CN215418955U - 一种基于激光的三倍频装置及激光系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于激光器领域，特别是涉及一种基于激光的三倍频装置及激光系统，一种基于激光的三倍频装置，其中，包括，第一倍频单元，设置于第一预定位置；第二倍频单元，设置于第二预定位置；所述第一倍频单元与所述第二倍频单元对称设置；非线性晶体，设置于所述第一倍频单元与所述第二倍频单元之间；第三倍频单元，设置于第三预定位置；第四倍频单元，设置于第四预定位置；所述第三倍频单元与所述第四倍频单元对称设置；非线性和频晶体，设置于所述第三倍频单元与所述第四倍频单元之间。

Description

一种基于激光的三倍频装置及激光系统

技术领域

本实用新型属于激光器领域，特别是涉及一种基于激光的三倍频装置及激光系统。

背景技术

紫外(UV)激光器在工业微加工领域具有广泛应用，如工业零部件的打标、钻孔、划片、焊接、切割以及医疗器械的微加工、电子元件封装、微型部件立体成型等。此外，在微电子学、光谱分析、光数据存储、光盘控制、大气探测、光化学、光生物学、空间光通信、激光诱发的物质原子荧光和UV吸收(如Si原子的荧光诱发、冷冻和控制)及医疗领域也有着广泛的应用前景。尤其是在工业加工领域，由于UV激光的波长短光子能量高，其聚焦光斑可以更小，且高能量UV 光子可以直接破坏材料的化学键，相对于红外激光的“热熔”过程， UV激光加工时是“冷蚀”效应，这使得加工的尺寸可以更小，加工的精度得到提高。

目前为止，商用的355nm激光几乎都是脉冲或者准连续的，几乎没有大功率连续355nm激光。而相关文献中报道的几种连续355nm 激光的方案都有各自的局限，例如需要将外腔锁定到其中的532nm 激光，同时还需要将1064nm激光锁定到外腔实现双波长的共振；采用单通方案结构简单紧凑，但是受限于单通所用特殊晶体的损伤最大只能稳定输出50mW。其他的三倍频产生连续355nm的方案则需要先有一级单通倍频产生约10W的532nm，再通过第二级的谐振腔使得532nm的功率在腔内实现增益，同时需要调节大功率的1064nm 激光使得1064nm和532nm在腔内和频晶体中尽量重合。例如由固体半导体激光器作为泵浦源，通过非线性倍频技术产生三倍频紫外光。

总结起来，上述方案存在以下问题：采用双波长共振增益的方案，光路结构和锁定环路非常复杂，出光不稳定，只要一个波长失去共振条件，输出功率就会降低，稳定性很差；两级单通的方案受限于第二级晶体的损伤阈值，只能稳定输出50mW功率；采用单通加谐振获得大功率355nm的方案，虽然只有一个锁定环路，但是光路上仍然需要单通倍频加谐振和频的两级非线性转换，光路结构不够简便紧凑，而且谐振和频过程中光路的重合调节也十分困难，只要两路光的重合发生偏转或者分离，出光功率就会显著下降。然而，用这种方法产生的紫外光多为多模激光，光束质量不好，不能满足工业上精细加工的需求。另外，系统中需大量使用自有空间的光学元件，结构复杂，增加了调试难度，不利于工业化大批量生产。

实用新型内容

基于上述技术缺陷，本实用新型的目的在于提供一种光学结构简单，机械结构紧凑，出光功率稳定的外腔双晶体三倍频方案，可应用于产生大功率连续355nm激光。

一方面，本申请提供一种基于激光的三倍频装置，其中，包括，

第一倍频单元，设置于第一预定位置；

第二倍频单元，设置于第二预定位置；所述第一倍频单元与所述第二倍频单元对称设置；

非线性晶体，设置于所述第一倍频单元与所述第二倍频单元之间；

第三倍频单元，设置于第三预定位置；

第四倍频单元，设置于第四预定位置；所述第三倍频单元与所述第四倍频单元对称设置；

非线性和频晶体，设置于所述第三倍频单元与所述第四倍频单元之间。

优选地，上述的一种基于激光的三倍频装置，其中，所述非线性晶体匹配第一束腰位置。

优选地，上述的一种基于激光的三倍频装置，所述非线性和频晶体匹配第二束腰位置。

优选地，上述的一种基于激光的三倍频装置，所述第一预定位置为所述第一倍频单元与光路轨迹线的第一夹角为0°-33°；和/或，

所述第二预定位置为所述第二倍频单元与光路轨迹线的第二夹角为0°-33°；和/或，

所述第三预定位置为所述第三倍频单元与光路轨迹线的第三夹角为0°-33°；和/或，

所述第四预定位置为所述第四倍频单元与光路轨迹线的第四夹角为0°-33°。

优选地，上述的一种基于激光的三倍频装置，非线性晶体可以采用温度匹配的相位匹配方式，即非临界相位匹配方式倍频处理；也可以采用角度匹配的相位匹配方式，即临界相位匹配方式。

优选地，上述的一种基于激光的三倍频装置，所述非线性和频晶体的偏振方式为第二类相配匹配以实现和频。

另一方面，本申请再提供一种激光系统，其中：包括上述任意项所述的三倍频装置，

光源，用以输出预定波长的光信号；

三倍频装置，用以接收所述预定波长的光信号；对所述预定波长的光信号做三倍频处理以形成三倍频激光信号。

优选地，上述的一种激光系统，其中：所述光信号的预定波长为 1050nm至1200nm。

与现有技术相比，本申请的有益效果是：

只需一个锁定环路，即可使谐振腔锁定到基频激光信号，简化了锁定电路部分，降低了失锁的可能性，激光器的稳定性提高，且相较于两级单通的方式的出光功率更高。将二倍频与谐振和频集成到一个四镜环形腔内，光路结构更简单紧凑，无需调节基频激光和倍频激光在非线性和频晶体的重合，光路调节难度降低，且抗干扰能力更强。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种基于激光的三倍频装置结构示意图；

图2为本实用新型提供的一种激光系统的结构示意图；

图3为本实用新型提供的一种激光系统所形成的激光信号波形示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一

如图1所示，一种基于激光的三倍频装置，其中，包括，

第一倍频单元11，设置于第一预定位置；所述第一预定位置为所述第一倍频单元11与光路轨迹线的第一夹角为0°-33°，其中第一夹角为锐角，锐角范围优选5°-33°。

第二倍频单元12，设置于第二预定位置；所述第二预定位置为所述第二倍频单元12与光路轨迹线的第二夹角为0°至33°，其中第二夹角为锐角。第一倍频单元11与第二倍频单元12对称设置。

非线性晶体15，设置于所述第一倍频单元11与所述第二倍频单元12之间；进一步地，所述非线性晶体15匹配第一束腰位置。非线性晶体15采用温度匹配的相位匹配方式或者角度匹配的相位匹配方式倍频处理。非线性晶体可优选为LBO、KTP、KDP晶体。

进一步地，非线性晶体15可以选择相对较长的非线性晶体，非线性晶体满足Boyd-Kleimann条件，使倍频效率尽可能的高。非线性和频晶体可优选为LBO、KDP、KTP晶体。

第三倍频单元13，设置于第三预定位置；所述第三倍频单元13 为平凹、双凹或弯月腔镜，所述第三预定位置为所述第三倍频单元 13与光路轨迹线的第三夹角为0°-33°，其中第三夹角为锐角。

第四倍频单元14，设置于第四预定位置；所述第四倍频单元14 为平凹、双凹或弯月腔镜，所述第四预定位置为所述第四倍频单元 14与光路轨迹线的第四夹角为0°-33°，其中第四夹角为锐角，所述第四倍频单元14与所述第三倍频单元13对称设置。

进一步地，第三倍频单元13和第四倍频单元14均为平凹、双凹或弯月腔镜，且腔镜的凹面朝腔内。

非线性和频晶体16，设置于所述第三倍频单元13与所述第四倍频单元14之间。所述第一束腰大于第二束腰，进一步地，所述非线性和频晶体16匹配第二束腰位置。所述非线性和频晶体16的偏振方式为第二类相配匹配以实现和频。非线性和频晶体16可为LBO非线性和频晶体。

上述的一种基于激光的三倍频装置的工作原理是：

一种基于激光的三倍频装置，通过第一倍频单元11、第二倍频单元12、第三倍频单元13和第四倍频单元14形成一四腔镜环形腔，其中第一倍频单元11与第二倍频单元12之间的距离大于第三倍频单元13与第四倍频单元14之间的距离，所述四腔镜环形腔内包含第一束腰和第二束腰，第一束腰形成于第一倍频单元11与第二倍频单元 12之间，第二束腰形成于第三倍频单元13和第四倍频单元14之间。第一束腰处放置有非线性晶体15，第二束腰处放置有非线性和频晶体16。第一倍频单元11、第二倍频单元12、第三倍频单元13和第四倍频单元14、非线性晶体15、非线性和频晶体16形成稳腔条件。

基频激光a依次经过输入第一倍频单元11、第二倍频单元12、第三倍频单元13和第四倍频单元14、非线性晶体15、非线性和频晶体16后返回最初的输入第一倍频单元11处，环形腔的腔长为激光a 从第一倍频单元输入直至返回至第一倍频单元的轨迹长度，环形腔的腔长通过反馈环路锁定为基频激光a波长整数倍(也可以反馈基频激光a的波长实现共振，原理上一样)，于第一倍频单元处基频激光a 的光信号被部分反射的能量大大降低，根据能量守恒，进入环形腔的基频激光a能量将大大增大，环形腔实现基频激光a的能量增益，环形腔锁定方法包括PDH、HC、抖动锁定。经过增益的基频激光a通过非线性晶体15后做二次谐波处理产生倍频激光b，由于非线性晶体 15位于腔内较大的一个束腰，采用温度匹配的相位匹配方式非线性晶体15做倍频处理，这样基频激光a和倍频激光b之间不存在走离效应，两种光之间在空间上完全重合，基频激光a和倍频激光b通过第二倍频单元12反射至第三倍频单元13，第三倍频单元13对所述基频激光a和倍频激光b做汇聚处理后入射到非线性和频晶体16处。由于基频激光a和倍频激光b之间相互重合，且偏振相互垂直，非线性和频晶体16偏振方式可以选用第二类相位匹配(o+e->o)对所述基频激光a和倍频激光b做和频处理以三倍频激光c。由于非线性和频晶体16匹配第二个束腰处，第二个束腰的束腰较小，非线性和频晶体16长度相对较短。倍频激光b和三倍频光c通过第四倍频单元耦合出环形腔。

实施例二

如图2所示，另一方面，本申请再提供一种激光系统，其中：包括上述任意项所述的三倍频装置，

光源21，用以输出预定波长的光信号；所述光信号的预定波长为 1050nm至1200nm。

三倍频装置22，用以接收所述预定波长的光信号；对所述预定波长的光信号做三倍频处理以形成355nm激光信号。

具体的工作原理为：

采用大功率连续单频的1064nm基频激光a信号，基频激光a耦合进三倍频装置，1064nm基频激光a依次经过输入第一倍频单元、非线性晶体、第二倍频单元、第三倍频单元、非线性和频晶体、第四倍频单元返回至最初的第一倍频单元处。环形腔通过PDH、HC、抖动等方法锁定到1064nm基频激光a。经过增益的1064nm激光a通过非线性晶体后产生532nm激光(倍频激光b)，非线性晶体的倍频选用温度匹配的非临界相位匹配方式(o+o->e)，相应的匹配温度约154 摄氏度，由此产生的532nm倍频激光b(e偏振)与1064nm基频激光a(o偏振)之间不存在走离效应，两种光之间在空间上完全重合，经过第三倍频单元汇聚后一起入射到非线性和频晶体处。由于 1064nm激光a与532nm激光b之间相互重合，其中1064nm激光a 在非线性和频晶体中偏振为o，532nm激光在非线性和频晶体中偏振为e，非线性和频晶体的相位匹配方式选用第二类相位匹配(o+e->o) 以使得1064nm基频激光与532nm倍频激光之间形成和频条件，从而获得355nm三倍频激光c。产生的532nm倍频激光b和355nm三倍频光c通过第四倍频单元耦合出环形腔，在腔外由分光器件实现 532nm二倍频光b和355nm三倍频光c之间的分离。

如图3所示，通过上述的一种激光系统所形成的激光信号波形示意图。

只需一个锁定环路，即可使谐振腔锁定到基频激光信号，简化了锁定电路部分，降低了失锁的可能性，激光器的稳定性提高，且相较于两级单通的方式的出光功率更高。将二倍频与谐振和频集成到一个四镜环形腔内，光路结构更简单紧凑，无需调节基频激光和倍频激光在非线性和频晶体的重合，光路调节难度降低，且抗干扰能力更强。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于激光的三倍频装置，其特征在于，包括，

第一倍频单元，设置于第一预定位置；

第二倍频单元，设置于第二预定位置；所述第一倍频单元与所述第二倍频单元对称设置；

非线性晶体，设置于所述第一倍频单元与所述第二倍频单元之间；

第三倍频单元，设置于第三预定位置；

第四倍频单元，设置于第四预定位置；所述第三倍频单元与所述第四倍频单元对称设置；

非线性和频晶体，设置于所述第三倍频单元与所述第四倍频单元之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光的三倍频装置，其特征在于，所述非线性晶体匹配第一束腰位置。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光的三倍频装置，其特征在于，所述非线性和频晶体匹配第二束腰位置。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光的三倍频装置，其特征在于，所述第一预定位置为所述第一倍频单元与光路轨迹线的第一夹角为0°-33°；和/或，

所述第二预定位置为所述第二倍频单元与光路轨迹线的第二夹角为0°-33°；和/或，

所述第三预定位置为所述第三倍频单元与光路轨迹线的第三夹角为0°-33°；和/或，

所述第四预定位置为所述第四倍频单元与光路轨迹线的第四夹角为0°-33°。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光的三倍频装置，其特征在于，非线性晶体采用温度匹配的相位匹配方式或者临界相位匹配方式倍频处理。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光的三倍频装置，其特征在于，所述非线性和频晶体的偏振方式为第二类相配匹配以实现和频。

7.一种激光系统，其特征在于：包括权利要求1～6任意项所述的三倍频装置，

光源，用以输出预定波长的光信号；

三倍频装置，用以接收所述预定波长的光信号；对所述预定波长的光信号做三倍频处理以形成三倍频激光信号。

8.根据权利要求7所述的一种激光系统，其特征在于：所述光信号的预定波长为1050nm至1200nm。

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