專利名稱：高效激光倍頻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非線性光學(xué)變頻激光技術(shù)，特別是一種高效激光倍頻裝置。
背景技術(shù)：
倍頻是非線性光學(xué)混頻中最典型、最重要、最基本的技術(shù)，也是應(yīng)用最廣泛的技術(shù)；可以說倍頻是激光頻率變換的基礎(chǔ)，對激光高技術(shù)的發(fā)展和拓寬激光的應(yīng)用領(lǐng)域具有十分重要的意義。通過激光倍頻可以獲得多種波長的激光，例如可產(chǎn)生紅光、綠光、藍(lán)光、紫外和深紫外激光等，它們在大屏幕激光顯示、激光醫(yī)療、高密度存儲(chǔ)、微電子、微機(jī)械、激光全息技術(shù)以及泵浦可調(diào)諧光參量激光等方面有著巨大的應(yīng)用前景和廣闊的市場。
為了獲得更高功率的倍頻激光輸出、降低系統(tǒng)復(fù)雜性、提高電光轉(zhuǎn)換效率，以適應(yīng)各種應(yīng)用需求，提高其倍頻輸出效率具有重要的意義。因此，一直以來提高倍頻轉(zhuǎn)換效率都是二次諧波產(chǎn)生問題的研究熱點(diǎn)之一。目前，提高倍頻轉(zhuǎn)換效率的工作主要集中在以下幾個(gè)研究方向(1)采用短脈沖和超短脈沖激光，提高基頻峰值功率獲得高效二次諧波；(2)采用走離補(bǔ)償方案克服走離效應(yīng)來提高二次諧波轉(zhuǎn)化效率；(3)利用激光諧振腔腔內(nèi)功率密度高的特點(diǎn)進(jìn)行腔內(nèi)倍頻，獲得較高的二次諧波轉(zhuǎn)換效率；(4)對于準(zhǔn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的、脈沖寬度在100ns級的高平均功率的激光，由于峰值功率較低、需要大的非線性系數(shù)和高損傷閾值的非線性光學(xué)晶體，目前還沒有同時(shí)滿足這兩個(gè)條件的非線性光學(xué)晶體，于是可采用兩塊非線性光學(xué)晶體變換方法同時(shí)采用偏振調(diào)制來提高諧波轉(zhuǎn)換效率。
然而，上述方法都存在各自的缺點(diǎn)，主要是其局限的應(yīng)用范圍，例如采用短脈沖技術(shù)，將使輸出的倍頻激光也是相應(yīng)的短脈沖，如果需要長脈沖倍頻激光這種方法就沒辦法了；采用走離補(bǔ)償?shù)姆椒?，?dāng)晶體采用II類相位匹配時(shí)，由于非線性光學(xué)晶體的雙折射相位延遲導(dǎo)致偏振混亂，從而使其有效性受到極大的影響，也很難實(shí)現(xiàn)較好的補(bǔ)償；腔內(nèi)倍頻方法要考慮其偏振特性、時(shí)間特性等因素，系統(tǒng)復(fù)雜，存在諧振腔的設(shè)計(jì)和調(diào)試?yán)щy等問題；采用偏振調(diào)制的方法需要采用兩塊和多塊非線性光學(xué)晶體等。因此，發(fā)展高效激光倍頻新技術(shù)和相應(yīng)裝置仍是目前非線性光學(xué)激光變頻非常重要的課題，將對激光技術(shù)的進(jìn)一步的發(fā)展和拓寬其應(yīng)用范圍具有十分重大的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種對基頻激光器不需要作特定限定的提高轉(zhuǎn)換效率的高效激光倍頻裝置。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是高效激光倍頻裝置，其特征在于包括基頻激光器、光束分束器、相干合束器、非線性晶體，基頻激光器通過分束后再相干合成，將合成后的激光作為倍頻激光器的泵浦源，泵浦非線性光學(xué)晶體，最后輸出高轉(zhuǎn)化效率倍頻激光。
還包括在基頻激光的輸出光路上加一縮束器，可以對光束縮束后分束，分束后再相干合成。
還包括在基頻激光的輸出光路的分束器后對每一路光束分別加一縮束器，可以對每路光束縮束后再相干合成，以提高相干合束后的亮度。
還包括在分束器后加一位相調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)每路光的位相關(guān)系，以改善其相干度和得到需要的相干合成光斑。
所述的基頻激光器包括連續(xù)或脈沖的化學(xué)激光器，連續(xù)或脈沖的燈泵固體激光器，連續(xù)或脈沖的半導(dǎo)體泵浦的固體激光器(包括光纖激光器)、連續(xù)或脈沖的液體激光器、連續(xù)或脈沖的氣體激光器、連續(xù)或脈沖的垂直腔面發(fā)射激光器。
所述的非線性光學(xué)晶體包括KBBF、SBBO、TBO、KABO、CLBO、CBO、KDP、ADP、LiIO3、BBO、LBO、LiNbO3、MgOLiNbO3、KnbO3、KTA、KTP、BNN、AgGaS2、AgGaSe2、CdGeAs2、ZnGaP2、AgGa1-XInXSe2、Ag3AsS3、CdSe、PPLN、PPTiLN、PPKN、OOMgLN、PPLT、PPKTP、PPRTA、PPKTA。
所述的分束器，包括N路分束器，N為正整數(shù)，N大于等于2。
所述的合束器，包括遠(yuǎn)場直接相干合束或用透鏡在焦點(diǎn)處相干獲得遠(yuǎn)場圖樣。
進(jìn)一步的，所述的合束器，包括采用雙折射干涉儀，缺角直角棱鏡，小角度全反射棱鏡、濾光片、棱鏡偏振分光鏡、平板偏振分光鏡、多面反射鏡、冰洲石雙窗0E晶體等。
進(jìn)一步的，所述的縮束器所用透鏡，包括凸透鏡和凹透鏡，可以由凸透鏡和凹透鏡組成，也可以由凸透鏡和凸透鏡組成等。
進(jìn)一步的，所述的相移器，包括各種透明光學(xué)材料，或二元光學(xué)元件。
本發(fā)明提供的高效激光倍頻裝置原理是利用入射到倍頻的非線性光學(xué)晶體里的光功率密度越高，其倍頻轉(zhuǎn)換效率也越高的原理，將基頻激光直接照射到非線性晶體上由于其功率密度不高所以很難提高其轉(zhuǎn)換效率，如果將其縮束，縮束比太小，同樣其光功率密度不能達(dá)到很高，如果縮束比太大，則其發(fā)散角將大大變大，由于其發(fā)散度嚴(yán)重影響其轉(zhuǎn)換效率，所以也很難提高其效率。我們提出將基頻激光通過分束后再相干合成，由于分束后的激光是來自同一激光源，它們具有相同的頻率、固定的位相差和一致的偏振，因此它們是相干的。根據(jù)相干理論，如果基頻激光被分成N束相干，其相干后的亮度可以比分束前的亮度提高近N倍，倍頻的轉(zhuǎn)換效率與其基頻泵浦光的光功率密度成比例增長。因此，分束后相干合成雖然沒有提高基頻泵浦光的功率，但其亮度增加，從而增加了倍頻轉(zhuǎn)換效率，最后可得到更大的倍頻光功率輸出。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明的裝置中采用激光相干合成的辦法提高光功率密度來提高激光的倍頻效率，這種方法對提高倍頻效率提供了一種新途徑，不管是連續(xù)激光，還是脈沖激光都可以通過適當(dāng)分束的方法相干合成提高功率密度，因此不一定局限短脈沖或超短脈沖激光；同時(shí)在不提高基頻激光功率的情況下也可以提高轉(zhuǎn)換效率，而且原理簡單；它是一種腔外倍頻方法，相應(yīng)克服了其腔內(nèi)倍頻的一些缺點(diǎn)，以及通過一塊晶體也可以獲得高的轉(zhuǎn)換效率從而可輸出更高功率的倍頻激光等優(yōu)點(diǎn)，這將對激光技術(shù)的進(jìn)一步的發(fā)展和拓寬其應(yīng)用范圍具有十分重要的意義。


圖1為本發(fā)明的組成結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明的遠(yuǎn)場直接相干泵浦輸出532nm的激光倍頻裝置的實(shí)施例示意圖；圖3為本發(fā)明的遠(yuǎn)場相干合束輸出532nm的激光倍頻裝置的實(shí)施例示意圖；圖4為本發(fā)明的縮束相干合成泵浦激光倍頻裝置實(shí)施例示意圖；圖5為本發(fā)明的18束相干合成泵浦激光倍頻裝置實(shí)施例示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括基頻激光器、光束分束器、相干合束器、非線性晶體，基頻激光器通過分束后再相干合成，將合成后的激光作為倍頻激光器的泵浦源，泵浦非線性光學(xué)晶體，最后輸出高轉(zhuǎn)化效率倍頻激光。
實(shí)施例1參考圖2，制作一遠(yuǎn)場直接相干泵浦輸出532nm的激光倍頻裝置。
圖中基頻激光器采用閃光燈泵浦的Nd:YAG固體激光器輸出1064nm波長的激光，該激光通過一分束器分成兩束功率相同的激光，然后通過一個(gè)透鏡使其兩束遠(yuǎn)場相干，精密調(diào)節(jié)兩束光的間距和選擇合適的焦距，使其遠(yuǎn)場干涉圖樣的條紋最少，相干度最好，然后將相干合成后的激光作為一塊短的非線性光學(xué)晶體KTP的泵浦源，最后可輸出比直接泵浦效率更高的532nm綠光。
實(shí)施例2參考圖3，制作一遠(yuǎn)場相干合束輸出532nm的激光倍頻裝置。
圖中基頻激光器采用半導(dǎo)體激光泵浦的Nd:YVO4固體激光器輸出1064nm波長的激光，該激光通過一分束器分成兩束功率相同的激光，然后通過一個(gè)透鏡使其兩束遠(yuǎn)場相干，精密調(diào)節(jié)兩束光的間距和選擇合適的焦距，使其遠(yuǎn)場干涉圖樣的條紋最少，相干度最好，可以達(dá)到3個(gè)左右的條紋，然后通過雙折射干涉儀組成一合束器使其合束成一個(gè)能量主要集中在一個(gè)光斑上，這時(shí)光斑比基頻激光分束前的光斑小(合束部分見OPTICSLETTERS/Vol.21(24)1996，1996)，將其合成后的激光作為非線性晶體LBO的泵浦源，最后可輸出比直接泵浦效率更高的532nm綠光。
實(shí)施例3參考圖4，制作一縮束相干合成泵浦激光倍頻裝置實(shí)施例示意圖；圖中基頻激光器采用準(zhǔn)分子激光器XeF輸出351nm波長的激光，該激光通過一分束器分成兩束功率相同的激光，然后通過兩個(gè)凸透鏡組成的縮束器先縮束兩倍，縮束后的兩束遠(yuǎn)場相干，精密調(diào)節(jié)兩束光的間距和選擇合適的焦距，使其遠(yuǎn)場干涉圖樣的條紋最少，相干度最好，可以達(dá)到3個(gè)左右的條紋，然后將相干合成后的激光作為一塊短的非線性光學(xué)晶體KBBF的泵浦源，由于KBBF可以深紫外和真空紫外倍頻，最后可輸出比直接泵浦效率更高的真空紫外175nm綠光。
實(shí)施例4
參考圖5，制作一18束相干合成泵浦激光倍頻裝置實(shí)施例示意圖；圖中基頻激光器采用半導(dǎo)體泵浦的摻鐿窄線寬光纖激光器輸出1064nm波長的激光，該激光通過多路反射鏡分成18束功率相同的激光，然后通過一個(gè)小角度全反射棱鏡及反射鏡使18束排列成中心對稱并通過一個(gè)透鏡使其遠(yuǎn)場相干，精密調(diào)節(jié)18束光的間距和選擇合適焦距的透鏡，并根據(jù)需要在某些路加上位相延遲器(如石英波片)調(diào)節(jié)各路的位相關(guān)系，使其遠(yuǎn)場干涉圖樣成環(huán)形圖樣，相干度最好，然后將相干合成后的激光作為一塊短的非線性光學(xué)晶體BBO的泵浦源，最后可輸出比直接泵浦效率更高的532nm綠光。
權(quán)利要求
1.高效激光倍頻裝置，其特征在于包括基頻激光器、光束分束器、相干合束器和非線性晶體，基頻激光器通過分束后再相干合成，將合成后的激光作為倍頻激光器的泵浦源，泵浦非線性光學(xué)晶體，最后輸出高轉(zhuǎn)化效率倍頻激光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效激光倍頻裝置，其特征在于還包括在基頻激光的輸出光路上加一縮束器，對光束縮束后分束，分束后再相干合成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效激光倍頻裝置，其特征在于還包括在基頻激光的輸出光路的分束器后對每一路光束分別加一縮束器，對每路光束縮束后再相干合成，以提高相干合束后的亮度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效激光倍頻裝置，其特征在于還包括在分束器后加一位相調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)每路光的位相關(guān)系，以改善其相干度和得到需要的相干合成光斑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效激光倍頻裝置，其特征在于所述的基頻激光器可以是連續(xù)或脈沖的化學(xué)激光器，連續(xù)或脈沖的燈泵固體激光器，連續(xù)或脈沖的半導(dǎo)體泵浦的固體激光器(含光纖激光器)、連續(xù)或脈沖的液體激光器，連續(xù)或脈沖的氣體激光器、連續(xù)或脈沖的垂直腔面發(fā)射激光器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效激光倍頻裝置，其特征在于所述的非線性光學(xué)晶體包括KBBF、SBBO、TBO、KABO、CLBO、CBO、KDP、ADP、LilO3、BBO、LBO、LiNbO3、MgOLiNbO3、KnbO3、KTA、KTP、BNN、AgGaS2、AgGaSe2、CdGeAs2、ZnGaP2、AgGa1-xIn×Se2、Ag3AsS3、CdSe、PPLN、PPTiLN、PPKN、OOMgLN、PPLT、PPKTP、PPRTA、PPKTA。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效激光倍頻裝置，其特征在于所述的分束器，包括N路分束器，N為正整數(shù)，N大于等于2。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效激光倍頻裝置，其特征在于所述的合束器，包括遠(yuǎn)場直接相干合束或用透鏡在焦點(diǎn)處相干獲得遠(yuǎn)場圖樣。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效激光倍頻裝置，其特征在于所述的合束器，包括采用雙折射干涉儀，缺角直角棱鏡，小角度全反射棱鏡、濾光片、棱鏡偏振分光鏡、平板偏振分光鏡、多面反射鏡、冰洲石雙窗OE晶體。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高效激光倍頻裝置，其特征在于所述的縮束器所用透鏡，包括凸透鏡和凹透鏡。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高效激光倍頻裝置，其特征在于所述的相移器，包括各種透明光學(xué)材料做到相位裝置，或二元光學(xué)元件。
全文摘要
高效激光倍頻裝置包括基頻激光器、光束分束器、相干合束器和非線性晶體，基頻激光器通過分束后再相干合成，將合成后的激光作為倍頻激光器的泵浦源，泵浦非線性光學(xué)晶體，最后輸出高轉(zhuǎn)化效率倍頻激光。本發(fā)明對基頻激光器不需要作特定限定，即可以提高轉(zhuǎn)換效率。不管是連續(xù)激光，還是脈沖激光都可以通過適當(dāng)分束的方法相干合成提高功率密度，因此不一定局限短脈沖或超短脈沖激光，同時(shí)在不提高基頻激光功率的情況下也可以提高轉(zhuǎn)換效率，而且原理簡單，它是一種腔外倍頻方法，相應(yīng)克服了其腔內(nèi)倍頻的一些缺點(diǎn)，以及通過一塊晶體也可以獲得高的轉(zhuǎn)換效率從而可輸出更高功率的倍頻激光等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01S3/00GK1773359SQ20041000978
公開日2006年5月17日 申請日期2004年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月12日
發(fā)明者王博, 彭欽軍, 許祖彥 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所