内外腔混合非线性频率变换紫外激光器的制造方法
【专利摘要】一种内外腔混合非线性频率变换紫外激光器，包括：泵浦源、传能光纤、聚焦耦合系统、激光全反射镜、增益介质晶体、Q开关和激光输出镜，还包括：谐波镜、二倍频晶体、聚焦镜和三倍频晶体；泵浦源输出的泵浦光经过传能光纤和聚焦耦合系统传输至增益介质晶体，使激光在由激光全反射镜和激光输出镜构成的基频光谐振腔中振荡，并在Q开关的调制作用下产生脉冲的基频光，基频光每次经过基频光谐振腔内的二倍频晶体时都会产生倍频光，倍频光和基频光经过聚焦镜后被聚焦到三倍频晶体中，并产生三倍频激光。利用腔内二倍频，腔外三倍频，利用了腔内基频光的高功率密度，提高了倍频过程的转换率，而三倍频过程在谐振腔外保证了系统的长期稳定性。
【专利说明】内外腔混合非线性频率变换紫外激光器
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光器的【技术领域】，具体说是一种利用了腔内基频光的高功率密度，提高了倍频过程的转换率，保证系统的长期稳定性和高效性的内外腔混合非线性频率变换紫外激光器。
【背景技术】
[0002]LD泵浦全固态激光器从1980年以来获得长足的进步，紫外激光器因其在荧光检测、精细加工和光刻等方面的应用，一自以来就是研究的热点。紫外光加工材料过程称为光蚀效应，是由于紫外光的高能量光子可以直接破坏材料的化学键是“冷”处理过程，热影响区域微乎其微。相比之下，可见光和红外激光器利用聚焦到加工部位的热量来熔化材料，热量经过传导会影响到周围的材料，产生热影响区域。良好的聚焦性能和冷处理两个优点结合在一起，使得紫外激光器可以加工极其微小的部件，并且大多数材料都能够有效地吸收紫外光，从而使紫外激光器有更高的灵活性和更广的应用场合，可以用来加工红外和可见光激光难以加工的材料。实现紫外激光的方式很多，如气体激光、全固态激光等。但气体激光器系统庞杂、需要定期维护，而逐渐被LD泵浦的全固态紫外激光器取代，全固态紫外激光器成为激光研究的重要方向。
[0003]目前全固态激光实现紫外激光器的方式有两种，第一种是倍频晶体与三倍频晶体都放置在谐振腔内，如JDSU公司、PhotoniCS公司、DPSSL公司和YUCO公司及其他的一些德国公司采用腔内非线性频率变换的方式实现紫外输出，这种方式具有效率高的优点，但是这种方式会影响输出激光的光束质量、脉冲宽度，并且光路稳定性差，容易造成谐振腔的失调，腔内光功率密度较高容易造成三倍频晶体的损伤。另一种方式是将倍频晶体与三倍频晶体都放置在腔外，这种方式是整个激光器稳定性好，输出的光束质量好，灵活方便，易于更换配件，但其效率较低，目前国外公司(Coherent、Spectra-physics)均采用腔外非线性频率的方法实现绿光和紫外的输出。以上两种方式都存在一定的弊端。
[0004]目前国外公司如(Coherent、Spectra-physics、JDSU)已经于推出平均功率大于IOW的半导体二极管泵浦的紫外激光器。国内的许多院校、研究所以及公司也大力开展高功率紫外激光器的研发，但目前真正能产品化的紫外激光器非常少。
[0005]现有技术中的主要问题存在于以下方面:
[0006]完全的外腔三倍频的转换率较低，目前从基频光到紫外激光的转换率小于40%，这是由于腔外激光的光功率密度较低，二倍频的效率不高，致使绿光激光的功率较弱，严重影响了后续三倍频的转换率。
[0007]完全的内腔三倍频稳定性差，这种将倍频晶体与三倍频晶体同时置于基频光的谐振腔内，可以提高转换率，但这种方法光路稳定性差，容易造成三倍频晶体的光学损伤，并且紫外晶体要定期的更换和移动，将三倍频晶体置于腔内会影响后期光路的稳定性。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题是提出一种二极管泵浦的内外腔混合非线性频率变换紫外激光器的设计方法和技术方案，利用腔内二倍频，腔外三倍频，利用了腔内基频光的高功率密度，提高了倍频过程的转换率，而三倍频过程在谐振腔外保证了系统的长期稳定性，因此该发明兼顾了系统的稳定性以及高效性。
[0009]本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:
[0010]本发明的内外腔混合非线性频率变换紫外激光器，包括:泵浦源、传能光纤、聚焦耦合系统、激光全反射镜、增益介质晶体、Q开关和激光输出镜，还包括:谐波镜、二倍频晶体、聚焦镜和三倍频晶体；激光全反射镜和激光输出镜构成基频光谐振腔，泵浦源输出的泵浦光经过传能光纤和聚焦耦合系统传输至增益介质晶体，在对增益介质晶体的抽运条件下，使激光在由激光全反射镜和激光输出镜构成的基频光谐振腔中振荡，并在Q开关的调制作用下产生脉冲的基频光，二倍频晶体设置在基频光谐振腔内，基频光每次经过二倍频晶体时都会产生倍频光，前向倍频光由激光输出镜直接输出，后向倍频光经由谐波镜反射后也由激光输出镜输出，激光输出镜同时镀有对基频光部分透射和对倍频光增透的膜系，倍频光和基频光经过聚焦镜后被聚焦到三倍频晶体中，并产生三倍频激光。
[0011]本发明还可采用以下技术方案:
[0012]所述的激光泵浦源的中心波长为808nm、880nm、885nm、888nm、914nm、938nm或946nm之中的任一种。
[0013]所述的增益介质晶体为Nd = YAG晶体、NdiYVO4晶体、NdiGGG晶体、NdiYLF晶体、NdiGdVO4晶体、NchYAP晶体或NchLuvO4晶体之中的任一种。
[0014]所述的二倍频晶体(8)设置在由激光全反射镜(4)和激光输出镜(9)构成基频光谐振腔内，而三倍频晶体(11)设置在基频光谐振腔之外。
[0015]所述的二倍频晶体是KTP晶体、LBO晶体、BBO晶体、BIBO晶体或CLBO晶体之中的任一种。
[0016]所述的三倍频晶体LBO晶体、BBO晶体、BIBO晶体或CLBO晶体之中的任一种。
[0017]本发明具有的优点和积极效果是:
[0018]本发明的内外腔混合非线性频率变换紫外激光器中，二倍频晶体设置在基频光谐振腔内，基频光每次经过二倍频晶体时都会产生倍频光，前向倍频光由激光输出镜直接输出，后向倍频光经由谐波镜反射后也由激光输出镜输出，同时输出镜镀有基频光的部分透过率膜系，也能输出部分基频光，倍频光和基频光经过聚焦镜后被聚焦到三倍频晶体中，并产生三倍频激光。利用腔内二倍频，腔外三倍频，利用了腔内基频光的高功率密度，提高了倍频过程的转换率，而三倍频过程在谐振腔外保证了系统的长期稳定性，本发明的内外腔混合非线性频率变换紫外激光器兼顾了系统的稳定性以及高效性。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明的内外腔混合非线性频率变换紫外激光器的光路图；
[0020]图2是本发明的内外腔混合非线性频率变换紫外激光器中谐振腔稳区及传输光束的1吴拟关系图；
[0021]图3是本发明的内外腔混合非线性频率变换紫外激光器中输出的紫外光斑及紫外输出功率与泵浦功率的关系图；[0022]图4是本发明的内外腔混合非线性频率变换紫外激光器所输出的单脉冲波形图。【具体实施方式】
[0023]以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明。
[0024]图1是本发明的内外腔混合非线性频率变换紫外激光器的光路图；
[0025]图2是本发明的内外腔混合非线性频率变换紫外激光器中谐振腔稳区及传输光束的模拟关系图；图3是本发明的内外腔混合非线性频率变换紫外激光器中输出的紫外光斑及紫外输出功率与泵浦功率的关系图；图4是本发明的内外腔混合非线性频率变换紫外激光器所输出的单脉冲波形图。
[0026]如图1至图4所示，本发明的内外腔混合非线性频率变换紫外激光器，包括:泵浦源1、传能光纤2、聚焦稱合系统3、激光全反射镜4、增益介质晶体5、Q开关6和激光输出镜9，其特征在于:还包括:谐波镜7、二倍频晶体8、聚焦镜10和三倍频晶体11 ;激光全反射镜4和激光输出镜9构成基频光谐振腔，泵浦源I输出的泵浦光经过传能光纤2和聚焦耦合系统3传输至增益介质晶体，在对增益介质晶体的抽运条件下，使激光在由激光全反射镜和激光输出镜构成的基频光谐振腔中振荡，并在Q开关6的调制作用下产生脉冲的基频光，二倍频晶体8设置在基频光谐振腔内，基频光每次经过二倍频晶体8时都会产生倍频光，前向倍频光由激光输出镜9直接输出，后向倍频光经由谐波镜7反射后也由激光输出镜9输出，激光输出镜同时镀有对基频光部分透射和对倍频光增透的膜系，倍频光和基频光经过聚焦镜10后被聚焦到三倍频晶体11中，并产生三倍频激光。
[0027]激光栗浦源的中心波长为808nm、880nm、885nm、888nm、914nm、938nm 或 946nm 之中的任一种。
[0028]增益介质晶体为Nd:YAG晶体、NchYVO4晶体、NchGGG晶体、Nd:YLF晶体、NchGdVO4晶体、Nd: YAP晶体或Nd: LuvO4晶体之中的任一种。
[0029]二倍频晶体8设置在由激光全反射镜4和激光输出镜9构成基频光谐振腔内，而三倍频晶体11设置在基频光谐振腔之外。
[0030]二倍频晶体是KTP晶体、LBO晶体、BBO晶体、BIBO晶体或CLBO晶体之中的任一种。
[0031 ] 三倍频晶体LBO晶体、BBO晶体、BIBO晶体或CLBO晶体之中的任一种。
[0032]本发明的实施例中，内外腔混合非线性频率变换紫外激光器包括:泵浦源I输出功率30W，中心波长808nm，传能光纤2，芯径400微米，数值孔径0.22，聚焦耦合系统3为
I: I成像系统，激光全反射镜4镀有1064nm高反射膜，808nm增透膜，增益介质晶体5为NdiYVO4晶体，规格为3x3x10mm3，掺杂浓度0.3%，Q开关6超声频率41MHz，射频功率20W，谐波镜7镀有1064增透膜和532nm的高反射膜，二倍频晶体8为LBO晶体，置于激光全反射镜4和激光输出镜9构成的谐振腔内，规格为2x2x15mm3，激光输出镜9，为平面镜，镀有5%的1064nm透过率膜和532nm的增透膜，聚焦镜10焦距为30mm，镀有1064nm和532nm的双色增透膜系，三倍频晶体11为LBO晶体，规格为2x2x15mm3。其特具体的实施方式是这样的:由激光全反射镜4，激光输出镜9构成基频光谐振腔，泵浦源I输出泵浦光经过传能光纤2和聚焦耦合系统3对增益介质晶体5的抽运条件下使激光在激光全反射镜4，激光输出镜9构成基频光谐振腔中振荡，在Q开关6的调制作用下产生脉冲的基频光，二倍频晶体8置于由激光全反射镜4，激光输出镜9构成基频光谐振腔内，基频光每经过二倍频晶体8都会产生倍频光，前向倍频光由激光输出镜9直接输出，后向倍频光由谐波镜7反射也由激光输出镜9输出，激光输出镜9同时镀有对基频光部分透射和对倍频光增透的膜系，这会导致在输出倍频光的同时也会相应有基频光输出，倍频光和基频光经过聚焦镜10后被聚焦到三倍频晶体11中产生三倍频355nm激光。
[0033]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然而，并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当然会利用揭示的技术内容作出些许更动或修饰，成为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种内外腔混合非线性频率变换紫外激光器，包括:泵浦源(I)、传能光纤(2)、聚焦耦合系统(3)、激光全反射镜(4)、增益介质晶体(5)、Q开关(6)和激光输出镜(9)，其特征在于:还包括:谐波镜(7)、二倍频晶体⑶、聚焦镜(10)和三倍频晶体(11);激光全反射镜(4)和激光输出镜(9)构成基频光谐振腔，泵浦源(I)输出的泵浦光经过传能光纤(2)和聚焦耦合系统(3)传输至增益介质晶体，在对增益介质晶体的抽运条件下，使激光在由激光全反射镜和激光输出镜构成的基频光谐振腔中振荡，并在Q开关(6)的调制作用下产生脉冲的基频光，二倍频晶体(8)设置在基频光谐振腔内，基频光每次经过二倍频晶体(8)时都会产生倍频光，前向倍频光由激光输出镜(9)直接输出，后向倍频光经由谐波镜(7)反射后也由激光输出镜(9)输出，激光输出镜同时镀有对基频光部分透射和对倍频光增透的膜系，倍频光和基频光经过聚焦镜(10)后被聚焦到三倍频晶体(11)中，并产生三倍频激光。
2.根据权利要求1所述的内外腔混合非线性频率变换紫外激光器，其特征在于:激光栗浦源的中心波长为808nm、880nm、885nm、888nm、914nm、938nm或946nm之中的任一种。
3.根据权利要求1所述的内外腔混合非线性频率变换紫外激光器，其特征在于:增益介质晶体为Nd: YAG晶体、Nd: YVO4晶体、Nd: GGG晶体、Nd: YLF晶体、Nd: GdVO4晶体、Nd: YAP晶体或Nd: LuvO4晶体之中的任一种。
4.根据权利要求1所述的内外腔混合非线性频率变换紫外激光器，其特征在于:二倍频晶体(8)设置在由激光全反射镜(4)和激光输出镜(9)构成基频光谐振腔内，而三倍频晶体(11)设置在基频光谐振腔之外。
5.根据权利要求1所述的内外腔混合非线性频率变换紫外激光器，其特征在于:二倍频晶体是KTP晶体、LBO晶体、BBO晶体、BIBO晶体或CLBO晶体之中的任一种。
6.根据权利要求1所述的内外腔混合非线性频率变换紫外激光器，其特征在于:三倍频晶体LBO晶体、BBO晶体、BIBO晶体或CLBO晶体之中的任一种。
【文档编号】H01S3/109GK103427325SQ201210148336
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2012年5月15日 优先权日:2012年5月15日
【发明者】李斌, 孙冰 申请人:天津梅曼激光技术有限公司