一种固体紫外激光器的封装装置及方法与流程

本发明涉及一种固体紫外激光器的封装装置及方法，属于激光领域，尤其涉及复杂的非线性光学频率变换技术领域。

背景技术：

在实验室光学平台上进行激光倍频、三倍频(或四倍频)实验时，是将非线性晶体固定在调整架上，通过调节旋钮使非线性晶体处于相位匹配角，从而使非线性频率转换效率达到最佳。这种方法需要高精度、高稳定的光学调整架。对于紫外激光器工程化封装，该方法成本高，占用体积大，无法适应振动环境。传统激光器中，为了增强机械结构牢固性，一般采用固定夹具夹持非线性晶体。由于不能调节晶体角度，基频光入射角难以恰好达到相位匹配角，因此频率转换效率达不到最优。此外，封装过程中通过电接点温度表以及TEC(Thermo Electric Cooler)半导体温控片控制非线性晶体温度，该温控技术操作简单、所用部件少、成本低，但控制过程有惯性，控温误差较大，不能精确控制温度，而激光输出功率和稳定性对温度变化敏感，因此，传统的紫外激光器封装技术难以实现激光高效稳定输出。

中国专利文件“一种高稳定性的全固态激光器”(申请号201510492390.3)，公开了一种高稳定性的全固态激光器，通过控制非线性倍频晶体的工作温度改变激光腔内非线性损耗的大小，获得高稳定性的激光输出。该专利所述非线性过程为非线性晶体的I类非临界相位匹配过程，仅为倍频过程，实现原理为控制非线性倍频晶体的非线性转化损耗，未能对本发明提供帮助。

中国专利文件“一种用半导体帕尔贴调整激光晶体温度的控制装置”(申请号201520335417.3)，公开了一种用半导体帕尔贴调整激光晶体温度的控制装置，该专利采用线形调节方式而非位式调节方式，并且采用数字控制模式，仅控制了晶体温度，对改善激光器领域的激光输出和稳定收效甚小。

技术实现要素：

现有技术封装方法为直接封装后将晶体温度控制于标定温度，或没有晶体控温。针对现有技术的不足和存在的问题，本发明专利的目的在于设计一种紫外激光器封装方法。该方法基于PID(Proportion Integral Derivative，比例微分积分)温控器，改变晶体温度，从而补偿封装时角度失谐造成的相位失配，提高激光器效率与功率稳定性。该方法易于操作、调节精度高、成本低，采用该方法封装的激光器结构简单、功率稳定。

本发明的技术方案如下：

一种固体紫外激光器的封装装置，包括激光器底板以及位于激光器底板上的晶体和夹具，晶体包括倍频非线性晶体、三倍频或四倍频非线性晶体，夹具包括倍频非线性晶体夹具、三倍频或四倍频非线性晶体夹具，夹具包括夹具盖和夹具基座，晶体位于夹具盖与夹具基座之间，夹具基座一侧设有盲孔，盲孔内设有热敏电阻，夹具基座底部设有TEC半导体温控片，TEC半导体温控片和热敏电阻均与PID温控器相连。

通过TEC半导体温控片控制温度，通过热敏电阻观察温度。调节晶体温度至晶体厂家标定的设定温度，再准直光路中各光学元件。当紫外激光输出后，固定夹具，之后再次通过TEC半导体温控片调节，使激光输出功率达到最大值。

根据本发明优选的，热敏电阻包括正温度系数热敏电阻器(Positive Temperature Coefficient，PTC)、负温度热敏电阻器(Negative Temperature Coefficient，NTC)以及临界温度热敏电阻器(Critical Temperature Resistor，CTR)，电阻材料可以为半导体热敏电阻材料、金属热敏电阻材料以及合金热敏电阻材料。

本领域技术人员可以理解，上述提到采用的热敏电阻并非具体的特指意义的概念，而是泛指能够配合应用于温度测量与控制模块的任意热敏电阻。

根据本发明优选的，夹具基座底部设有凹槽，TEC半导体温控片位于凹槽内，TEC半导体温控片外表面与夹具基座底部表面位于同一水平面。

根据本发明优选的，夹具盖与夹具基座螺栓连接，夹具基座与激光器底板螺栓连接，夹具基座与热敏电阻通过导热硅胶相连，TEC半导体温控片通过导热硅脂与夹具基座底部相连。

进一步优选的，夹具盖与夹具基座相对的一面均为台阶面。晶体位于夹具盖与夹具基座之间，由台阶的L型直角结构和螺栓连接将晶体固定住。

一种固体紫外激光器的封装方法，包括步骤如下：

(1)首先，使晶体温度处于厂家标定的设定温度，将晶体放入夹具中，将夹具置于激光光路中；

(2)其次，对倍频非线性晶体、三倍频或四倍频非线性晶体进行准直调节，准直完成后获得紫外输出；

(3)在初始值附近改变温度，当输出功率最大值时，固定此温度值。

通过该方法，补偿封装时角度失谐造成的相位失配，获得高效率、高稳定性的激光输出。

根据本发明优选的，步骤(1)中，使晶体温度处于厂家标定的设定温度，将晶体置于夹具基座的台阶面的直角处，放置夹具盖并螺栓固定；在夹具基座底部放入TEC半导体温控片，将夹具基座螺栓固定于激光器底板上，在夹具基座一侧的盲孔内放置热敏电阻，将TEC半导体温控片和热敏电阻与PID温控器连接，将夹具置于激光光路中。

根据本发明优选的，步骤(2)中，对包括倍频非线性晶体、三倍频或四倍频非线性晶体在内的光学元件进行准直调节，准直完成后打开泵浦源，微调输出镜，螺栓固定夹具基座与激光器底板，准直完成后获得紫外激光输出。

根据本发明优选的，步骤(3)中，热敏电阻将夹具温度反馈给PID温控器，PID温控器对比反馈温度与设定温度，根据对比结果调节TEC半导体温控片功率：当反馈温度低于设定温度时，PID温控器对TEC半导体温控片发出加热指令，将晶体温度升至设定温度；当反馈温度高于设定温度时，PID温控器对TEC半导体温控片发出制冷指令，将晶体温度降至设定温度。当输出功率达到最大值时，即确定此时的设定温度为最佳温度值。将两晶体均处于最佳相位匹配状态，功率转换效率最高。固定此温度值，即可获得高效稳定的紫外激光输出。

本发明提供的方法，对应了一种基频光非垂直入射晶体表面时，相位匹配优化的有效途径。非线性过程中最佳相位匹配角度，与晶体的主轴折射率大小有关。通过调节晶体温度，能够改变晶体主轴折射率，从而改变最佳相位匹配角度。激光器封装过程中，因装配误差存在，基频光一般以倾斜晶体入射面的角度进入晶体，其入射角度与最佳相位匹配角度有一个差值。由于夹具固定，基频光入射角度难以改变。而通过改变温度来控制主轴折射率大小，可以改变最佳相位匹配角度，最终在不调节晶体角度的前提下实现相位匹配。这样就保证了装配误差存在时仍能实现最高的非线性转换效率。同时，精确的温度控制能够保证相位匹配过程始终稳定，保证激光器长时间稳定输出。

本发明提供的方法，对应了一种激光系统温度调节的有效途径。在PID温控器实现温控的过程中，晶体的温度由热敏电阻实时测量。对于非线性相位匹配过程，温度每变化0.01℃，相位差相应改变8×10^-4(倍频)或者3.65×10^-2(三倍频)。因此，快速响应时间以及最小过冲能够实现快速且准确的相位匹配，保证封装后激光器转换效率达到最优，从而满足产品高效、节能。

本领域技术人员可以理解，上述提到厂家标定温度并非具体的特指意义的概念，而是泛指任意非线性晶体在任意生产厂家以及任意生产批次的标定值。也就是说，本发明适用晶体包括所有条件下生长并切割的非线性晶体，应用本发明时只需根据每个晶体的具体标定温度设定初始值。同时，本发明适用于除导致晶体损坏的所有环境温度，并能够适应环境温度改变。

本领域技术人员可以理解，上述提到封装方法并非只适用于传统激光器中采用的固定夹具，也适用于光学平台精密夹具的相位匹配调节。也就是说，本发明适用于多种调节环境。

本发明的有益效果在于：

本发明所述非线性过程为I类与II类临界相位匹配过程，包括倍频、三倍频或四倍频过程；其实现原理为温度补偿角度造成的相位失配。

本发明采用改变温度优化相位匹配角度，从而避免繁杂的角度调节，简化了调节的难度，减少了调节时间；PID温控器的温度稳定性可以达到±0.01℃；相位差精确度可以达到8×10^-4(倍频)或者3.65×10^-2(三倍频)，其精度高于角度调节的精确度，且温度可以保持恒定，使本激光器具有极高的稳定度，若光路微失调后，也可以微调温度来补偿相位失配；本方法适用于多种调节环境，大大拓展了应用范围；本方法能够适应晶体以及环境温度改变，并能够在恶劣环境使用；经测试，本方法2小时内功率输出变化小于1％，满足稳定工作的需求。

本发明的技术方案对夹具装置有详细的结构描述，温控装置设在夹具外部，且温控装置为TEC温控片；通过改变温度补偿封装时角度失谐造成的相位失配，不会造成激光器功率降低，从而实现高效率高稳定性激光输出，提高激光器效率与功率稳定性。不仅控制倍频晶体温度，也可以控制三倍频或四倍频晶体温度，可实现单独控制和同时控制多种模式；晶体的控制温度普遍低于100℃。同时，本申请采用的温控装置能够实现制冷与加热两种功能，能够获得较宽的温度调节范围。

附图说明

图1是本发明专利进行封装调节的两种激光器光路。

图2是本发明专利中所提到的倍频非线性晶体夹具装置剖面图。

图3是本发明专利中所提到的三倍频或四倍频非线性晶体夹具装置剖面图。

图4是本发明专利中所提到的温度控制结构示意图。

其中，100.倍频非线性晶体夹具、101.倍频非线性晶体、102.三倍频或四倍频非线性晶体夹具、103.三倍频或四倍频非线性晶体、104.激光器底板、100A、102A均为夹具基座、100B、102B均为夹具盖、100C、102C均为热敏电阻、100D、102D均为TEC半导体温控片、100E、100F、100G、100H、102E、102F、102G、102H为螺栓，201为PID温控器，202为TEC半导体温控片，203为晶体，204为热敏电阻。

具体实施方式

下面通过具体实施方式并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

一种固体紫外激光器的封装装置，包括激光器底板以及位于激光器底板上的晶体和夹具，如图1所示，晶体包括倍频非线性晶体、三倍频非线性晶体，夹具包括倍频非线性晶体夹具、三倍频非线性晶体夹具，夹具包括夹具盖和夹具基座，晶体位于夹具盖与夹具基座之间，夹具基座一侧设有盲孔，热敏电阻插入盲孔的孔隙深处并与盲孔内壁接触。热敏电阻与晶体不接触，保证了晶体表面充分接触夹具。

夹具基座底部设有TEC半导体温控片，其不同的电流电压值对应不同的工作功率，TEC半导体温控片和热敏电阻均与PID温控器相连。通过TEC半导体温控片控制温度，通过热敏电阻观察温度。调节晶体温度使之处于厂家标定的设定温度，再准直光路中各光学元件。当紫外激光输出后，固定晶体夹具，之后再次通过TEC半导体温控片调节夹具温度从而改变晶体温度，改变晶体的折射率，实现最佳相位匹配，使激光输出功率达到最大值。

夹具基座底部设有凹槽，TEC半导体温控片位于凹槽内，TEC半导体温控片外表面与夹具基座底部表面位于同一水平面。

夹具盖与夹具基座螺栓连接，夹具基座与激光器底板螺栓连接，夹具基座与热敏电阻通过导热硅胶相连，TEC半导体温控片通过导热硅脂与夹具基座底部相连。

夹具盖与夹具基座相对的一面均为台阶面，台阶面之间构成方形空腔，晶体位于夹具盖与夹具基座之间的方形空腔内，由台阶的L型直角结构和螺栓连接将晶体固定住，台阶面的结构使晶体全部与夹具接触，固定牢固。夹具材料可以是铝，也可以是铜。

一种固体紫外激光器的封装方法，包括步骤如下：

(1)首先，使晶体温度处于厂家标定的设定温度，将晶体置于夹具基座的台阶面的直角处，放置夹具盖并螺栓固定；在夹具基座底部放入TEC半导体温控片，将夹具基座置于激光器底板上，在夹具基座一侧的盲孔内放置热敏电阻，将TEC半导体温控片和热敏电阻与PID温控器连接，将夹具置于激光光路中；

(2)其次，通过准直光束对包括倍频非线性晶体、三倍频非线性晶体、前后腔镜、工作物质在内的光学元件进行准直调节，准直完成后打开泵浦源，微调输出镜，螺栓固定夹具基座与激光器底板，准直完成后获得紫外输出；

(3)热敏电阻将夹具温度反馈给PID温控器，PID温控器对比反馈温度与设定温度，进行PID运算，根据运算结果给出相应电流电压信号，控制202半导体温控片工作，调节TEC半导体温控片功率：当反馈温度低于设定温度时，PID温控器对TEC半导体温控片发出加热指令，将晶体温度升至设定温度；当反馈温度高于设定温度时，PID温控器对TEC半导体温控片发出制冷指令，将晶体温度降至设定温度。通过在设定温度附近改变温度值，当输出功率达到最大值时，即确定此时的设定温度为最佳温度值。将两晶体均处于最佳相位匹配状态，功率转换效率最高。固定此温度值，即可获得高效稳定的紫外激光输出。通过该方法，补偿封装时角度失谐造成的相位失配，获得高效率、高稳定性的激光输出。

对倍频非线性晶体、三倍频非线性晶体的温度独立调节。

图1是本封装方法适用的一种典型的激光器结构，适用于典型的非线性转换过程，但并不是唯一可应用的结构，平平腔、平凹腔等各种常用的光路结构都适用于本封装方法，端面泵浦、侧面泵浦等各种常见的泵浦结构都适用于本封装方法，腔内非线性转换、腔外非线性转换等频率转换方式都适用于本封装方法。而且激光腔内也可以包括二向色镜、三向色镜等光学元件。这等光学元件为本领域技术人员可基于本发明的一种应用上的扩充，作用在于加强倍频光和三倍频(或四倍频)光反射次数，减少光学损耗，进一步提高输出功率。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所述领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。