CN219247141U - 一种紫外激光转化光路及紫外激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种紫外激光转化光路及紫外激光器，紫外激光转化光路包括基频红外光，通过分光模块分为两路基频分光；第一基频分光通过第一倍频晶体输出第一倍频光加剩余基频光；第二基频分光依次通过空间光延时模块和半波片后，与第一倍频光加剩余基频光在和频晶体进行和频转化，输出紫外光；第一倍频晶体与和频晶体之间设有沿光路方向设置的可变曲率反射镜和第二聚焦透镜。本实用新型通过将基频红外光分束，留取部分基频光通过旋转半波片改变偏振态，使这部分基频光进入倍频、和频转化的功率大小变为可调节状态，从而间接产生控制和频效率大小的作用，实现优化和频紫外光的转化效率的目的。

Description

一种紫外激光转化光路及紫外激光器

技术领域

本实用新型涉及紫外激光器的光路设计，尤其涉及一种紫外激光转化光路及紫外激光器。

背景技术

紫外激光器因为具有短波长、能量高等特点，在日常生活以及工业领域上均有广泛应用，紫外激光器的研制也是近年越来越多关注的热点。产生紫外激光一般会利用光学非线性效应，将低频率、长波长的光子通过非线性晶体，实现三倍频或四倍频，得到高能量的紫外光子。

目前光学和频是产生紫外光常见的手段之一，但光学和频的转化效率受制于转化光的能量密度、光束偏振态以及基频、倍频光的参与比例等因素，使得获取高功率紫外光的困难增加。当前纳秒紫外激光器的转化效率(红外基频-紫外)一般不超过30％，而高峰值能量的紫外超快激光器，其转化效率(红外基频-紫外)也仅50％左右，需要进一步提高转化效率。

实用新型内容

本实用新型主要目的在于：提供一种紫外激光转化光路，能够优化和频紫外光的转化效率。

本实用新型所采用的技术方案是：一种紫外激光转化光路，包括基频红外光，通过分光模块分为两路基频分光；其中，

第一基频分光通过第一倍频晶体，输出第一倍频光加剩余基频光；第二基频分光依次通过用于补偿光程差的空间光延时模块、以及用于调整偏振状态的半波片后，与所述的第一倍频光加剩余基频光在和频晶体进行和频转化，输出紫外光；第一倍频晶体与和频晶体之间设有沿光路方向设置的可变曲率反射镜和第二聚焦透镜。

按上述方案，所述的可变曲率反射镜设有曲率半径可调的反射面，并设有用于调节所述反射面曲率半径的调压单元。

按上述方案，所述的分光模块与空间光延时模块之间设有镀有基频光分光膜的第一反射镜，第一反射镜的透射光路上设有用于监测基频光总功率大小变化的光电探测器。

按上述方案，还设有用于调节半波片角度的手动或电动调节镜架，所述的半波片装夹在手动或电动调节镜架上旋转连接。

按上述方案，所述的半波片与和频晶体之间还设有第二倍频晶体，调整偏振状态后的第二基频分光经过第二倍频晶体后输出第二倍频光加剩余基频光，再与所述的第一倍频光加剩余基频光在和频晶体进行和频转化。

按上述方案，所述的半波片与和频晶体之间设有镀有基频光高反膜与倍频光和频光增透膜的第二反射镜，第二反射镜的透射光路上设有用于对基频光、倍频光以及紫外光全反的全反镜，使得从第二反射镜透射出的基频光、倍频光以及紫外光再次回到光路中。

按上述方案，所述的和频晶体为采用II类临界相位匹配方式的和频晶体；所述的半波片与和频晶体之间设有走离补偿装置。

按上述方案，所述的空间光延时模块由电动平移台装载的直角棱镜组合构成。

按上述方案，所述的分光模块与第一倍频晶体之间、半波片与第二倍频晶体之间，分别设有第一聚焦透镜和第三聚焦透镜。

一种紫外激光器，包括依次连接的基频红外光发生单元，以及所述的紫外激光转化光路。

本实用新型产生的有益效果是：

1、本实用新型通过将基频红外光进行分束处理，留取部分基频光通过旋转半波片改变偏振态，使这部分基频光进入倍频、和频转化的功率大小变为可调节状态。基频光功率大小影响着倍频效率，实际上调节着基频光、倍频光在倍频后的成分比例，从而间接产生控制和频效率大小的作用，实现优化和频紫外光的转化效率的目的；通过在第一倍频晶体与和频晶体之间设置可变曲率反射镜和聚焦透镜，可改变焦斑在和频晶体中的位置，从而达到优化和频效率的作用，同时也可以充当和频晶体换点装置作用，延长晶体寿命。

2、通过在分光模块与空间光延时模块之间设置第一反射镜，并在第一反射镜的透射光路设置光电探测器，实时监控分光后的基频光功率来反馈总输入光功率状态；根据监控到的状态，再通过旋转调整半波片的状态，达到调整红外基频光参与和频转化的比例，以达到提升转化效率的目的。

3、通过设置第二倍频晶体，可将第二基频光进行倍频转化提高倍频效率；进一步增加走离补偿装置，在和频晶体前对激光的o光分量和e光分量进行走离量的补偿，使o光和e光的走离方向与进入和频晶体中的方向相反，如此可进一步优化和频转化效率水平。

4、在倍频晶体前增加聚焦透镜，缩小基频光、倍频光在倍频晶体中的光斑大小，提升能量密度使转化效率得以提升。

5、通过增加设有镀有基频光高反膜与倍频光和频光增透膜的第二反射镜，第二反射镜的后方设有用于对基频光、倍频光以及紫外光全反的全反镜，使得从第二反射镜透射出的基频光、倍频光以及紫外光再次回到光路中，提升倍频、和频转化效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型一实施例的结构示意图。

图2是可变曲率反射镜焦点变化原理图。

图3是光学延时原理图。

图4为走离补偿原理图。

图中：1-分光镜,2-第一聚焦透镜，3-第一倍频晶体，4-可变曲率反射镜，5-第二聚焦透镜，6-第一反射镜，7-空间光延时模块，8-半波片，9-第二反射镜，10-第三聚焦透镜，11-光电探测器，12-和频晶体，13-第二倍频晶体，14-走离补偿装置，15-全反镜。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

紫外和频的一般原理：

将具有固定偏振态的基频光(一般在波长为1um左右)聚焦进入二倍频晶体产生倍频光，倍频晶体一般选择为负双轴晶体，基频光波偏振方向相互平行且均为o光，称为I类相位匹配；若基频光波偏振方向相互垂直且有o光和e光，则称其为II类相位匹配。利用I类临界相位匹配或非临界相位匹配完成非线性转化，此时相同偏振态的o光基频光完成转化为e光倍频光，e光倍频光与剩余未转化的o光基频光，再利用II类临界相位匹配进行和频转化，产生三倍频o光紫外光。和频转化过程中，理论上参与转化的e光倍频光与o光基频光的成分比例在2:1时，和频转化效率才能优化至最大，为此一般对于倍频转化效率提出了较高要求，即高倍频效率对和频效率提升是非常必要的，而实际上在同时使倍频与和频都达到较为理想的转化效率是存在难度的，即无法很好控制转化的倍频光与剩余的基频光比例：一般来说倍频效率与基频光的性质关系较大，不同性质的基频光或不同调试状态会使倍频效率存在巨大差异，这也使和频光束组成成分和偏振态成为阻碍提升紫外光转化水平的因素之一。

如图1所示，本实用新型提供一种紫外激光转化光路，包括基频红外光，通过分光模块分为两路基频分光。本实施例中分光模块采用分光镜1。第一基频分光通过第一倍频晶体3，输出第一倍频光加剩余基频光；第二基频分光依次通过用于补偿光程差(即相位差异)的空间光延时模块7、以及用于调整偏振状态的半波片8后，与所述的第一倍频光加剩余基频光在和频晶体12进行和频转化，输出紫外光。本实用新型利用分光光路控制参与和频转化的基频光功率，从而达到间接控制调节和频转化效率的作用，实现优化和频紫外光的转化效率的目的。一方面可以通过设置分光镜1的分光比来调节，本实施例中分光镜1的分光比例如为50:50；另一方面，可以通过旋转调整半波片的状态，达到调整红外基频光参与和频转化的比例，以达到提升转化效率的目的。若旋转调整半波片8，可将其装夹在手动或电动调节镜架，通过调节镜架使其旋转。

进一步的，第一倍频晶体3与和频晶体12之间沿光路方向设有可变曲率反射镜(VRM)4和第二聚焦透镜5。可变曲率反射镜是一种无运动变焦部件，相对于机械、镜片运动等提供的变焦技术，对于提升整体光路的稳定性以及减小功率损耗十分有帮助；且引入该反射镜一方面可以补偿因晶体热透镜效应带来的球差及离焦改善光束品质，另一方面曲率变化带来的焦斑在晶体轴向精密位移可以调整优化和频效率，且长期来看由于紫外光能量高极易对和频晶体产生损伤，该反射镜由于可以调整焦斑位置也可充当晶体换点装置，对和频晶体的使用进行保护，其变焦原理如图2所示。本实施例中，第二聚焦透镜5的焦点落在和频晶体12中心位置附近，由可变曲率反射镜4进行焦点位置精调。可变曲率反射镜4设有曲率半径可调的反射面，并设有用于调节所述反射面曲率半径的调压单元。通过在线压力作用改变VRM的曲率半径，经过第二聚焦透镜5的基频与倍频光焦点可在和频晶体内轴向移动，通过寻找最佳焦点位置，寻找最佳和频效率转化点。本实施例中，所述反射面上镀有倍频光以及基频光高反膜。

可选的，所述的分光镜1与空间光延时模块7之间设有镀有基频光分光膜的第一反射镜6，本实施例中基频光分光膜的分光比约为99:1，第一反射镜6的透射光路上设有用于监测基频光总功率大小变化的光电探测器11，将所监测到的信息反馈到外部，依据该基频光总功率大小变化，通过旋转调整半波片8的状态，达到调整红外基频光参与和频转化的比例，以达到提升转化效率的目的。

优选的，所述的半波片8与和频晶体12之间还设有第二倍频晶体13，调整偏振状态后的第二基频分光经过第二倍频晶体13后输出第二倍频光加剩余基频光，再与所述的第一倍频光加剩余基频光在和频晶体12进行和频转化，从而提高倍频效率。

进一步优选的，在分光镜1与所述的第一倍频晶体3之间设有用于调整焦斑大小的第一聚焦透镜2；和/或，半波片8与第二倍频晶体13之间设有第三聚焦透镜10，第三聚焦透镜10的焦点落在第二倍频晶体13的中心附近。非线性晶体两端设置有聚焦透镜，缩小基频光、倍频光在倍频晶体中的光斑大小，提升能量密度使转化效率得以提升。

优选的，所述的半波片8与和频晶体12之间设有镀有基频光高反膜与倍频光和频光增透膜的第二反射镜9，第二反射镜9的透射光路上设有用于对基频光、倍频光以及紫外光全反的全反镜15，使得从第二反射镜9透射出的基频光、倍频光以及紫外光再次回到光路中，提升倍频、和频转化效率。在本实施例中，第二反射镜9设置在第二倍频晶体13与和频晶体12之间。

再进一步的，所述的和频晶体12为采用II类临界相位匹配方式的和频晶体；所述的第二倍频晶体与和频晶体之间设有走离补偿装置14。由于和频晶体12采用II类临界相位匹配方式，和频过程中存在走离效应，本实用新型中倍频晶体均使用非临界相位匹配，非临界相位匹配过程中不存在走离效应，只需使用适当长度的双折射晶体对和频走离量进行补偿，即可对效率和光斑进行提升，走离补偿的原理如图4所示，采用走离补偿装置14在和频晶体12前对激光的o光分量和e光分量进行走离量的补偿，使o光和e光的走离方向与进入和频晶体中的方向相反，如此可进一步优化和频转化效率水平，走离补偿装置14通常使用不同长度的双折射晶体实现，也可以使用色散玻璃平板。

和频晶体12具有紫外布儒斯特角处理后的输出端，或者在和频晶体12的光路输出端设置分色镜或棱镜，使最终基频、倍频以及紫外光得到分光输出。

空间光延时模块7为衍射光栅与透镜对结构组成，也可以使用直角棱镜组合或棱镜串联，原理如图3所示，延时模块可以自己设计也有商用成熟产品使用，直角棱镜组合相比衍射光栅成本要低廉。因此，本实用新型选用电动平移台装载的直角棱镜组合构成空间光延时模块7。

此结构中基频光波长典型值如1064nm，倍频光波长532nm以及紫外波长355nm,但基频光波长不限定于1064nm，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。

器件选择和参数特点上，分光镜1镀有基频光分光膜(分光比50:50)，第一聚焦镜2镀基频光增透膜，第一倍频晶体3两端镀基频光与倍频光增透膜，第一反射镜4镀有倍频光与基频光高反膜，第一反射镜6镀有基频光分光膜(分光比99:1),第二聚焦透镜5和第三聚焦透镜10不镀膜，第二倍频晶体13与和频晶体12两端不镀膜，和频晶体12的输出端进行紫外布儒斯特角处理，使最终基频、倍频以及紫外光得到分光输出。

双路两个倍频晶体以及全反镜15的设计，使基频光通过倍频晶体的次数增加有利于提升倍频效率，这对低峰值能量基频光的倍频转化存在益处。倍频晶体可以选择LBO、KTP或CLBO等，和频晶体可选择LBO、BBO或CBO，倍频转化方式可选择如LBO I类非临界相位或临界相位匹配，和频转化可选择如LBO I类临界相位匹配。

本实用新型还提供一种激光器，包括依次连接的基频红外光发生单元，以及所述的紫外激光转化光路。紫外激光转化光路可整体作为激光器的频率/波长转化模块，在激光器结构中单独设计并集成化，基频红外光发生单元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。入射基频红外光只需为高消光比偏振态的线偏光，连续光、脉冲光均可实现转换，对于脉冲光而言，峰值能量越高，转化效率也越高。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种紫外激光转化光路，其特征在于，包括基频红外光，通过分光模块分为两路基频分光；其中，

第一基频分光通过第一倍频晶体，输出第一倍频光加剩余基频光；第二基频分光依次通过用于补偿光程差的空间光延时模块、以及用于调整偏振状态的半波片后，与所述的第一倍频光加剩余基频光在和频晶体进行和频转化，输出紫外光；第一倍频晶体与和频晶体之间设有沿光路方向设置的可变曲率反射镜和第二聚焦透镜。

2.根据权利要求1所述的紫外激光转化光路，其特征在于，所述的可变曲率反射镜设有曲率半径可调的反射面，并设有用于调节所述反射面曲率半径的调压单元。

3.根据权利要求1所述的紫外激光转化光路，其特征在于，所述的分光模块与空间光延时模块之间设有镀有基频光分光膜的第一反射镜，第一反射镜的透射光路上设有用于监测基频光总功率大小变化的光电探测器。

4.根据权利要求1或3所述的紫外激光转化光路，其特征在于，还设有用于调节半波片角度的手动或电动调节镜架，所述的半波片装夹在手动或电动调节镜架上旋转连接。

5.根据权利要求1所述的紫外激光转化光路，其特征在于，所述的半波片与和频晶体之间还设有第二倍频晶体，调整偏振状态后的第二基频分光经过第二倍频晶体后输出第二倍频光加剩余基频光，再与所述的第一倍频光加剩余基频光在和频晶体进行和频转化。

6.根据权利要求1所述的紫外激光转化光路，其特征在于，所述的半波片与和频晶体之间设有镀有基频光高反膜与倍频光和频光增透膜的第二反射镜，第二反射镜的透射光路上设有用于对基频光、倍频光以及紫外光全反的全反镜，使得从第二反射镜透射出的基频光、倍频光以及紫外光再次回到光路中。

7.根据权利要求1所述的紫外激光转化光路，其特征在于，所述的和频晶体为采用II类临界相位匹配方式的和频晶体；所述的半波片与和频晶体之间设有走离补偿装置。

8.根据权利要求1所述的紫外激光转化光路，其特征在于，所述的空间光延时模块由电动平移台装载的直角棱镜组合构成。

9.根据权利要求5所述的紫外激光转化光路，其特征在于，所述的分光模块与第一倍频晶体之间、半波片与第二倍频晶体之间，分别设有第一聚焦透镜和第三聚焦透镜。

10.一种紫外激光器，其特征在于，包括依次连接的基频红外光发生单元，以及权利要求1至9中任意一项所述的紫外激光转化光路。

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