本發(fā)明涉及一種固體紫外激光器的封裝裝置及方法，屬于激光領(lǐng)域，尤其涉及復(fù)雜的非線性光學(xué)頻率變換技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在實(shí)驗(yàn)室光學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行激光倍頻、三倍頻(或四倍頻)實(shí)驗(yàn)時(shí)，是將非線性晶體固定在調(diào)整架上，通過(guò)調(diào)節(jié)旋鈕使非線性晶體處于相位匹配角，從而使非線性頻率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最佳。這種方法需要高精度、高穩(wěn)定的光學(xué)調(diào)整架。對(duì)于紫外激光器工程化封裝，該方法成本高，占用體積大，無(wú)法適應(yīng)振動(dòng)環(huán)境。傳統(tǒng)激光器中，為了增強(qiáng)機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固性，一般采用固定夾具夾持非線性晶體。由于不能調(diào)節(jié)晶體角度，基頻光入射角難以恰好達(dá)到相位匹配角，因此頻率轉(zhuǎn)換效率達(dá)不到最優(yōu)。此外，封裝過(guò)程中通過(guò)電接點(diǎn)溫度表以及TEC(Thermo Electric Cooler)半導(dǎo)體溫控片控制非線性晶體溫度，該溫控技術(shù)操作簡(jiǎn)單、所用部件少、成本低，但控制過(guò)程有慣性，控溫誤差較大，不能精確控制溫度，而激光輸出功率和穩(wěn)定性對(duì)溫度變化敏感，因此，傳統(tǒng)的紫外激光器封裝技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)激光高效穩(wěn)定輸出。

中國(guó)專利文件“一種高穩(wěn)定性的全固態(tài)激光器”(申請(qǐng)?zhí)?01510492390.3)，公開了一種高穩(wěn)定性的全固態(tài)激光器，通過(guò)控制非線性倍頻晶體的工作溫度改變激光腔內(nèi)非線性損耗的大小，獲得高穩(wěn)定性的激光輸出。該專利所述非線性過(guò)程為非線性晶體的I類非臨界相位匹配過(guò)程，僅為倍頻過(guò)程，實(shí)現(xiàn)原理為控制非線性倍頻晶體的非線性轉(zhuǎn)化損耗，未能對(duì)本發(fā)明提供幫助。

中國(guó)專利文件“一種用半導(dǎo)體帕爾貼調(diào)整激光晶體溫度的控制裝置”(申請(qǐng)?zhí)?01520335417.3)，公開了一種用半導(dǎo)體帕爾貼調(diào)整激光晶體溫度的控制裝置，該專利采用線形調(diào)節(jié)方式而非位式調(diào)節(jié)方式，并且采用數(shù)字控制模式，僅控制了晶體溫度，對(duì)改善激光器領(lǐng)域的激光輸出和穩(wěn)定收效甚小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

現(xiàn)有技術(shù)封裝方法為直接封裝后將晶體溫度控制于標(biāo)定溫度，或沒有晶體控溫。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足和存在的問(wèn)題，本發(fā)明專利的目的在于設(shè)計(jì)一種紫外激光器封裝方法。該方法基于PID(Proportion Integral Derivative，比例微分積分)溫控器，改變晶體溫度，從而補(bǔ)償封裝時(shí)角度失諧造成的相位失配，提高激光器效率與功率穩(wěn)定性。該方法易于操作、調(diào)節(jié)精度高、成本低，采用該方法封裝的激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率穩(wěn)定。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種固體紫外激光器的封裝裝置，包括激光器底板以及位于激光器底板上的晶體和夾具，晶體包括倍頻非線性晶體、三倍頻或四倍頻非線性晶體，夾具包括倍頻非線性晶體夾具、三倍頻或四倍頻非線性晶體夾具，夾具包括夾具蓋和夾具基座，晶體位于夾具蓋與夾具基座之間，夾具基座一側(cè)設(shè)有盲孔，盲孔內(nèi)設(shè)有熱敏電阻，夾具基座底部設(shè)有TEC半導(dǎo)體溫控片，TEC半導(dǎo)體溫控片和熱敏電阻均與PID溫控器相連。

通過(guò)TEC半導(dǎo)體溫控片控制溫度，通過(guò)熱敏電阻觀察溫度。調(diào)節(jié)晶體溫度至晶體廠家標(biāo)定的設(shè)定溫度，再準(zhǔn)直光路中各光學(xué)元件。當(dāng)紫外激光輸出后，固定夾具，之后再次通過(guò)TEC半導(dǎo)體溫控片調(diào)節(jié)，使激光輸出功率達(dá)到最大值。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，熱敏電阻包括正溫度系數(shù)熱敏電阻器(Positive Temperature Coefficient，PTC)、負(fù)溫度熱敏電阻器(Negative Temperature Coefficient，NTC)以及臨界溫度熱敏電阻器(Critical Temperature Resistor，CTR)，電阻材料可以為半導(dǎo)體熱敏電阻材料、金屬熱敏電阻材料以及合金熱敏電阻材料。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，上述提到采用的熱敏電阻并非具體的特指意義的概念，而是泛指能夠配合應(yīng)用于溫度測(cè)量與控制模塊的任意熱敏電阻。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，夾具基座底部設(shè)有凹槽，TEC半導(dǎo)體溫控片位于凹槽內(nèi)，TEC半導(dǎo)體溫控片外表面與夾具基座底部表面位于同一水平面。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，夾具蓋與夾具基座螺栓連接，夾具基座與激光器底板螺栓連接，夾具基座與熱敏電阻通過(guò)導(dǎo)熱硅膠相連，TEC半導(dǎo)體溫控片通過(guò)導(dǎo)熱硅脂與夾具基座底部相連。

進(jìn)一步優(yōu)選的，夾具蓋與夾具基座相對(duì)的一面均為臺(tái)階面。晶體位于夾具蓋與夾具基座之間，由臺(tái)階的L型直角結(jié)構(gòu)和螺栓連接將晶體固定住。

一種固體紫外激光器的封裝方法，包括步驟如下：

(1)首先，使晶體溫度處于廠家標(biāo)定的設(shè)定溫度，將晶體放入夾具中，將夾具置于激光光路中；

(2)其次，對(duì)倍頻非線性晶體、三倍頻或四倍頻非線性晶體進(jìn)行準(zhǔn)直調(diào)節(jié)，準(zhǔn)直完成后獲得紫外輸出；

(3)在初始值附近改變溫度，當(dāng)輸出功率最大值時(shí)，固定此溫度值。

通過(guò)該方法，補(bǔ)償封裝時(shí)角度失諧造成的相位失配，獲得高效率、高穩(wěn)定性的激光輸出。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(1)中，使晶體溫度處于廠家標(biāo)定的設(shè)定溫度，將晶體置于夾具基座的臺(tái)階面的直角處，放置夾具蓋并螺栓固定；在夾具基座底部放入TEC半導(dǎo)體溫控片，將夾具基座螺栓固定于激光器底板上，在夾具基座一側(cè)的盲孔內(nèi)放置熱敏電阻，將TEC半導(dǎo)體溫控片和熱敏電阻與PID溫控器連接，將夾具置于激光光路中。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(2)中，對(duì)包括倍頻非線性晶體、三倍頻或四倍頻非線性晶體在內(nèi)的光學(xué)元件進(jìn)行準(zhǔn)直調(diào)節(jié)，準(zhǔn)直完成后打開泵浦源，微調(diào)輸出鏡，螺栓固定夾具基座與激光器底板，準(zhǔn)直完成后獲得紫外激光輸出。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(3)中，熱敏電阻將夾具溫度反饋給PID溫控器，PID溫控器對(duì)比反饋溫度與設(shè)定溫度，根據(jù)對(duì)比結(jié)果調(diào)節(jié)TEC半導(dǎo)體溫控片功率：當(dāng)反饋溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，PID溫控器對(duì)TEC半導(dǎo)體溫控片發(fā)出加熱指令，將晶體溫度升至設(shè)定溫度；當(dāng)反饋溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，PID溫控器對(duì)TEC半導(dǎo)體溫控片發(fā)出制冷指令，將晶體溫度降至設(shè)定溫度。當(dāng)輸出功率達(dá)到最大值時(shí)，即確定此時(shí)的設(shè)定溫度為最佳溫度值。將兩晶體均處于最佳相位匹配狀態(tài)，功率轉(zhuǎn)換效率最高。固定此溫度值，即可獲得高效穩(wěn)定的紫外激光輸出。

本發(fā)明提供的方法，對(duì)應(yīng)了一種基頻光非垂直入射晶體表面時(shí)，相位匹配優(yōu)化的有效途徑。非線性過(guò)程中最佳相位匹配角度，與晶體的主軸折射率大小有關(guān)。通過(guò)調(diào)節(jié)晶體溫度，能夠改變晶體主軸折射率，從而改變最佳相位匹配角度。激光器封裝過(guò)程中，因裝配誤差存在，基頻光一般以傾斜晶體入射面的角度進(jìn)入晶體，其入射角度與最佳相位匹配角度有一個(gè)差值。由于夾具固定，基頻光入射角度難以改變。而通過(guò)改變溫度來(lái)控制主軸折射率大小，可以改變最佳相位匹配角度，最終在不調(diào)節(jié)晶體角度的前提下實(shí)現(xiàn)相位匹配。這樣就保證了裝配誤差存在時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)最高的非線性轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)，精確的溫度控制能夠保證相位匹配過(guò)程始終穩(wěn)定，保證激光器長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定輸出。

本發(fā)明提供的方法，對(duì)應(yīng)了一種激光系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)的有效途徑。在PID溫控器實(shí)現(xiàn)溫控的過(guò)程中，晶體的溫度由熱敏電阻實(shí)時(shí)測(cè)量。對(duì)于非線性相位匹配過(guò)程，溫度每變化0.01℃，相位差相應(yīng)改變8×10^-4(倍頻)或者3.65×10^-2(三倍頻)。因此，快速響應(yīng)時(shí)間以及最小過(guò)沖能夠?qū)崿F(xiàn)快速且準(zhǔn)確的相位匹配，保證封裝后激光器轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最優(yōu)，從而滿足產(chǎn)品高效、節(jié)能。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，上述提到廠家標(biāo)定溫度并非具體的特指意義的概念，而是泛指任意非線性晶體在任意生產(chǎn)廠家以及任意生產(chǎn)批次的標(biāo)定值。也就是說(shuō)，本發(fā)明適用晶體包括所有條件下生長(zhǎng)并切割的非線性晶體，應(yīng)用本發(fā)明時(shí)只需根據(jù)每個(gè)晶體的具體標(biāo)定溫度設(shè)定初始值。同時(shí)，本發(fā)明適用于除導(dǎo)致晶體損壞的所有環(huán)境溫度，并能夠適應(yīng)環(huán)境溫度改變。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，上述提到封裝方法并非只適用于傳統(tǒng)激光器中采用的固定夾具，也適用于光學(xué)平臺(tái)精密夾具的相位匹配調(diào)節(jié)。也就是說(shuō)，本發(fā)明適用于多種調(diào)節(jié)環(huán)境。

本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明所述非線性過(guò)程為I類與II類臨界相位匹配過(guò)程，包括倍頻、三倍頻或四倍頻過(guò)程；其實(shí)現(xiàn)原理為溫度補(bǔ)償角度造成的相位失配。

本發(fā)明采用改變溫度優(yōu)化相位匹配角度，從而避免繁雜的角度調(diào)節(jié)，簡(jiǎn)化了調(diào)節(jié)的難度，減少了調(diào)節(jié)時(shí)間；PID溫控器的溫度穩(wěn)定性可以達(dá)到±0.01℃；相位差精確度可以達(dá)到8×10^-4(倍頻)或者3.65×10^-2(三倍頻)，其精度高于角度調(diào)節(jié)的精確度，且溫度可以保持恒定，使本激光器具有極高的穩(wěn)定度，若光路微失調(diào)后，也可以微調(diào)溫度來(lái)補(bǔ)償相位失配；本方法適用于多種調(diào)節(jié)環(huán)境，大大拓展了應(yīng)用范圍；本方法能夠適應(yīng)晶體以及環(huán)境溫度改變，并能夠在惡劣環(huán)境使用；經(jīng)測(cè)試，本方法2小時(shí)內(nèi)功率輸出變化小于1％，滿足穩(wěn)定工作的需求。

本發(fā)明的技術(shù)方案對(duì)夾具裝置有詳細(xì)的結(jié)構(gòu)描述，溫控裝置設(shè)在夾具外部，且溫控裝置為TEC溫控片；通過(guò)改變溫度補(bǔ)償封裝時(shí)角度失諧造成的相位失配，不會(huì)造成激光器功率降低，從而實(shí)現(xiàn)高效率高穩(wěn)定性激光輸出，提高激光器效率與功率穩(wěn)定性。不僅控制倍頻晶體溫度，也可以控制三倍頻或四倍頻晶體溫度，可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制和同時(shí)控制多種模式；晶體的控制溫度普遍低于100℃。同時(shí)，本申請(qǐng)采用的溫控裝置能夠?qū)崿F(xiàn)制冷與加熱兩種功能，能夠獲得較寬的溫度調(diào)節(jié)范圍。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明專利進(jìn)行封裝調(diào)節(jié)的兩種激光器光路。

圖2是本發(fā)明專利中所提到的倍頻非線性晶體夾具裝置剖面圖。

圖3是本發(fā)明專利中所提到的三倍頻或四倍頻非線性晶體夾具裝置剖面圖。

圖4是本發(fā)明專利中所提到的溫度控制結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，100.倍頻非線性晶體夾具、101.倍頻非線性晶體、102.三倍頻或四倍頻非線性晶體夾具、103.三倍頻或四倍頻非線性晶體、104.激光器底板、100A、102A均為夾具基座、100B、102B均為夾具蓋、100C、102C均為熱敏電阻、100D、102D均為TEC半導(dǎo)體溫控片、100E、100F、100G、100H、102E、102F、102G、102H為螺栓，201為PID溫控器，202為TEC半導(dǎo)體溫控片，203為晶體，204為熱敏電阻。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)具體實(shí)施方式并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但不限于此。

一種固體紫外激光器的封裝裝置，包括激光器底板以及位于激光器底板上的晶體和夾具，如圖1所示，晶體包括倍頻非線性晶體、三倍頻非線性晶體，夾具包括倍頻非線性晶體夾具、三倍頻非線性晶體夾具，夾具包括夾具蓋和夾具基座，晶體位于夾具蓋與夾具基座之間，夾具基座一側(cè)設(shè)有盲孔，熱敏電阻插入盲孔的孔隙深處并與盲孔內(nèi)壁接觸。熱敏電阻與晶體不接觸，保證了晶體表面充分接觸夾具。

夾具基座底部設(shè)有TEC半導(dǎo)體溫控片，其不同的電流電壓值對(duì)應(yīng)不同的工作功率，TEC半導(dǎo)體溫控片和熱敏電阻均與PID溫控器相連。通過(guò)TEC半導(dǎo)體溫控片控制溫度，通過(guò)熱敏電阻觀察溫度。調(diào)節(jié)晶體溫度使之處于廠家標(biāo)定的設(shè)定溫度，再準(zhǔn)直光路中各光學(xué)元件。當(dāng)紫外激光輸出后，固定晶體夾具，之后再次通過(guò)TEC半導(dǎo)體溫控片調(diào)節(jié)夾具溫度從而改變晶體溫度，改變晶體的折射率，實(shí)現(xiàn)最佳相位匹配，使激光輸出功率達(dá)到最大值。

夾具基座底部設(shè)有凹槽，TEC半導(dǎo)體溫控片位于凹槽內(nèi)，TEC半導(dǎo)體溫控片外表面與夾具基座底部表面位于同一水平面。

夾具蓋與夾具基座螺栓連接，夾具基座與激光器底板螺栓連接，夾具基座與熱敏電阻通過(guò)導(dǎo)熱硅膠相連，TEC半導(dǎo)體溫控片通過(guò)導(dǎo)熱硅脂與夾具基座底部相連。

夾具蓋與夾具基座相對(duì)的一面均為臺(tái)階面，臺(tái)階面之間構(gòu)成方形空腔，晶體位于夾具蓋與夾具基座之間的方形空腔內(nèi)，由臺(tái)階的L型直角結(jié)構(gòu)和螺栓連接將晶體固定住，臺(tái)階面的結(jié)構(gòu)使晶體全部與夾具接觸，固定牢固。夾具材料可以是鋁，也可以是銅。

一種固體紫外激光器的封裝方法，包括步驟如下：

(1)首先，使晶體溫度處于廠家標(biāo)定的設(shè)定溫度，將晶體置于夾具基座的臺(tái)階面的直角處，放置夾具蓋并螺栓固定；在夾具基座底部放入TEC半導(dǎo)體溫控片，將夾具基座置于激光器底板上，在夾具基座一側(cè)的盲孔內(nèi)放置熱敏電阻，將TEC半導(dǎo)體溫控片和熱敏電阻與PID溫控器連接，將夾具置于激光光路中；

(2)其次，通過(guò)準(zhǔn)直光束對(duì)包括倍頻非線性晶體、三倍頻非線性晶體、前后腔鏡、工作物質(zhì)在內(nèi)的光學(xué)元件進(jìn)行準(zhǔn)直調(diào)節(jié)，準(zhǔn)直完成后打開泵浦源，微調(diào)輸出鏡，螺栓固定夾具基座與激光器底板，準(zhǔn)直完成后獲得紫外輸出；

(3)熱敏電阻將夾具溫度反饋給PID溫控器，PID溫控器對(duì)比反饋溫度與設(shè)定溫度，進(jìn)行PID運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果給出相應(yīng)電流電壓信號(hào)，控制202半導(dǎo)體溫控片工作，調(diào)節(jié)TEC半導(dǎo)體溫控片功率：當(dāng)反饋溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，PID溫控器對(duì)TEC半導(dǎo)體溫控片發(fā)出加熱指令，將晶體溫度升至設(shè)定溫度；當(dāng)反饋溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，PID溫控器對(duì)TEC半導(dǎo)體溫控片發(fā)出制冷指令，將晶體溫度降至設(shè)定溫度。通過(guò)在設(shè)定溫度附近改變溫度值，當(dāng)輸出功率達(dá)到最大值時(shí)，即確定此時(shí)的設(shè)定溫度為最佳溫度值。將兩晶體均處于最佳相位匹配狀態(tài)，功率轉(zhuǎn)換效率最高。固定此溫度值，即可獲得高效穩(wěn)定的紫外激光輸出。通過(guò)該方法，補(bǔ)償封裝時(shí)角度失諧造成的相位失配，獲得高效率、高穩(wěn)定性的激光輸出。

對(duì)倍頻非線性晶體、三倍頻非線性晶體的溫度獨(dú)立調(diào)節(jié)。

圖1是本封裝方法適用的一種典型的激光器結(jié)構(gòu)，適用于典型的非線性轉(zhuǎn)換過(guò)程，但并不是唯一可應(yīng)用的結(jié)構(gòu)，平平腔、平凹腔等各種常用的光路結(jié)構(gòu)都適用于本封裝方法，端面泵浦、側(cè)面泵浦等各種常見的泵浦結(jié)構(gòu)都適用于本封裝方法，腔內(nèi)非線性轉(zhuǎn)換、腔外非線性轉(zhuǎn)換等頻率轉(zhuǎn)換方式都適用于本封裝方法。而且激光腔內(nèi)也可以包括二向色鏡、三向色鏡等光學(xué)元件。這等光學(xué)元件為本領(lǐng)域技術(shù)人員可基于本發(fā)明的一種應(yīng)用上的擴(kuò)充，作用在于加強(qiáng)倍頻光和三倍頻(或四倍頻)光反射次數(shù)，減少光學(xué)損耗，進(jìn)一步提高輸出功率。

盡管結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所述領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，在形式上和細(xì)節(jié)上可以對(duì)本發(fā)明做出各種變化，均為本發(fā)明的保護(hù)范圍。