CN202059045U

CN202059045U - 一种大功率紫外激光器

Info

Publication number: CN202059045U
Application number: CN2011201315477U
Authority: CN
Inventors: 何京良; 张百涛; 黄海涛; 杨合; 刘善德; 杨见飞; 杨英
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2021-04-28

Abstract

一种大功率紫外激光器，属固态激光技术领域，包括主振荡器、混合腔板条功率放大器和非线性频率转换器，主振荡器由LD泵浦源、耦合系统、基频波输入腔镜、激光晶体、RTP电光Q开关、基频波输出腔镜顺序排列而成；混合腔板条功率放大器由LD泵浦源、耦合系统、球面镜、激光板条晶体、柱面镜顺序排列所构成；非线性频率转换器由聚焦透镜、二倍频晶体和三倍频晶体构成。本实用新型既解决了块状晶体放大系统热效应和单次通过放大增益不够的问题，也解决了一般稳定腔板条放大系统光强易饱和不利于功率放大的问题。该结构简单紧凑且效率高，使用方便，安装调试容易，便于工程化推广。

Description

一种大功率紫外激光器

技术领域

本实用新型涉及全固态激光技术领域，特别涉及一种输出高重复频率紫外光的大功率紫外激光器。

背景技术

由于具有高分辨和对材料强吸收等特点，紫外相干光源在超高密度光驱、保密通讯、现代生物技术、密材料加工、紫外固化、光刻、光印刷、医疗以及科学研究等领域具有广泛的应用前景。近年来，随着对小型电子产品和微电子元器件需求的日益增长，聚合物材料的精密处理日渐成为激光在工业应用中发展最快的应用领域之一。紫外激光是处理广泛应用于微电子元器件工业中的塑料(如聚酰亚胺)和金属(如铜)等材料的理想工具，被广泛应用于多层、高密度印刷电路板PCB的精密打孔设备市场，市场前景十分广阔。而全固态紫外激光器由于具有结构紧凑、稳定性好、寿命长、光束质量好以及成本低等特点，成为近年来人们研究的热点。

常用的产生三次谐波的全固态激光技术包括腔内和频技术和腔外和频技术。腔内三倍频技术可以充分利用腔内基频光的高功率密度，可以有效提高转化效率。如公开号为CN1162945号和CN101373883号专利，采用多次二倍频和多次三倍频，提高了转化效率和输出功率，但是结构复杂，且腔内元件引入一定的插入损耗。ZL200920226498.8号专利，通过在腔内加入二次谐波和三次谐波镜，使得基频光多次通过二倍频和三倍频晶体，提高了转换效率，获得了较高的功率输出，但是由于二次倍频与和频过程作为基频光的损耗，而影响输出功率的稳定性，并且输出激光的光束质量还有待提高。腔外和频产生的三次谐波光比较稳定，易于调试，但是由于振荡级产生的基频光功率密度较低，从而影响了谐振腔外二次谐波以及三次谐波转化效率。

为了获得大功率高光束质量的基频光，从而提高非线性频率转换的效率，大功率紫外激光器往往采用主振荡器-功率放大器结构。而以往大功率紫外激光器放大级均采用块状增益介质进行放大，而块状晶体不可避免存在热效应的问题，并且由于种子光单次通过增益介质，要想获得足够高的功率，必须要经过几级的放大，从而使得结构比较复杂。如果采用板条状晶体如图1所示，在两个大面采用水冷热沉来进行散热，这样在均匀泵浦的情况下，工作介质内的温度梯度是一维分布的，即温度梯度只存在于垂直晶体大面的方向上(即y方向)。这种一维的热场分布，不易产生热致双折射从而防止了热退偏，从而达到减弱甚至消除热透镜的目的。并且种子光可以多次通过激光板条晶体有利于实现功率放大，使得结构简单、紧凑。采用板条放大器，在一般情况下种子激光多次通过增益介质在得到放大的同时，光斑尺寸基本保持不变，使得激光的光强增加的很快而更容易达到增益饱和，不利于高功率激光的放大。而采用稳定-非稳混合腔结构的板条放大器，由于非稳腔放大率的影响，种子激光多次通过增益介质在不断被放大的同时，非稳腔方向光斑尺寸也不断扩大，因此，在功率放大的过程中，激光的光强不会显著增加，有利于功率的激光放大。

发明内容

为克服现有技术的缺陷和不足，本实用新型提供了一种大功率、高重复频率和高光束质量的355nm紫外激光器，采用RTP电光Q开关，获得高重复频率、高光束质量的种子激光，然后通过稳定-非稳混合腔结构的板条放大器进行功率放大，获得大功率、高重复频率、高光束质量的基频光，最后通过非线性晶体进行倍频、和频，从而获得大功率、高重复频率和高光束质量全固态紫外激光器。

本实用新型按照下面所述的方式实现：

一种大功率紫外激光器，包括主振荡器、混合腔板条功率放大器和非线性频率转换器三部分，其特征在于主振荡器由LD泵浦源、耦合系统、基频波输入腔镜、激光晶体、RTP电光Q开关、基频波输出腔镜顺序排列而成；混合腔板条功率放大器由LD泵浦源、耦合系统、球面镜、激光板条晶体、柱面镜顺序排列所构成；非线性频率转换器由聚焦透镜、二倍频晶体和三倍频晶体构成；主振荡器后面顺序放置二分之一波片、整形系统和两个45°折返镜，使得从基频波输出腔镜输出的基频波经整形系统整形后由45°折返镜将其传送到混合腔板条功率放大器中；上述各部件分别固定在各自的基座上，各基座固定在底板上；各部件的基座是由铝制成的，带有冷水管道，通过通水对相应的基座进行冷却；整个装置用外壳将其罩在底板上。

所述的混合腔板条功率放大器中耦合系统由两组柱透镜、一个矩形波导和一个聚焦透镜顺序排列而成，其中柱面镜镀有对1064nm基频波长的增透膜。

所述的二倍频晶体是I或者II类相位匹配的非线性光学晶体GTP-KTP、KTP、LBO、KTA和BBO晶体中的一种。

所述的三倍频晶体是I或者II类相位匹配的非线性光学晶体LBO、CBO、BIBO和BBO晶体中的一种。

所述的激光晶体和激光板条晶体是Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YAP、Nd:LuVO4、Nd:YVO4和Nd:GdVO4激光晶体中的一种。

所述的基频波输入腔镜外侧镀有对泵浦光的增透膜，内侧镀有对泵浦光的高透膜和具有1064nm基频波长的高反膜；Q开关两端镀有1064nm基频波长的增透膜；基频波输出腔镜镀有对1064nm波长透过率为5％-30％的膜。

所述的主振荡器中的LD泵浦源是单管LD或是LD列阵；混合腔板条功率放大器中LD泵浦源为LD列阵。

所述的主振荡器中的耦合系统是单个透镜或是透镜组。

所述的混合腔板条功率放大器中的球面镜外侧镀有对泵浦光的增透膜，内侧镀有对泵浦光的高透膜和1064nm基频波长的高反膜；柱面镜镀有对1064nm基频波长的高反膜。

所述的聚焦透镜均镀有对1064nm基频波长的增透膜，折返镜均镀有对1064nm基频波长的高反膜。

上述高透膜是指透过率大于99％的介质膜；高反膜是指反射率大于99％的介质膜。

本实用新型工作原理如下：由主振荡器产生具有高重复频率、高光束质量和脉冲宽度较窄的1064nm基频光作为种子激光；如果种子激光的偏振面在Y方向，则需在光路中加入二分之一波片，使其沿X方向偏振，所述种子激光经柱面镜整形后进入板条放大器并与泵浦光实现很好的匹配；由于放大系统中输出激光的光束发散角、光谱线宽等主要取决于种子激光，因此种子激光多次通过板条增益介质进行放大，得到大功率、高光束质量并且窄脉冲宽度的基频光；最后基频光经聚焦透镜聚焦进入二倍频晶体进行倍频，产生的倍频光和剩余的基频光进入三倍频晶体进行和频，产生具有高光束质量和高重复频率的大功率355nm紫外激光器。

本实用新型主振荡级采用RTP电光Q开关可以获得高重复频率基频光输出；采用基于混合腔的板条放大系统，即解决了块状晶体放大系统热效应和单次通过放大增益不够的问题，也解决了一般稳定腔板条放大系统光强饱和不利于功率放大的问题，本实用新型高效、且结构简单紧凑，使用方便，安装调试容易，便于工程化推广。

附图说明

图1是背景技术中所述的通过热沉接触冷却晶体的板条结构示意图。

图2是本实用新型的结构示意图。

其中：2、LD泵浦源，4、耦合系统，6、基频光输入镜，8、激光晶体，10、RTP电光Q开关，12、基频光输出镜，14、二分之一波片，16、整形系统，18、45°折返镜，20、LD泵浦源，22、放大级耦合系统，24、放大级球面镜，26、激光板条晶体，28、45°折返镜，30、柱面镜，32、聚焦透镜，34、二倍频晶体，36、三倍频晶体，1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27、29、31、33、35分别为以上各部件的基座，37、底板，38、外壳。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图2所示，包括主振荡器、混合腔板条功率放大器和非线性频率转换器三部分，其特征在于主振荡器由LD泵浦源2、耦合系统4、基频波输入腔镜6、激光晶体8、RTP电光Q开关10、基频波输出腔镜12顺序排列而成；混合腔板条功率放大器由LD泵浦源20、耦合系统22、球面镜24、激光板条晶体26、柱面镜30顺序排列所构成；非线性频率转换器由聚焦透镜32、二倍频晶体34和三倍频晶体36构成；主振荡器后面顺序放置二分之一波片14、整形系统16和两个45°折返镜18和28，使得从基频波输出腔镜12输出的基频波经整形系统16整形后由45°折返镜将其传送到混合腔板条功率放大器中；上述各部件分别固定在各自的基座1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27、29、31、33、35上，各基座固定在底板37上；各部件的基座是由铝制成的，带有冷水管道，通过通水对相应的基座进行冷却；整个装置用外壳38将其罩在底板37上。

所述的二倍频非线性光学晶体是采用的I相位匹配的LBO晶体；三倍频非线性光学晶体是II类相位匹配的LBO晶体；主振荡级和放大级泵浦源均采用LD列阵；激光晶体和激光板条晶体均采用Nd:YVO4晶体；基频光输入镜采用曲率半径为200mm的球面镜，输出镜采用对基频光透过率为15％的平-平镜。

所述的基频波输入腔镜外侧镀有对泵浦光的增透膜，内侧镀有对泵浦光的高透膜和具有1064nm基频波长的高反膜；Q开关两端镀有1064nm基频波长的增透膜；基频波输出腔镜镀有对1064nm基频波长具有一定透过率的膜系。

所述的主振荡器中的耦合系统是单个透镜。

实施例2：

同实施例1，只是所述的二倍频晶体是采用的CBO非线性光学晶体。

所述的三倍频晶体是BIBO非线性光学晶体。

激光晶体是Nd:YAG；激光板条晶体是Nd:YLF；基频波输出腔镜镀有对1064nm波长透过率为5％-30％的膜；主振荡器中的LD泵浦源是单管LD；主振荡器中的耦合系统是透镜组。

实施例3：

同实施例1，只是所述的二倍频晶体是采用的KTA非线性光学晶体。

所述的三倍频晶体是LBO非线性光学晶体。

实施例4：

同实施例1，只是所述的激光晶体和激光板条晶体均采用Nd:GdVO4晶体。

实施例5：

Claims

1.一种大功率紫外激光器，包括主振荡器、混合腔板条功率放大器和非线性频率转换器三部分，其特征在于主振荡器由LD泵浦源、耦合系统、基频波输入腔镜、激光晶体、RTP电光Q开关、基频波输出腔镜顺序排列而成；混合腔板条功率放大器由LD泵浦源、耦合系统、球面镜、激光板条晶体、柱面镜顺序排列所构成；非线性频率转换器由聚焦透镜、二倍频晶体和三倍频晶体构成；主振荡器后面顺序放置二分之一波片、整形系统和两个45°折返镜，使得从基频波输出腔镜输出的基频波经整形系统整形后由45°折返镜将其传送到混合腔板条功率放大器中；上述各部件分别固定在各自的基座上，各基座固定在底板上；各部件的基座是由铝制成的，带有冷水管道，通过通水对相应的基座进行冷却；整个装置用外壳将其罩在底板上。

2.如权利要求1所述的一种大功率紫外激光器，其特征在于所述的混合腔板条功率放大器中耦合系统由两组柱透镜、一个矩形波导和一个聚焦透镜顺序排列而成，其中柱面镜镀有对1064nm基频波长的增透膜。

3.如权利要求1所述的一种大功率紫外激光器，其特征在于所述的二倍频晶体是I或者II类相位匹配的非线性光学晶体GTP-KTP、KTP、LBO、KTA和BBO晶体中的一种。

4.如权利要求1所述的一种大功率紫外激光器，其特征在于所述的三倍频晶体是I或者II类相位匹配的非线性光学晶体LBO、CBO、BIBO和BBO晶体中的一种。

5.如权利要求1所述的一种大功率紫外激光器，其特征在于所述的激光晶体和激光板条晶体是Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YAP、Nd:LuVO4、Nd:YVO4和Nd:GdVO4激光晶体中的一种。

6.如权利要求1所述的一种大功率紫外激光器，其特征在于所述的基频波输入腔镜外侧镀有对泵浦光的增透膜，内侧镀有对泵浦光的高透膜和具有1064nm基频波长的高反膜；Q开关两端镀有1064nm基频波长的增透膜；基频波输出腔镜镀有对1064nm波长透过率为5％-30％的膜。

7.如权利要求1所述的一种大功率紫外激光器，其特征在于所述的主振荡器中的LD泵浦源是单管LD或是LD列阵；混合腔板条功率放大器中LD泵浦源为LD列阵。

8.如权利要求1所述的一种大功率紫外激光器，其特征在于所述的主振荡器中的耦合系统是单个透镜或是透镜组。

9.如权利要求1所述的一种大功率紫外激光器，其特征在于所述的混合腔板条功率放大器中的球面镜外侧镀有对泵浦光的增透膜，内侧镀有对泵浦光的高透膜和1064nm基频波长的高反膜；柱面镜镀有对1064nm基频波长的高反膜。

10.如权利要求1所述的一种大功率紫外激光器，其特征在于所述的聚焦透镜均镀有对1064nm基频波长的增透膜，折返镜均镀有对1064nm基频波长的高反膜。