CN220628480U - 一种倍频转换装置及紫外飞秒激光器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种倍频转换装置及紫外飞秒激光器，其中倍频转换装置包括调节单元、倍频单元以及分束单元；调节单元用于调节基频光的光斑大小；倍频单元与调节单元耦合连接，倍频单元沿光路传播方向依次包括二倍频晶体、补偿片以及三倍频晶体，二倍频晶体用于将基频光转化为二倍频光，补偿片用于缩小基频光与二倍频光在二倍频晶体中产生的群速度差，三倍频晶体用于将二倍频光转化为三倍频光；分束单元与倍频单元耦合连接，用于将经倍频单元后的不同波段激光分开；本实用新型的倍频转换装置的倍频转换效率高且结构简单。
Description
技术领域
本实用新型涉及超快激光技术领域，特别涉及一种倍频转换装置及紫外飞秒激光器。
背景技术
飞秒激光具有高可靠性、优异的光束质量，超高峰值功率等特点，可实现材料的“冷加工”；而短的紫外波长可实现更小的聚焦光斑及更长的加工深度，并且适用于更多种类的材料加工。紫外飞秒激光器便是结合了二者的优势，也逐渐受到工业市场的青睐，但目前紫外飞秒激光的三倍频转换效率较低且转换的光路较为复杂。
实用新型内容
本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种倍频转换装置，具有较高的倍频转换效率且结构简单。
本实用新型还提出一种具有上述倍频转换装置的紫外飞秒激光器。
根据本实用新型的第一方面实施例的倍频转换装置，包括：
调节单元，用于调节基频光的光斑大小；
倍频单元，与所述调节单元耦合连接，所述倍频单元沿光路传播方向依次包括二倍频晶体、补偿片以及三倍频晶体，所述二倍频晶体用于将所述基频光转化为二倍频光，所述补偿片用于缩小所述基频光与所述二倍频光在所述二倍频晶体中产生的群速度差，所述三倍频晶体用于将所述二倍频光转化为三倍频光；
分束单元，与所述倍频单元耦合连接，用于分离不同波段的激光。
根据本实用新型实施例的倍频转换装置，至少具有如下有益效果：调节单元通过调整基频光的光斑大小，进而控制二倍频的倍频转换效率；通过二倍频晶体产生二倍频光后，基频光与二倍频光再通过补偿片，补偿片可缩小基频光与二倍频光在二倍频晶体中产生的群速度差，提高基频光与二倍频光的时域脉冲重合度，补偿后的二倍频光与基频光再通过三倍频晶体，有利于提高三倍频转换效率；本实用新型实施例的倍频转换装置结构简单且倍频转换效率高。
根据本实用新型的一些实施例，所述二倍频晶体设置有第一入射面，所述补偿片设置有第二入射面，所述三倍频晶体设置有第三入射面，所述第一入射面、所述第二入射面以及所述第三入射面相互平行。
根据本实用新型的一些实施例，所述分束单元设置有第四入射面，所述第三入射面与所述第四入射面呈45°夹角。
根据本实用新型的一些实施例，所述调节单元包括凸透镜和凹透镜，所述凸透镜和所述凹透镜配合，能够调节所述基频光的光斑大小。
根据本实用新型的一些实施例，所述二倍频晶体为三硼酸锂晶体(LBO)或低温相偏硼酸钡晶体(β-BBO)，所述第一入射面上镀有基频光增透膜，所述二倍频晶体设置有第一出射面，所述第一出射面上镀有基频光增透膜和二倍频光增透膜。
根据本实用新型的一些实施例，所述三倍频晶体为LBO或β-BBO，所述第三入射面上镀有基频光增透膜和二倍频光增透膜，所述三倍频晶体设置有第三出射面，所述第三出射面上镀有基频光增透膜、二倍频光增透膜和三倍频光增透膜。
根据本实用新型的一些实施例，所述补偿片为高温相偏硼酸钡晶体(α-BBO)。
根据本实用新型的一些实施例，所述分束单元为谐波分离器、三棱镜或佩林布罗卡棱镜。
根据本实用新型的第二方面实施例的紫外飞秒激光器，包括如本实用新型第一方面实施例的倍频转换装置。
根据本实用新型实施例的紫外飞秒激光器，至少具有如下有益效果：紫外飞秒激光器包括本实用新型第一方面实施例的倍频转换装置；倍频转换装置内的调节单元调整基频光的光斑大小，进而控制二倍频的倍频转换效率；通过二倍频晶体产生二倍频光后，基频光与二倍频光再通过补偿片，补偿片可缩小基频光与二倍频光在二倍频晶体中产生的群速度差，提高基频光与二倍频光的时域脉冲重合度，补偿后的二倍频光与基频光再通过三倍频晶体，有利于提高三倍频转换效率；高效率的三倍频转换能够使紫外飞秒激光器输出高功率的飞秒紫外光。
本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本实用新型第一方面的实施例的倍频转换装置的结构示意图；
图2为本实用新型第一方面的实施例的倍频转换装置的又一结构示意图；
图3为本实用新型中的二倍频晶体的光线图；
图4为本实用新型第二方面的实施例的紫外飞秒激光器的示意图。
附图标号:
倍频转换装置100；调节单元110；倍频单元120；二倍频晶体121；补偿片122；三倍频晶体123；波片124；分束单元130；飞秒脉冲种子源200；脉冲展宽器300；脉冲选择器400；脉冲放大器500；脉冲压缩器600。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
参照图1，本实用新型第一方面的实施例提供的倍频转换装置100沿光路方向依次设置有调节单元110、倍频单元120以及分束单元130。调节单元110用于调节基频光的光斑大小；倍频单元120与调节单元110耦合连接，倍频单元120包括二倍频晶体121、补偿片122以及三倍频晶体123，二倍频晶体121用于将基频光转化为二倍频光，补偿片122用于缩小基频光与二倍频光在二倍频晶体121中产生的群速度差，三倍频晶体123用于将二倍频光转化为三倍频光；分束单元130与倍频单元120耦合连接，用于将经倍频单元120倍频后的多个不同波段激光分离。
例如，基频光先进入调节单元110中进行调节，调节后的基频光的能量更加集中，调节后的基频光进入倍频单元120中进行倍频处理，大部分基频光转换为二倍频光和三倍频光，由于倍频单元120内包括补偿片122，因此提高了基频光与二倍频光的时域脉冲重合度，进而提高了三倍频的转换效率；基频光、二倍频光以及三倍频光在分束单元130中分离，分离后输出三倍频光。
需要说明的是，为提高倍频转换效率即提高非线性晶体处的功率密度，通常会采用望远镜系统将入射光束缩小至合理大小。在本实施例中望远镜系统即调节单元110包括凸透镜和凹透镜。将光斑大小缩小一倍，凸透镜焦距f1，凹透镜焦距f2，可选用f1＝2*f2焦距的镜片组合,透镜距离d＝f1-f2；例如：f1＝80mm凸透镜和f2＝40mm的凹透镜组合，透镜距离为80-40＝40mm。
可以理解的是，调节单元110通过调整基频光的光斑大小，进而控制二倍频的倍频转换效率；通过二倍频晶体121产生二倍频光后，基频光与二倍频光再通过补偿片122，补偿片122可缩小基频光与二倍频光在二倍频晶体121中产生的群速度差，提高基频光与二倍频光的时域脉冲重合度，补偿后的二倍频光与基频光再通过三倍频晶体123，有利于提高三倍频转换效率；本实用新型实施例的倍频转换装置100倍频转换效率高且结构简单。
在本实用新型的一些具体实施例中，二倍频晶体121为LBO或β-BBO，三倍频晶体123为LBO或β-BBO，二倍频晶体121设置有第一入射面和第一出射面，补偿片122设置有第二入射面，三倍频晶体123设置有第三入射面和第三出射面；第一入射面、第二入射面以及第三入射面相互平行；可以理解的是，由于第一入射面、第二入射面以及第三入射面相互平行，即基频光的偏振方向与二倍频晶体121的光轴的夹角为90°，二倍频光的偏振方向与补偿片122的光轴的夹角为90°，二倍频光的偏振方向与三倍频晶体123的光轴的夹角为90°，因此在本实用新型的倍频转换装置100中光的功率损耗较小，有利于提高倍频效率。为进一步减少光在传播的过程中功率的损耗和提高倍频效率，第一入射面上镀有基频光增透膜，第一出射面上镀有基频光增透膜和二倍频光增透膜；第三入射面上镀有基频光增透膜和二倍频光增透膜，第三出射面上镀有基频光增透膜、二倍频光增透膜和三倍频光增透膜。
在本实用新型的一些具体实施例中，参照图1至图3，补偿片122为α-BBO晶体，α-BBO晶体是一种优异的双折射晶体材料，为负单轴晶体，具有非常大的双折射系数，并且对紫外189nm到中红外3500nm都具有很好的透过率；α-BBO晶体内部质量良好，吸收小，机械性能良好，损伤阈值高；由于α-BBO晶体是中心对称的晶体结构，α-BBO晶体不具有非线性光学特性，因而不能作为非线性晶体使用，但能够使基频光与二倍频光的位置发生互换；基频光在β-BBO中的传播速度高于二倍频光在β-BBO中的传播速度，而基频光在α-BBO晶体中的传播速度低于二倍频光在α-BBO晶体中的传播速度，因此α-BBO晶体可缩小基频光与二倍频光在β-BBO中产生的群速度差，提高基频光与二倍频光的时域脉冲重合度，补偿后的二倍频光与基频光再通过三倍频晶体123，有利于提高三倍频转换效率。
在本实用新型的一些具体实施例中，分束单元130为谐波分离器、三棱镜或佩林布罗卡棱镜；需要说明的是，在本实用新型的倍频转换装置100中需要分离的是紫外激光，材质应选用高损伤阈值材料，如紫外熔融石英材质。
具体地，采用中心波长1030nm的飞秒激光作为基频光源，为了提升非线性频率转换效率，首先经过凸透镜和凹透镜将光斑缩小，从而增大基频光在非线性晶体中的功率密度；当1030nm基频光进入1mm厚的β-BBO，倍频产生515nm倍频光以及1030nm基频光，由于群速度差，双波长的飞秒脉冲在经过β-BBO后会出现时间延迟，因此加入1mm厚度的双折射晶体α-BBO以补偿群速度差；经α-BBO晶体补偿后的515nm倍频光和1030nm基频光进入1mm厚的β-BBO，倍频产生344nm倍频光、515nm倍频光以及1030nm基频光，三波长的飞秒脉冲经过三棱镜后344nm倍频光被分离出来，实现激光的三倍频转换。
在本实用新型的一些具体实施例中，参照图2，当三倍频晶体123为按一类相位匹配角切割的LBO或者BBO晶体，由于非线性转换系数较高，为了产生三倍频效应，需要在三倍频晶体123前加入波片124，使基频光和倍频光的偏振方向一致，需要说明的是，该波片124必须对于倍频光是半波片，对于基频光是全波片的晶体。
本实用新型的实施例还提出一种紫外飞秒激光器，依次包括飞秒脉冲种子源200、脉冲展宽器300、脉冲选择器400、脉冲放大器500、脉冲压缩器600以及上述实施例的倍频转换装置100；飞秒脉冲种子源200用于产生一定功率的飞秒脉冲；脉冲展宽器300与飞秒脉冲种子源200耦合连接，用于将种子源输出脉冲脉宽展宽；脉冲选择器400与脉冲展宽器300耦合连接，用于筛选出合适的脉冲；脉冲放大器500与脉冲选择器400耦合连接，用于将筛选后的脉冲进行放大；脉冲压缩器600与脉冲放大器500耦合连接，用于将放大后的脉冲进行压缩以获得飞秒脉冲；倍频转换装置100与脉冲压缩器600耦合连接，用于将飞秒脉冲进行倍频转换。
可以理解的是，紫外飞秒激光器包括本实用新型第一方面实施例的倍频转换装置100；倍频转换装置100内的调节单元110调整基频光的光斑大小，进而控制二倍频的倍频转换效率；通过二倍频晶体121产生二倍频光后，基频光与二倍频光再通过补偿片122，补偿片122可缩小基频光与二倍频光在二倍频晶体121中产生的群速度差，提高基频光与二倍频光的时域脉冲重合度，补偿后的二倍频光与基频光再通过三倍频晶体123，有利于提高三倍频转换效率；高效率的三倍频转换能够使紫外飞秒激光器输出高功率的飞秒紫外光。
上面结合附图对本实用新型实施例作了详细说明，但是本实用新型不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (9)
1.一种倍频转换装置，其特征在于，包括：
调节单元，用于调节基频光的光斑大小；
倍频单元，与所述调节单元耦合连接，所述倍频单元沿光路传播方向依次包括二倍频晶体、补偿片以及三倍频晶体，所述二倍频晶体用于将所述基频光转化为二倍频光，所述补偿片用于缩小所述基频光与所述二倍频光在所述二倍频晶体中产生的群速度差，所述三倍频晶体用于将所述二倍频光转化为三倍频光；
分束单元，与所述倍频单元耦合连接，用于分离不同波段的激光。
2.根据权利要求1所述的倍频转换装置，其特征在于，所述二倍频晶体设置有第一入射面，所述补偿片设置有第二入射面，所述三倍频晶体设置有第三入射面，所述第一入射面、所述第二入射面以及所述第三入射面相互平行。
3.根据权利要求2所述的倍频转换装置，其特征在于，所述分束单元设置有第四入射面，所述第三入射面与所述第四入射面呈45°夹角。
4.根据权利要求1所述的倍频转换装置，其特征在于，所述调节单元包括凸透镜和凹透镜，所述凸透镜和所述凹透镜配合，能够调节所述基频光的光斑大小。
5.根据权利要求2所述的倍频转换装置，其特征在于，所述二倍频晶体包括三硼酸锂晶体或低温相偏硼酸钡晶体，所述第一入射面上镀有基频光增透膜，所述二倍频晶体设置有第一出射面，所述第一出射面上镀有基频光增透膜和二倍频光增透膜。
6.根据权利要求2所述的倍频转换装置，其特征在于，所述三倍频晶体包括三硼酸锂晶体或低温相偏硼酸钡晶体，所述第三入射面上镀有基频光增透膜和二倍频光增透膜，所述三倍频晶体设置有第三出射面，所述第三出射面上镀有基频光增透膜、二倍频光增透膜和三倍频光增透膜。
7.根据权利要求1所述的倍频转换装置，其特征在于，所述补偿片包括高温相偏硼酸钡晶体。
8.根据权利要求1所述的倍频转换装置，其特征在于，所述分束单元包括谐波分离器、三棱镜或佩林布罗卡棱镜。
9.一种紫外飞秒激光器，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的倍频转换装置。
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