專利名稱：一種腔內(nèi)倍頻固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種腔內(nèi)倍頻固體激光器。
背景技術(shù)：
美國專利號5.850.407闡述了一種Nd: YAG固體激光器，利用其諧振腔鏡及非線性光學(xué)晶體，將基頻波長轉(zhuǎn)換成第二次和第三次諧波的方法。置于反射鏡內(nèi)的激光介質(zhì)受到泵浦源激發(fā)產(chǎn)生基波，兩個LBO非線性光學(xué)晶體用于產(chǎn)生第二次和第三次諧波。其中，產(chǎn)生第三次諧波的LBO非線性光學(xué)晶體與諧振腔的光軸成布魯斯特角，第三次諧波可無損耗地經(jīng)布魯斯特角輸出。但是該固體激光器的調(diào)節(jié)非常敏感，尤其是產(chǎn)生第三次諧波的LBO非線性光學(xué)晶體易受到溫度的影響而發(fā)生熱應(yīng)力破壞，進(jìn)而發(fā)生折射率的變化，進(jìn)而導(dǎo)致諧振腔失調(diào)。近年來的工業(yè)應(yīng)用證明，非線性光學(xué)晶體的熱應(yīng)力破壞會降低波長轉(zhuǎn)換效率(尤其是三次紫外諧波的產(chǎn)生)，及激光輸出的穩(wěn)定性，進(jìn)而導(dǎo)致該激光器的諧振腔失調(diào)、可靠性降低和壽命縮短。為了防止非線性光學(xué)晶體表面退化，獲得較高的倍頻轉(zhuǎn)換效率。現(xiàn)有方法之一為，在非線性光學(xué)晶體的表面鍍防反膜，以使基波、二次諧波或三次諧波的激光光束能夠無損耗地通過。但實踐證明，在高強(qiáng)度激光的作用下，如若非線性光學(xué)晶體和防反膜層的熱膨脹系數(shù)不同，該防反膜層因熱應(yīng)力而被破壞，導(dǎo)致激光器輸出功率下降，激光光束品質(zhì)變差?，F(xiàn)有方法之二為“晶體移位”法，即當(dāng)非線性光學(xué)晶體由于激光光束的作用而出現(xiàn)局部損傷時，將非線性光學(xué)晶體移動到另一個位置，以使得激光光束通過倍頻晶體無損傷的部位。但由于非線性光學(xué)晶體每個點的壽命很短(幾百個小時)，非線性光學(xué)晶體的橫截面大小也受物理限制，頻繁移動非線性光晶體會導(dǎo)致次品率增加，甚至導(dǎo)致生產(chǎn)停頓，無法滿足工業(yè)客戶的需求
實用新型內(nèi)容
`鑒于此，本實用新型提供一種腔內(nèi)倍頻固體激光器，包括第一全反腔鏡、激光介質(zhì)、至少一個非線性光學(xué)晶體、第二全反腔鏡、第三全反腔鏡和光束直徑調(diào)節(jié)單元，所述第一全反腔鏡、所述激光介質(zhì)、所述至少一個非線性光學(xué)晶體和所述第二全反腔鏡均沿第一光軸依次設(shè)置，所述第三全反腔鏡沿第二光軸設(shè)置，所述第一全反腔鏡與所述第一光軸正向成銳角，所述第一光軸與所述第二光軸分居于所述第一全反腔鏡法線兩側(cè)且對稱，所述第二全反腔鏡與所述第一光軸成直角，所述第三全反腔鏡與所述第二光軸成直角，所述光束直徑調(diào)節(jié)單元設(shè)于所述激光介質(zhì)和所述第二全反腔鏡之間，所述光束直徑調(diào)節(jié)單元由光學(xué)透鏡或者帶曲率的反射元件組成，用于改變激光光束直徑大小，所述激光光束在所述激光介質(zhì)處的光斑直徑Dljl和在所述非線性光學(xué)晶體處的光斑直徑Dnix大小關(guān)系為:0.KDnlc/Dlm<0.9，所述激光介質(zhì)中心距所述第一個全反腔鏡的距離L1,與所述激光介質(zhì)中心距所述第二個全反腔鏡的距離L2關(guān)系為:0.KL/L^0.5。優(yōu)選的，所述激光光束在所述激光介質(zhì)處的光斑直徑Dui和在所述非線性光學(xué)晶體處的光斑直徑Dnix；大小關(guān)系為:0.25<Dnlc/Dlm<0.7,所述激光介質(zhì)中心距所述第一個全反腔鏡的距離L1,與所述激光介質(zhì)中心距所述第二個全反腔鏡的距離L2關(guān)系為:0.25〈IVL2<0.4。其中，所述非線性光學(xué)晶體為兩個，即分別為二次倍頻晶體和三次倍頻晶體，所述三次倍頻晶體沿所述第一光軸位于所述激光介質(zhì)和所述二次倍頻晶體之間，所述激光束在所述二次倍頻晶體處的光斑直徑Dsiffi和所述三次倍頻晶體處的光斑直徑Drae大小關(guān)系為:
0.25<Dshg/Dlm<0.7,0.25<Dthg/Dlm<0.7 且 0.8<DTHG/DSHG<1.2。優(yōu)選的，所述激光束在所述二次倍頻晶體處的光斑直徑Dsre和所述三次倍頻晶體處的光斑直徑Dthg大小關(guān)系為:0.9<Dthg/Dshg<1.1。其中，所述第二全反腔鏡反射基頻波且反射二次倍頻波，所述基頻波和所述二次倍頻波同軸、同方向通過所述三次倍頻晶體而產(chǎn)生三次倍頻波。其中，所述二次倍頻晶體與所述三次倍頻晶體的中心距離L3，與所述第二全反腔鏡和所述第三全反腔鏡的中心距離L4的關(guān)系為:L3〈L4/20。其中，所述腔內(nèi)倍頻固體激光器還包括雙波長90°旋轉(zhuǎn)器，所述雙波長90°旋轉(zhuǎn)器沿所述第一光軸設(shè)于所述三次倍頻晶體和所述二次倍頻晶體之間，用于補(bǔ)償所述三次倍頻晶體和所述二次倍頻晶體中熱效應(yīng)，所述二次倍頻晶體與所述三次倍頻晶體材質(zhì)相同。其中，所述激光介質(zhì)是Nd: YAG晶體、Nd: YVO4晶體、Nd: YLF晶體或Nd: GdVO4晶體中的一種，所述非線性光學(xué)晶體是LBO，BBO, KDP或KTP中的一種或兩種。其中，所述腔內(nèi)倍頻固體激光器還包括波長選擇輸出元件，所述波長選擇輸出元件沿所述第一光軸，設(shè)于所述激光介質(zhì)與所述非線性光學(xué)晶體之間，所述波長選擇輸出元件與所述第一光軸正向成α角，所述30° <α〈80°，優(yōu)選的40° <α〈60°，所述波長選擇輸出元件的兩側(cè)面上覆有介質(zhì)膜層，用于高透基頻波長且全反高次諧波。其中，所述波長選擇輸出元件材料為石英玻璃或藍(lán)寶石，且沿所述第一光軸的厚度小于3mm。本實用新型實施例放棄高效率波長轉(zhuǎn)換的通常方法，旨在增加激光光束在非線性光學(xué)晶體上的光斑直徑，以減小非線性光學(xué)晶體表面熱損傷。依據(jù)激光諧振腔的理論，適當(dāng)?shù)娜辞荤R的曲率半徑，及適當(dāng)?shù)募す饨橘|(zhì)與非線性光學(xué)晶體的中心間距，可改變激光光束光斑直徑。非線性晶體上的激光光束的光斑直徑增加一個數(shù)量級，會導(dǎo)致激光的功率密度降低兩個數(shù)量級。本實用新型實施例的腔內(nèi)倍頻固體激光器在連續(xù)使用中，系統(tǒng)器件性能和激光參數(shù)較穩(wěn)定，可靠性提高，壽命延長，滿足了工業(yè)客戶的需求。另，如所述腔內(nèi)倍頻固體激光器故障，只需調(diào)節(jié)或維修其非線性光學(xué)晶體，該方法更簡易。

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本實用新型實施例的腔內(nèi)倍頻固體激光器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型實施例的波長選擇輸出元件的示意圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護(hù)的范圍。參見圖1，本實用新型提供一種腔內(nèi)倍頻固體激光器100，包括第一全反腔鏡1、激光介質(zhì)2、至少一個非線性光學(xué)晶體3、第二全反腔鏡4、第三全反腔鏡5和光束直徑調(diào)節(jié)單
J Li ο第一全反腔鏡1、激光介質(zhì)2、至少一個非線性光學(xué)晶體3和第二全反腔鏡4均沿第一光軸10依次設(shè)置，第三全反腔鏡5沿第二光軸11設(shè)置，第一全反腔鏡I與第一光軸10正向成銳角，第一光軸10與第二光軸11分居于第一全反腔鏡I法線兩側(cè)且對稱，第二全反腔鏡4與第一光軸10成直角，第三全反腔鏡4與第二光軸11成直角。光束直徑調(diào)節(jié)單元(圖中未示出)設(shè)于激光介質(zhì)2和第二全反腔鏡4之間，光束直徑調(diào)節(jié)單元由光學(xué)透鏡或者帶曲率的反射元件組成，用于改變激光光束直徑大小。激光光束在激光介質(zhì)2處的光斑直徑Dui和在非線性光學(xué)晶體3處的光斑直徑D.大小關(guān)系為:0.1<Dnlc/Dlm<0.9，優(yōu)選的，0.25<Dnlc/Dlm<0.7。激光介質(zhì)2中心距第一個全反腔鏡I的距離L1，與激光介質(zhì)2中心距第二個全反腔鏡4的距離L2關(guān)系為:0.KL1ZV0.5，優(yōu)選的，0.25 W0.4。本實施方式中，腔內(nèi)倍頻固體激光器100產(chǎn)生二次諧波和三次諧波，則非線性光學(xué)晶體3為兩個，即分別為二次倍頻晶體31和三次倍頻晶體32，三次倍頻晶體32沿第一光軸10位于激光介質(zhì)2和二次倍頻晶體31之間，激光束在二次倍頻晶體31處的光斑直徑Dsiffi和三次倍頻晶體32處的光斑直徑Drae大小關(guān)系為:0.25<Dshg/Dlm<0.7,0.25<DTHG/DLM<0.7且 0.8<Dthg/Dshg<1.2，優(yōu)選的，0.9<Dthg/Dshg<1.1。本實施方式中，腔內(nèi)倍頻固體激光器100產(chǎn)生二次諧波和三次諧波，第二全反腔鏡4用于反射基頻波，且反射二次倍頻波。基頻波和二次倍頻波同軸、同方向通過三次倍頻晶體32而產(chǎn)生三次倍頻波。在其他實施方式中，如果腔內(nèi)倍頻固體激光器100只產(chǎn)生第二次諧波，則非線性光學(xué)晶體3為一個，即為二次倍頻晶體31，激光光束在激光介質(zhì)2處的光斑直徑Dui和在二次倍頻晶體31處的光斑直徑Dsiffi大小關(guān)系為:0.25<Dshg/Dlm<0.7，其中Dsiffi與相等。本實施方式中，為了減少空氣色散對諧波轉(zhuǎn)換效率的影響，二次倍頻晶體31和三次倍頻晶體32的中心間距L3,與第二全反腔鏡4和第三全反腔鏡5的中心間距L4的關(guān)系為:L3〈L4/20。盡管激光光束在非線性光學(xué)晶體3上的光斑大小比現(xiàn)有技術(shù)中的光斑大小增加了幾十倍，但在高功率激光光束的作用下，非線性光學(xué)晶體3仍會出現(xiàn)熱致雙折射的現(xiàn)象。本實施方式中，在三次倍頻晶體32和二次倍頻晶體31之間設(shè)雙波長90°旋轉(zhuǎn)器6，用于補(bǔ)償三次倍頻晶體32和二次倍頻晶體31中熱效應(yīng)。為了達(dá)到更好的熱效應(yīng)補(bǔ)償效果，三次倍頻晶體32和二次倍頻晶體31采用同一種晶體材料，以使得二次倍頻晶體31與三次倍頻晶體32的熱膨脹性能一致。[0029]激光介質(zhì)2是Nd: YAG晶體、Nd: YVO4晶體、Nd: YLF晶體或Nd:GdVO4晶體中的一種，非線性光學(xué)晶體3是LBO，BBO, KDP或KTP中的一種或兩種。進(jìn)一步的，腔內(nèi)倍頻固體激光器100還包括波長選擇輸出元件7，波長選擇輸出元件7沿第一光軸10，設(shè)于激光介質(zhì)2與非線性光學(xué)晶體3之間。為了進(jìn)一步增加激光光束在非線性光學(xué)晶體3上的光斑大小，波長選擇輸出元件7與第一光軸10正向成α角，30° <α<80°，優(yōu)選的40° <α〈60°。波長選擇輸出元件7的兩側(cè)面上覆有介質(zhì)膜層，用于高透基頻波長且全反高次諧波。波長選擇輸出元件7材料為導(dǎo)熱率高的光學(xué)材料，如石英玻璃或藍(lán)寶石，且其沿第一光軸11的厚度小于3_，以減少吸收損耗。參見圖2，波長選擇輸出元件7包括相對的兩個反射面01和反射面02。其中反射面01的介質(zhì)膜層是全反三次倍頻波長和全透基頻波長。反射面02的介質(zhì)膜層為全反二次倍頻波長和全透基頻波長。參見圖1，本實施方式中，腔內(nèi)倍頻固體激光器100還包括一個軸向泵浦源8，泵浦源8發(fā)射光譜的中心波長處于激光介質(zhì)2的吸收帶內(nèi)，以提高泵浦效率。在其他實施方式中，一個軸向泵浦源8可由兩個波長相近的泵浦源替代。進(jìn)一步的，本實施方式中，腔內(nèi)倍頻固體激光器100還包括聲光調(diào)制元件9，用于腔內(nèi)倍頻固體激光器100諧振腔的調(diào)Q，聲光調(diào)制元件9沿第二光軸11，設(shè)于第一全反腔鏡I和第二全反腔鏡4之間。在其他實施方式中，聲光調(diào)制元件9可采用電光調(diào)制元件替代。本實施方式中，泵浦源8為發(fā)射光中心波長為808nm。基頻波的波長為1064nm，二次倍頻波的波長為532nm，三次倍頻波的波長為355nm。發(fā)射光依次經(jīng)第一全反腔鏡I和激光介質(zhì)2，激光介質(zhì)2受到泵浦能量激發(fā)產(chǎn)生基頻激光輻射，發(fā)出1064nm的基頻波，基頻波經(jīng)三次倍頻晶體32、二次倍頻晶體31和第二全反腔鏡4間的相互作用，形成532nm的二次倍頻波和355nm的三次倍頻波。二次倍頻波和三次倍頻波分別經(jīng)波長選擇輸出元件7的反射面02和反射面01輸出。本實用新型實施例放棄高效率諧波轉(zhuǎn)換的通常方法，旨在增加激光光束在非線性光學(xué)晶體3上的光斑直徑，以減小非線性光學(xué)晶體3表面熱損傷。依據(jù)激光諧振腔的理論，適當(dāng)?shù)娜辞荤R的曲率半徑，及適當(dāng)?shù)募す饨橘|(zhì)2與非線性光學(xué)晶體3的中心間距，可改變激光光束光斑直徑。非線性光學(xué)晶體3上的激光光束的光斑直徑增加一個數(shù)量級，會導(dǎo)致激光的功率密度降低兩個數(shù)量級。本實用新型實施例的腔內(nèi)倍頻固體激光器100在連續(xù)使用中，系統(tǒng)器件性能和激光參數(shù)較穩(wěn)定，可靠性提高，壽命延長，滿足了工業(yè)客戶的需求。另，如腔內(nèi)倍頻固體激光器100故障，只需調(diào)節(jié)或維修其非線性光學(xué)晶體3，更簡易可行。以上所述的實施方式，并不構(gòu)成對該技術(shù)方案保護(hù)范圍的限定。任何在上述實施方式的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在該技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種腔內(nèi)倍頻固體激光器，其特征在于，包括第一全反腔鏡、激光介質(zhì)、至少一個非線性光學(xué)晶體、第二全反腔鏡、第三全反腔鏡和光束直徑調(diào)節(jié)單元，所述第一全反腔鏡、所述激光介質(zhì)、所述至少一個非線性光學(xué)晶體和所述第二全反腔鏡均沿第一光軸依次設(shè)置，所述第三全反腔鏡沿第二光軸設(shè)置，所述第一全反腔鏡與所述第一光軸正向成銳角，所述第一光軸與所述第二光軸分居于所述第一全反腔鏡法線兩側(cè)且對稱，所述第二全反腔鏡與所述第一光軸成直角，所述第三全反腔鏡與所述第二光軸成直角，所述光束直徑調(diào)節(jié)單元設(shè)于所述激光介質(zhì)和所述第二全反腔鏡之間，所述光束直徑調(diào)節(jié)單元由光學(xué)透鏡或者帶曲率的反射元件組成，用于改變激光光束直徑大小，所述激光光束在所述激光介質(zhì)處的光斑直徑Dui和在所述非線性光學(xué)晶體處的光斑直徑D.大小關(guān)系為:0.1<Dnlc/Dlm<0.9，所述激光介質(zhì)中心距所述第一個全反腔鏡的距離L1，與所述激光介質(zhì)中心距所述第二個全反腔鏡的距尚L2關(guān)系為:0.1<L1/L2<0.5。
2.按權(quán)利要求1所述的一種腔內(nèi)倍頻固體激光器，其特征在于，所述激光光束在所述激光介質(zhì)處的光斑直徑Dui和在所述非線性光學(xué)晶體處的光斑直徑D-大小關(guān)系為:0.25<Dnlc/Dlm<0.7，所述激光介質(zhì)中心距所述第一個全反腔鏡的距離L1，與所述激光介質(zhì)中心距所述第二個全反腔鏡的距離L2關(guān)系為:0.25〈1^/12〈0.4。
3.按權(quán)利要求1所述的一種腔內(nèi)倍頻固體激光器，其特征在于，所述非線性光學(xué)晶體為兩個，即分別為二次倍頻晶體和三次倍頻晶體，所述三次倍頻晶體沿所述第一光軸位于所述激光介質(zhì)和所述二次倍頻晶體之間，所述激光束在所述二次倍頻晶體處的光斑直徑Dsre和所述三次倍頻晶體處的光斑直徑Drae大小關(guān)系為:0.25<Dshg/Dlm<0.7,0.25<DTHG/Dlm<0.7 且 0.8<Dthg/Dshg<1.2。
4.按權(quán)利要求3所述的一種腔內(nèi)倍頻固體激光器，其特征在于，所述激光束在所述二次倍頻晶體處的光斑直徑Dsiffi和所述三次倍頻晶體處的光斑直徑Drae大小關(guān)系為:O- 9<Dthg/Dshg<1.1。
5.按權(quán)利要求3所述的一種 腔內(nèi)倍頻固體激光器，其特征在于，所述第二全反腔鏡反射基頻波且反射二次倍頻波，所述基頻波和所述二次倍頻波同軸、同方向通過所述三次倍頻晶體而產(chǎn)生三次倍頻波。
6.按權(quán)利要求3所述的一種腔內(nèi)倍頻固體激光器，其特征在于，所述二次倍頻晶體與所述三次倍頻晶體的中心距離L3,與所述第二全反腔鏡和所述第三全反腔鏡的中心距離L4的關(guān)系為:L3〈L4/20。
7.按權(quán)利要求3所述的一種腔內(nèi)倍頻固體激光器，其特征在于，所述腔內(nèi)倍頻固體激光器還包括雙波長90°旋轉(zhuǎn)器，所述雙波長90°旋轉(zhuǎn)器沿所述第一光軸設(shè)于所述三次倍頻晶體和所述二次倍頻晶體之間，用于補(bǔ)償所述三次倍頻晶體和所述二次倍頻晶體中熱效應(yīng)，所述二次倍頻晶體與所述三次倍頻晶體材質(zhì)相同。
8.按權(quán)利要求1所述的一種腔內(nèi)倍頻固體激光器，其特征在于，所述激光介質(zhì)是NdiYAG晶體、Nd = YVO4晶體、Nd = YLF晶體或Nd = GdVO4晶體中的一種，所述非線性光學(xué)晶體是LBO, BBO, KDP或KTP中的一種或兩種。
9.按權(quán)利要求1所述的一種腔內(nèi)倍頻固體激光器，其特征在于，所述腔內(nèi)倍頻固體激光器還包括波長選擇輸出元件，所述波長選擇輸出元件沿所述第一光軸，設(shè)于所述激光介質(zhì)與所述非線性光學(xué)晶體之間，所述波長選擇輸出元件與所述第一光軸正向成α角，所述30° <α<80°，優(yōu)選的40°〈α〈60°，所述波長選擇輸出元件的兩側(cè)面上覆有介質(zhì)膜層，用于高透基頻波長且全反高次諧波。
10.按權(quán)利要求9所述的一種腔內(nèi)倍頻固體激光器，其特征在于，所述波長選擇輸出元件材料為石英玻璃或藍(lán)寶石，且`沿所述第一光軸的厚度小于3_。
專利摘要本實用新型公開了一種腔內(nèi)倍頻固體激光器，包括第一全反腔鏡、激光介質(zhì)、至少一個非線性光學(xué)晶體、第二全反腔鏡、第三全反腔鏡和光束直徑調(diào)節(jié)單元，激光光束在激光介質(zhì)處的光斑直徑DLM和在非線性光學(xué)晶體處的光斑直徑DNLC大小關(guān)系為0.1<DNLC/DLM<0.9，激光介質(zhì)中心距第一個全反腔鏡的距離L1，與激光介質(zhì)中心距所述第二個全反腔鏡的距離L2關(guān)系為0.1<L1/L2<0.5。采用本實用新型實施例的腔內(nèi)倍頻固體激光器，在連續(xù)使用中，系統(tǒng)器件性能和激光參數(shù)較穩(wěn)定，可靠性提高，壽命延長，滿足了工業(yè)客戶的需求。另，如所述腔內(nèi)倍頻固體激光器故障，只需調(diào)節(jié)或維修其非線性光學(xué)晶體，該方法更簡易。
文檔編號H01S3/109GK202930742SQ20122056193
公開日2013年5月8日 申請日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者楊淇鴻 申請人:深圳市威鴻博科光電技術(shù)有限公司