CN217932294U - 一种无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器，沿光路传播方向依次包括红外生成系统、频率转换模组和后补偿系统；其中，所述红外生成系统用于生成红外基频光，所述红外基频光入射至所述频率转换模组中，所述频率转换模组将所述红外基频光输出为红外光束、绿光光束和椭圆大像散的紫外光束，所述紫外光束输入至所述后补偿系统中，并由所述后补偿系统输出无像散高质量紫外激光。本实用新型通过在频率转换模组后设置光接收组件和后补偿系统，以对频率转换模组输出的紫外光束进行像散和的圆度调节补偿，从而实现无像散、高圆度的长寿命紫外激光器。

Description

一种无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器

技术领域

本实用新型涉及激光器技术领域，具体涉及一种无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器。

背景技术

常规的紫外固体激光器结构如图1所示，红外光束经过二倍频产生绿光，红外和绿光再通过三倍频产生三次谐波生成紫外激光，最后将三种光进行分光处理即可得到纯的紫外激光。

常规的紫外固体激光器中三倍频结构有两种，一种端面是平切面，另一种端面是布儒斯特切角。平切三倍频容易获得圆斑的紫外光束输出，光束质量在红外的基础上不会有很大改变但是端面需要镀增透膜，增透膜有一定的寿命期且容易损坏，目前市场上晶体镀膜的技术还不是很成熟，镀膜晶体寿命普遍低。如果不镀膜的话，按原光路反射回去的紫外光会打坏入射面镀膜和前面的光学器件，除此之外还需要对后续的基频红外绿光以及倍频紫外光进行分光处理。

激光行业中紫外固体激光器普遍采用布儒斯特切角三倍频，优点在于能使紫外光束以布儒斯特角出射，反射损耗基本接近零，因此三倍频晶体的布儒斯特切面可以不镀膜，大大提高晶体寿命，除此之外基频光和倍频光不同波长折射率不一样，在通过布儒斯特切角后可以实现红外、紫外、绿光的分光，但是布儒斯特切角三倍频也有弊端，就是圆的基频高斯光束经过布儒斯特切角三倍频晶体出来后，基频光以及产生的紫外倍频光在平行于切角方向的光斑大小会变小，而垂直于布儒斯特切角方向的光斑不变，光束光斑变成了椭圆，椭圆光斑两个方向光腰位置发生改变从而产生像散，如果需要实现圆光斑无像散的高质量紫外光束输出，则需要对光束进行补偿整形。

激光行业多数使用的是预补偿方式，如图2所示，提前将红外光束整成匹配的椭圆光，在通过二倍频和布儒斯特切角三倍频后，出来的紫外倍频光就会是圆形光斑。这种预补偿方式的弊端在于需要精确的计算以及精确的生产操作，对红外的光束质量的一致性要求很高，一旦出现偏差则需要对补偿系统以及三倍频晶体角度进行调节，这两个模块的调节会使光路方向会出现偏差，实际生产调节难度很大，因此整个系统中的变量控制问题以及调节的困难使得紫外光束质量难以保证。

像散的定义为：激光光束经透镜后，其子午光束与弧矢光束的汇聚点不在一个点上，两个点之间的距离即为像散。在激光行业中将像散与瑞丽长度结合起来，即像散的测试结果为子午和弧矢光束汇聚点的距离除以平均瑞丽长度。

像散测试公式：

其中，Z_01X是X轴向束腰位置位置，Z_01Y是Y轴向束腰位置，Z_R1X是X轴向瑞丽长度，Z_R1Y是Y轴向瑞利长度。

激光光斑圆度测试公式如下：

其中，X和Y表示两个轴向，短轴大小除以长轴大小

纵观激光行业，普通的红外、绿光以及紫外激光光束质量M2都能达到1.1左右，在应用上已经完全满足需求，但是像散是一个不可控的因素，像散大的激光传输有一个缺点，光斑圆度会随着传输距离的变化而改变，也就是说输出光束只在某一个距离点上光斑是圆形，激光加工应用需要使用聚焦透镜，在焦点区域很难获得圆度较好(90％以上)的光斑，导致相互垂直的两个方向上加工尺寸有差异。尤其是在精密的切割应用上，像散的影响不可忽略。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器，旨在实现无像散、高圆度的长寿命紫外激光器。

本实用新型实施例提供了一种无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器，沿光路传播方向依次包括红外生成系统、频率转换模组和后补偿系统；

其中，所述红外生成系统用于生成红外基频光，所述红外基频光入射至所述频率转换模组中，所述频率转换模组将所述红外基频光输出为红外光束、绿光光束和椭圆大像散的紫外光束，所述紫外光束输入至所述后补偿系统中，并由所述后补偿系统输出无像散高质量紫外激光。

进一步的，所述频率转换模组包括沿光路传播方向依次设置的二倍频晶体和/或至少一个N倍频晶体，其中N≥3。

进一步的，所述频率转换模组最终的输出面为布儒斯特角切割面。

进一步的，所述后补偿系统包括沿光路依次设置的扩束器和楔形棱镜或者柱透镜。

进一步的，所述扩束器包括两个以上且共焦的透镜。

进一步的，所述扩束器包括沿光路依次设置的凹透镜和凸透镜。

进一步的，所述凹透镜和凸透镜之间的距离可调。

进一步的，所述楔形棱镜的切角为布儒斯特角。

进一步的，所述楔形棱镜至少设置有一个。

进一步的，还包括用于过滤红外光束和绿光光束的光接收组件；

所述光接收组件包括用于过滤红外光束的第一光接收器和用于过滤绿光光束的第二光接收器；

所述第一光接收器位于所述频率转换模组和后补偿系统之间且设置于红外光束的光路上；所述第二光接收器位于所述频率转换模组和后补偿系统之间且设置于绿光光束的光路上。

本实用新型实施例提供了一种无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器，沿光路传播方向依次包括红外生成系统、频率转换模组和后补偿系统；其中，所述红外生成系统用于生成红外基频光，所述红外基频光入射至所述频率转换模组中，所述频率转换模组将所述红外基频光输出为红外光束、绿光光束和椭圆大像散的紫外光束，所述紫外光束输入至所述后补偿系统中，并由所述后补偿系统输出无像散高质量紫外激光。本实用新型实施例通过在频率转换模组后设置后补偿系统，以对频率转换模组输出的紫外光束进行像散和的圆度调节补偿，从而实现无像散、高圆度的长寿命紫外激光器。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的紫外激光器的结构示意图；

图2为现有技术中的紫外激光器的另一结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器的子结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器的另一子结构示意图。

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。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本实用新型说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本实用新型。如在本实用新型说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本实用新型说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

下面请参见图3，本实用新型实施例提供的一种无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器，沿光路传播方向依次包括红外生成系统1、频率转换模组2和后补偿系统4；

其中，所述红外生成系统1用于生成红外光束，所述红外基频光入射至所述频率转换模组2中，所述频率转换模组2将所述红外基频光输出为红外光束、绿光光束和椭圆大像散的紫外光束，所述紫外光束输入至所述后补偿系统4中，并由所述后补偿系统4输出无像散高质量紫外激光。

本实施例中，所述紫外激光器包括用于生成红外基频光的红外生成系统1、用于将红外基频光分束为红外光束、绿光光束和椭圆大像散的紫外光束的频率转换模组2，以及用于对紫外光束进行调节补充的后补偿系统4。本实施例通过在频率转换模组2后设置后补偿系统4，以对频率转换模组2输出的紫外光束进行像散和的圆度调节补偿，从而实现无像散、高圆度的长寿命紫外激光器。

在一实施例中，所述频率转换模组2包括沿光路传播方向依次设置的二倍频晶体21和/或至少一个N倍频晶体22，其中N≥3。例如所述频率转换模组2可以包括沿光路传播方向依次设置的二倍频晶体21和三倍频晶体，还可以包括沿光路传播方向依次设置的二倍频晶体21、三倍频晶体和五倍频晶体等等，使本实施例的紫外激光器能够输出紫外光束、深紫外光束等等。

进一步的，所述频率转换模组2最终的输出面为布儒斯特角切割面。

此外，所述后补偿系统4包括沿光路依次设置的扩束器41和楔形棱镜42或者柱透镜。

进一步的，所述扩束器41包括两个以上且共焦的透镜。例如所述扩束器41包括沿光路依次设置的凹透镜411和凸透镜412。并且所述凹透镜411和凸透镜412之间的距离可调。进一步的，所述楔形棱镜42的切角为布儒斯特角。优选的，所述楔形棱镜42至少设置有一个，例如设置有一个楔形棱镜，或者一对楔形棱镜，以保证补偿效果。

如图4所示，所述频率转换模组2产生的椭圆形状、像散大的紫外光束从扩束器41的中心且正入射通过，为实现光束的准直性以及实现光腰位置的调节，一般用两个以上的透镜共焦使用作为扩束器41，本实施例以一个凹透镜411和一个凸透镜412组成的扩束器为例，扩大后的椭圆紫外光束再经过楔形棱镜42，该楔形棱镜42的切角是根据系统特性设计，一般切角采用布儒斯特角，如果系统需求光束的出射角度不一样，也可增加或者减少切角角度，椭圆的紫外光束经过上述一套系统，只要微调扩束准直两个透镜的距离，改变光腰位置，再通过楔形棱镜42的补偿作用，便可以最终调试出无像散(小于5％)和束腰圆度95％以上的紫外光束。

如图5中的(a)和(b)所示，扩束后的椭圆紫外光束从楔形棱镜42斜面入射，光束短轴在切角斜面方向会有扩大的作用，而另一个长轴方向不变，因此，圆形红外绿光经过布儒斯特切角三倍频，一个方向会压缩成短轴生成椭圆紫外，扩束后的椭圆紫外光束通过楔形棱镜42后短轴方向进行扩大，这样就起到了光斑圆度补偿的作用。调节楔形棱镜42的角度相当于调节光束入射角，光束短轴方向的扩大作用也会随入射角的大小而改变，因此，无论入射的光束椭圆度是多少，总会有一个最佳角度去匹配调节，使得经过楔形棱镜42后的光束为理想的圆形光斑。像散的调节主要是调节长轴和短轴方向的光腰位置，椭圆的紫外光束在长轴和短轴两个方向上光腰位置不一样，要想通过楔形棱镜在保证光斑圆度的情况下再去匹配调节光腰位置，操作难以实现。在设计中光腰位置的调节由扩束镜组完成，调节扩束器41中的两个透镜之间距离可以实现光腰位置的调节，再匹配楔形棱镜42的补偿就可以实现无像散输出。扩束器41的调节光路不改变，可以边调节边观察测试变化，而且整个过程红外生成系统1以及频率转换模组2都不需要调节，操作过程简洁方便。无论是红外段还是频率转换模组2产生的像散和光斑圆度问题，都可以在后补偿系统4中得到补偿产生高质量紫外光束，因此也大大降低了对红外段的一致性要求。

在本实用新型实施例中，在布儒斯特切角三倍频晶体22输出后再使用楔形棱镜42进行补偿，方便根据每台激光器产生紫外光束的实际性能，无论是红外光束存在像散、椭圆度，还是布儒斯特切角三倍频晶体22斜面输出本身导致的椭圆问题，都可以直观地调试实现最佳输出；同时，在楔形棱镜42前加入扩束器41，将紫外光束扩大后再进入楔形棱镜42，可以降低被紫外光损伤的风险，结合扩束器41的调试，也能实现生产效率更高、补偿更理想的输出。

在一实施例中，所述光接收组件3包括用于过滤红外光束的第一光接收器31和用于过滤绿光光束的第二光接收器32。

进一步的，还包括用于过滤红外光束和绿光光束的光接收组件3；

所述光接收组件3包括用于过滤红外光束的第一光接收器31和用于过滤绿光光束的第二光接收器32；

所述第一光接收器31位于所述频率转换模组2和后补偿系统4之间且设置于红外光束的光路上；所述第二光接收器32位于所述频率转换模组2和后补偿系统4之间且设置于绿光光束的光路上。

在这里，以N倍频晶体22为三倍频晶体为例，激光器产生紫外的原理就是红外光束和绿光光束的非线性效应，红外光束通过二倍频晶体21后一部分会转化成绿光束光，然后红外光束和绿光光束通过三倍频晶体后一部分会转化成紫外光束，那么最后从三倍频晶体出来就有三种光，即残余的红外光束、绿光光束以及转化生成的紫外光束，本实施例的需求是纯紫外光束，因此需要把残余的红外光束和绿光光束处理掉。由于红外光束、绿光光束、紫外光束三种波段的光波长不一样，在晶体上的折射率也就不一样，故三种光从三倍频晶体的斜面出来后，由于折射率不同而导致折射角也就不同，从而使三种光束分散，因此不需要分光处理，只需要通过所述第一光接收器31和第二光接收器32将分开的红外光束和绿光光束接收掉，使紫外光束进入所述后补偿系统，最终便能够产生所期望的理想紫外光。另外，由于三种光虽然折射率不一样，但是均为固定值，因此，光会通过折射定律从三倍频晶体斜面固定的角度出射，就会出现红外紫外和绿光分开的现象，同时由于光束角度固定，即红外光束折射角最大、绿光光束最小，因此只要在光束分开到合适位置便可以对应放置第一光接收器31和第二光接收器32。

在具体应用中，在采用本实用新型实施例的紫外固体皮秒激光器中，红外光束经过二倍频晶体21和N倍频晶体22后产生的紫外光束测试为：像散48％，椭圆度62.5％，经过扩束器41和楔形棱镜42，调整好角度和扩束器41距离后的测试结果为：像散4.9％，几乎可以忽略，椭圆度95.8％，即实现了无像散高圆度的高质量输出。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器，其特征在于，沿光路传播方向依次包括红外生成系统、频率转换模组和后补偿系统；

其中，所述红外生成系统用于生成红外基频光，所述红外基频光入射至所述频率转换模组中，所述频率转换模组将所述红外基频光输出为红外光束、绿光光束和椭圆大像散的紫外光束，所述紫外光束输入至所述后补偿系统中，并由所述后补偿系统输出无像散高质量紫外激光。

2.根据权利要求1所述无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器，其特征在于，所述频率转换模组包括沿光路传播方向依次设置的二倍频晶体和/或至少一个N倍频晶体，其中N≥3。

3.根据权利要求2所述无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器，其特征在于，所述频率转换模组最终的输出面为布儒斯特角切割面。

4.根据权利要求1所述无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器，其特征在于，所述后补偿系统包括沿光路依次设置的扩束器和楔形棱镜或者柱透镜。

5.根据权利要求4所述无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器，其特征在于，所述扩束器包括两个以上且共焦的透镜。

6.根据权利要求5所述无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器，其特征在于，所述扩束器包括沿光路依次设置的凹透镜和凸透镜。

7.根据权利要求6所述无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器，其特征在于，所述凹透镜和凸透镜之间的距离可调。

8.根据权利要求4所述无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器，其特征在于，所述楔形棱镜的切角为布儒斯特角。

9.根据权利要求4所述无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器，其特征在于，所述楔形棱镜至少设置有一个。

10.根据权利要求1所述无像散高光束质量输出的长寿命紫外激光器，其特征在于，还包括用于过滤红外光束和绿光光束的光接收组件；

所述光接收组件包括用于过滤红外光束的第一光接收器和用于过滤绿光光束的第二光接收器；

所述第一光接收器位于所述频率转换模组和后补偿系统之间且设置于红外光束的光路上；所述第二光接收器位于所述频率转换模组和后补偿系统之间且设置于绿光光束的光路上。

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