內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器的製造方法

2023-05-19 09:02:26 2

內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器的製造方法
【專利摘要】一種內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器，包括：泵浦源、傳能光纖、聚焦耦合系統、雷射全反射鏡、增益介質晶體、Q開關和雷射輸出鏡，還包括：諧波鏡、二倍頻晶體、聚焦鏡和三倍頻晶體；泵浦源輸出的泵浦光經過傳能光纖和聚焦耦合系統傳輸至增益介質晶體，使雷射在由雷射全反射鏡和雷射輸出鏡構成的基頻光諧振腔中振蕩，並在Q開關的調製作用下產生脈衝的基頻光，基頻光每次經過基頻光諧振腔內的二倍頻晶體時都會產生倍頻光，倍頻光和基頻光經過聚焦鏡後被聚焦到三倍頻晶體中，並產生三倍頻雷射。利用腔內二倍頻，腔外三倍頻，利用了腔內基頻光的高功率密度，提高了倍頻過程的轉換率，而三倍頻過程在諧振腔外保證了系統的長期穩定性。
【專利說明】內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器
【技術領域】
[0001]本發明涉及雷射器的【技術領域】，具體說是一種利用了腔內基頻光的高功率密度，提高了倍頻過程的轉換率，保證系統的長期穩定性和高效性的內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器。
【背景技術】
[0002]LD泵浦全固態雷射器從1980年以來獲得長足的進步，紫外雷射器因其在螢光檢測、精細加工和光刻等方面的應用，一自以來就是研究的熱點。紫外光加工材料過程稱為光蝕效應，是由於紫外光的高能量光子可以直接破壞材料的化學鍵是「冷」處理過程，熱影響區域微乎其微。相比之下，可見光和紅外雷射器利用聚焦到加工部位的熱量來熔化材料，熱量經過傳導會影響到周圍的材料，產生熱影響區域。良好的聚焦性能和冷處理兩個優點結合在一起，使得紫外雷射器可以加工極其微小的部件，並且大多數材料都能夠有效地吸收紫外光，從而使紫外雷射器有更高的靈活性和更廣的應用場合，可以用來加工紅外和可見光雷射難以加工的材料。實現紫外雷射的方式很多，如氣體雷射、全固態雷射等。但氣體雷射器系統龐雜、需要定期維護，而逐漸被LD泵浦的全固態紫外雷射器取代，全固態紫外雷射器成為雷射研究的重要方向。
[0003]目前全固態雷射實現紫外雷射器的方式有兩種，第一種是倍頻晶體與三倍頻晶體都放置在諧振腔內，如JDSU公司、PhotoniCS公司、DPSSL公司和YUCO公司及其他的一些德國公司採用腔內非線性頻率變換的方式實現紫外輸出，這種方式具有效率高的優點，但是這種方式會影響輸出雷射的光束質量、脈衝寬度，並且光路穩定性差，容易造成諧振腔的失調，腔內光功率密度較高容易造成三倍頻晶體的損傷。另一種方式是將倍頻晶體與三倍頻晶體都放置在腔外，這種方式是整個雷射器穩定性好，輸出的光束質量好，靈活方便，易於更換配件，但其效率較低，目前國外公司(Coherent、Spectra-physics)均採用腔外非線性頻率的方法實現綠光和紫外的輸出。以上兩種方式都存在一定的弊端。
[0004]目前國外公司如(Coherent、Spectra-physics、JDSU)已經於推出平均功率大於IOW的半導體二極體泵浦的紫外雷射器。國內的許多院校、研究所以及公司也大力開展高功率紫外雷射器的研發，但目前真正能產品化的紫外雷射器非常少。
[0005]現有技術中的主要問題存在於以下方面:
[0006]完全的外腔三倍頻的轉換率較低，目前從基頻光到紫外雷射的轉換率小於40%，這是由於腔外雷射的光功率密度較低，二倍頻的效率不高，致使綠光雷射的功率較弱，嚴重影響了後續三倍頻的轉換率。
[0007]完全的內腔三倍頻穩定性差，這種將倍頻晶體與三倍頻晶體同時置於基頻光的諧振腔內，可以提高轉換率，但這種方法光路穩定性差，容易造成三倍頻晶體的光學損傷，並且紫外晶體要定期的更換和移動，將三倍頻晶體置於腔內會影響後期光路的穩定性。

【發明內容】
[0008]本發明要解決的技術問題是提出一種二極體泵浦的內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器的設計方法和技術方案，利用腔內二倍頻，腔外三倍頻，利用了腔內基頻光的高功率密度，提高了倍頻過程的轉換率，而三倍頻過程在諧振腔外保證了系統的長期穩定性，因此該發明兼顧了系統的穩定性以及高效性。
[0009]本發明為解決公知技術中存在的技術問題所採取的技術方案是:
[0010]本發明的內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器，包括:泵浦源、傳能光纖、聚焦耦合系統、雷射全反射鏡、增益介質晶體、Q開關和雷射輸出鏡，還包括:諧波鏡、二倍頻晶體、聚焦鏡和三倍頻晶體；雷射全反射鏡和雷射輸出鏡構成基頻光諧振腔，泵浦源輸出的泵浦光經過傳能光纖和聚焦耦合系統傳輸至增益介質晶體，在對增益介質晶體的抽運條件下，使雷射在由雷射全反射鏡和雷射輸出鏡構成的基頻光諧振腔中振蕩，並在Q開關的調製作用下產生脈衝的基頻光，二倍頻晶體設置在基頻光諧振腔內，基頻光每次經過二倍頻晶體時都會產生倍頻光，前向倍頻光由雷射輸出鏡直接輸出，後向倍頻光經由諧波鏡反射後也由雷射輸出鏡輸出，雷射輸出鏡同時鍍有對基頻光部分透射和對倍頻光增透的膜系，倍頻光和基頻光經過聚焦鏡後被聚焦到三倍頻晶體中，並產生三倍頻雷射。
[0011]本發明還可採用以下技術方案:
[0012]所述的雷射泵浦源的中心波長為808nm、880nm、885nm、888nm、914nm、938nm或946nm之中的任一種。
[0013]所述的增益介質晶體為Nd = YAG晶體、NdiYVO4晶體、NdiGGG晶體、NdiYLF晶體、NdiGdVO4晶體、NchYAP晶體或NchLuvO4晶體之中的任一種。
[0014]所述的二倍頻晶體(8)設置在由雷射全反射鏡(4)和雷射輸出鏡(9)構成基頻光諧振腔內，而三倍頻晶體(11)設置在基頻光諧振腔之外。
[0015]所述的二倍頻晶體是KTP晶體、LBO晶體、BBO晶體、BIBO晶體或CLBO晶體之中的任一種。
[0016]所述的三倍頻晶體LBO晶體、BBO晶體、BIBO晶體或CLBO晶體之中的任一種。
[0017]本發明具有的優點和積極效果是:
[0018]本發明的內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器中，二倍頻晶體設置在基頻光諧振腔內，基頻光每次經過二倍頻晶體時都會產生倍頻光，前向倍頻光由雷射輸出鏡直接輸出，後向倍頻光經由諧波鏡反射後也由雷射輸出鏡輸出，同時輸出鏡鍍有基頻光的部分透過率膜系，也能輸出部分基頻光，倍頻光和基頻光經過聚焦鏡後被聚焦到三倍頻晶體中，並產生三倍頻雷射。利用腔內二倍頻，腔外三倍頻，利用了腔內基頻光的高功率密度，提高了倍頻過程的轉換率，而三倍頻過程在諧振腔外保證了系統的長期穩定性，本發明的內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器兼顧了系統的穩定性以及高效性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發明的內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器的光路圖；
[0020]圖2是本發明的內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器中諧振腔穩區及傳輸光束的1吳擬關係圖；
[0021]圖3是本發明的內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器中輸出的紫外光斑及紫外輸出功率與泵浦功率的關係圖；[0022]圖4是本發明的內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器所輸出的單脈衝波形圖。【具體實施方式】
[0023]以下參照附圖及實施例對本發明進行詳細的說明。
[0024]圖1是本發明的內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器的光路圖；
[0025]圖2是本發明的內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器中諧振腔穩區及傳輸光束的模擬關係圖；圖3是本發明的內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器中輸出的紫外光斑及紫外輸出功率與泵浦功率的關係圖；圖4是本發明的內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器所輸出的單脈衝波形圖。
[0026]如圖1至圖4所示，本發明的內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器，包括:泵浦源1、傳能光纖2、聚焦稱合系統3、雷射全反射鏡4、增益介質晶體5、Q開關6和雷射輸出鏡9，其特徵在於:還包括:諧波鏡7、二倍頻晶體8、聚焦鏡10和三倍頻晶體11 ;雷射全反射鏡4和雷射輸出鏡9構成基頻光諧振腔，泵浦源I輸出的泵浦光經過傳能光纖2和聚焦耦合系統3傳輸至增益介質晶體，在對增益介質晶體的抽運條件下，使雷射在由雷射全反射鏡和雷射輸出鏡構成的基頻光諧振腔中振蕩，並在Q開關6的調製作用下產生脈衝的基頻光，二倍頻晶體8設置在基頻光諧振腔內，基頻光每次經過二倍頻晶體8時都會產生倍頻光，前向倍頻光由雷射輸出鏡9直接輸出，後向倍頻光經由諧波鏡7反射後也由雷射輸出鏡9輸出，雷射輸出鏡同時鍍有對基頻光部分透射和對倍頻光增透的膜系，倍頻光和基頻光經過聚焦鏡10後被聚焦到三倍頻晶體11中，並產生三倍頻雷射。
[0027]雷射慄浦源的中心波長為808nm、880nm、885nm、888nm、914nm、938nm 或 946nm 之中的任一種。
[0028]增益介質晶體為Nd:YAG晶體、NchYVO4晶體、NchGGG晶體、Nd:YLF晶體、NchGdVO4晶體、Nd: YAP晶體或Nd: LuvO4晶體之中的任一種。
[0029]二倍頻晶體8設置在由雷射全反射鏡4和雷射輸出鏡9構成基頻光諧振腔內，而三倍頻晶體11設置在基頻光諧振腔之外。
[0030]二倍頻晶體是KTP晶體、LBO晶體、BBO晶體、BIBO晶體或CLBO晶體之中的任一種。
[0031 ] 三倍頻晶體LBO晶體、BBO晶體、BIBO晶體或CLBO晶體之中的任一種。
[0032]本發明的實施例中，內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器包括:泵浦源I輸出功率30W，中心波長808nm，傳能光纖2，芯徑400微米，數值孔徑0.22，聚焦耦合系統3為
I: I成像系統，雷射全反射鏡4鍍有1064nm高反射膜，808nm增透膜，增益介質晶體5為NdiYVO4晶體，規格為3x3x10mm3，摻雜濃度0.3%，Q開關6超聲頻率41MHz，射頻功率20W，諧波鏡7鍍有1064增透膜和532nm的高反射膜，二倍頻晶體8為LBO晶體，置於雷射全反射鏡4和雷射輸出鏡9構成的諧振腔內，規格為2x2x15mm3，雷射輸出鏡9，為平面鏡，鍍有5%的1064nm透過率膜和532nm的增透膜，聚焦鏡10焦距為30mm，鍍有1064nm和532nm的雙色增透膜系，三倍頻晶體11為LBO晶體，規格為2x2x15mm3。其特具體的實施方式是這樣的:由雷射全反射鏡4，雷射輸出鏡9構成基頻光諧振腔，泵浦源I輸出泵浦光經過傳能光纖2和聚焦耦合系統3對增益介質晶體5的抽運條件下使雷射在雷射全反射鏡4，雷射輸出鏡9構成基頻光諧振腔中振蕩，在Q開關6的調製作用下產生脈衝的基頻光，二倍頻晶體8置於由雷射全反射鏡4，雷射輸出鏡9構成基頻光諧振腔內，基頻光每經過二倍頻晶體8都會產生倍頻光，前向倍頻光由雷射輸出鏡9直接輸出，後向倍頻光由諧波鏡7反射也由雷射輸出鏡9輸出，雷射輸出鏡9同時鍍有對基頻光部分透射和對倍頻光增透的膜系，這會導致在輸出倍頻光的同時也會相應有基頻光輸出，倍頻光和基頻光經過聚焦鏡10後被聚焦到三倍頻晶體11中產生三倍頻355nm雷射。
[0033]以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例公開如上，然而，並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍內，當然會利用揭示的技術內容作出些許更動或修飾，成為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均屬於本發明技術方案的範圍內。
【權利要求】
1.一種內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器，包括:泵浦源(I)、傳能光纖(2)、聚焦耦合系統(3)、雷射全反射鏡(4)、增益介質晶體(5)、Q開關(6)和雷射輸出鏡(9)，其特徵在於:還包括:諧波鏡(7)、二倍頻晶體⑶、聚焦鏡(10)和三倍頻晶體(11);雷射全反射鏡(4)和雷射輸出鏡(9)構成基頻光諧振腔，泵浦源(I)輸出的泵浦光經過傳能光纖(2)和聚焦耦合系統(3)傳輸至增益介質晶體，在對增益介質晶體的抽運條件下，使雷射在由雷射全反射鏡和雷射輸出鏡構成的基頻光諧振腔中振蕩，並在Q開關(6)的調製作用下產生脈衝的基頻光，二倍頻晶體(8)設置在基頻光諧振腔內，基頻光每次經過二倍頻晶體(8)時都會產生倍頻光，前向倍頻光由雷射輸出鏡(9)直接輸出，後向倍頻光經由諧波鏡(7)反射後也由雷射輸出鏡(9)輸出，雷射輸出鏡同時鍍有對基頻光部分透射和對倍頻光增透的膜系，倍頻光和基頻光經過聚焦鏡(10)後被聚焦到三倍頻晶體(11)中，並產生三倍頻雷射。
2.根據權利要求1所述的內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器，其特徵在於:雷射慄浦源的中心波長為808nm、880nm、885nm、888nm、914nm、938nm或946nm之中的任一種。
3.根據權利要求1所述的內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器，其特徵在於:增益介質晶體為Nd: YAG晶體、Nd: YVO4晶體、Nd: GGG晶體、Nd: YLF晶體、Nd: GdVO4晶體、Nd: YAP晶體或Nd: LuvO4晶體之中的任一種。
4.根據權利要求1所述的內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器，其特徵在於:二倍頻晶體(8)設置在由雷射全反射鏡(4)和雷射輸出鏡(9)構成基頻光諧振腔內，而三倍頻晶體(11)設置在基頻光諧振腔之外。
5.根據權利要求1所述的內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器，其特徵在於:二倍頻晶體是KTP晶體、LBO晶體、BBO晶體、BIBO晶體或CLBO晶體之中的任一種。
6.根據權利要求1所述的內外腔混合非線性頻率變換紫外雷射器，其特徵在於:三倍頻晶體LBO晶體、BBO晶體、BIBO晶體或CLBO晶體之中的任一種。
【文檔編號】H01S3/109GK103427325SQ201210148336
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2012年5月15日 優先權日:2012年5月15日
【發明者】李斌, 孫冰 申請人:天津梅曼雷射技術有限公司