CN219180945U - 一种补偿光斑圆度和长寿命的紫外激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了提供了一种补偿光斑圆度和长寿命的紫外激光器，包括：沿光路方向依次设置的基频发生器、基频光束变换器、包含非线性晶体的频率转换模组，以及倾斜设置的无镀膜柱透镜；其中，所述基频光束变换器为输出X方向和Y方向发散角具有设定比例的光学元件或系统，X为非线性晶体的相位匹配方向，Y为非线性晶体的非相位匹配方向，倾斜设置的无镀膜柱透镜的入射面XZ面垂直于柱透镜的定曲线所在平面YZ面，使光束以布儒斯特角入射；本实用新型通过倾斜设置的无镀膜柱透镜，避免了膜层在紫外长期辐射下出现损伤而降低柱透镜寿命，并使所述频率转换模组输出的光束以布儒斯特角入射，从而实现圆度补偿的精细调节，改善紫外输出的光束质量。

Description

一种补偿光斑圆度和长寿命的紫外激光器

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，具体涉及一种补偿光斑圆度和长寿命的紫外激光器。

背景技术

传统设计的非线性晶体一般采用两端面均是垂直平面，即基频光垂直入射，和频作用产生的谐波也是垂直端面出射，为了减小端面反射损耗，两端面均镀有增透膜。由于需要保证较高的转换效率，基频光需要聚焦到较小光斑再入射到非线性晶体，晶体要位于焦点区域(瑞利范围内)，谐波输出的光斑尺寸也较小。对于目前工业应用中主流的皮秒紫外355nm激光器，红外基频光的峰值功率为几个MW级别，为了获取合适的转换效率(约30～40％)，非线性晶体的基频光入射光斑一般设计在1-1.5mm范围，对应输出紫外光束光斑为0.58-0.87mm，如果紫外输出15W，重复频率500K，则紫外单脉冲能量密度约为1mJ/cm²，峰值功率密度约为900MW/cm²。对于固体调Q纳秒激光器，非线性晶体转换得到紫外束腰一般小于0.4mm，如果紫外输出10W，重复频率10K，则紫外单脉冲能量密度约为800mJ/cm²，峰值功率密度为66MW/cm²。对于紫外光束，单光子能量很高，增透膜容易被较高的峰值功率密度或者单脉冲能量密度的紫外光损伤，限制了激光器的使用寿命。如果输出端面不镀膜，端面反射紫外光除了会导致功率损耗，还会由于内部散射，对晶体加热炉的长期可靠性有影响，另外，反射紫外光长期照射输入端面增透膜也会影响寿命。

因此，承受高峰值功率密度或者高单脉冲能量密度的非线性晶体，其输出面常使用斜切方式，以满足紫外光束按布儒斯特角出射，这样，既避免了镀增透膜引起损伤问题，也克服了端面反射回光和功率损耗问题。但同时晶体输出面斜切会导致输出光斑椭圆，另一方面，在专利CN115133381A中，本身使用了椭圆光斑入射非线性的方式，对于这些设计，都需要在后面光路加入圆度补偿装置。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种补偿光斑圆度和长寿命的紫外激光器，旨在实现光束圆度精细补偿，改善紫外输出的光束质量。

本实用新型实施例提供了一种补偿光斑圆度和长寿命的紫外激光器，包括：沿光路方向依次设置的基频发生器、基频光束变换器、包含非线性晶体的频率转换模组，以及倾斜设置的无镀膜柱透镜；其中，所述基频光束变换器为输出X方向和Y方向发散角具有设定比例的光学元件或系统，X为非线性晶体的相位匹配方向，Y为非线性晶体的非相位匹配方向，倾斜设置的无镀膜柱透镜的入射面为XZ面，定曲面为YZ面，所述入射面垂直于柱透镜的定曲线所在平面，使光束以布儒斯特角入射，Z为光轴方向；

所述基频发生器产生红外光束，所述红外光束经过所述基频光束变换器进行整形后入射到包含非线性晶体的频率转换模组，并由所述频率转换模组激发为椭圆的紫外光束，椭圆的紫外光束以布儒斯特角入射倾斜放置的柱透镜实现最终输出。

进一步的，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜的折射率为n。

进一步的，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜的入射面的布儒斯特角θ_B＝arctan(n)；

所述倾斜设置的无镀膜柱透镜的入射角为β＝θ_B。

进一步的，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜的材料为石英。

进一步的，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜折射率n＝1.4761，入射角为55.9±1°。

进一步的，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜的下方设置有接收倾斜设置的无镀膜柱透镜表面反射的光线的光电探测器。

进一步的，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜的入射角的角度可调，以改变柱透镜的有效焦距，最终实现输出光斑圆度的精细调节。

进一步的，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜无需镀设增透膜。

进一步的，所述基频光束变换器正常设置的柱透镜。

进一步的，所述正常设置的柱透镜的定曲面所在平面与所述倾斜设置的无镀膜柱透镜的定曲面所在平面相同。

本实用新型实施例提供了一种补偿光斑圆度和长寿命的紫外激光器，包括：沿光路方向依次设置的基频发生器、基频光束变换器、包含非线性晶体的频率转换模组，以及倾斜设置的无镀膜柱透镜；其中，所述基频光束变换器为输出X方向和Y方向发散角具有设定比例的光学元件或系统，X为非线性晶体的相位匹配方向，Y为非线性晶体的非相位匹配方向，倾斜设置的无镀膜柱透镜的入射面为XZ面，定曲面为YZ面，所述入射面垂直于柱透镜的定曲线所在平面，使光束以布儒斯特角入射，Z为光轴方向；所述基频发生器产生红外光束，所述红外光束经过所述基频光束变换器进行整形后入射到包含非线性晶体的频率转换模组，并由所述频率转换模组激发为椭圆的紫外光束，椭圆的紫外光束以布儒斯特角入射倾斜放置的柱透镜实现最终输出。本实用新型实施例通过倾斜设置的无镀膜柱透镜，使所述频率转换模组输出的光束以布儒斯特角入射，从而实现圆度补偿的精细调节，进一步延长激光器的使用寿命，同时提高紫外激光器的长期可靠性，改善紫外输出的光束质量。

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为现有技术中基频光聚焦入射非线性晶体的示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种紫外激光器的原理示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种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紫外激光器中光束入射倾斜设置的无镀膜柱透镜的示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种紫外激光器中光束入射倾斜设置的无镀膜柱透镜的另一示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种紫外激光器的另一结构示意图。

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2和图3，本实用新型实施例提供的一种补偿光斑圆度和长寿命的紫外激光器，其特征在于，包括：沿光路方向依次设置的基频发生器1、基频光束变换器2、包含非线性晶体的频率转换模组3，以及倾斜设置的无镀膜柱透镜4；其中，所述基频光束变换器2为输出X方向和Y方向发散角具有设定比例的光学元件或系统，X为非线性晶体的相位匹配方向，Y为非线性晶体的非相位匹配方向，倾斜设置的无镀膜柱透镜4的入射面为XZ面，定曲面为YZ面，所述入射面垂直于柱透镜的定曲线所在平面，使光束以布儒斯特角入射，Z为光轴方向；

所述基频发生器1产生红外光束，所述红外光束经过所述基频光束变换器2进行整形后入射到包含非线性晶体的频率转换模组3，并由所述频率转换模组3激发为椭圆的紫外光束，椭圆的紫外光束以布儒斯特角入射倾斜放置的柱透镜4实现最终输出。

本实施例中，所述紫外激光器包括用于产生基频光的基频发生器1、将基频光输出为发散角具有设定比例的光束的基频光束变换器2、将光束输出位谐波光束的频率转换模组3以及将谐波光束输出为圆形大光斑对称紫外光束的倾斜设置的无镀膜柱透镜4。本实施例通过倾斜设置的无镀膜柱透镜4，避免了膜层在紫外长期辐射下出现损伤而降低柱透镜寿命，并使所述频率转换模组3输出的光束以布儒斯特角入射，从而实现圆度补偿的精细调节，进一步延长激光器的使用寿命，同时提高紫外激光器的长期可靠性，改善紫外输出的光束质量。

本实施例在专利CN115133381A的基础上做出改进创新，将其中的谐波光束变换器替换为所述倾斜放置的柱透镜4，以实现布儒斯特角入射柱透镜，最终输出高光束质量的圆形大光斑紫外光束。并且如图3所示，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜4的下方设置有接收倾斜设置的无镀膜柱透镜表面反射的光线的光电探测器，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜4的表面的微弱反射光也可用作实时监控功率，不需要额外加入取光装置。

优选的，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜4无需镀设增透膜。具体来说，增透膜的膜层在紫外光束的照射下，特别是深紫外波段，容易出现损伤，缩短元件和激光器的寿命。同时，对于现有技术中的谐波光束变换器来说，如果没有镀增透膜，则光束正入射会额外增加了约8％的表面反射损耗，反射光沿原光路反射回去也会对激光器造成干扰或损坏。因此，本实施例用无镀膜的柱透镜替换原本的谐波光束变换器，能够有效延长该处元件的寿命，柱透镜倾斜放置实现了布儒斯特角入射，避免了过大的表面反射损耗。

如图4和图5所示，倾斜放置的柱透镜4，其入射面(XZ)垂直于柱透镜的定曲线所在平面(YZ)，当光束以布儒斯特角入射柱透镜的第二个表面(柱面)时，并不会引入额外的像差。

在一实施例中，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜4的折射率为n。

进一步的，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜4的入射面的布儒斯特角θ_B＝arctan(n)；

所述倾斜设置的无镀膜柱透镜4的入射角为β＝θ_B。

进一步的，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜的材料为石英，对于石英材料来说，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜折射率n＝1.4761，入射角为55.9±1°。

在一实施例中，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜4的入射角的角度可调，以改变柱透镜有效焦距，最终实现输出光斑圆度的精细调节。

如图5所示，对于入射的紫外光束，倾斜设置的无镀膜柱透镜4只对其中一个方向Y有改变发散角的功能，实现会聚或者准直或者发散效果。在另一垂直方向X上，不会改变该方向的光束发散角。倾斜放置的柱透镜4，入射面(XZ面)要垂直于柱透镜的定曲线所在平面YZ面，以布儒斯特角入射柱透镜的第二个表面(柱面)时，不会引入额外的像差。

在XZ面上，P偏振的光束按布儒斯特角入射柱透镜中心，则能实现极小反射损耗透过，并且不会引入额外的像差。

在XZ面上，微调光束的入射角，可以精确调节反射光的比例，便于设计合适的功率监控。同时，也能实现微调该柱透镜的有效焦距,最终实现输出光斑圆度的精细调节。

在一实施例中，所述基频光束变换器正常设置的柱透镜。

进一步的，所述正常设置的柱透镜的定曲面所在平面与所述倾斜设置的无镀膜柱透镜的定曲面所在平面相同。

如图6所示，所述基频发生器1为皮秒红外系统，所述基频光束变换器2为焦距为580的正常放置的柱透镜，该柱透镜的定曲面以YZ面放置，所述频率转换模组3为LBO二三倍频非线性模型，光束以布儒斯特角55.9°入射至倾斜设置的无镀膜柱透镜4，该柱透镜4的焦距为700，其定曲面以YZ面放置，最终输出高光束质量圆形大光斑紫外光束，同时还可以实现功率监控。

在一实施例中，所述基频光束变换器输出X方向和Y方向的发散角的设定比例小于或者等于1:8，X方向上的发散角小于非线性晶体的接收角，对应光斑在X方向和Y方向上尺寸的设定比例为大于或者等于8:1。

在所述紫外激光器中，基频光变换器2输出的光束，在非线性晶体的非相位匹配方向Y上的发散角很大，使得紫外光束通过激光腔内有限距离的快速发散，扩束为大光斑，在特定的地方放置所述倾斜设置的无镀膜柱透镜4，最终输出大光斑面积、高光束质量的紫外光束。基频光在非线性晶体相位匹配方向X上的光斑尺寸很大，因而解决了走离效应影响光束质量和转换效率的问题。入射的基频光斑面积保持常规设计方案一样的面积，因而可以维持合适的谐波转换效率。

在一实施例中，所述频率转换模组包括一个或以上非线性晶体，对应输出二次谐波或者N次谐波，其中N≥3。例如N次谐波可以为三次谐波、四次谐波、五倍次谐波等等。所述频率转换模组输出X和Y方向发散角不同的谐波光束，Y方向的发散角至少为2mrad以上，经过激光腔内有限距离的快速发散，X、Y两方向上的光斑尺寸至少达到1.6mm。

进一步，所述频率转换模组3最终的输出面为相对于紫外激光偏振方向的布儒斯特角切割面。布儒斯特角切割面防止端面反射损耗，也可以镀上高损伤阈值的折射率匹配保护膜，防止端面潮解。

本实施例中，所述频率转换模组3包括二次谐波晶体和/或N次谐波晶体，所述N次谐波晶体的输出面，可以是相对于紫外偏振方向的布儒斯特角切割面(布儒斯特角切割)。当然，如果频率转换模组只包含二次谐波晶体，那么该二次谐波晶体的输出面即为布儒斯特角切割面。紫外光束从频率转换模组3的布切面射出，反射损耗接近零，晶体输出面无镀膜更能抗紫外损伤，保证了较长的使用寿命。而对于容易潮解的N次谐波晶体，输出面也可以镀损伤阈值较高的保护膜，以降低潮解的风险。

在一具体实施例中，以355nm的皮秒紫外激光器为例，首先由所述基频发生器1生成1064nm的皮秒红外光，峰值功率为几个MW，输出光斑直径为7mm、发散角X和Y两个方向相同的准直光束，1064nm的红外光入射至所述基频光束变换器2(具体为焦距为580mm的红外柱透镜)，输出X和Y两个方向的发散角比例为1:44的不对称光束，并在红外柱透镜焦平面处得到大小为7×0.16mm的光斑，X、Y分别对应晶体的相位匹配方向和非相位匹配方向，基频光束在相位匹配平面X以很小的发散角入射，远小于非线性晶体的接收角，解决了由于接收角影响而导致转换效率和光束质量降低的问题；所述频率转换模组3中的二次谐波晶体和三次谐波晶体(可以为LBO晶体等)设置于焦点处，焦点处基频光的光斑面积为面积为1.12mm²，转换效率可以达到40％。基频光入射光斑在X方向为7mm非常大，解决了走离效应影响光束质量和转换效率的问题。且三倍频晶体的输出面为布儒斯特角切割面，斜面朝向为Y方向，布儒斯特角切割面防止端面反射损耗，也可以镀上折射率匹配保护膜，防止端面潮解。故经过频率转换模组3输出的紫外光束的束腰为4×0.056mm，Y方向上的发散角很大，可以快速发散，传输500mm距离后，紫外光束的长短轴均为4×4mm，即X方向和Y方向的光斑尺寸相等，此处倾斜放置一个F700mm的无镀膜紫外柱透镜，设置柱透镜定曲线平面为YZ面，使得紫外光束以布儒斯特角55.9°入射紫外柱透镜，便可变换为圆形光斑的紫外光束。到达F700紫外柱透镜上的紫外光斑为直径4mm的圆形光斑，比常规皮秒紫外激光器自然发散后的光斑(0.75mm以内)要大4倍以上，大大降低了光学元件被损伤的风险，并且柱透镜表面没有镀膜，进一步延长使用寿命。最终输出的紫外光束也达到了理想的光束质量：M平方为X＝1.08，Y＝1.05；像散为7％，束腰不对称性为1.03，直接输出的紫外光斑椭圆度为99％。

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 (9)

1.一种补偿光斑圆度和长寿命的紫外激光器，其特征在于，包括：沿光路方向依次设置的基频发生器、基频光束变换器、包含非线性晶体的频率转换模组，以及倾斜设置的无镀膜柱透镜；其中，所述基频光束变换器为输出X方向和Y方向发散角具有设定比例的光学元件或系统，X为非线性晶体的相位匹配方向，Y为非线性晶体的非相位匹配方向，倾斜设置的无镀膜柱透镜的入射面为XZ面，定曲面为YZ面，所述入射面垂直于柱透镜的定曲线所在平面，使光束以布儒斯特角入射，Z为光轴方向；

所述基频发生器产生红外光束，所述红外光束经过所述基频光束变换器进行整形后入射到包含非线性晶体的频率转换模组，并由所述频率转换模组激发为椭圆的紫外光束，椭圆的紫外光束以布儒斯特角入射倾斜放置的柱透镜实现最终输出。

2.根据权利要求1所述的补偿光斑圆度和长寿命的紫外激光器，其特征在于，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜的折射率为n。

3.根据权利要求2所述的补偿光斑圆度和长寿命的紫外激光器，其特征在于，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜的入射面的布儒斯特角θ_B＝arctan(n)；

所述倾斜设置的无镀膜柱透镜的入射角为β＝θ_B。

4.根据权利要求1所述的补偿光斑圆度和长寿命的紫外激光器，其特征在于，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜的材料为石英。

5.根据权利要求4所述的补偿光斑圆度和长寿命的紫外激光器，其特征在于，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜折射率n＝1.4761，入射角为55.9±1°。

6.根据权利要求1所述的补偿光斑圆度和长寿命的紫外激光器，其特征在于，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜的下方设置有接收倾斜设置的无镀膜柱透镜表面反射的光线的光电探测器。

7.根据权利要求1所述的补偿光斑圆度和长寿命的紫外激光器，其特征在于，所述倾斜设置的无镀膜柱透镜的入射角的角度可调，以改变柱透镜有效焦距，最终实现输出光斑圆度的精细调节。

8.根据权利要求1所述的补偿光斑圆度和长寿命的紫外激光器，其特征在于，所述基频光束变换器为正常设置的柱透镜。

9.根据权利要求8所述的补偿光斑圆度和长寿命的紫外激光器，其特征在于，所述正常设置的柱透镜的定曲面所在平面与所述倾斜设置的无镀膜柱透镜的定曲面所在平面相同。

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