器平面偏振，该非线性晶体出射面设有一偏振分光层，该偏振分光层对第一激光束的频率基本是透明的，对第二激光束的频率是反射的，该非线性晶体具有一个涂覆了对第二激光束的频率为抗反射涂层的第三面，且该第二激光束在该偏振分光层上反射后通过第三面从该非线性晶体中出来。
4.一种光谐振变频器，其包括一个具有一个第一镜、一个第二镜及一个带有一入射面和一出射面的严格相位适配的非线性晶体的环形谐振器，该非线性晶体的入射面和出射面彼此不平行，该第一镜和第二镜及非线性晶体被这样设置，使得在该环形谐振器中形成一个环行的光波，该光波作为第一激光束通过入射面进入非线性晶体且通过出射面再从该非线性晶体出来，并在该非线性晶体中部分转换成频率比第一激光束高的第二激光束，其特征在于：所述非线性晶体的晶轴相对于入射光波这样定向，使得该与角度成函数关系的有效非线性系数的平方接近或等于最大值，且该非线性晶体使得该入射光波在与其传输方向相反的方向上有尽可能少的散射。
5.按照权利要求4所述的光谐振变频器，其特征在于：所述第一激光束通过所述第一镜进入该环形谐振器，且所述第二激光束同时通过该第一镜离开环形该谐振器。
6.按照权利要求1至5中任一项所述光谐振变频器，其特征在于：所述两镜的反射面成球面弯曲，对这两个面的曲率半径、在这两个面上的入射角、在所述环形谐振器中各光学元件间的距离和在所述晶体面上的入射角这样进行选择，使得在该环形谐振器内形成一个在该第一镜和第二镜间的自由区段的任何位置都具有一个圆形射束断面的主模。
7.一种光谐振变频器，其包括一个具有一个第一镜、一个第二镜及一个带有一入射面和一出射面的严格相位适配的非线性晶体的环形谐振器，该第一镜和第二镜及非线性晶体被这样设置，使得在该环形谐振器中形成一个在一谐振器平面中环行的光波，该光波作为第一激光束通过入射面进入非线性晶体且通过出射面再从该非线性晶体出来，并在该非线性晶体中部分转换成频率为第一激光束频率两倍的第二激光束，其特征在于：至少所述非线性晶体的两个面之一具有一圆柱形的弯曲面，其中所述非线性晶体的圆柱形面的对称轴位于所述谐振器平面中，至少所述两镜之一具有一圆柱形的弯曲面，其中所述镜的圆柱形面的对称轴与该谐振器平面相垂直，所述非线性晶体的主断面与该谐振器平面相垂直，且所述光波在该非线性晶体中的射束断面为一椭圆形，其长半轴位于该非线性晶体的主断面中。
8.按照权利要求7所述的光谐振变频器，其特征在于：对所述弯曲面的曲率半径和所述环形谐振器中各光学元件间的距离进行选择，使得在该环形谐振器内形成一个在该第一镜和第二镜间的任何位置都具有一个圆形射束断面的主模。
9.按照权利要求7或8所述的光谐振变频器，其特征在于：至少所述非线性晶体的两个面之一无涂覆层，且一个无涂覆层面的位于所述谐振器平面中的法线与入射到该晶体中或从该晶体中出来的光波基本上成布鲁斯特角，在所述谐振器中的环行光波的偏振平行于该谐振器平面。
10.按照权利要求7或8所述的光谐振变频器，其特征在于：至少所述非线性晶体的两个面之一涂覆了既对第一激光束的频率、又对转换后的激光束频率抗反射的涂层，且一被涂覆面的位于所述谐振器平面中的法线与入射到该晶体中或从该晶体中出来的光波的夹角小于15°。
11.按照权利要求7至10中任一项所述的光谐振变频器，其特征在于：所述第一镜、第二镜及非线性晶体被设置成，使得所述第一激光束通过该第一镜进入所述环形谐振器，所述第二激光束同样通过该非线性晶体的出射面离开非线性晶体，且通过该第一镜离开该环形谐振器。
12.按照权利要求7至11中任一项所述的光谐振变频器，其中，该非线性晶体出射面设有一偏振分光层，该偏振分光层对第一激光束的频率基本是透明的，对第二激光束的频率是反射的，该非线性晶体具有一个涂覆了对第二激光束的频率为抗反射涂层的第三面，且该第二激光束在该偏振分光层上反射后，通过第三面从该非线性晶体中出来。
13.按照权利要求7至12中任一项所述的光谐振变频器，其特征在于：所述非线性晶体的晶轴相对于入射光波这样定向，使得出现一个严格的相位适配，此时该与角度成函数关系的有效非线性系数的平方基本上等于最大值，且该非线性晶体使得该入射光波在与其传输方向相反的方向上有尽可能少的散射。
14.按照权利要求7至13中任一项所述的光谐振变频器，其特征在于：具有一个用于移动所述两镜之一的移动装置，以将所述环形谐振器调谐到所述被该环形谐振器接收的第一激光束的频率，从而在该环形谐振器内形成在所述谐振器平面中环行的光波。
15.按照权利要求14所述的光谐振变频器，其特征在于：所述第二镜安装在一个作为所述移动装置组成部件的压电元件上，利用该压电元件移动该第二镜来实现调谐。
16.一种用于权利要求1至15中任一项所述光谐振变频器中的非线性晶体，其特征在于：所述非线性晶体这样构成，使得在该变频器中使用时其晶轴相对于入射光波的方向这样定向，从而存在一个严格的相位适配，此时该与角度成函数关系的有效非线性系数的平方接近或等于最大值，且该非线性晶体使得该入射光波在与其传输方向相反的方向上有尽可能少的散射。
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