具有圆形输出光束的高效单通型谐波发生器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及非线性光学，更具体地，涉及一种产生圆形输出光束的谐波发生器系 统。
【背景技术】
[0002] 波长转换激光系统通常使用非线性光学晶体（诸如，硼酸锂LB0)以根据由源激光 器产生的红外输入光束来产生可见波长的输出光束。在二次谐波产生（SHG)中，例如，发生 在晶体内的非线性过程将红外输入辐射的两个光子进行组合以便产生可见输出辐射的光 子，其中该可见输出辐射的频率是输入的红外辐射的频率的两倍。在三次谐波产生（THG) 中，将二次谐波与相位匹配的附加非线性光学晶体结合，以便将红外输入的光子与SHG输 出的光子相结合，从而产生三次谐波（THG)输出，其中三次谐波输出的频率是红外输入辐 射的频率的三倍。
[0003] 通常，诸如LBO的非线性晶体的特征在于各向异性的折射率，这将影响经波长转 换的输出光束的形状。各向异性折射率意味着：折射率依赖于福射在晶体中的传播方向和 偏振。如果将非偏振光束射向这种晶体，则它通常表现出双折射：光束将分为不共线的两个 偏振光束，其传播方向相差称作走离角（walk-off angle)的角度。
[0004] 当将诸如LBO的具有各向异性折射率的晶体用于产生二次谐波时，光束将发生走 离。输出光束相对于输入光束以走离角行进，或输入光束本身经历双折射而分为两个光束， 其中的一个光束以走离角传播。由于发生走离，输出光束失真并以与输入光束不同的形状 结束。通常，输入光束是圆形，输出光束为椭圆形。
[0005] 优选地，商业化的三次谐波系统具有以下属性中的所有属性或大部分属性。这种 系统应是可靠的，并提供成千上万个小时的不干涉式操作。输出参数（诸如，模式质量、光 束指向和光束位置）应在较长时间段内保持是恒定的或基本恒定的。由这种系统产生的三 次谐波光束应是圆形的。该光束应具有较小的不对称性，例如，小于大约15%。该光束应 具有较小的象散，通常小于瑞利波长的20 %。该光束应近似衍射受限的高斯光束，通常M2 < 1. 3。输出光束在光谱上应是纯净的，也就是说剩余的基波和二次谐波光束应小于三次谐 波功率的1%。该系统应以高于约30%的效率（优选地，高于约40% )将基波辐射转换为 三次谐波。用于产生三次谐波的光学布置还应该是易于进行优化的，并包含相对简单的光 学组件。该系统应灵活地工作在较大工作范围的脉冲重复频率和脉宽上。
[0006] 还需要的是三次谐波输出具有较高功率，具有至少足以处理大量材料的适度能量 脉冲。例如，平均功率应大于1W，优选地高于IOW且具有调节到更高功率的能力。脉冲能量 应大于约1微焦（μ J)，优选地大于10 μ J且具有调节到更高脉冲能量的能力。
[0007] 目前，现有的解决方案不能实现所有这些商业要求，从而使消费者做出妥协并限 制了三次谐波系统的应用。
[0008] 许多与三次谐波产生有关的现有技术处理内腔系统。在内腔系统中，三次谐波产 生发生在由两个反射表面限定的谐振腔内。激光系统的光学增益介质连同一个或更多个非 线性光学晶体都位于该腔内。光学增益介质产生在非线性光学晶体中经历频率转换的基波 辐射。
[0009] William Grossman的美国专利号5, 850, 407公开了在激光腔体内I型二次谐波 产生（SHG)晶体接着II型三次谐波产生（THG)晶体。该对比文件描述了使用所制造的硼 酸锂（LBO)非线性晶体来内腔产生三次谐波，使得输出面相对基波和三次谐波光束精确地 处于布鲁斯特角。在这种系统中，对于基波光束，输出面必须处于布鲁斯特角，否则基本腔 (fundamental cavity)可能受到附加损耗。布鲁斯特表面提供了三个功能。首先，它用于 根据在有角度的界面上发生色散来对基波、二次谐波和三次谐波光束进行波长分离。第二， 它对IR和UV光提供近似为零的损耗。第三，它是损伤阈值较高的表面。然而，美国专利号 5, 850, 407的系统要求椭圆输入光束，且不提供较高的单次通过转换效率。较低的单次通过 转换效率在Q开关内腔谐波产生中不是难题，这是由于基波光束在谐振腔内再次通过。此 外，由于该系统仅在内腔中高效地工作，该系统并不灵活，这是由于Q开关激光器仅工作在 较窄范围的工作参数下。
[0010] 应注意：对于较大的且圆形的输入基波光束，在低效率限制中（in the low-efficiency limit)，布鲁斯特-布鲁斯特设计（即，非线性晶体的输入和输出表面二 者都是布鲁斯特角表面的设计）产生圆形的UV光束。实质上，这是5, 850, 407专利所述系 统的工作点。尽管布鲁斯特-布鲁斯特设计在内腔三倍频系统中是有用的，然而单次通过 转换效率仍然过低而无法用于外腔谐波产生。
[0011] 美国专利号7, 016, 389描述了另一示例。该专利讨论了在三次谐波晶体的出射表 面上制造小窗口，该窗口通常小于布鲁斯特角。该设计仍然用于内腔谐波产生系统。为了 进行高效的谐波产生，外腔设计相较于内腔设计要求输入光束在非线性晶体中更紧密地聚 焦。
[0012] 美国专利号7, 170, 911描述了一种以布鲁斯特角输出面制造的外腔三次谐波非 线性晶体。备选地，这种系统可以制造有适用于减小在法线或近法线输入输出面处的反射 的涂层。然而，不希望的是将这种涂层布置在接收大量紫外辐射通量的表面上。
[0013] 以上是本发明实施例所涉及的【背景技术】。
【发明内容】
[0014] 本公开的多个方面涉及一种可以使用入射在非线性晶体输出面上的入射斜角，以 单次通过的外腔光学布局来高效地产生圆形无象散的三次谐波输出光束的装置。
[0015] 外腔谐波发生器系统可以配置为根据标称圆形无象散衍射受限的输入基波光束， 来产生圆形无象散的三次谐波输出光束。该系统可以包括二次谐波产生（SHG)晶体和三次 谐波产生（THG)晶体。SHG晶体配置为根据输入基波光束来产生二次谐波光束。THG晶体 配置为根据来自SHG晶体的二次谐波光束和剩余基波光束来产生三次谐波光束。SHG晶体 可以具有相对于输入基波光束具有入射角朝向的输入面。基波光束尺寸在输入面处沿SHG 晶体的非走离方向扩展。THG晶体具有沿THG晶体的非走离方向具有入射斜角朝向的输出 面，使得三次谐波光束尺寸在该方向上收缩。输入基波光束在SHG晶体的输入面的扩展超 过了三次谐波光束在THG晶体的输出面处的减小。
[0016] 这种构思可以扩展至涉及产生高次谐波辐射（例如，四次谐波或更高）的谐波发 生器系统。
【附图说明】
[0017] 可以通过结合附图考虑以下详细描述，来理解本发明的教义，附图中：
[0018] 图1是描述了用于三次谐波产生的基本现有技术的光学布局的示意图。
[0019] 图2A是根据本公开多个方面的用于三次谐波产生的光学布局的示意图。
[0020] 图2B是根据本公开多个方面的用于三次谐波产生的备选光学布局的示意图。
[0021] 图3是针对折射率为L 6 (通常为LB0)的材料，扩展比（expansion ratio)随着 入射角改变的图。
[0022] 图4是"p"和"s"偏振光的反射损耗随着针对初始反射系数为1 (空气）和最终 反射系数为1. 6(通常为LB0)的未镀膜表面的入射角改变的图。
[0023] 图5是为了在基波、二次谐波和三次谐波之间提供比光束发散更大的角度分离， 在THG晶体输出面上的最小内角的图。
[0024] 图6是根据本公开一个方面的波长转换激光器系统的示意图。
[0025] 图7是示出了在根据本公开多个方面的三次谐波产生系统中的不同位置处的横 截面光束形状的示意图。
【具体实施方式】
[0026] 尽管以下详细描述包含用于说明的具体细节，然而本领域的任何普通技术人员应 认识到，可以在本发明的范围内对以下细节进行多种变型和替换。因此，在丧失所要求保护 的发明的通用性的前提下，描述了下文所述的本发明实施例，并且不对所要求保护的发明 施加任何限制。
[0027] 以下【具体实施方式】中，参考了构成本发明一部分的附图，其中附图示意性地示出 了可以实现本发明的具体实施例。因此，参考所述附图的朝向，使用诸如"顶部"、"底部"、 "正面"、"背面"、"首位"、"末尾"等的方向性术语。由于本发明实施例的组件可以位于许多 不同朝向，方向性术语仅用于说明目的，而不是为了进行限制。应理解，可以使用其他实施 例并且可以在不脱离本发明的范围的前提下进行许多结构或逻辑的改变。因此，不应将以 下详细描述理解为用于限制，本发明的范围是由所附权利要求来限定的。
[0028] 附加地，文中可以以范围形式来表示浓度、数量和其他数值数据。应理解，这种范 围形式仅是为了简单清楚，应灵活地将其理解为不仅包括在该范