專(zhuān)利名稱(chēng)：?jiǎn)味吮闷智粌?nèi)倍頻紫外固體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型有關(guān)一種固體激光器，特別是指一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的單端泵浦腔內(nèi)倍頻紫 外固體激光器。
背景技術(shù)：
由于紫外固體激光器其光束具有高的光子能量，優(yōu)良的材料吸收特性以及更好的 聚焦能力，被越來(lái)越多地應(yīng)用于精細(xì)材料加工領(lǐng)域。但由于紫外激光涉及較為復(fù)雜的二次 倍頻技術(shù)以及由此引起的光轉(zhuǎn)換效率問(wèn)題和穩(wěn)定性問(wèn)題，人們利用各種方法和技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn) 紫外激光。這些方法主要有腔外倍頻技術(shù)和腔內(nèi)倍頻技術(shù)，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)腔外倍頻 技術(shù)穩(wěn)定性稍好，但轉(zhuǎn)換效率低；腔內(nèi)倍頻則反之。目前為了提高紫外固體激光器的效率 和穩(wěn)定性，在腔內(nèi)腔外增加了復(fù)雜的電動(dòng)或自動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)，由此大大增加了激光器的成本， 將大多數(shù)潛在的激光器用戶(hù)特別是國(guó)內(nèi)用戶(hù)擋在門(mén)外。另外，為了提高激光器的效率，現(xiàn)有 技術(shù)中還將準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)中的透鏡做成非球面的，并在腔內(nèi)增加一個(gè)額外的透鏡。同時(shí)現(xiàn) 有技術(shù)中為了將轉(zhuǎn)換的紫外激光導(dǎo)出腔外，在腔內(nèi)插入一個(gè)鍍有多波長(zhǎng)膜的鏡片。眾所周 知，非球面鏡以及多波長(zhǎng)膜鏡片，特別是包含紫外波長(zhǎng)膜的鏡片的成本，要分別大大高于球 面鏡片以及不包含紫外波長(zhǎng)膜鏡片的成本。另外，在腔內(nèi)放置額外的光學(xué)元件，還會(huì)大大增 加激光諧振腔的損耗，會(huì)使激光器總效率下降，更進(jìn)而使激光器的穩(wěn)定性惡化。

實(shí)用新型內(nèi)容有鑒于此，本實(shí)用新型的主要目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、且具有高效率 與穩(wěn)定性的單端泵浦腔內(nèi)倍頻紫外固體激光器。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供一種單端泵浦腔內(nèi)倍頻紫外固體激光器，其包 括有能產(chǎn)生泵浦光的泵浦源、對(duì)泵浦光進(jìn)行準(zhǔn)直及聚焦的準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)及對(duì)泵浦光進(jìn)行倍 頻以產(chǎn)生紫外激光的折疊諧振腔，所述泵浦源發(fā)出的泵浦光經(jīng)過(guò)所述準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)后進(jìn)入 所述折疊諧振腔，所述折疊諧振腔內(nèi)設(shè)有激光晶體、Q開(kāi)關(guān)及用以產(chǎn)生和分離紫外激光的倍 頻器與棱鏡。所述泵浦源采用半導(dǎo)體二極管泵浦源，所述泵浦源輸出端帶有光纖，所述泵浦源 采用光纖耦合輸出。所述準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)由前端平凸球面透鏡和后端平凸球面透鏡組成，所述光纖的輸 出端位于所述前端平凸球面透鏡的焦點(diǎn)上，所述前端平凸球面透鏡的凸面和所述后端平凸 球面透鏡的凸面相對(duì)設(shè)置。所述折疊諧振腔包括有泵浦端反射鏡、折疊反射鏡和尾端反射鏡，所述泵浦端反 射鏡的鏡面與所述折疊反射鏡的鏡面之間呈有夾角，所述折疊反射鏡與所述尾端反射鏡 的鏡面之間呈有夾角，且所述泵浦端反射鏡與所述尾端反射鏡均位于所述折疊反射鏡的同 側(cè)。所述激光晶體位于所述泵浦端反射鏡與所述折疊反射鏡之間，所述Q開(kāi)關(guān)位于所述激光晶體與所述折疊反射鏡之間，所述倍頻器位于所述尾端反射鏡與所述折疊反射鏡之 間，所述倍頻器靠近所述折疊反射鏡的一側(cè)設(shè)置有棱鏡。所述倍頻器包括有二倍頻晶體、三倍頻晶體及溫控單元，該二倍頻晶體位于靠近 尾端反射鏡的一側(cè)，該三倍頻晶體位于所述二倍頻晶體與所述折疊反射鏡之間，所述三倍 頻晶體靠近所述折疊反射鏡的一側(cè)設(shè)置有所述棱鏡。所述棱鏡為直角三棱鏡，該棱鏡的一直角邊貼附所述三倍頻晶體。優(yōu)選地，所述激光晶體為摻釹釩酸釔晶體或摻釹釔鋁石榴石晶體，所述二倍頻晶 體與三倍頻晶體的材料均為三硼酸鋰晶體。優(yōu)選地，所述Q開(kāi)關(guān)為聲光Q開(kāi)關(guān)或電光Q開(kāi)關(guān)。優(yōu)選地，所述尾端反射鏡角度能夠調(diào)節(jié)。本實(shí)用新型采用直接從腔外聚焦，泵浦腔內(nèi)激光晶體，并采用棱鏡分光技術(shù)與折 疊諧振腔技術(shù)，將產(chǎn)生的紫外激光直接輸出腔外，在腔內(nèi)不需要額外的導(dǎo)出鏡片，可以實(shí)現(xiàn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的效果，同時(shí)，本實(shí)用新型還可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率高及運(yùn)行穩(wěn)定的效果。

圖1為本實(shí)用新型單端泵浦腔內(nèi)倍頻紫外固體激光器的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
具體實(shí)施方式
為便于對(duì)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)及達(dá)到的效果有進(jìn)一步的了解，現(xiàn)配合附圖并舉較佳 實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明如下。如圖1所示，本實(shí)用新型單端泵浦腔內(nèi)倍頻紫外固體激光器包括有能產(chǎn)生泵浦光 的泵浦源1、對(duì)泵浦光進(jìn)行準(zhǔn)直及聚焦的準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)2及對(duì)泵浦光進(jìn)行倍頻以產(chǎn)生紫外 激光的折疊諧振腔3，泵浦源1發(fā)出的泵浦光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)2后進(jìn)入折疊諧振腔3，折 疊諧振腔3內(nèi)設(shè)有激光晶體30、Q開(kāi)關(guān)31及用以產(chǎn)生和分離紫外激光的倍頻器與棱鏡32。本實(shí)用新型的泵浦源1采用半導(dǎo)體二極管泵浦源，其輸出端帶有光纖10，因此泵 浦源1采用光纖耦合輸出，該泵浦源1發(fā)射波長(zhǎng)為808nm的泵浦光，輸出功率選擇范圍為 1 30W，由一個(gè)精度為 0. 1°C 的 PID (Proportion Integral Derivative，積分微分控制器) 溫控單元(圖中未示出)控制其外殼溫度，溫度范圍可在18°C至之間調(diào)整。本實(shí)用新 型中涉及的準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)2由前端平凸球面透鏡20和后端平凸球面透鏡21組成，光纖10 的輸出端位于前端平凸球面透鏡20的焦點(diǎn)上，前端平凸球面透鏡20和后端平凸球面透鏡 21的焦距范圍在10 50mm，且兩球面透鏡的凸面相對(duì)設(shè)置，可有效地減小球差。本實(shí)用新 型的折疊諧振腔3包括有泵浦端反射鏡35、折疊反射鏡36和尾端反射鏡37，泵浦端反射鏡 35的鏡面與折疊反射鏡36的鏡面之間呈一定的夾角，折疊反射鏡36與尾端反射鏡37的 鏡面之間呈有一定的夾角，且泵浦端反射鏡35與尾端反射鏡37均位于折疊反射鏡36的同 側(cè)。折疊諧振腔3內(nèi)的激光晶體30位于泵浦端反射鏡35與折疊反射鏡36之間，Q開(kāi)關(guān)31 位于激光晶體30與折疊反射鏡36之間，倍頻器包括有二倍頻晶體33、三倍頻晶體34及溫 控單元(圖中未示出)，二倍頻晶體33位于靠近尾端反射鏡37的一側(cè)，三倍頻晶體34位 于二倍頻晶體33與折疊反射鏡36之間，且三倍頻晶體34靠近折疊反射鏡36的一側(cè)設(shè)置 有棱鏡32。本實(shí)用新型中的棱鏡32為直角三棱鏡，該棱鏡32的一直角邊貼附三倍頻晶體34。本實(shí)用新型中的半導(dǎo)體二極管泵浦源發(fā)出的泵浦光通過(guò)光纖耦合后進(jìn)入準(zhǔn)直聚 焦系統(tǒng)2，泵浦光經(jīng)過(guò)前端平凸球面透鏡20的準(zhǔn)直與后端平凸球面透鏡21的聚焦后直接穿 過(guò)泵浦端反射鏡35對(duì)激光晶體30進(jìn)行泵浦。根據(jù)在激光晶體30中泵浦功率密度以及模 式匹配的要求，泵浦光聚焦后在激光晶體30中形成圓而均勻的光斑模式。通過(guò)泵浦光對(duì)激 光晶體30進(jìn)行泵浦可得到超高穩(wěn)定的基頻光，短期和長(zhǎng)期不穩(wěn)定度均遠(yuǎn)小于1%，泵浦光 到連續(xù)基頻光轉(zhuǎn)換效率50%，橫向模式TEM00，M2 < 1. 1，圓度不小于95%。通過(guò)Q開(kāi)關(guān)調(diào) Q，形成高頻率窄脈寬的基頻光振蕩?；l光通過(guò)折疊反射鏡36反射后，由棱鏡32的斜邊 射入棱鏡32并依次射入三倍頻晶體34與二倍頻晶體33，基頻光經(jīng)過(guò)倍頻后再由尾端反射 鏡37反射，再次經(jīng)二倍頻晶體33與三倍頻晶體34最后由棱鏡32的斜邊射出。由于本實(shí) 用新型采用了折疊諧振腔3，使得在合成三倍頻光之前，基頻光兩次穿過(guò)二倍頻晶體33，增 加了合成三倍頻光所需的二倍頻光的比例，進(jìn)而增加了三倍頻光的轉(zhuǎn)換效率。折疊反射鏡 36與棱鏡32之間組成了棱鏡-反射鏡對(duì)輸出系統(tǒng)，基頻光兩次經(jīng)過(guò)二倍頻晶體33與三倍 頻晶體34后，從棱鏡32斜邊出射的光包含有剩余的二倍頻光(即綠激光)，轉(zhuǎn)換的三倍頻 光(即紫外光)與剩余的基頻光，根據(jù)波長(zhǎng)不同而折射角度不同的原理，棱鏡32將出射的 二倍頻光、三倍頻光與基頻光分離開(kāi)，折疊反射鏡36則利用其邊緣區(qū)域?qū)⒒l光截留在折 疊諧振腔3內(nèi)，在折疊諧振腔3內(nèi)繼續(xù)振蕩倍頻，棱鏡32讓轉(zhuǎn)換的三倍頻光及剩余的二倍 頻光直接輸出到折疊諧振腔3外。超高穩(wěn)定的溫控單元將二倍頻晶體33及三倍頻晶體34 的溫度控制在0. 02°C的變化范圍，并且不隨環(huán)境溫度的變化而變化。最后得到的三倍頻光 (即紫外激光)的短期和長(zhǎng)期不穩(wěn)定度均小于2%?；l光到三倍頻光的轉(zhuǎn)換效率達(dá)40%， 模式TEMOO, M2 < 1. 2，圓度不小于92%。本實(shí)用新型涉及的二倍頻晶體33的材料為三硼酸鋰(LBO)晶體，按I類(lèi)匹配角切 割；三倍頻晶體34的材料為三硼酸鋰(LBO)晶體，按II類(lèi)匹配角切割。本實(shí)用新型涉及 的激光晶體30，根據(jù)應(yīng)用需要，既可采用摻釹釩酸釔(NchYVO4)晶體，摻雜范圍為0.2% 0. 4%，利用它的1064nm激射波長(zhǎng)，或利用它的1342nm激射波長(zhǎng)，也可采用摻釹釔鋁石榴石 (Nd: YAG)晶體，摻雜范圍為0. 5% 0. 8%，主要利用它的1064nm激射波長(zhǎng)。選定的激光晶 體盡量靠近泵浦端反射鏡，以利于變換聚焦后的泵浦光直接對(duì)其進(jìn)行泵浦。本實(shí)用新型涉及的Q開(kāi)關(guān)31，既可采用一種聲光Q開(kāi)關(guān)，也可采用一種電光Q開(kāi) 關(guān)，取決于應(yīng)用及成本。Q開(kāi)關(guān)的位置，為了有利于泵浦光的直接泵浦，避開(kāi)了通常的泵浦端 反射鏡35和激光晶體30之間的間隙，而將Q開(kāi)關(guān)31設(shè)置在激光晶體30和折疊反射鏡36 之間，同樣可取得好的開(kāi)關(guān)效果。以上所有光學(xué)元件及機(jī)械元件的設(shè)計(jì)，均在激光中心高度12. 7mm(從基板平面算 起)的條件下進(jìn)行。這種低高度的設(shè)計(jì)，不僅使各元件的機(jī)械穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，而且也使得 激光晶體和Q開(kāi)關(guān)等發(fā)熱元件的熱傳導(dǎo)路徑大為縮短。更進(jìn)一步地，除了尾端反射鏡可以 作二維角度調(diào)整外，其他所有光學(xué)元件，均安放在無(wú)機(jī)械調(diào)整裝置中，并直接用螺釘牢牢固 定在基板上，因而更增加了各元件的機(jī)械穩(wěn)定性。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，盡量降低光學(xué)中心高度，采用無(wú)調(diào)整光學(xué)和機(jī)械元件， 并進(jìn)而采用一種超高穩(wěn)定的倍頻器，從而克服了背景技術(shù)中所述的激光器存在的問(wèn)題，實(shí) 現(xiàn)了激光器的高穩(wěn)定運(yùn)行。本實(shí)用新型采用了直接耦合泵浦技術(shù)，腔內(nèi)倍頻技術(shù)，折疊諧振腔技術(shù)，以及棱鏡分光直接紫外輸出技術(shù)；并盡量減少諧振腔內(nèi)光學(xué)元件的數(shù)量，從而克服 了背景技術(shù)中所述的激光器存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了激光器的高效率運(yùn)行。本實(shí)用新型采用了 準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)和折疊諧振腔優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，采用了棱鏡-折疊反射鏡對(duì)，避免了 高成本制作光學(xué)元件，減少了光學(xué)元件和機(jī)械元件的數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)了激光器的低成本制作。 以上所述，僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本實(shí)用新型的保護(hù) 范圍。
權(quán)利要求1.一種單端泵浦腔內(nèi)倍頻紫外固體激光器，其特征在于，其包括有能產(chǎn)生泵浦光的泵 浦源、對(duì)泵浦光進(jìn)行準(zhǔn)直及聚焦的準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)及對(duì)泵浦光進(jìn)行倍頻以產(chǎn)生紫外激光的折 疊諧振腔，所述泵浦源發(fā)出的泵浦光經(jīng)過(guò)所述準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)后進(jìn)入所述折疊諧振腔，所述 折疊諧振腔內(nèi)設(shè)有激光晶體、Q開(kāi)關(guān)及用以產(chǎn)生和分離紫外激光的倍頻器與棱鏡。
2.如權(quán)利要求1所述的單端泵浦腔內(nèi)倍頻紫外固體激光器，其特征在于，所述泵浦源 采用半導(dǎo)體二極管泵浦源，所述泵浦源輸出端帶有光纖，所述泵浦源采用光纖耦合輸出。
3.如權(quán)利要求2所述的單端泵浦腔內(nèi)倍頻紫外固體激光器，其特征在于，所述準(zhǔn)直聚 焦系統(tǒng)由前端平凸球面透鏡和后端平凸球面透鏡組成，所述光纖的輸出端位于所述前端平 凸球面透鏡的焦點(diǎn)上，所述前端平凸球面透鏡的凸面和所述后端平凸球面透鏡的凸面相對(duì) 設(shè)置。
4.如權(quán)利要求1所述的單端泵浦腔內(nèi)倍頻紫外固體激光器，其特征在于，所述折疊諧 振腔包括有泵浦端反射鏡、折疊反射鏡和尾端反射鏡，所述泵浦端反射鏡的鏡面與所述折 疊反射鏡的鏡面之間呈有夾角，所述折疊反射鏡與所述尾端反射鏡的鏡面之間呈有夾角， 且所述泵浦端反射鏡與所述尾端反射鏡均位于所述折疊反射鏡的同側(cè)。
5.如權(quán)利要求4所述的單端泵浦腔內(nèi)倍頻紫外固體激光器，其特征在于，所述激光晶 體位于所述泵浦端反射鏡與所述折疊反射鏡之間，所述Q開(kāi)關(guān)位于所述激光晶體與所述折 疊反射鏡之間，所述倍頻器位于所述尾端反射鏡與所述折疊反射鏡之間，所述倍頻器靠近 所述折疊反射鏡的一側(cè)設(shè)置有棱鏡。
6.如權(quán)利要求5所述的單端泵浦腔內(nèi)倍頻紫外固體激光器，其特征在于，所述倍頻器 包括有二倍頻晶體、三倍頻晶體及溫控單元，該二倍頻晶體位于靠近尾端反射鏡的一側(cè)，該 三倍頻晶體位于所述二倍頻晶體與所述折疊反射鏡之間，所述三倍頻晶體靠近所述折疊反 射鏡的一側(cè)設(shè)置有所述棱鏡。
7.如權(quán)利要求6所述的單端泵浦腔內(nèi)倍頻紫外固體激光器，其特征在于，所述棱鏡為 直角三棱鏡，該棱鏡的一直角邊貼附所述三倍頻晶體。
8.如權(quán)利要求1所述的單端泵浦腔內(nèi)倍頻紫外固體激光器，其特征在于，所述激光晶 體為摻釹釩酸釔晶體或摻釹釔鋁石榴石晶體，所述二倍頻晶體與三倍頻晶體的材料均為三 硼酸鋰晶體。
9.如權(quán)利要求1所述的單端泵浦腔內(nèi)倍頻紫外固體激光器，其特征在于，所述Q開(kāi)關(guān)為 聲光Q開(kāi)關(guān)或電光Q開(kāi)關(guān)。
10.如權(quán)利要求4所述的單端泵浦腔內(nèi)倍頻紫外固體激光器，其特征在于，所述尾端反 射鏡角度能夠調(diào)節(jié)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種單端泵浦腔內(nèi)倍頻紫外固體激光器，其包括有能產(chǎn)生泵浦光的泵浦源、對(duì)泵浦光進(jìn)行準(zhǔn)直及聚焦的準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)及對(duì)泵浦光進(jìn)行倍頻以產(chǎn)生紫外激光的折疊諧振腔，所述泵浦源發(fā)出的泵浦光經(jīng)過(guò)所述準(zhǔn)直聚焦系統(tǒng)后進(jìn)入所述折疊諧振腔，所述折疊諧振腔內(nèi)設(shè)有激光晶體、Q開(kāi)關(guān)及用以產(chǎn)生和分離紫外激光的倍頻器與棱鏡。本實(shí)用新型采用直接從腔外聚焦，泵浦腔內(nèi)激光晶體，并采用棱鏡分光技術(shù)與折疊諧振腔技術(shù)，將產(chǎn)生的紫外激光直接輸出腔外，在腔內(nèi)不需要額外的導(dǎo)出鏡片，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的效果，同時(shí)，本實(shí)用新型還可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換效率高及運(yùn)行穩(wěn)定的效果。
文檔編號(hào)H01S3/0941GK201877673SQ20102058541
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2010年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月1日
發(fā)明者徐進(jìn)林 申請(qǐng)人:徐進(jìn)林