CN213125048U - 一种用于激光的一体化频率转换装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于激光的一体化频率转换装置，包括：依次排列的第一透镜、第二透镜、第一频率变换模块、第二频率变换模块、第三频率变换模块、分光器和出射光窗；其中，所述第一频率变换模块、第二频率变换模块、第三频率变换模块和分光器置于密封盒内，所述第二透镜安装于所述密封盒的入射窗中。通过第一透镜和第二透镜，能够调整高功率入射基频激光的大小，改变聚焦参量，实现对不同的基频激光光源系统的高效频率变换。使用温控炉对频率变换晶体进行特殊的温度控制，能够防止晶体的潮解，实现相位匹配，提高的频率转换效率和使用寿命。使用惰性气体对对相关模块进行吹扫并密封保护，能够降低损耗，稳定光场，提高光学元件使用寿命。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光技术领域，尤其涉及一种用于激光的一体化频率转换装置。
背景技术
深紫外激光能够直接破坏材料的化学键产生刻蚀，不会对加工区域的周边产生热变形等影响，不产生对外围的加热，加工精度高，属于“冷加工”范畴，此外，由于光束的衍射现象是限制加工部件最小尺寸的主要因素，短波长的紫外激光相对近红外激光可以得到更小的聚焦光斑，因此可以进行超精细及特殊材料加工，在精密加工、信息技术、激光医疗、集成电路制造、科学研究等领域都有重要的应用。与准分子激光相比，深紫外固体激光具有重复频率高、光束质量好、相干性好、光斑模式好等优点，非常适用于相干光刻、半导体加工等应用。
然而，现有的基频激光系统，其输出光功率、光斑大小、发散角等各不相同，在先激光频率变换通常只针对特定输出参数的基频激光系统搭建，且各光学元件独立分散，体积较大。因此，需要提供一种能够应用于功率、光斑、发散角等各不相同的基频激光系统的输出光，且体积小的用于激光的一体化频率转换装置。
实用新型内容
为解决以上问题，本实用新型提出一种用于激光的一体化频率转换装置，包括：依次排列的第一透镜、第二透镜、第一频率变换模块、第二频率变换模块、第三频率变换模块、分光器和出射光窗；
其中，所述第一频率变换模块、第二频率变换模块、第三频率变换模块和分光器置于密封盒内，所述第二透镜安装于所述密封盒的入射窗中。
优选地，所述第一透镜和第二透镜之间的距离可调节，第一透镜可根据焦距需求进行更换。
优选地，所述密封盒的底部设置进气口，顶部设置出气口，
或所述密封盒的顶部设置进气口，底部设置出气口。
优选地，所述第一频率变换模块、第二频率变换模块和第三频率变换模块均包括：一个频率变换晶体和一个温控炉；
所述频率变换晶体设置在所述温控炉内。
优选地，所述第一频率变换模块的频率变换晶体，包括：二倍频晶体。
优选地，所述第二频率变换模块的频率变换晶体，包括：三倍频晶体或四倍频晶体。
优选地，所述第三频率变换模块的频率变换晶体，包括：五倍频晶体。
优选地，所述分光器包括色散元件。
优选地，所述密封盒包括：温控装置。
优选地，还包括光学波片，放置在第一频率变换模块、第二频率变换模块和/或第三频率变换模块之前。
与现有技术相比，本实用新型通过调节第一透镜和第二透镜的间距或焦距比例，调节聚焦光斑尺寸和发散角，从而调整聚焦光斑功率密度大小，进而优化频率转换效率。能够应用于功率、光斑大小、发散角等各不相同的基频激光系统的输出光，并且，第一频率变换模块、第二频率变换模块、第三频率变换模块和分光器置于密封盒内，第二透镜安装于所述密封盒的入射窗中，使得装置整体的结构紧凑，体积小。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方案的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用同样的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本实用新型提供的一种用于激光的一体化频率转换装置的示意图；
图2是本实用新型提供的一种用于激光的一体化频率转换装置的光路的示意图。
具体实施方式
下面结合参照附图对本实用新型的示例性实施方式作进一步的说明。虽然附图中显示了本实用新型的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本实用新型而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本实用新型，并且能够将本实用新型的范围完整地传达给本领域的技术人员。
下面将结合附图对本实施例所公开的用于激光的一体化频率转换装置进行详细描述。
如图1所示，本实用新型的一种用于激光的一体化频率转换装置，包括：依次排列的第一透镜101、第二透镜102、第一频率变换模块103、第二频率变换模块104、第三频率变换模块105、分光器106和出射光窗107；
其中，第一频率变换模块、第二频率变换模块、第三频率变换模块和分光器置于密封盒108内，第二透镜安装于密封盒的入射窗中。
第一透镜和第二透镜之间的距离可调节，第一透镜可根据焦距需求进行更换，用于调节入射的基频激光的聚焦光斑功率密度，达到最佳频率转换效率。
若使用的惰性气体的密度大于空气，则密封盒的底部设置进气口，顶部设置出气口。若使用的惰性气体的密度小于空气，则密封盒的顶部设置进气口，底部设置出气口。
第一频率变换模块、第二频率变换模块和第三频率变换模块均包括：一个频率变换晶体和一个温控炉；
频率变换晶体设置在温控炉内。
第一频率变换模块的频率变换晶体，包括：二倍频晶体。
第二频率变换模块的频率变换晶体，包括：三倍频晶体或四倍频晶体。
第三频率变换模块的频率变换晶体，包括：五倍频晶体。
分光器包括色散元件。
密封盒包括：温控装置。
还包括光学波片，放置在第一频率变换模块、第二频率变换模块和/或第三频率变换模块之前。
色散元件包括：棱镜或光栅等。
二倍频晶体、三倍频晶体或四倍频晶体以及五倍频晶体，均根据相位匹配条件，进行切割。倍频晶体是一种用于倍频效应的非线性光学晶体。
下面，对本申请的实施例进行进一步说明。
如图2所示，入射基频激光经过第一透镜和第二透镜之后，依次入射到第一频率变换模块、第二频率变换模块、第三频率变换模块，分光器，经出射光窗出射。第一频率变换模块用于对入射激光进行二倍频；第二频率变换模块用于对入射激光进行三倍频或四倍频；第三频率变换模块用于对入射激光进行五倍频。
第一透镜与第二透镜构成光束聚焦(光束大小)调节系统，通过调节两透镜的相对位置或焦距比例，可实现入射基频光光斑大小的调整，优化入射基频光聚焦参量，实现高效、高质量的频率变换。第一透镜与第二透镜的焦点位置重合，焦距之比设为2，用于将入射基频激光光束缩小至1/2倍，增加入射激光能量密度，从而提高频率变换效率。第二透镜、第一频率变换模块、第二频率变换模块、第三频率变换模块、分光器以及出射光窗置于密封盒中。第二透镜、第一频率变换模块、第二频率变换模块、第三频率变换模块依次紧凑排列。
密封盒设置进气口和出气口，用于惰性气体进出吹扫，防止密封盒内部空气对紫外激光能量的吸收损耗，以及降低由空气流动对光路的影响，稳定光场，同时提高光学元件使用寿命。所用吹扫气体可以是高纯氦、氩等气体；若所用吹扫气体比重高于空气，则进气口位于密封盒底部，出气口位于密封盒顶部，以便尽量排空空气；若所用吹扫气体比重低于空气，则进气口位于密封盒顶部，出气口位于密封盒底部。
密封盒内设置温控装置，用于保持密封盒的恒温状态，提高功率稳定性；第二透镜作为密封盒的入射光窗。
第一频率变换模块包括能够满足相位匹配的二倍频晶体，二倍频晶体可以是特殊切割角度的LBO、BBO、KTP等晶体。
第二频率变换模块包括能够满足相位匹配条件的三倍频晶体或者四倍频晶体，三倍频晶体或者四倍频晶体可以是特殊切割角度的LBO、BBO、CLBO等晶体；
第三频率变换模块包括能够满足相位匹配条件的五倍频晶体，五倍频晶体可以是特殊切割角度的BBO、CLBO等晶体。
第一频率变换模块、第二频率变换模块以及第三频率变换模块均包括温控炉，温控炉中用于放置频率变换模块包括的频率变换晶体。第一频率变换模块、第二频率变换模块以及第三频率变换模块中的各频率变换晶体的水平和竖直方向的角度可微调，使三个晶体的中心位置基本位于光轴上，与光轴重合。
分光器用于将基频光、二倍频光、三倍频或四倍频光、五倍频光进行分光，包括：棱镜、光栅等色散元件。
出射光窗作为密封盒的出射光窗，需要对入射波长光具有极高的透过率。
若倍频模块无法实现相位匹配，可根据需要在腔中加入光学波片等，用于对入射波长光偏振方向的调整。
下面，以射基频激光的波长为1064nm，对本申请的实施方式进行说明。
波长1064nm的入射基频激光经过第一透镜和第二透镜之后，依次入射到第一频率变换模块的二倍频晶体、第二频率变换模块的四倍频晶体、第三频率变换模块的五倍频晶体，经出射光窗出射。
二倍频晶体为LBO晶体，用于对入射激光进行二倍频获得532nm激光输出，为避免走离，采用非临界相位匹配方式，尺寸4*4*20mm3，切割角度Theta＝90°；Phi＝0°，工作温度150℃。
四倍频晶体为CLBO晶体，用于对入射激光进行四倍频获得266nm激光输出，采用I类匹配方式，尺寸5*5*20mm3，切割角度Theta＝62.1°，工作温度155℃。
五倍频晶体为CLBO晶体，用于对入射四倍频266nm激光和残留的1064nm激光进行和频获得五倍频213nm激光输出，采用I类匹配方式，尺寸5*5*20mm3，切割角度Theta＝68.5°，工作温度155℃。
密封盒中的温控装置，保证密封盒置于25℃恒温状态，稳定输出激光功率。
分光器使用以氟化钙(CaF2)为衬底的直角三棱镜，用于将基频1064nm光、二倍频532nm光、四倍频266nm光、五倍频213nm光进行分光。其中，为了降低五倍频光的损耗，调节入射光角度使得213nm光垂直于棱镜出射面出射。
出射光窗作为密封盒的出射光窗，使用氟化钙衬底的平平镜。
本实施例的益处在于，通过第一透镜和第二透镜，能够调整高功率入射基频激光的聚焦光斑和发散角，改变聚焦参量，从而调整聚焦光斑功率密度大小，实现对不同的基频激光光源系统的高效频率变换。通过使用温控炉对频率变换晶体进行特殊的温度控制，能够防止晶体的潮解，实现相位匹配，从而提高频率转换效率和使用寿命。同时，深紫外激光由于波长短，单光子能量大，在空气中传输时极易被吸收电离氧气产生臭氧等有害气体，产生损耗，因此使用惰性气体对对相关模块进行吹扫并密封保护，能够降低损耗，稳定光场，同时提高光学元件使用寿命，使其能够应用于高功率激光系统中，不受环境影响。置于密封盒内的第一频率变换模块、第二频率变换模块、第三频率变换模块和分光器，使得本申请的实施方式具有移动方便、结构紧凑、操作方便、寿命长，具有易操作、实用化等优点。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型所作的举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于激光的一体化频率转换装置，其特征在于，包括：依次排列的第一透镜、第二透镜、第一频率变换模块、第二频率变换模块、第三频率变换模块、分光器和出射光窗；
其中，所述第一频率变换模块、第二频率变换模块、第三频率变换模块和分光器置于密封盒内，所述第二透镜安装于所述密封盒的入射窗中。
2.如权利要求1所述的用于激光的一体化频率转换装置，其特征在于，所述第一透镜和第二透镜之间的距离可调节，第一透镜可根据焦距需求进行更换。
3.根据权利要求1所述的用于激光的一体化频率转换装置，其特征在于，
所述密封盒的底部设置进气口，顶部设置出气口，
或所述密封盒的顶部设置进气口，底部设置出气口。
4.根据权利要求1所述的用于激光的一体化频率转换装置，其特征在于，所述第一频率变换模块、第二频率变换模块和第三频率变换模块均包括：一个频率变换晶体和一个温控炉；
所述频率变换晶体设置在所述温控炉内。
5.根据权利要求4所述的用于激光的一体化频率转换装置，其特征在于，所述第一频率变换模块的频率变换晶体，包括：二倍频晶体。
6.根据权利要求4所述的用于激光的一体化频率转换装置，其特征在于，所述第二频率变换模块的频率变换晶体，包括：三倍频晶体或四倍频晶体。
7.如权利要求4所述的用于激光的一体化频率转换装置，其特征在于，所述第三频率变换模块的频率变换晶体，包括：五倍频晶体。
8.如权利要求1所述的用于激光的一体化频率转换装置，其特征在于，所述分光器包括色散元件。
9.如权利要求1所述的用于激光的一体化频率转换装置，其特征在于，所述密封盒包括：温控装置。
10.如权利要求1所述的用于激光的一体化频率转换装置，其特征在于，还包括光学波片，放置在第一频率变换模块、第二频率变换模块和/或第三频率变换模块之前。
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| CN202021330280.XU CN213125048U (zh) | 2020-07-08 | 2020-07-08 | 一种用于激光的一体化频率转换装置 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113477948A (zh) * | 2021-06-29 | 2021-10-08 | 华南理工大学 | 一种激光选区熔化的控制系统、方法及装置 |
| CN115031930A (zh) * | 2022-06-13 | 2022-09-09 | 浙江大学 | 一种测量频率可调的相位恢复波前检测装置及方法 |
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| CN115031930A (zh) * | 2022-06-13 | 2022-09-09 | 浙江大学 | 一种测量频率可调的相位恢复波前检测装置及方法 |
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