CN216214786U - 一种波长转换光路结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种波长转换光路结构，包括声光器件以及至少两个波长转换光路；所述波长转换光路包括至少一个用于波长转换的非线性晶体；所述声光器件设置于基频光的输出光路上，所述声光器件响应于外部射频信号产生布拉格衍射，并用于改变基频光的偏转角度；各所述波长转换光路均为所述声光器件的输出光路，各所述波长转换光路分别设置于所述声光器件的一输出光路上，并通过所述非线性晶体将所述基频光转换至相应波长后输出。本实用新型具有实时分光转换、转换效率高、光路结构简单的技术效果。

Description

一种波长转换光路结构

技术领域

本实用新型涉及波长转换技术领域，尤其涉及一种波长转换光路结构。

背景技术

激光波长转换一直是激光器设计中的一个重点内容，目前常用的转换方式为：通过非线性晶体产生二次谐波、三次谐波等方法进行频率/波长变换，利用倍频或和频手段将红外激光转换成更短波长的绿光激光或紫外激光。绿光激光波长或紫外激光波长因为光子能量更高，带来的热效应相比红外波长更少，在工业加工领域有比较广泛的应用，近年来也是各种激光器研究发展方向。

目前已有许多双波长/多波长激光光路，一些是直接将两种波长同时输出，在外部进行滤光分离，得到需要的波长使用，导致用户选择性较差，还增加了外部器件；一些是利用光的偏振特性，分光棱镜或旋转镜进行分光，但这便使光路设计变得十分复杂，光学腔体积增大、成本提升，不利于集成化以及产品化生产；还有一些设计使用的基频光光源不止一路，这同样造成光路中光学元器件使用较多且结构复杂，以上方法不仅在设计使用上带来很多麻烦，而且在后续光路的维护调试上也造成很多不便。

实用新型内容

有鉴于此，有必要提供一种波长转换光路结构，用以解决波长转换光路中分光结构复杂、分光效率低的问题。

本实用新型提供一种波长转换光路结构，包括声光器件以及至少两个波长转换光路；所述波长转换光路包括至少一个用于波长转换的非线性晶体；

所述声光器件设置于基频光的输出光路上，所述声光器件响应于外部射频信号产生布拉格衍射，并用于改变基频光的偏转角度；

各所述波长转换光路均为所述声光器件的输出光路，各所述波长转换光路分别设置于所述声光器件的一输出光路上，并通过所述非线性晶体将所述基频光转换至相应波长后输出。

可选的，所述非线性晶体的前端还设置有聚焦镜，所述聚焦镜用于将经过所述声光器件输出的基频光聚焦于所述非线性晶体的中心位置。

可选的，所述声光器件包括声光偏转器、声光调制器或多通道声光调制器；所述非线性晶体包括和频晶体或倍频晶体中的至少一种。

可选的，所述波长转换光路的非线性晶体的前端面设置有调光器件，所述调光器件用于调节光束入射至所述非线性晶体的角度，所述调光器件为光楔对或反射镜。

可选的，所述光楔对包括两个光楔镜片；

两个所述光楔镜片平行设置并分别封装于一夹具内，两所述夹具彼此转动连接；所述夹具上安装有调节螺丝，所述调节螺丝用于将所述光楔镜片锁紧于相应的夹具内，所述调节螺丝还用做调节两个光楔镜片绕光轴转动的转动把手，以改变两个光楔镜片的相对位置。

可选的，所述波长转换光路还包括位于所述非线性晶体前端的输出镜以及位于所述非线性晶体后端的输出反射镜，所述输出反射镜用于将经过非线性晶体的光束再次反射回非线性晶体后经输出镜反射输出，以提高波长转换效率。

可选的，所述波长转换光路还包括光楔对、聚焦镜、输出镜以及输出反射镜；

所述光楔对、聚焦镜、输出镜依次设置于所述声光器件的一输出光路上，所述非线性晶体、输出反射镜依次设置于所述输出镜的透射光路上。

可选的，所述波长转换光路还包括输入反射镜、准直镜、半波片以及光阑；

所述输入反射镜设置于所述声光器件的一输出光路上，所述准直镜、半波片、光楔对、聚焦镜以及输出镜依次设置于所述输入反射镜的反射光路上，所述光阑、非线性晶体以及输出反射镜依次设置于所述输出镜的透射光路上。

可选的，所述波长转换光路还包括防反射结构；

所述防反射结构为空间光隔离器、布儒斯特窗或布儒斯特角结构中任一种；

所述空间光隔离器设置于所述非线性晶体的前端面；

所述布儒斯特窗设置于所述非线性晶体的后端面；

所述非线性晶体的输出端设置为所述布儒斯特角结构。

可选的，所述波长转换光路的数量为两个，其中一个波长转换光路的非线性晶体为第一倍频晶体，另一个波长转换光路的非线性晶体为第二倍频晶体与和频晶体，且所述第二倍频晶体位于所述和频晶体前端。

有益效果：本实用新型采用声光器件代替分光棱镜或旋转镜进行波长转换前的分光，简化了分光带来的复杂光路设计，也避免使用电动镜架，减少成本，避免分光镜带来的较大的能量损失。在进行光路切换时，仅需控制声光器件的开关以及调制幅度，实现波长实时转换，转换效率高。

附图说明

图1为本实用新型提供的波长转换光路结构第一实施例的结构示意图；

图2为本实用新型提供的波长转换光路结构第一实施例的光楔对原理图；

图3为本实用新型提供的波长转换光路结构第一实施例的光楔对结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。

本实用新型的实施例提供了波长转换光路结构，包括声光器件以及至少两个波长转换光路；波长转换光路包括至少一个用于波长转换的非线性晶体；

声光器件设置于基频光的输出光路上，声光器件响应于外部射频信号产生布拉格衍射，并用于改变基频光的偏转角度；

各波长转换光路均为声光器件的输出光路，各波长转换光路分别设置于声光器件的一输出光路上，并通过非线性晶体将基频光转换至相应波长后输出。

本实施例从简化波长选择分光光路以及有利于光路调试和维护的角度设计了一种波长可调光路，实现波长实时快速转换输出。具体的，通过一个声光器件作为光路转换器件，将基频光切换至后续波长转换光路中的一路，实现了在线实时波长转换。声光器件利用外部射频信号产生声波加载于声光器件，通过声光器件内的布拉格光栅产生布拉格衍射，其主要光强集中于一级衍射级，衍射角度与射频信号频率直接相关，因此通过改变射频频率，出射光束的角度θ得到相应的调节。于是利用该角度偏转特性，可以实现光路的实时切换偏转，即：未加载射频声波时，基频光平行通过声光器件进入第一路波长转化光路，当外部加载射频声波时，基频光光路发生偏移，进入第二路波长转化光路；再次改变射频声波的频率，即可改变基频光偏移角度，从而进入第三路波长转换公路，以此类推，实现双波长或多波长的转换光路。

本实用新型采用声光器件代替分光棱镜或旋转镜，简化了分光带来的复杂光路设计，也避免使用电动镜架，减少成本，避免分光镜带来的较大的能量损失。在进行光路切换时，仅需控制声光器件的开关以及调制幅度，实现波长实时转换，转换效率高。

在一实施例中，非线性晶体的前端还设置有聚焦镜，聚焦镜用于将经过声光器件输出的基频光聚焦于非线性晶体的中心位置。

在一实施例中，声光器件为声光偏转器、声光调制器或多通道声光调制。非线性晶体包括和频晶体和倍频晶体中至少一种

声光偏转器AOD和声光调制器AOM均可用于本实施例中实现分光，本实施例选用声光偏转器。

声光偏转器与声光调制器本质无太大差别，均是利用外部射频信号产生声波加载于声光器件，通过声光器件内的布拉格光栅产生布拉格衍射，其主要光强集中于一级衍射级，衍射角度与射频信号频率直接相关，通过改变射频频率，出射光束的角度θ得到相应的调节，利用该角度偏转特性实现光路的实时切换偏转。

声光偏转器AOD和声光调制器AOM实现双波长或多波长的切换输出，如果需要同时输出双波长或多波长的光束，可采用多通道声光调制器AOMC。

在一实施例中，还包括可调反射镜，声光器件设置于可调反射镜的反射光路上，可调反射镜用于接收基频光，并用于调整基频光的角度使其入射声光器件。可调反射镜的作用在于使基频光入射声光器件，因此可调反射镜的数量以及设置角度，根据基频光光源与声光器件的相对位置进行选择设置即可。

具体的，如图1所示，本实施例中可调反射镜的数量为两个，两个可调反射镜分别为第一可调反射镜11和第二可调反射镜12；第一可调反射镜11用于接收基频光，并调整基频光的角度使其入射第二可调反射镜12；第二可调反射镜12用于调整基频光角度使其入射声光器件。

本实施例的基频光入口处设置有两个可调反射镜：第一可调反射镜11和第二可调反射镜12，用于将基频光调整入射进入声光器件，第一可调反射镜11和第二可调反射镜12均为45度反射镜且反射面镀对应基频光波长高反膜。

在一实施例中，波长转换光路的非线性晶体的前端面设置有调光器件，调光器件用于调节光束入射非线性晶体的角度，调光器件为光楔对或反射镜。

为了便于实验调光以及后期维护，在非线性晶体之前设置调光器件。调光器件可以采用光楔对，光楔对有利于晶体调光；但在入射光角度要求不高的情况下，如倍频晶体的温度匹配条件下，可替换为反射镜。

在一实施例中，光楔对包括两个光楔镜片；

两个光楔镜片平行设置并分别封装于一夹具内，夹具上安装有调节螺丝，调节螺丝用于将光楔镜片锁紧于相应的夹具内，两所述夹具彼此转动连接即两个夹具均可以绕着光楔镜片的光轴进行旋转从而使得夹具内的光楔镜片可以绕着其光轴旋转一定角度；调节螺丝还用做调节两个光楔镜片绕光轴转动的转动把手，以改变两个光楔镜片的相对位置。

光楔对可以实现光在任意角度的小角度偏移，具体如图2所示，两个光楔镜片分别为第一光楔镜片331和第二光楔镜片332，光束进入第一光楔镜片331和第二光楔镜片332后发生角度为α的偏转，本实施例利用光楔对的这一性质实现光路中的精密调节。如图3所示，本实施例中光楔对采用夹具代替常规镜架进行精密调光，两个夹具分别为第一夹具333和第二夹具334，两个调节螺丝分别为第一调节螺丝335和第二调节螺丝336，第一光楔镜片331通过第一调节螺丝335锁紧于第一夹具333内，第二光楔镜片332通过第二调节螺丝336锁紧于第二夹具334内。同时，第一调节螺丝335作为第一光楔镜片的转动把手，按图示中箭头方向转动第一调节螺丝335，带动第一夹具333和第一光楔镜片331一同转动；同样的，第二调节螺丝335作为第一光楔镜片的转动把手，按图示中箭头方向转动第一调节螺丝335，带动第一夹具333和第一光楔镜片331一同转动；改变两个光楔镜片的相对位置，从而实现光路的调节。本实施例用旋转方式替代顶丝螺纹方式调节，更加便于光路调节，这对于需要精密调节入射角度的非线性晶体来说十分便捷。

在一实施例中，波长转换光路还包括位于非线性晶体前端的输出镜以及位于非线性晶体后端的输出反射镜，输出反射镜用于将经过非线性晶体的光束再次反射回非线性晶体后经输出镜反射输出，以提高波长转换效率。

本实施例中，波长转换光路的非线性晶体后端面，均设计有对应基频波长的输出反射镜，使基频光两次通过非线性晶体后再输出，提高波长转化的效率。

在一实施例中，波长转换光路还包括光楔对、聚焦镜、输出镜以及输出反射镜；

光楔对、聚焦镜、输出镜依次设置于声光器件的一输出光路上，非线性晶体、输出反射镜依次设置于输出镜的透射光路上。

本实施例中波长转换光路的工作原理为：基频光通过声光偏转器进入波长转换光路中，基频光首先通过光楔对进行偏转角度调节，聚焦镜将基频光光斑聚焦于非线性晶体的中心位置有利于提高转化效率，然后基频光进入非线性晶体实现波长转换，输出反射镜将波长转换后的基频光以及未转化的基频光再次返回非线性晶体，最后经输出镜反射输出到外界使用。

在一实施例中，波长转换光路还包括输入反射镜、准直镜、半波片以及光阑；

输入反射镜设置于声光器件的一输出光路上，准直镜、半波片、光楔对、聚焦镜以及输出镜依次设置于输入反射镜的反射光路上，光阑、非线性晶体以及输出反射镜依次设置于输出镜的透射光路上。

本实施例提供的波长转换光路还设置了输入反射镜、准直镜、半波片以及光阑。输入反射镜用于将通过声光偏转器的基频光调整进入波长转换光路中；基频光首先通过准直镜用于调整基频光的发散角，使其在后续光路中能量更为均匀利于调节；随后经过一块可以旋转的半波片来调节其偏振度，偏振度会影响光学倍频/和频过程中的转化效率；光楔对实现光路的精密调节；聚焦镜将准直的基频光斑聚焦于非线性晶体的中心位置有利于提高转化效率，光阑用于辅助光束同轴进入非线性晶体以及调整光斑形状大小，最后输出反射镜将波长转换后的基频光以及未转化的基频光再次返回晶体，输出镜用于将得到的光束反射输出到外界使用。

在一实施例中，非线性晶体为和频晶体和倍频晶体中至少一种。

和频晶体48的选择可以为三硼酸锂(LBO)、偏硼酸钡(BBO)、周期极化铌酸锂(PPLN)等。倍频晶体的选择可以为三硼酸锂(LBO)、磷酸二氢钾(KDP)、偏硼酸钡(BBO)等。

作为另一个实施例，波长转换光路的数量为两个，其中一个波长转换光路的非线性晶体为第一倍频晶体37，另一个波长转换光路的非线性晶体为第二倍频晶体47与和频晶体48，且所述第二倍频晶体47位于所述和频晶体48前端，则基频光先通过第二倍频晶体47再通过和频晶体48。

本实施例中波长转换光路有两个，分别为倍频光路和和频光路，组成双波长转换光路，以下分别对倍频光束和和频光路具体进行阐述。

在一实施例中，如图1所示，一波长转换光路为倍频光路，倍频光路的非线性晶体为第一倍频晶体37，倍频光路还包括第一输入反射镜30、第一准直镜31、第一半波片32、第一光楔对33、第一聚焦镜34、第一输出镜35、第一光阑36以及第一输出反射镜38；

第一输入反射镜30设置于声光器件的第一输出光路上，第一输出光路为声光器件未加载信号时，基频光正向通过不发生偏转的光路。第一准直镜31、第一半波片32、第一光楔对33、第一聚焦镜34、第一输出镜35依次设置于第一输入反射镜30的反射光路上，第一光阑36、第一倍频晶体37以及第一输出反射镜38依次设置于第一输出镜35的透射光路上。

具体的，倍频光路包括第一输入反射镜30、第一准直镜31、第一半波片32、第一光楔对33、第一聚焦镜34、第一输出镜35、第一光阑36、第一倍频晶体37以及第一输出反射镜38。第一输入反射镜30将通过声光偏转器2的基频光调整进入波长转换光路中，基频光首先通过第一准直镜31用于调整基频光的发散角，使其在后续光路中能量更为均匀利于调节，随后经过一块可以旋转的第一半波片32来调节其偏振度，偏振度会影响光学倍频/和频过程中的转化效率。第一光楔对33封装在可调节转动的夹具中，转动两片光楔，改变光楔的相对位置，可以实现光在任意角度的小角度偏移，利用光楔对的这一性质，我们可以实现光路中的精密调节，这对于需要精密调节入射角度的倍频/和频晶体48来说十分便捷。第一聚焦镜34将准直的基频光斑聚焦于第一倍频晶体37的中心位置有利于提高转化效率，第一光阑36用于辅助光束同轴进入第一倍频晶体37以及调整光斑形状大小，最后第一输出反射镜38将倍频光以及未转化的基频光再次返回晶体，第一输出镜35用于将倍频得到的光束反射输出到外界使用。

在一实施例中，如图1所示，一波长转换光路为和频光路，和频光路的非线性晶体包括第二倍频晶体47和和频晶体48，和频光路还包括第二输入反射镜40、第二准直镜41、第二半波片42、第二光楔对43、第二聚焦镜44、第二输出镜45、第二光阑46以及第二输出反射镜49；

第二输入反射镜40设置于声光器件的第二输出光路上，第二输出光路为声光器件接收调制信号而改变光路角度发生偏转的光路。第二准直镜41、第二半波片42、第二光楔对43、第二聚焦镜44、第二输出镜45依次设置于第二输入反射镜40的反射光路上，第二光阑46、第二倍频晶体47、和频晶体48以及第二反射镜38依次设置于第二输出镜45的透射光路上。

和频光路包括第二输入反射镜40、第二准直镜41、第二半波片42、第二光楔对43、第二聚焦镜44、第二输出镜45、第二光阑46、第二倍频晶体47、和频晶体48以及第二输出反射镜49。当声光偏转器2接收调制信号而改变光路角度时，光路切换至和频光路。除了和频晶体48外，其余元件的作用与倍频光路中的元件相同。和频晶体48将倍频光与基频光一起转化为三倍频光输出。

需要说明的是，上述第一输出光路与第二输出光路的通过声光器件的输出方式也可以互换，即第一输出光路为声光器件接收调制信号而改变光路角度发生偏转的光路，第二输出光路为声光器件未加载信号时，基频光正向通过不发生偏转的光路。总之能通过声光器件实现分光即可。

在一实施例中，波长转换光路还包括防反射结构；

防反射结构为空间光隔离器、布儒斯特窗或布儒斯特角结构中任一种；

空间光隔离器设置于非线性晶体的前端面；

布儒斯特窗设置于非线性晶体的后端面；

非线性晶体的输出端设置为布儒斯特角结构。

进行较高功率下的基频光波长转化时，在波长转换光路中增加防反射结构，具体方法为在可调反射镜与声光偏转器2之间增加基频光波段的空间光隔离器，或者在声光偏转器2与第一反射镜30之间以及声光偏转器2与第三反射镜40之间增加布儒斯特窗，或者在非线性晶体的输出端设置为布儒斯特角结构如进行布儒斯特角切割处理。

本实施例设计声光偏转器2的光束偏转进入两路波长转换光路，若需要同时输出基频光，可根据声光偏转器2偏转角位置增加反射镜进行基频光输出，声光偏转器2的偏转角θ大小与所加射频信号调制幅度有关。

具体的，本实施例提供的波长转换光路结构的波长转化原理过程为：外部基频光通过第一可调反射镜11和第二可调反射镜12进入声光偏转器2，声光偏转器2未加载信号时，基频光可正向通过不发生偏转，由第一反射镜30进入第一波长转化光路即倍频光路。进入倍频光路后，基频光通过第一准直镜31进行准直通光调整发散角；随后通过第一半波片32调整偏振态，旋转第一半波片32使通过的基频光具有最大的偏振消光比；调整偏振态后，基频光进入第一光楔对33，第一光楔对33通过夹具将两块光楔镜片平行封装在一起，带有调节螺丝，转动调节螺丝调整两个光楔镜片的相对位置可以使光路在一定范围内移动，便于调节光束入射晶体的角度；基频光进入倍频晶体前使用第一聚焦透镜34将光斑聚焦于晶体的中间部位，提升转化效率；第一光阑36在第一倍频晶体37前进行定位光路并控制光斑大小；通过第一倍频晶体37作用后产生的倍频光和未转化的基频光均被第二反射镜38反射再次通过晶体，基频光二次通过倍频晶体，有利于倍频转化效率，最后第一输出镜35将得到的倍频光进行输出。对声光偏转器2施加调制信号后，由于布拉格衍射基频光束发生偏转进入第二波长转换光路即和频光路，光路原理状态与倍频光路基本相同，和频原理是基频光通过第二倍频晶体47产生倍频光，基频光与倍频光经过和频晶体48相互作用产生三倍频光，三倍频光通过第二输出镜45进行输出。

应理解，基频光波长不限定于某一波长，一般满足倍频以及和频条件的光波长通过调整非线性晶体的匹配角度和匹配温度即可实现，光学元件对应相应波长进行镀膜处理。

本实施例通过声光器件作为光路转换器件，将基频光切换到绿光倍频光路或紫外和频光路上实现激光波长转换并输出，解决了在线实时波长转换，同时两种波长对应光路中加入一组光楔对进行光路微调，通过旋转光楔对的相对位置可以实现光路的精密调节，特别是对于非线性晶体中的光路角度调节，使用十分方便，有利于实验调光以及后期维护。

需要说明的是，本实施例的波长转换光路结构设置于激光光源的输出光路上。

本实施例提供的波长转换光路结构可整体作为激光器的频率/波长转化模块，独立于激光器之外设计并集成化，基频光光源可以为光纤激光器模块、半导体激光器模块以及固体激光器模块等。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种波长转换光路结构，其特征在于，包括声光器件以及至少两个波长转换光路；所述波长转换光路包括至少一个用于波长转换的非线性晶体；

所述声光器件设置于基频光的输出光路上，所述声光器件响应于外部射频信号产生布拉格衍射，并用于改变基频光的偏转角度；

各所述波长转换光路均为所述声光器件的输出光路，各所述波长转换光路分别设置于所述声光器件的一输出光路上，并通过所述非线性晶体将所述基频光转换至相应波长后输出。

2.根据权利要求1所述的波长转换光路结构，其特征在于，所述非线性晶体的前端还设置有聚焦镜，所述聚焦镜用于将经过所述声光器件输出的基频光聚焦于所述非线性晶体的中心位置。

3.根据权利要求1所述的波长转换光路结构，其特征在于，所述声光器件包括声光偏转器、声光调制器或多通道声光调制器；所述非线性晶体包括和频晶体或倍频晶体中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的波长转换光路结构，其特征在于，所述波长转换光路的非线性晶体的前端面设置有调光器件，所述调光器件用于调节光束入射至所述非线性晶体的角度，所述调光器件为光楔对或反射镜。

5.根据权利要求4所述的波长转换光路结构，其特征在于，所述光楔对包括两个光楔镜片；

两个所述光楔镜片平行设置并分别封装于一夹具内，两所述夹具彼此转动连接；所述夹具上安装有调节螺丝，所述调节螺丝用于将所述光楔镜片锁紧于相应的夹具内，所述调节螺丝还用做调节两个光楔镜片绕光轴转动的转动把手，以改变两个光楔镜片的相对位置。

6.根据权利要求1所述的波长转换光路结构，其特征在于，所述波长转换光路还包括位于所述非线性晶体前端的输出镜以及位于所述非线性晶体后端的输出反射镜，所述输出反射镜用于将经过非线性晶体的光束再次反射回非线性晶体后经输出镜反射输出，以提高波长转换效率。

7.根据权利要求1所述的波长转换光路结构，其特征在于，所述波长转换光路还包括光楔对、聚焦镜、输出镜以及输出反射镜；

所述光楔对、聚焦镜、输出镜依次设置于所述声光器件的一输出光路上，所述非线性晶体、输出反射镜依次设置于所述输出镜的透射光路上。

8.根据权利要求7所述的波长转换光路结构，其特征在于，所述波长转换光路还包括输入反射镜、准直镜、半波片以及光阑；

所述输入反射镜设置于所述声光器件的一输出光路上，所述准直镜、半波片、光楔对、聚焦镜以及输出镜依次设置于所述输入反射镜的反射光路上，所述光阑、非线性晶体以及输出反射镜依次设置于所述输出镜的透射光路上。

9.根据权利要求1所述的波长转换光路结构，其特征在于，所述波长转换光路还包括防反射结构；

所述防反射结构为空间光隔离器、布儒斯特窗或布儒斯特角结构中任一种；

所述空间光隔离器设置于所述非线性晶体的前端面；

所述布儒斯特窗设置于所述非线性晶体的后端面；

所述非线性晶体的输出端设置为所述布儒斯特角结构。

10.根据权利要求1所述的波长转换光路结构，其特征在于，所述波长转换光路的数量为两个，其中一个波长转换光路的非线性晶体为第一倍频晶体，另一个波长转换光路的非线性晶体为第二倍频晶体与和频晶体，且所述第二倍频晶体位于所述和频晶体前端。

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