CN209029674U - 固定脉宽腔内倍频紫外激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种固定脉宽腔内倍频紫外激光器，包括第一双波长反射镜、第二双波长反射镜以及平凸透镜、声光开关、第一激光腔镜、激光晶体、第二激光腔镜、激光反射镜、二倍频晶体、三倍频晶体，所述第一双波长反射镜放置在电动平移台上，通过改变所述第一双波长反射镜的位置，改变激光器的腔长。本实用新型提脉宽恒定，即在一定的频率范围内能够保证脉宽的不变性，同时无论是在低重频下和高重频下都能够使用最高的泵浦功率，这样无论是在低重频还是高重频都能够实现最高的能量输出。

Description

固定脉宽腔内倍频紫外激光器

技术领域

本实用新型涉及激光器技术领域，特别是涉及一种固定脉宽腔内倍频紫外激光器。

背景技术

近年来高功率高光束质量的激光器在各行材料加工行业的应用得到迅猛发展，激光器种类繁多：按照结构的不同分为气体激光、固体激光、光纤激光、半导体激光，成为支撑材料加工行业的主流；其波长范围从远红外到深紫外均能覆盖到(200nm～20um)，不同的行业亦会使用到不同的功率范围，不同的光束质量，不同的激光输出方式等等。在加工薄膜非金属材料，半导体晶圆切割，有机玻璃切割、钻孔、打标等领域为了减少热效应影响，希望小孔径光斑作用及高峰值功率，紫外激光的作用和地位就是那么的出色和不可替代。

对于金属加工的波长多为红外波段，以期望高功率高热量来作用加工金属，但其红外或可见光通常靠产生高亮度的局部加热使材料气化、熔化的方式来进行加工。但这种热量会导致激光作用区域的周边材料受到影响甚至被破坏，因而限制了加工边缘质量和工业应用范围。而紫外激光是短波长高能量光子激光，其作用到物质上是直接破坏材料原子组分的化学键，而不产生热量，所以一般都把紫外激光加工称作“冷”加工。

目前，紫外激光器非常适合于科研、工业、OEM系统集成开发。科研方面，紫外激光器可以用于原子/分析光谱、化学动力学等方面的研究。工业方面，基于紫外激光器生产的磁盘的数据存储盘空间比蓝光激光器高出20倍。

固体激光器的脉宽通常随着泵浦功率、调Q频率、腔长的改变而发生变化。对于没有进行MOPA的固体激光器，如果让出光的脉宽保持不变，通常可以将所有激光器的参数都记录下来，通过控制泵浦功率，出光频率来使得激光的脉宽是一致的，但是通常这种情况需要向最差的情况看齐，即是以泵浦功率最高，出光频率最高的时候的脉宽为基准，当出光频率下降的时候，需要降低泵浦光的功率，这样在低重频低泵浦功率下激光脉宽和高重频高泵浦功率下的脉宽近似一致。但是这样做最大的问题就是在低重频下的泵浦功率较低，出光能量较低，这样变的没有意义。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是提供一种固定脉宽腔内倍频紫外激光器。

为实现本实用新型的目的，本实用新型提供了一种固定脉宽腔内倍频紫外激光器，包括第一双波长反射镜A1、第二双波长反射镜A2以及平凸透镜B、第一声光Q开关、第一激光腔镜D、激光晶体E、第二激光腔镜F、激光反射镜 H、二倍频晶体N、三倍频晶体M，

所述第一双波长反射镜A1放置在电动平移台H上，通过改变所述第一双波长反射镜A1的位置，改变激光器的腔长。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为，提供了一款脉宽恒定的端面泵浦紫外激光器，所谓的脉宽恒定是在一定的使用范围内，即在一定的频率范围内能够保证脉宽的不变性，同时无论是在低重频下和高重频下都能够使用最高的泵浦功率，这样无论是在低重频还是高重频都能够实现最高的能量输出。

附图说明

图1所示为本申请的结构示意图；

图中，A1-第一双波长反射镜，A2-第二双波长反射镜，B-平凸透镜，C- 第一声光Q开关，D-第一激光腔镜，E-激光晶体，F-第二激光腔镜,H-激光反射镜，N-二倍频晶体，M-三倍频晶体，R-分束镜，I-光电探头，P-电动平移台， J-伺服电机驱动器，K-第三声光Q开关，L-脉宽监控装置，Q-MCU控制板。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本申请提供的脉宽恒定的端面泵浦紫外激光器，倍频方式使用腔内倍频方式，整体设计方案如图1所示。

本实用新型提供了一种固定脉宽腔内倍频紫外激光器，包括第一双波长反射镜A1、第二双波长反射镜A2以及平凸透镜B、第一声光Q开关、第一激光腔镜D、激光晶体E、第二激光腔镜F、激光反射镜H、二倍频晶体N、三倍频晶体M，

其中(A1)BCDEFHMN(A2)表示为腔内倍频紫外激光器的腔体组成。在本设计中A1为激光器中的反射镜，基频光在激光器腔体内由第一双波长反射镜A1 经平凸透镜B第一声光Q开关第一激光腔镜D激光晶体E第二激光腔镜F激光反射镜H到三倍频晶体M进行传播，当基频光经过三倍频晶体M后，由于三倍频晶体M是布儒斯特切割，所以相应偏振方向传播损耗很小，通过三倍频晶体M后的基频光再次通过二倍频晶体N，二倍频晶体N为倍频晶体，通过二倍频晶体N后基频光部分变频成倍频光，基频光和倍频光向第二双波长反射镜A2 进行传播并反射回来，当反射光再次通过二倍频晶体N后，部分基频光再次变频成倍频光，反向传播的基频光和倍频光然后通过三倍频晶体M，在三倍频晶体M中基频光和倍频光进行和频，从而产生的三倍频光即紫外光，三倍频晶体 M的出射面切割成布儒斯特角，基频光，倍频光，三倍频光从表面出射，由于折射率不同，所以在布儒斯特面出射后三束光就分开进行传播，其中紫外光是我们需要的光束，而绿光通常为垃圾光进行收集，基频光返回到腔体内由激光反射镜H到第一双波长反射镜A1再次通过增益晶体继续放大。其中激光晶体E 第二激光腔镜F，激光晶体E第一激光腔镜D之间距离，第一激光腔镜D第一双波长反射镜A1，第二激光腔镜F第二双波长反射镜A2，双波长反射镜A平凸透镜B之间的距离根据激光腔体设计要求进行确定，通常激光晶体E第二激光腔镜F，激光晶体E第一激光腔镜D之间距离要小于第一激光腔镜D第一双波长反射镜A1，第二激光腔镜F第二双波长反射镜A2之间的距离，双波长反射镜A平凸透镜B之间的距离没有明确要求，通常距离越短能够泵浦的功率就越高。第二双波长反射镜A2到三倍频晶体M二倍频晶体N之间的距离通常控制在激光的瑞利范围内即可。第一声光Q开关在腔体内的位置没有明确要求，通常放置在激光光束直径小于声光晶体作用区域即可。其中在激光成腔后在三倍频晶体M位置输出激光，输出的激光经过分束镜R部分反射进行到光电探头 I进行测量，大部分透过分束镜R进行传播。第一双波长反射镜A1放置于电动平移台P上，电动平移台P的长度主要是由激光器的设计决定的，如果需要更高的频率范围内来实现脉宽一致，则长度加长，但是相应机加难度增加。其余部分的位置没有明确要求。

所述第一双波长反射镜A1放置在电动平移台H上，通过改变所述第一双波长反射镜A1的位置，改变激光器的腔长。

其中，还包括分束镜R、光电探头I以及脉宽检测装置L、MCU控制板Q，所述三倍频晶体M出射的激光向分束镜R进行传播，光电探头I接收到分束镜 R反射的光，测试激光器的脉宽，所述光电探头I将测得数据实时反馈给脉宽监控装置L，所述脉宽监控装置L与MCU板Q相互通信。

其中，所述伺服电机驱动器J、第二声光Q开关与MCU板Q通信连接，所述伺服电机驱动器J与电动平移台P的伺服电机控制连接，所述第三声光Q开关与第一声光Q开关控制连接。

其中，所述第一激光腔镜D和第二激光腔镜F为平凸反射镜，相应的反射角度不同。

其中，所述倍频晶体N、三倍频晶体M为LBO晶体。

其中，所述LBO晶体的端面切割为布儒斯特。

需要说明的是，A1和A2为双波长反射镜，用于反射基频率光和倍频光，D， F为平凸反射镜，只是相应的反射镜角度不同，使用平凸透镜的主要作用在于补充高功率泵浦的热效应。整个激光器的腔长两个镜片A1和A2之间的长度决定，其中在凸透镜B位置附近的反射镜A1放置到电动平移台P上，通过改变A1的位置来改变激光腔的长度，从而改变脉宽。B为凸透镜，B的主要作用在于改变激光器工作的稳区范围，当放置B的时候能够将激光器工作的第一稳区移动到短焦的范围内，这样能够在有限的腔长上泵浦更高的泵浦功率。E是相应的激光工作晶体，通常了实现高工作效率的时候选用钒酸钇晶体，这里为了实现良好的倍频效率和加工效果，选取端泵泵浦的方式。C为声光Q晶体，主要就用来实现高重频的激光输出，N为倍频晶体，考虑工业客户使用特点，选取不易潮解的LBO为二倍频晶体，M为三倍频晶体，通常选择LBO晶体，其中LBO晶体的端面切割为布儒斯特角，这样在这个面上，基频光，二倍频光，三倍频光都能按照各自分开的角度进行传播，这样就能实现腔内倍频紫外激光的输出。

整个激光器为了实现高泵浦功率可以采用双端泵设计方案，同时为了实现在高泵浦条件下，不同频率的脉宽恒定，可以通过改变腔长来实现。在相同的泵浦功率下，不同的工作频率，在上能级上积累的能量就不同，根据激光速率方程，当能量积累少的时候相应脉宽就宽，当能量积累多的时候相应脉宽就窄。所以当低重频时候，反射镜A1在步进电机P的最远端，即光学腔最长的时候，这时候光学增益最大而光程最长，当高重频时候A1在P的最近端，即光学腔最短的时候，光学增益最小而光程最短，当频率升高后，相应晶体的增益就减小了，同时脉宽和增益成反比，和腔长成正比，所以两个反向操作可以保证激光脉宽在低功率高重频和高功率低重频时候近似一致。其中B的主要作用就是在 A1移动的过程中能够使热焦距处于稳区的中间，这样能够使出激光相对于热和机械的稳定性最优，能够将双波长反射镜A由于机械误差对激光产生的干扰降至最小。P的长度是有限的，通常在工业品激光器的设计当中，脉冲在50kHz ～100kHz内脉宽不变基本就能满足相应的应用要求。

P为相应的电动平移台，而J为相应后台的驱动电机驱动器，其中P的动作步骤由Q，MCU板的内部程序进行控制。

上述方案基本实现粗调脉宽方案，精细调节脉宽可以通过调节Q的开关时间来实现。从M出射后的激光向R进行传播，R为分束镜，其中大部分透射过去，有部分光反射进入光电探头I，光电探头I主要用于测试激光器的脉宽，同时将测得数据实时反馈给监控装置L，监控装置L和MCU控制板Q相互通信，利用FPGA的高速特性编译MCU板Q中的软件程序，这样便可以控制MCU板的逻辑动作过程。当接受到监控装置L中信号后，MCU板中的程序对实时测量结果进行判断，当脉宽超出一定的范围时候，MCU板向第三声光Q开关发出储能宽度调节命令，通过调节激光器的品质因数来实现对激光器的脉宽的控制。

这样通过闭环反馈控制能够精准的控制激光器的脉宽，从而达到高的出光精度要求。通过优化设计能够实现工业级的脉宽固定的端面泵浦紫外激光器。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种固定脉宽腔内倍频紫外激光器，其特征在于，包括第一双波长反射镜(A1)、第二双波长反射镜(A2)以及平凸透镜(B)、第一声光Q开关、第一激光腔镜(D)、激光晶体(E)、第二激光腔镜(F)、激光反射镜(H)、二倍频晶体(N)、三倍频晶体(M)，

所述第一双波长反射镜(A1)放置在电动平移台(H)上，通过改变所述第一双波长反射镜(A1)的位置，改变激光器的腔长，还包括分束镜(R)、光电探头(I)以及脉宽检测装置(L)、MCU控制板(Q)，所述三倍频晶体(M)出射的激光向分束镜(R)进行传播，光电探头(I)接收到分束镜(R)反射的光，测试激光器的脉宽，所述光电探头(I)将测得数据实时反馈给脉宽监控装置(L)，所述脉宽监控装置(L)与MCU板(Q)相互通信。

2.根据权利要求1所述的固定脉宽腔内倍频紫外激光器，其特征在于，伺服电机驱动器(J)、第二声光Q开关与MCU板(Q)通信连接，所述伺服电机驱动器(J)与电动平移台(H)上的伺服电机控制连接，第三声光Q开关与第一声光Q开关控制连接。

3.根据权利要求1所述的固定脉宽腔内倍频紫外激光器，其特征在于，所述第一激光腔镜(D)和第二激光腔镜(F)为平凸反射镜。

4.根据权利要求1所述的固定脉宽腔内倍频紫外激光器，其特征在于，所述倍频晶体(N)、三倍频晶体(M)为LBO晶体。

5.根据权利要求4所述的固定脉宽腔内倍频紫外激光器，其特征在于，所述LBO晶体的端面切割为布儒斯特角。