CN221176920U - 一种激光系统 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种激光系统，包括：光源；第一二分之一波片；偏振分束器件，用于将入射光分成水平偏振光和竖直偏振光；水平偏振光通过并在第一多倍频模块中产生非线性频率变换；旋转第一二分之一波片，同时观察第一功率计和第二功率计，使第一功率计和第二功率计的功率比变为预设比值，调整好后移除第一分光镜、第一功率计和第二功率计；旋转第三二分之一波片，使其输出光偏振方向满足第二多倍频模块的模式匹配需求，调整第二多倍频模块，使得第三功率计读到的示数最大即完成整个光路的调整，相较于现有技术，本公开可以根据和频光对不同波长入射光功率的比例需求对单一基频源进行不同比例的分光调节，提升能量利用率。

Description

一种激光系统

技术领域

本公开涉及激光器技术领域，具体涉及一种激光系统。

背景技术

激光器被称为20世纪的四大发明之一。从第一台激光器的发明以来，经过了六十多年不断的研究和探索，人们对激光技术的应用已经趋于成熟，激光器被广泛应用在通讯、军事、医疗和工业制造等多个领域，并在许多领域引起了革命性的突破。

随着时间的推移，固体激光技术经历了多次技术改进和创新。如改进泵浦源、提高效率、增加波长范围、开发激光二极管泵浦、开发超快激光等。这些技术改进拓展了固体激光在医疗、通信、材料加工、军事等领域的应用。现代固体激光技术包括各种类型的固体激光器，如连续波激光器(CW激光器)、脉冲激光器、飞秒激光器等，以满足不同应用的需求。固体激光器的波长范围也涵盖了从紫外线到远红外线的广泛范围。

以355nm波长为代表的固体紫外激光器具有效率高、重频高、结构紧凑、光束质量好、性能可靠且功率稳定性好等特点，因而在半导体工业、材料制备、生物医学工程、集成电路板等领域得到了广泛的应用。目前，获得全固态紫外激光常用且成熟的方法之一是对掺钕离子激光晶体进行泵浦产生近红外波段激光，再进行腔内或腔外非线性频率变换，获得紫外激光输出。如何提升非线性频率变换效率是人们普遍关注的问题。

近年来，研究人员通过使用新型非线性晶体、优化谐振腔腔参数、优化光子数配比等方法不断提高紫外激光的非线性频率转换效率。通常情况下，为了最大程度提高355nm激光的转换效率，最佳的1064nm激光光子数与532nm激光光子数的配比应为1:1，对应功率配比为1：2。然而，要使用单一基频源实现如此精确的配比较为困难，原因在于532nm激光的生成需要通过1064nm的倍频过程得到，即1064nm激光需要经过二倍频转化为532nm激光，然后与532nm激光进行和频产生355nm紫外激光输出，所以二者比例不好把控。因此，如何使用单一基频源实现准确的和频光子数配比是本领域亟需解决的技术问题。

实用新型内容

本公开的目的是提供一种激光系统，以使用单一基频源实现准确的和频光子数配比，提升能量利用率。

本公开实施例提供一种激光系统，包括：

光源、第一二分之一波片、偏振分束器件、第二二分之一波片、第一多倍频模块、第一分光镜、第一功率计、第一反射镜、第三二分之一波片、第二反射镜、第二功率计、双色镜、第二多倍频模块、第二分光镜和第三功率计；其中，

所述光源，用于输出第一波长激光；

所述第一二分之一波片，设置于所述光源和所述偏振分束器件之间，用于对所述光源输出的第一波长激光的偏振方向进行调整；

所述偏振分束器件，用于将入射的第一波长激光分成水平偏振光和竖直偏振光；

所述水平偏振光依次经过第二二分之一波片、第一多倍频模块、第一分光镜、双色镜、第二多倍频模块和第二分光镜到达第三功率计，所述水平偏振光还经过第一分光镜到达第一功率计；所述竖直偏振光依次经过第一反射镜、第三二分之一波片、第二反射镜、第二功率计、双色镜、第二多倍频模块和第二分光镜到达第二功率计。

在一种可能的实现方式中，所述第一多倍频模块由二倍频晶体构成，所述第二多倍频模块由三倍频晶体构成。

在一种可能的实现方式中，所述二倍频晶体采用I类相位匹配非线性晶体，三倍频晶体采用II类相位匹配非线性晶体。

在一种可能的实现方式中，所述第一多倍频模块由沿光路依次设置的二倍频晶体和三倍频晶体构成，所述第二多倍频模块由四倍频晶体构成。

在一种可能的实现方式中，所述二倍频晶体采用I类相位匹配非线性晶体，三倍频晶体采用II类相位匹配非线性晶体，四倍频晶体采用I类相位匹配非线性晶体。

在一种可能的实现方式中，所述第一多倍频模块由沿光路依次设置的二倍频晶体、第三分光镜、第四二分之一波片、四倍频晶体和第五二分之一波片构成，所述第二多倍频模块由五倍频晶体构成。

在一种可能的实现方式中，所述二倍频晶体采用I类相位匹配非线性晶体，四倍频晶体采用I类相位匹配非线性晶体，五倍频晶体采用I类相位匹配非线性晶体。

在一种可能的实现方式中，所述第一多倍频模块由沿光路依次设置的第一二倍频晶体和三倍频晶体构成，所述第二多倍频模块由五倍频晶体构成；

所述激光系统还包括：沿光路依次设置在所述第三二分之一波片和第二反射镜之间的第二二倍频晶体、第四分光镜和第六二分之一波片。

在一种可能的实现方式中，所述第一二倍频晶体和第二二倍频晶体采用I类相位匹配非线性晶体，三倍频晶体采用II类相位匹配非线性晶体，五倍频晶体采用I类相位匹配非线性晶体。

在一种可能的实现方式中，所述第一波长为1064nm。

本公开与现有技术相比的优点在于：

本公开提供的激光系统，包括：光源，用于输出第一波长激光；所述第一二分之一波片，设置于所述光源和所述偏振分束器件之间，用于对所述光源输出的第一波长激光的偏振方向进行调整；所述偏振分束器件，用于将入射的第一波长激光分成水平偏振光和竖直偏振光；所述水平偏振光依次经过第二二分之一波片、第一多倍频模块、第一分光镜、双色镜、第二多倍频模块和第二分光镜到达第三功率计，所述水平偏振光还经过第一分光镜到达第一功率计；所述竖直偏振光依次经过第一反射镜、第三二分之一波片、第二反射镜、第二功率计、双色镜、第二多倍频模块和第二分光镜到达第二功率计；所述水平偏振光通过并在第一多倍频模块中产生非线性频率变换，以产生第二波长激光；旋转第一二分之一波片，同时观察第一功率计和第二功率计，使第一功率计和第二功率计的功率比变为预设比值，调整好后移除第一分光镜、第一功率计和第二功率计；旋转第三二分之一波片，使其输出光偏振方向满足第二多倍频模块的模式匹配需求，调整第二多倍频模块，使得第三功率计读到的示数最大即完成整个光路的调整，相较于现有技术，本公开可以根据和频光对不同波长入射光功率的比例需求对单一基频源进行不同比例的分光调节，可以极大地节约成本，提升能量利用率。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本公开的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了三倍频过程及偏振示意图；

图2示出了本公开所提供的一种激光系统的示意图之一；

图3示出了本公开所提供的一种激光系统的示意图之二；

图4示出了本公开所提供的一种激光系统的示意图之三；

图5示出了本公开所提供的一种激光系统的示意图之四。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

本专利主要应用于多倍频的激光系统，能有效提高基频光到倍频光的光-光转换效率。

如图1所示，以1064nm激光三倍频成355nm激光为例。图1中，水平偏振方向(o光)的1064nm光经过非线性晶体I类相位匹配(o+o→e)可以产生竖直偏振方向(e光)的532nm激光。1064nm的o光与532nm的e光经过非线性晶体II类相位匹配(o+e→o)则可以产生水平偏振方向的355nm激光。

在产生355nm激光的和频过程中需要满足能量守恒和动量守恒，其中能量守恒为：

即一个波长为1064nm的光子与一个波长为532nm的光子生成一个波长为355nm的光子，1064nm光子数与532nm光子数最佳比1:1，因此腔内1064nm激光和532nm激光功率理论上的最佳配比应为：

其中，532nm又是由1064nm基频光倍频得到的，即两个波长为1064nm的光子生成一个532nm的光子。因此当1064nm-532nm光-光转换效率接近66.7％时，理论得到的355nm激光功率最高。

因此，使用单一泵浦源1064nm时，当和频的532nm与1064nm功率比为2：1时，其光子数配比为1：1，理论上此时得到的355nm功率最大，1064nm-355nm的光-光转换效率最大。

基于以上原理，本公开实施例提供一种激光系统，下面结合附图进行说明。

图2示出了本公开所提供的一种激光系统的示意图，如图2所示，本公开提供的上述激光系统，包括：光源100、第一二分之一波片210、偏振分束器件300、第二二分之一波片220、第一多倍频模块410、第一分光镜510、第一功率计610、第一反射镜710、第三二分之一波片230、第二反射镜720、第二功率计620、双色镜800、第二多倍频模块420、第二分光镜520和第三功率计630。

所述光源100用于输出第一波长激光，例如输出1064nm线偏振光。功率计用于测激光功率。

所述第一二分之一波片210设置于所述光源100和所述偏振分束器件300之间，用于对所述光源100输出的第一波长激光的偏振方向进行调整。

所述偏振分束器件300用于将入射的第一波长激光分成水平偏振光和竖直偏振光。

所述水平偏振光依次经过第二二分之一波片220、第一多倍频模块410、第一分光镜510、双色镜800、第二多倍频模块420和第二分光镜520到达第三功率计630，所述水平偏振光还经过第一分光镜510到达第一功率计610；所述竖直偏振光依次经过第一反射镜710、第三二分之一波片230、第二反射镜720、第二功率计620、双色镜800、第二多倍频模块420和第二分光镜520到达第二功率计620。

所述水平偏振光通过并在第一多倍频模块410中产生非线性频率变换，以产生第二波长激光；旋转第一二分之一波片210，同时观察第一功率计610和第二功率计620，使第一功率计610和第二功率计620的功率比变为预设比值，调整好后移除第一分光镜510、第一功率计610和第二功率计620；旋转第三二分之一波片230，使其输出光偏振方向满足第二多倍频模块的模式匹配需求，调整第二多倍频模块420，使得第三功率计630读到的示数最大即完成整个光路的调整。

本公开提供的激光系统的光路调整原理是：对于光源发出的线偏振光，二分之一波片210能改变其偏振方向，再通过偏振分束器件300，对线偏振光进行分束，透射水平偏振光，反射竖直偏振光，从而实现对线偏振光不同方向偏振光功率的分配。二分之一波片220则可以改变透射后激光的偏振态以满足对不同偏振方向非线性变换的需求，由于晶体切割角度的偏差，可能需要稍微旋转二分之一波片220，以实现更高效的非线性频率变换。二分之一波片230的原理与二分之一波片220相同。通过旋转二分之一波片230，使其输出光偏振方向满足第二多倍频模块的模式匹配需求，这样能更有效地利用反射的基频光，从而实现更高效率的多倍频转换，例如三倍频转换、四倍频转换、五倍频转换等。

第一多倍频模块410和第二多倍频模块420有多种实施方式，下面结合附图进行介绍。

如图2所示，所述第一多倍频模块410由二倍频晶体构成，所述第二多倍频模块420由三倍频晶体构成。其中，二倍频晶体为I类相位匹配非线性晶体(LBO)，两面镀有1064nm/532nm的高透膜(HT)。双色镜800的镀膜为45°1064nm高反膜(HR)和532nm HT。反射镜710和反射镜720均镀有45°HR@1064nm。三倍频晶体为II类相位匹配非线性晶体(LBO)，两面镀膜为HT@1064nm/532nm/355nm。分光镜520的镀膜为45°HR@1064nm/532nm，HT@355nm。分光镜510的镀膜为45°HR@532nm，HT@1064nm。

搭建如图2所示的激光系统，打开1064nm激光光源，旋转二分之一波片210，将1064nm激光通过偏振分束器件300大致分成两束光，透射的水平偏振光通过并在二倍频晶体中产生非线性频率变换产生532nm的激光，而反射的竖直偏振的1064nm光则走另一路准备与532nm进行和频，旋转二分之一波片220，并调整二倍频晶体的位置，使得在功率计610读到的数值最大。缓慢旋转二分之一波片210，一边旋转，一边观察功率计610和功率计620的读数，直到二者读数比变成2：1。移除分光镜510、功率计610、功率计620。旋转二分之一波片230，让该光路的1064nm光变成水平偏振光，调整三倍频晶体的位置，使得功率计630读到的示数最大即完成整个光路的调整。

本实施例可以更好地实现对1064nm光和532nm光比例的调节，更有效地提高1064nm-355nm的光-光转换率。

此外，该方案还可以推广到1064nm产生266nm的激光器中，控制好1064nm与355nm的功率配比，即可实现高转换效率的266nm激光输出。以及1064nm产生213nm的激光器中，控制好1064nm与266nm的功率配比，即可实现高转换效率的213nm激光输出。

如图3所示，所述第一多倍频模块410由沿光路依次设置的二倍频晶体和三倍频晶体构成，所述第二多倍频模块420由四倍频晶体构成。其中，二倍频晶体为I类相位匹配非线性晶体(LBO)，两面镀膜为HT@1064nm/532nm。三倍频晶体为II类相位匹配非线性晶体(LBO)，两面镀膜为HT@1064nm/532nm/355nm。双色镜7的镀膜为45°HT@355nm，HR@1064nm/532nm。反射镜710和720均镀有45°HR@1064nm。四倍频晶体为I类相位匹配非线性晶体(LBO)，两面镀膜为HT@1064nm/355nm/266nm。分光镜520的镀膜为45°HR@1064nm/355nm，HT@266nm。分光镜510的镀膜为45°HR@355nm，HT@1064/532nm。

搭建如图3所示的激光系统，打开1064nm激光光源，旋转二分之一波片210，将1064nm激光通过偏振分束器件300大致分成两束光，旋转二分之一波片220，并调整二倍频晶体和三倍频晶体的位置，使得在功率计610读到的数值最大。缓慢旋转二分之一波片210，一边旋转，一边观察功率计610和功率计620的读数，直到二者读数比变成3：1。移除分光镜510、功率计610、功率计620。旋转二分之一波片230，让该光路的1064nm光变成水平偏振光，调整四倍频晶体的位置，使得功率计630读到的示数最大即完成整个光路的调整。

如图4所示，所述第一多倍频模块410由沿光路依次设置的二倍频晶体、第三分光镜530、第四二分之一波片240、四倍频晶体和第五二分之一波片250构成，所述第二多倍频模块420由五倍频晶体构成。其中二倍频晶体为I类相位匹配非线性晶体(LBO)，两面镀膜为HT@1064nm/532nm。分光镜530的镀膜为45°HR@1064，HT@532nm。四倍频晶体为I类相位匹配非线性晶体(BBO)，两面镀膜为HT@532nm/266nm。双色镜800的镀膜为45°HT@266nm，HR@532nm。反射镜710和720均镀有45°HR@1064nm。五倍频晶体为I类相位匹配非线性晶体(BBO)，两面镀膜为HT@1064nm/266nm/213nm。分光镜520的镀膜为45°HR@1064nm/266nm，HT@213nm。分光镜250的镀膜为45°HR@266nm，HT@532nm。

搭建如图4所示的激光系统，打开1064nm激光光源，旋转二分之一波片210，将1064nm激光通过偏振分束器件300大致分成两束光，旋转二分之一波片220，并调整二倍频晶体的位置，旋转二分之一波片240改变产生的532nm光的偏振性(使竖直偏振变成水平偏振)后再调整四倍频晶体位置，使得在功率计610读到的数值最大。缓慢旋转二分之一波片210，一边旋转，一边观察功率计610和功率计620的读数，直到二者读数比变成4：1。移除分光镜510、功率计610、功率计620。旋转二分之一波片230，让该光路的1064nm光变成水平偏振光，同时旋转二分之一波片250，使该光路产生的266nm光变成水平偏振光。调整五倍频晶体的位置，使得功率计630读到的示数最大即完成整个光路的调整。

该方案还可以用于单一泵浦源1064nm产生的532nm与355nm和频后产生的213nm激光器，只要控制好532nm与355nm的功率配比即可实现高效率的213nm激光输出。

如图5所示，所述第一多倍频模块410由沿光路依次设置的第一个二倍频晶体和三倍频晶体构成，所述第二多倍频模块420由五倍频晶体构成。所述激光系统还包括：沿光路依次设置在所述第一反射镜710和所述第三二分之一波片230之间的第六二分之一波片260、第二个二倍频晶体和第四分光镜540。其中，两个二倍频晶体均为I类相位匹配非线性晶体(LBO)，两面镀膜为HT@1064nm/532nm。三倍频晶体为II类相位匹配非线性晶体(LBO)，两面镀膜为HT@1064nm/532nm/355nm。平面镜800的镀膜为45°HT@355，HR@1064nm/532nm。反射镜710的镀膜为45°HT@1064nm。分光镜540的镀膜为45°HR@1064nm，HT@532nm。反射镜720的镀膜为45°HR@532nm。五倍频晶体为I类相位匹配非线性晶体(BBO)，两面镀膜为HT@532nm/355nm/213nm。分光镜520的镀膜为45°HR@532nm/355nm，HT@213nm。分光镜510的镀膜为45°HR@355nm，HT@1064nm/532nm。

搭建如图5所示的激光系统，打开1064nm激光光源，旋转二分之一波片210，将1064nm激光通过偏振分束器件300大致分成两束光，旋转二分之一波片220，并调整第一个二倍频晶体和三倍频晶体的位置，使得在功率计610读到的数值最大。接着旋转二分之一波片260，并且调整第二个二倍频晶体的位置至最优，即功率计620的读数最大。缓慢旋转二分之一波片210，一边旋转，一边观察功率计610和功率计620的读数，直到二者读数比变成3：2。移除分光镜510、功率计610、功率计620。旋转二分之一波片230，让该光路的532nm光变成水平偏振光，调整五倍频晶体的位置，使得功率计630读到的示数最大即完成整个光路的调整。

本公开提供的激光系统，可以根据和频光对不同波长入射光功率的比例需求对单一基频源进行不同比例的分光调节，可以极大地节约成本，提升能量利用率。

为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

需要说明的是，在本文中，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。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

1.一种激光系统，其特征在于，包括：光源、第一二分之一波片、偏振分束器件、第二二分之一波片、第一多倍频模块、第一分光镜、第一功率计、第一反射镜、第三二分之一波片、第二反射镜、第二功率计、双色镜、第二多倍频模块、第二分光镜和第三功率计；其中，

所述光源，用于输出第一波长激光；

所述第一二分之一波片，设置于所述光源和所述偏振分束器件之间，用于对所述光源输出的第一波长激光的偏振方向进行调整；

所述偏振分束器件，用于将入射的第一波长激光分成水平偏振光和竖直偏振光；

所述水平偏振光依次经过第二二分之一波片、第一多倍频模块、第一分光镜、双色镜、第二多倍频模块和第二分光镜到达第三功率计，所述水平偏振光还经过第一分光镜到达第一功率计；所述竖直偏振光依次经过第一反射镜、第三二分之一波片、第二反射镜、第二功率计、双色镜、第二多倍频模块和第二分光镜到达第二功率计。

2.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述第一多倍频模块由二倍频晶体构成，所述第二多倍频模块由三倍频晶体构成。

3.根据权利要求2所述的激光系统，其特征在于，所述二倍频晶体采用I类相位匹配非线性晶体，三倍频晶体采用II类相位匹配非线性晶体。

4.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述第一多倍频模块由沿光路依次设置的二倍频晶体和三倍频晶体构成，所述第二多倍频模块由四倍频晶体构成。

5.根据权利要求4所述的激光系统，其特征在于，所述二倍频晶体采用I类相位匹配非线性晶体，三倍频晶体采用II类相位匹配非线性晶体，四倍频晶体采用I类相位匹配非线性晶体。

6.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述第一多倍频模块由沿光路依次设置的二倍频晶体、第三分光镜、第四二分之一波片、四倍频晶体和第五二分之一波片构成，所述第二多倍频模块由五倍频晶体构成。

7.根据权利要求6所述的激光系统，其特征在于，所述二倍频晶体采用I类相位匹配非线性晶体，四倍频晶体采用I类相位匹配非线性晶体，五倍频晶体采用I类相位匹配非线性晶体。

8.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述第一多倍频模块由沿光路依次设置的第一二倍频晶体和三倍频晶体构成，所述第二多倍频模块由五倍频晶体构成；

所述激光系统还包括：沿光路依次设置在所述第三二分之一波片和第二反射镜之间的第二二倍频晶体、第四分光镜和第六二分之一波片。

9.根据权利要求8所述的激光系统，其特征在于，所述第一二倍频晶体和第二二倍频晶体采用I类相位匹配非线性晶体，三倍频晶体采用II类相位匹配非线性晶体，五倍频晶体采用I类相位匹配非线性晶体。

10.根据权利要求1所述的激光系统，其特征在于，所述第一波长为1064nm。