一种紫外激光器的制造方法

一种紫外激光器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种紫外激光器，通过将三倍频晶体固定在三倍频晶体座上，通过三倍频晶体座可调节三倍频晶体的三个转动自由度；将二倍频晶体固定在二倍频晶体座上，通过二倍频晶体座可调节二倍频晶体的三个转动自由度；实现了三倍频晶体与二倍频晶体分开调节，相互之间不会影响；通过三倍频晶体座和二倍频晶体座，使得二倍频晶体和三倍频晶体的三个转动自由度可独立进行调节，两两自由度之间的调节不会相互影响，调节非常快速方便，效率更高，调节的效果更好。
【专利说明】
一种紫外激光器
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及激光技术领域，特别涉及一种紫外激光器。
【背景技术】
[0002] 紫外激光波长短，聚焦光斑小，光子能量大，在材料加工过程中直接破坏许多非金 属材料的分子键而实现"冷"加工，材料边缘光滑，炭化小。二极管栗浦的355nm紫外激光器 具有光束质量好、效率高、功率稳定性好、可靠性高、使用方便、体积小等诸多优点，在精密 材料加工、光刻、光谱分析、医疗和科研等领域有着广泛的应用。
[0003] 二极管栗浦的大功率(>8W)355nm紫外激光都是通过将波长1064nm的基频红外激 光进行腔内或腔外二倍频，然后部分基频光与二倍频产生的532nm绿光进行相应方式三倍 频（即和频)实现的。二倍频与三倍频都是激光在光学非线性晶体中进行的非线性转换过 程。相较于腔内非线性转换方式，腔外方式激光聚焦光斑更小，对光学非线性晶体表面镀膜 的要求更高，因此晶体更容易损坏。国外相干(Coherent)、光谱物理（Spectra-Physics)等 公司都是采用这种非线性转换方式。它们是通过对非线性晶体进行移位以限制晶体表面工 作点工作时间的方法，来保证激光器长时间稳定可靠工作的。但是这种方法对晶体位置移 动控制有非常高的要求(激光相对非线性晶体只有一个最佳朝向位置），一般要进行精密的 位置检测和判别，系统控制复杂。同时要实现高效率的二倍频及三倍频，进入三倍频非线性 晶体中的l〇64nm红外激光和532nm绿光光子数之比应为1:1，而实际上两种波长激光光子数 很难达到这个配比，从而影响非线性转换效率。对于腔内方式，由于激光器腔内光强比腔外 有一个数量级的提高，和腔外非线性转换方式相比，要实现同样效率、同等功率的紫外激光 输出，这种方式对非线性晶体表面镀膜的要求比腔外方式低得多，因此晶体寿命更长。这种 方式一般没有红外激光输出腔外，输出腔外的绿光和紫外激光可以看作是红外激光谐振腔 的一种等效损耗，优化非线性晶体的光学、机械尺寸等参数一般就可以达到很高的非线性 转换效率。但是，由于在激光器腔内有多个波长（红外808nm、1064nm、绿光532nm、紫外 355nm)同时相互作用，彼此之间有能量交换，而这种交换还容易受外界条件(如激光晶体散 热、栗浦激光耦合聚焦的光束质量等）的影响；同时非线性二倍频、三倍频晶体需要三个以 上自由度的调节和温度调节，因此相对于腔外方式更难实现高稳定可靠运转。
[0004] 实现8W以上大功率紫外激光的可靠稳定输出，要求1064nm红外基频激光能够产生 高光束质量的高功率基膜振荡，激光晶体有尽可能小的热透镜和热致双折射效应，同时为 了实现最好的非线性偏振匹配，要求紫外非线性晶体和绿光非线性晶体调节方便，一般要 着眼于解决以下两个方面的技术问题：
[0005] 1、激光晶体是产生基频激光的工作物质，二极管栗浦的355nm大功率紫外激光器 激光晶体一般采用Nd:YV04或者Nd:YAG。这两种激光晶体都要求良好的散热，否则散热不好 热阻很大会导致激光晶体产生很强的热透镜效应和热致双折射效应，激光器不能稳定可靠 运转，严重影响基频基模激光的输出功率和光束质量，从而影响高光束质量大功率紫外激 光的产生，甚至导致不出激光或激光晶体断裂(尤其是Nd:YV04晶体）。一般激光晶体热耦合 都是在晶体侧面包裹一层铟箱，然后用铜块压紧铟箱，再将晶体铜座加热使铟箱融化，这样 铟箱就起到给激光晶体散热的作用。但是这种方法要么因为铜块压得过紧导致激光晶体承 受了压力而引起激光光束畸变，要么因为铟箱不能完全填满激光晶体侧面和铜块之间的缝 隙而导致热阻很大，实际上不能可靠的减小热耦合热阻，严重影响大功率紫外激光的产生。 因此减小激光晶体散热热耦合的热阻，加快激光晶体的散热，无疑是尚待解决的一个关键 问题。
[0006] 2、二倍频晶体和三倍频晶体是产生绿光和紫外光的工作物质，由于涉及到二倍 频、三倍频过程中的偏振匹配，为了达到最佳的倍频及和频效率，除了要调节两个晶体的匹 配温度之外，还要精细调节两个晶体的三个转动自由度，及进行三个转动方向的调节，每个 晶体调节好之后还要固定好晶体座防止跑位。一般两个晶体都是在同一个安装座上面进行 调节，调节时松开紧固螺钉，调好之后再紧固。但是这样一来调好的晶体位置又变了，调节 一个自由度的时候会影响另外两个自由度，晶体始终难以调到最佳位置并紧固，非常繁琐 费时。同时因为共用一个晶体安装座，针对一个晶体的调节会影响另外一个晶体，往往需要 反复调试才能达到效果，浪费很多时间。
[0007] 因此，现有的技术还有待改进和提尚。

【发明内容】

[0008] 鉴于上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提供一种紫外激光器，二 倍频晶体和三倍频晶体的三个转动自由度可独立进行调节，两两自由度之间的调节不会相 互影响。
[0009] 为了达到上述目的，本实用新型采取了以下技术方案：
[0010] -种紫外激光器，包括激光器腔体，所述激光器腔体内设置有：
[0011] 第一栗浦激光光源；
[0012] 第二栗浦激光光源；
[0013] 第一镜片；
[0014] 第二镜片；
[0015]激光晶体模块；
[0016]红外激光全反镜；
[0017] 声光Q开关；
[0018]三倍频晶体模组，包括三倍频晶体和三倍频晶体座，所述三倍频晶体固定在三倍 频晶体座上，通过三倍频晶体座可调节三倍频晶体的三个转动自由度；
[0019] 二倍频晶体模组，包括二倍频晶体和二倍频晶体座，所述二倍频晶体固定在二倍 频晶体座上，通过二倍频晶体座可调节二倍频晶体的三个转动自由度；
[0020] 反射尾镜；
[0021 ]用于吸收绿激光的绿光吸收池；
[0022]所述第一栗浦激光光源发出的栗浦激光经过第一镜片进入到激光晶体模块中，所 述第二栗浦激光光源发出的栗浦激光经过第二镜片进入到激光晶体模块中；所述第一栗浦 激光光源发出的栗浦激光与所述第二栗浦激光光源发出的栗浦激光在激光晶体模块中产 生基模振荡并输出基频激光，所述红外激光全反镜将基频激光反射到声光Q开关中，声光Q 开关将连续的基频激光调制为脉冲基频激光并输出；所述脉冲基频激光依次穿过所述三倍 频晶体、二倍频晶体后，经反射尾镜反射回二倍频晶体中；所述二倍频晶体产生绿激光，并 输出到三倍频晶体中，由所述三倍频晶体产生紫外激光;三倍频晶体中未被转换成紫外激 光的绿激光出射到绿光吸收池中，被绿光吸收池吸收。
[0023] 所述的紫外激光器中，所述激光晶体模块包括晶体座和设置在晶体座内的激光晶 体，所述激光晶体与晶体座之间设置有导热膏。
[0024] 所述的紫外激光器中，所述晶体座包括基座、横截面为L形的凸起和横截面为倒L 形的挡块;所述凸起固定在所述基座上，所述挡块设置在所述凸起上，所述凸起和挡块之间 形成用于固定所述激光晶体的通道;所述导热膏设置在激光晶体与所述通道之间的缝隙 中。
[0025] 所述的紫外激光器中，所述激光晶体两端面与所述通道之间设置有用于密封所述 通道内的导热膏的硅橡胶圈。
[0026]所述的紫外激光器中，所述三倍频晶体座包括三倍频晶体底座、第一支撑板、第一 固定块和第一组合圆柱体;所述三倍频晶体底座上设置有至少三个螺纹孔，所述三倍频晶 体底座通过与所述螺纹孔适配的固定螺钉固定在所述激光器腔体内；所述第一支撑板竖直 设置在所述三倍频晶体底座上，所述第一支撑板上设置有一个销钉孔、至少两个螺纹孔，所 述第一固定块的左侧面上设置有与所述销钉孔适配的圆柱凸起，所述第一固定块通过与第 一支撑板上的螺纹孔适配的螺钉固定在第一支撑板上;所述第一固定块内设置有用于容纳 所述第一组合圆柱体的第一通孔，所述第一通孔的一端开设在第一固定块的正面，所述第 一通孔的另一端开设在第一固定块的反面;所述第一固定块的顶面设置有螺纹孔，所述第 一固定块顶面的螺纹孔与所述第一通孔连通，所述第一组合圆柱体通过与第一固定块顶面 上的螺纹孔适配的压紧螺钉固定在所述第一通孔内；所述第一组合圆柱体的圆心处设置有 用于固定所述三倍频晶体的第一方孔。
[0027] 所述的紫外激光器中，所述第一组合圆柱体包括第一瓣体和第二瓣体，所述第一 瓣体和第二瓣体的径向截面为半圆形，所述第一瓣体的直边侧和第二瓣体的直边侧均设置 有矩形凹槽，所述第一瓣体的矩形凹槽和第二瓣体的矩形凹槽组合成所述第一方孔;所述 第一瓣体和第二瓣体内均设置有第一安装孔，所述第一安装孔内安装有温度传感器和用于 给所述三倍频晶体加热的导线。
[0028] 所述的紫外激光器中，所述三倍频晶体与第一方孔之间的间隙设置有导热膏。 [0029]所述的紫外激光器中，所述二倍频晶体座包括二倍频晶体底座、第二支撑板、第二 固定块和第二组合圆柱体;所述二倍频晶体底座上设置有至少三个螺纹孔，所述二倍频晶 体底座通过与所述螺纹孔适配的固定螺钉固定在所述激光器腔体内；所述第二支撑板竖直 设置在所述二倍频晶体底座上，所述第二支撑板上设置有一个销钉孔、至少两个螺纹孔，所 述第二固定块的左侧面上设置有与所述销钉孔适配的圆柱凸起，所述第二固定块通过与第 二支撑板上的螺纹孔适配的螺钉固定在第二支撑板上;所述第二固定块内设置有用于容纳 所述第二组合圆柱体的第二通孔，所述第二通孔的一端开设在第二固定块的正面，所述第 二通孔的另一端开设在第二固定块的反面;所述第二固定块的顶面设置有螺纹孔，所述第 二固定块顶面的螺纹孔与所述第二通孔连通，所述第二组合圆柱体通过与第二固定块顶面 上的螺纹孔适配的压紧螺钉固定在所述第二通孔内；所述第二组合圆柱体的圆心处设置有 用于固定所述二倍频晶体的第二方孔。
[0030] 所述的紫外激光器中，所述第二组合圆柱体包括第三瓣体和第四瓣体，所述第三 瓣体和第四瓣体的径向截面为半圆形，所述第三瓣体的直边侧和第四瓣体的直边侧均设置 有矩形凹槽，所述第三瓣体的矩形凹槽和第四瓣体的矩形凹槽组合成所述第二方孔;所述 第三瓣体和第四瓣体内均设置有第二安装孔，所述第二安装孔内安装有温度传感器和用于 给所述二倍频晶体加热的导线。
[0031] 所述的紫外激光器中，所述第一栗浦激光光源包括第一栗浦激光二极管、第一 SMA-905接头和用于对第一栗浦激光二极管发出的栗浦激光进行准直聚焦的第一耦合镜 组;所述第一栗浦激光二极管与所述第一 SMA-905接头连接，所述第一栗浦激光二极管通过 所述第一 SMA-905接头出射栗浦激光，所述第一耦合镜组设置在所述栗浦激光的光路上。
[0032] 相较于现有技术，本实用新型提供的一种紫外激光器，通过将三倍频晶体固定在 三倍频晶体座上，通过三倍频晶体座可调节三倍频晶体的三个转动自由度;将二倍频晶体 固定在二倍频晶体座上，通过二倍频晶体座可调节二倍频晶体的三个转动自由度;实现了 三倍频晶体与二倍频晶体分开调节，相互之间不会影响；通过三倍频晶体座和二倍频晶体 座，使得二倍频晶体和三倍频晶体的三个转动自由度可独立进行调节，两两自由度之间的 调节不会相互影响，调节非常快速方便，效率更高，调节的效果更好。
【附图说明】
[0033] 图1为本实用新型提供的紫外激光器中，激光器腔体的俯视图。
[0034] 图2为本实用新型提供的紫外激光器中，绿激光的光路示意图。
[0035] 图3为本实用新型提供的紫外激光器中，紫外激光的光路示意图。
[0036] 图4为本实用新型提供的紫外激光器中，激光晶体模块的立体图。
[0037]图5为本实用新型提供的紫外激光器中，激光晶体模块的正视图。
[0038]图6为本实用新型提供的紫外激光器中，二倍频晶体和三倍频晶体的三个旋转自 由度的示意图。
[0039]图7为本实用新型提供的紫外激光器中，三倍频晶体模组的爆炸图。
[0040]图8为本实用新型提供的紫外激光器中，三倍频晶体模组的正视图。
[0041 ]图9为本实用新型提供的紫外激光器中，二倍频晶体模组的爆炸图。
[0042]图10为本实用新型提供的紫外激光器中，二倍频晶体模组的正视图。
[0043]图11为本实用新型提供的紫外激光器中，绿光吸收池的正视图。
[0044] 图12为图11中A-A的剖视图。
[0045] 图13为本实用新型提供的紫外激光器中，绿光吸收池内的光路示意图。
【具体实施方式】
[0046] 本实用新型提供一种紫外激光器。为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加 清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描 述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0047] 请参阅图1，本实用新型提供的紫外激光器，包括激光器腔体1，所述激光器腔体1 内设置有第一栗浦激光光源2、第二栗浦激光光源3、第一镜片4、第二镜片5、激光晶体模块 6、红外激光全反镜7、声光Q开关8、三倍频晶体模组9、二倍频晶体模组IO、反射尾镜11和绿 光吸收池12。
[0048]所述第一栗浦激光光源2和第二栗浦激光光源3对向设置，换而言之，所述第一栗 浦激光光源2和第二栗浦激光光源3出射的栗浦激光的方向相反。所述第一镜片4和激光晶 体模块6依次设置在所述第一栗浦激光光源2出射的栗浦激光的光路上;所述第二镜片5和 激光晶体模块6依次设置在所述第二栗浦激光光源3出射的栗浦激光的光路上;换而言之， 所述第一栗浦激光光源2发出的栗浦激光经过第一镜片4后从左侧进入到激光晶体模块6 中，所述第二栗浦激光光源3发出的栗浦激光经过第二镜片5后从右侧进入到激光晶体模块 6中。本实施例中，所述栗浦激光的波长为808nm，即，所述栗浦激光为808nm的栗浦激光。 [0049]所述第一镜片4朝向第一栗浦激光光源2的表面（左表面)镀有波长808nm的增透 膜，所述第一镜片4背离第一栗浦激光光源2的表面(右表面)镀有波长808nm的增透膜和波 长1064nm的全反膜；同样的，所述第二镜片5朝向第二栗浦激光光源3的表面(右表面)镀有 波长808nm的增透膜，所述第二镜片5背离第二栗浦激光光源3的表面（左表面）镀有波长 808nm的增透膜和波长1064nm的全反膜，所述第一镜片4和第二镜片5均与所述栗浦激光垂 直。这样设置，使得808nm的栗浦激光可以无损失的进入到激光晶体模块6中，产生基模振荡 并输出波长为l〇64nm的基频激光，所述基频激光一部分经第二镜片5反射出去，另一部分被 第一镜片4反射回激光晶体模块6中，不存在损失。本实施例中，所述第二镜片5竖直设置，其 左表面镀的全反膜成预定角度（即，左表面镀的全反膜为楔形），以便将所述基频激光反射 到红外激光全反镜7上。当然，在其他实施例中，所述第二镜片5并非如第一镜片4那样竖直 设置，而是成预定角度，以便将所述基频激光反射到红外激光全反镜7上。
[0050] 所述红外激光全反镜7的入射面(右表面)镀有1064nm全反膜，红外激光全反镜7的 全反膜同样为楔形，便于将基频激光反射到声光Q开关8中。换而言之，所述声光Q开关8、三 倍频晶体模组9、二倍频晶体模组10和反射尾镜11依次设置在红外激光全反镜7反射光的光 路上。所述声光Q开关8将连续的基频激光调制为脉冲基频激光，能够极大增加紫外激光的 转换效率。所述声光Q开关8的声光频率为41MHz，功率为15W，其两端面镀1064nm增透膜。
[0051] 所述三倍频晶体模组9,包括三倍频晶体和三倍频晶体座，所述三倍频晶体固定在 三倍频晶体座上，通过三倍频晶体座可调节三倍频晶体的三个转动自由度。
[0052] 所述二倍频晶体模组10,包括二倍频晶体和二倍频晶体座，所述二倍频晶体固定 在二倍频晶体座上，通过二倍频晶体座可调节二倍频晶体的三个转动自由度。
[0053]所述反射尾镜11，用于反射所述基频激光和绿激光。换而言之，所述反射尾镜11的 入射面（左表面)镀有l〇64nm和532nm的全反膜，用于将入射的基频激光和绿激光按原路反 射回去。
[0054]绿光吸收池12,用于吸收绿激光。
[0055]所述第一栗浦激光光源2发出的栗浦激光经过第一镜片4进入到激光晶体模块6 中，所述第二栗浦激光光源3发出的栗浦激光经过第二镜片5进入到激光晶体模块6中；所述 第一栗浦激光光源2发出的栗浦激光与所述第二栗浦激光光源3发出的栗浦激光在激光晶 体模块6中产生基模振荡并输出基频激光，所述红外激光全反镜7将基频激光反射到声光Q 开关8中，声光Q开关8将连续的基频激光调制为脉冲基频激光并输出;所述脉冲基频激光依 次穿过所述三倍频晶体、二倍频晶体后，经反射尾镜11反射回二倍频晶体中；所述二倍频晶 体产生绿激光，并输出到三倍频晶体中，由所述三倍频晶体产生紫外激光;三倍频晶体中未 被转换成紫外激光的绿激光出射到绿光吸收池12中，被绿光吸收池12吸收，换而言之，所述 绿光吸收池12设置在三倍频晶体出射的绿激光的光路上。本实施例中，所述基频激光的波 长为1064nm，即，所述基频激光为1064nm的基频激光，所述基频激光的光路如图1中实线箭 头所示。所述绿激光的波长为532nm，即，所述绿激光为532nm的绿激光，所述绿激光的光路 如图2中实线箭头所示。所述紫外激光的波长为355nm，即，所述紫外激光为355nm的紫外激 光，所述紫外激光的光路如图3中实线箭头所示。
[0056]图2所示的绿激光的光路示意图中，三倍频晶体中未被转换成紫外激光的绿激光 出射到绿光吸收池12中，被绿光吸收池12吸收，避免随紫外激光出射出去，不会影响激光的 视觉效果，也使得多余的绿光不会损坏腔体内的元器件。
[0057]本实用新型通过将三倍频晶体固定在三倍频晶体座上，通过三倍频晶体座可调节 三倍频晶体的三个转动自由度;将二倍频晶体固定在二倍频晶体座上，通过二倍频晶体座 可调节二倍频晶体的三个转动自由度;实现了三倍频晶体与二倍频晶体分开调节，相互之 间不会影响；通过三倍频晶体座和二倍频晶体座，使得二倍频晶体和三倍频晶体的三个转 动自由度可独立进行调节，两两自由度之间的调节不会相互影响，调节非常快速方便，效率 更高，调节的效果更好。
[0058]进一步的，本实用新型提供的紫外激光器中，所有的光学件、机械件都装在激光器 腔体1内。激光器腔体1上面周边有密封条密封，腔体盖用螺钉拧紧在腔体上，防止外界的灰 尘、水汽进入腔体内；同时腔体内有加变色干燥剂，使腔内保持一个干燥的环境，干燥剂的 失效可以通过腔体盖上的观察窗看出来。如果失效了，干燥剂颜色会由白变黑，方便辨别腔 体内的工作环境干燥与否。
[0059] 所述第一栗浦激光光源2包括第一栗浦激光二极管210、第一 SMA-905接头和用于 对第一栗浦激光二极管210发出的栗浦激光进行准直聚焦的第一耦合镜组220;所述第一栗 浦激光二极管210与所述第一 SMA-905接头连接，所述第一栗浦激光二极管210通过所述第 一 SMA-905接头出射栗浦激光，所述第一耦合镜组220设置在所述栗浦激光的光路上。所述 第一栗浦激光二极管210发出的栗浦激光的波长为808nm，出光直径400μπι，最大输出功率 40W。第一栗浦激光二极管210安装在第一紫铜座上，它们之间通过铟箱紧密连接，保证良好 的热接触。第一紫铜座安装在腔体1上。第一紫铜座内部有通水道，激光器的冷水机将水温 25摄氏度的冷却水送进来，将第一栗浦激光二极管210产生的热量带走。由于水温温度波动 只有0.1摄氏度，因此第一栗浦激光二极管210的功率和波长能够保持稳定，这样给激光器 的稳定可靠运转提供了保证。
[0060] 所述第二栗浦激光光源3的结构与第一栗浦激光光源2相同，即，所述第二栗浦激 光光源3包括第二栗浦激光二极管310、第二SMA-905接头和用于对第二栗浦激光二极管310 发出的栗浦激光进行准直聚焦的第二耦合镜组320;所述第二栗浦激光二极管310与所述第 二SMA-905接头连接，所述第二栗浦激光二极管310通过所述第二SMA-905接头出射栗浦激 光，所述第二耦合镜组320设置在所述栗浦激光的光路上。所述第二栗浦激光二极管310发 出的栗浦激光的波长为808nm，出光直径400μπι，最大输出功率40W。第二栗浦激光二极管310 安装在第二紫铜座上，它们之间通过铟箱紧密连接，保证良好的热接触。第二紫铜座安装在 腔体1上。第二紫铜座内部有通水道，激光器的冷水机将水温25摄氏度的冷却水送进来，将 第二栗浦激光二极管310产生的热量带走。由于水温温度波动只有0.1摄氏度，因此第二栗 浦激光二极管310的功率和波长能够保持稳定，这样给激光器的稳定可靠运转提供了保证。 [0061 ]请参阅图4，所述激光晶体模块6包括晶体座610和设置在晶体座610内的激光晶体 620,所述激光晶体620与晶体座610之间设置有导热膏。采用导热膏导热，减小了激光晶体 620的热透镜和热致双折射等热效应，提高了紫外激光器的稳定性，避免了用铟箱给晶体导 热出现的激光晶体压力和热耦合热阻过大的问题。所述晶体座610为铜晶体座，进一步提高 了散热效率。所述激光晶体620为Nd: YV04晶体，其尺寸3 X 3 X 20mm，Nd: YV04晶体掺杂原子 比0.25%，沿a轴切割，晶体两端面镀808nm和1064nm增透膜。所述激光晶体620两端的栗浦光 聚焦后光束与激光器腔模有很高的重叠，同时两束栗浦光在激光晶体620里有很高的重叠 度，保证激光器能够产生l〇64nm最大功率的基模振荡，提高355nm紫外激光的转换效率。
[0062]进一步的，请参阅图5,所述晶体座610包括基座611、横截面为L形的凸起612和横 截面为倒L形的挡块613;所述凸起612固定在所述基座611上，优选的，所述凸起612与所述 基座611 -体成型设置;所述挡块613设置在所述凸起612上，优选的，所述挡块613通过螺钉 固定在所述凸起612上。所述凸起612和挡块613之间形成用于固定所述激光晶体的通道 614, 即，所述挡块613和所述凸起612将激光晶体固定住。所述导热膏设置（即，填充)在激光 晶体与所述通道614之间的缝隙中，所述激光晶体为长方体，换而言之，所述激光晶体与晶 体座610接触的四个侧面均用导热膏来进行热耦合，导热膏是流体，可以保证完全填满四个 接触面的缝隙，实现激光晶体稳定可靠散热，大大降低激光晶体的热透镜效应。挡块613的 左下角缺口尺寸保证螺钉拧上后激光晶体可靠的固定住，同时激光晶体只受很小的表面压 力。为了防止长时间使用后导热膏干燥污染激光晶体的端面，所述激光晶体两端面与所述 通道614之间设置有硅橡胶圈，硅橡胶圈形状与所述激光晶体端面形状相同，即，为方形。所 述硅橡胶圈用于密封所述通道内的导热膏。虽然硅橡胶圈热阻很大，妨碍晶体可靠散热，但 是由于硅橡胶圈只有激光晶体端面周边一薄层，激光晶体的热量大部分可以通过导热膏导 走，实际上基本不影响激光晶体散热。通过这种导热散热结构，激光晶体的热效应得到极大 的减小，在激光二极管(第一栗浦激光二极管和第二栗浦激光二极管)35A电流情况下热透 镜焦距由原来的175mm增加到320mm。紫外激光器的基模输出功率提高了 20%，光束质量由原 来的1.2减小到1.1，紫外激光的转换效率提高了10%，光束质量也提高了。所述凸起612左上 角设置有缺口，所述缺口用于给栗浦激光提供光路通道，使栗浦激光顺利进入到激光晶体 中。
[0063]所述三倍频晶体为LBO晶体，其基频激光的入射面（左表面)为（切割成）1064nm P 偏振光的布儒斯特面，表面抛光不镀膜;其基频激光的出射面(右表面)镀I 〇64nm和532nm的 增透膜。根据布儒斯特定律，当l〇64nm基频光为P偏振态，并且入射角= 时，基频激光可以无反射通过布儒斯特面，全部进入三倍频晶体里。式中nl为l〇64nm波长在 三倍频晶体里的折射率。换而言之，本实施例中，所述基频激光为P偏振态，入射到三倍频晶 体时的入射角0满足0 = arCtan K1，η 1为1064nm波长在三倍频晶体里的折射率。所述三倍 频晶体采用的是Π类匹配方式，1064nm基频光为P偏振态，532nm绿光为S偏振态，产生的 355nm紫外激光为P偏振态，其布儒斯特角与1064nm基频光布儒斯特角相差0.6度。产生的紫 外激光从布儒斯特面输出，三倍频剩余的绿光由绿光吸收池12吸收，而1064nm激光在腔内 循环。虽然没有l〇64nm波长输出，但是输出的紫外激光和剩余的绿光可以看成是1064nm波 长的一种等效输出。
[0064]为了实现三倍频的偏振匹配，需要精细调节三倍频晶体的空间方位，主要是三个 转动自由度需要精密调节，如图6中实线箭头所示。请参阅图7和图8,所述三倍频晶体座包 括三倍频晶体底座920、第一支撑板930、第一固定块940和第一组合圆柱体950;所述三倍频 晶体底座920上设置有至少三个螺纹孔921，所述三倍频晶体底座920通过与所述螺纹孔921 适配的固定螺钉固定在所述激光器腔体内；所述第一支撑板930竖直设置在所述三倍频晶 体底座920上，所述第一支撑板930上设置有一个销钉孔931、至少两个螺纹孔932,所述销钉 孔931、至少两个螺纹孔932均不在同一直线上;所述第一固定块940的左侧面上设置有与所 述销钉孔931适配的圆柱凸起941，所述第一固定块940通过与第一支撑板930上的螺纹孔 932适配的螺钉固定在第一支撑板930上;所述第一固定块940内设置有用于容纳所述第一 组合圆柱体950的第一通孔942,所述第一通孔942为圆孔;所述第一通孔942的一端开设在 第一固定块940的正面，所述第一通孔942的另一端开设在第一固定块940的反面;所述第一 固定块940的顶面设置有螺纹孔943,所述第一固定块940顶面的螺纹孔943与所述第一通孔 942连通，所述第一组合圆柱体950通过与第一固定块940顶面上的螺纹孔943适配的压紧螺 钉固定在所述第一通孔942内；所述第一组合圆柱体950的圆心处设置有用于固定所述三倍 频晶体910的第一方孔960。所述第一固定块940的右侧面上设置有用于调节第一组合圆柱 体950转动的第一调节螺纹孔944。
[0065]三倍频晶体910固定在第一方孔960内，它们之间的缝隙也是用导热膏来填充，即， 所述三倍频晶体910与第一方孔960之间的间隙设置(填充)有导热膏，以保证三倍频晶体导 热快速、均匀。三倍频晶体两端面的四周用硅橡胶圈密封起来，即，硅橡胶圈将三倍频晶体 两端面与第一方孔960之间的缝隙密封，防止导热膏干燥后污染晶体的端面。缝隙之间填上 导热膏后，所述第一方孔960的尺寸保证能将三倍频晶体牢固固定住。因为三倍频晶体与三 倍频晶体座(为铜座)热接触良好，温控更加迅速，紫外激光输出更稳定。
[0066]三倍频晶体需要在水平面方向转动调节时，只需将所述三倍频晶体底座920上的 螺纹孔921中的螺钉松开，轻轻旋转整个座子，让激光功率最大，然后拧紧三个螺钉即可，水 平方向转动的自由度的调节不影响另外两个转动自由度。
[0067]而三倍频晶体另外两个自由度的调节也非常方便。可以通过调节第一组合圆柱体 950的转动来调节三倍频晶体的第二个自由度。具体的，将第一固定块940顶面的螺纹孔943 中的压紧螺钉轻轻松开，然后用稍长的螺杆穿过第一调节螺纹孔944,因为第一组合圆柱体 950的表面为圆柱，使用螺杆通过第一调节螺纹孔944接触第一组合圆柱体950的表面时，容 易造成螺杆在第一组合圆柱体950表面滑动，因此本实用新型在第一组合圆柱体950表面上 对应着第一调节螺纹孔944的位置处设置有小螺纹孔，小螺纹孔是盲孔，只是为了方便螺杆 穿过第一调节螺纹孔944并和第一组合圆柱体950的侧面接触更加稳固，且不易滑动。使用 螺杆穿过第一调节螺纹孔944调节第一组合圆柱体950时，如果螺杆旋进的长度较大，则第 一组合圆柱体950被螺杆推动，将向着螺杆运动的方向，在水平方向上移动。调节旋进螺杆 的长度，直至激光功率最大。此时将第一固定块940顶面的螺纹孔943中的压紧螺钉再压紧， 从而将第一组合圆柱体950在竖直方向的位置固定;旋出长调节螺杆，用螺钉再拧紧第一调 节螺纹孔944,将整个第一组合圆柱体顶住，从而将第一组合圆柱体950在水平方向的位置 固定。这样水平方向的转动调节就完成了，完全不影响另外两个方向的转动自由度。
[0068] 本实用新型可以通过调节第一固定块940的转动来调节三倍频晶体的第三个自由 度。具体的，将第一支撑板930上的螺纹孔932中的螺钉松开一点，第一固定块940可以绕着 螺纹孔932下方的销钉孔931旋转，让紫外输出功率最大（螺纹孔932中的两个螺钉不能过 松，要稍微紧一点），然后将两个螺钉拧紧。这样这个方向转动自由度的调节也不影响其它 两个自由度。
[0069] 由此可知，三个自由度分开调节固定的方式非常方便、迅速，可以很快达到最优的 效果。每个转动自由度调节时要配合三倍频晶体温度调节，使紫外激光功率输出最大。
[0070] 进一步的，所述第一组合圆柱体950包括第一瓣体951和第二瓣体952,所述第一瓣 体951和第二瓣体952的径向截面为半圆形，所述第一瓣体951的直边侧和第二瓣体952的直 边侧均设置有矩形凹槽，所述第一瓣体951的矩形凹槽和第二瓣体952的矩形凹槽组合成所 述第一方孔960;所述第一瓣体951和第二瓣体952内均设置有第一安装孔9510，所述第一安 装孔9510内安装有温度传感器和用于给所述三倍频晶体加热的导线。所述第一瓣体951中 的第一安装孔9510与第二瓣体952中的第一安装孔9510对称设置，使得三倍频晶体的加热 温度可以控制得比单边温控方式更均匀，实际上提高了紫外激光的转换效率。
[0071] 所述二倍频晶体为LBO晶体，所述二倍频晶体为I类角度匹配方式。1064nm基频光 为P偏振态，532nm绿光为S偏振态，角度匹配温度为50摄氏度。二倍频晶体两端面镀1064nm 和532nm的增透膜。图9为二倍频晶体模组的爆炸图，图10为二倍频晶体模组的正视图。所述 二倍频晶体模组的结构与三倍频晶体模组相同，即，自由度的调节也一样，二倍频晶体每个 转动自由度的调节固定都不影响另外两个自由度，非常的方便灵活。同样，每个自由度的调 节要配合二倍频晶体的温度调节。
[0072] 具体的，请参阅图9和图10，所述二倍频晶体座包括二倍频晶体底座120、第二支撑 板130、第二固定块140和第二组合圆柱体150;所述二倍频晶体底座120上设置有至少三个 螺纹孔121(本实施例为4个），所述二倍频晶体底座120通过与所述螺纹孔121适配的固定螺 钉固定在所述激光器腔体内；所述第二支撑板130竖直设置在所述二倍频晶体底座120上， 所述第二支撑板130上设置有一个销钉孔131、至少两个螺纹孔132,所述第二固定块140的 左侧面上设置有与所述销钉孔131适配的圆柱凸起141，所述第二固定块140通过与第二支 撑板130上的螺纹孔132适配的螺钉固定在第二支撑板上130;所述第二固定块140内设置有 用于容纳所述第二组合圆柱体150的第二通孔142,所述第二通孔142的一端开设在第二固 定块140的正面，所述第二通孔142的另一端开设在第二固定块140的反面;所述第二固定块 140的顶面设置有螺纹孔143,所述第二固定块140顶面的螺纹孔143与所述第二通孔142连 通，所述第二组合圆柱体150通过与第二固定块140顶面上的螺纹孔143适配的压紧螺钉固 定在所述第二通孔142内；所述第二组合圆柱体150的圆心处设置有用于固定所述二倍频晶 体110的第二方孔160。所述第二固定块140的右侧面上设置有用于调节第二组合圆柱体150 转动的第二调节螺纹孔144。
[0073] 二倍频晶体110固定在第二方孔160内，它们之间的缝隙也是用导热膏来填充，即， 所述二倍频晶体110与第二方孔160之间的间隙设置(填充)有导热膏，以保证二倍频晶体导 热快速、均匀。二倍频晶体两端面的四周用硅橡胶圈密封起来，即，硅橡胶圈将二倍频晶体 两端面与第二方孔160之间的缝隙密封，防止导热膏干燥后污染晶体的端面。缝隙之间填上 导热膏后，所述第二方孔160的尺寸保证能将二倍频晶体牢固固定住。因为二倍频晶体与二 倍频晶体座(为铜座)热接触良好，温控更加迅速，紫外激光输出更稳定。
[0074] 所述第二组合圆柱体150包括第三瓣体151和第四瓣体152,所述第三瓣体151和第 四瓣体152的径向截面为半圆形，所述第三瓣体151的直边侧和第四瓣体152的直边侧均设 置有矩形凹槽，所述第三瓣体151的矩形凹槽和第四瓣体152的矩形凹槽组合成所述第二方 孔160;所述第三瓣体151和第四瓣体152内均设置有第二安装孔1510,所述第二安装孔1510 内安装有温度传感器和用于给所述二倍频晶体加热的导线。所述第三瓣体151中的第二安 装孔1510与第四瓣体152中的第二安装孔1510对称设置，使得二倍频晶体的加热温度可以 控制得比单边温控方式更均匀，实际上提高了紫外激光的转换效率。由于所述二倍频晶体 座与三倍频晶体座的结构大致相同，调节三个自由度旋转的方式相同，故其他特征和自由 度的调节在此不再赘述。
[0075]进一步的，所述反射尾镜11安装在二维调整镜架上，它的调节通过镜架的两个微 调螺杆实现。尾镜的调节配合三倍频晶体和二倍频晶体的三个转动自由度调节。
[0076]采用本实用新型提供的紫外激光器，在栗浦激光二极管温度25摄氏度，电流35A， 激光器重复频率30kHz情况下，355nm紫外激光输出功率达到IOW，2小时内功率稳定度± 3%， 输出激光M2因子1.25，输出的紫外激光的光斑基本为圆形。
[0077]综上所述，本实用新型提供的紫外激光器，栗浦激光二极管采用带SMA-905接头输 出形式，省掉了传输光纤，结构更简单;二极管放在激光器内部，使得激光电源和激光器可 以分离，拆装更方便。激光晶体散热热耦合采用导热膏，热接触严密无遗漏，能够极大减小 激光晶体的热透镜及热致双折射效应，l〇64nm基频激光基模输出能量更大，光束质量更好， 动态运行范围更宽，也更稳定。从而产生的紫外激光效率更高，光束质量更好，功率稳定度 也更高。二倍频晶体和三倍频晶体三个转动自由度调节固定采用分开调节固定方式，每个 自由度调节不影响其余两个自由度，调节非常快速方便，效率更高，调节的效果更好。
[0078]当然，在其他实施例中，所述栗浦激光二极管还可以采用输出波长880nm的二极 管，即，所述栗浦激光的波长还可以是880nm，和输出波长808nm的激光二极管相比，因为激 光晶体激活离子M3+吸收该波长光子直接跃迀到激光上能级，省略了先跃迀到高能级再跃 迀到激光上能级这一过程的非辐射跃迀，减小了激光晶体的热效应，导致l〇64nm激光的输 出效率提高，从而也提高了紫外激光的输出效率。激光晶体还可以采用两端带不参杂端帽 的YV04-Nd:YV04- YV04晶体，这样比单独用Nd:YV04激光晶体热效应可以减小20%~30%，基 频激光输出效率可以提高20%以上。或者采用YAG-Nd: YAG-YAG激光晶体加偏振片的方式，热 效应也可以减小20%以上。
[0079]进一步的，请参阅图11、图12和图13，所述绿光吸收池12包括吸收池12a和设置在 吸收池12a内的锥状凸起12b。所述吸收池12a的开口朝向绿激光的入射方向。所述吸收池 12a的内壁涂有吸光材料(优选为吸收绿光的材料），或者所述吸收池12a由吸光材料制成， 绿激光入射到锥状凸起12b上后，经过锥状凸起12b的外部与吸收池12a的内壁的多次反射 后（如图13所示），将不会再有杂散的光束溢出吸收池12a，因此对杂散光束的吸收效率较 高，避免了杂散光束溢出影响激光器内其他光学器件。
[0080]更进一步的，所述吸收池12a为圆柱形，即，所述吸收池12a为圆柱形凹槽。所述锥 状凸起12b为圆锥凸起，圆锥凸起与圆柱形凹槽之间形成的通路可最大限度的提高绿激光 的光程，提高吸收效率。所述绿光吸收池12还包括吸收池底座12c，所述吸收池12a设置在所 述吸收池底座12c上，所述吸收池底座12c为矩形，其米用错制成。
[0081]可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案及 其实用新型构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本实用新型所附的 权利要求的保护范围。
【主权项】
1. 一种紫外激光器，包括激光器腔体，其特征在于，所述激光器腔体内设置有： 第一栗浦激光光源； 第二栗浦激光光源； 第一镜片； 第二镜片； 激光晶体模块； 红外激光全反镜； 声光Q开关； 三倍频晶体模组，包括三倍频晶体和三倍频晶体座，所述三倍频晶体固定在三倍频晶 体座上，通过三倍频晶体座可调节三倍频晶体的三个转动自由度； 二倍频晶体模组，包括二倍频晶体和二倍频晶体座，所述二倍频晶体固定在二倍频晶 体座上，通过二倍频晶体座可调节二倍频晶体的三个转动自由度； 反射尾镜； 用于吸收绿激光的绿光吸收池； 所述第一栗浦激光光源发出的栗浦激光经过第一镜片进入到激光晶体模块中，所述第 二栗浦激光光源发出的栗浦激光经过第二镜片进入到激光晶体模块中；所述第一栗浦激光 光源发出的栗浦激光与所述第二栗浦激光光源发出的栗浦激光在激光晶体模块中产生基 模振荡并输出基频激光，所述红外激光全反镜将基频激光反射到声光Q开关中，声光Q开关 将连续的基频激光调制为脉冲基频激光并输出;所述脉冲基频激光依次穿过所述三倍频晶 体、二倍频晶体后，经反射尾镜反射回二倍频晶体中；所述二倍频晶体产生绿激光，并输出 到三倍频晶体中，由所述三倍频晶体产生紫外激光;三倍频晶体中未被转换成紫外激光的 绿激光出射到绿光吸收池中，被绿光吸收池吸收。2. 根据权利要求1所述的紫外激光器，其特征在于，所述激光晶体模块包括晶体座和设 置在晶体座内的激光晶体，所述激光晶体与晶体座之间设置有导热膏。3. 根据权利要求2所述的紫外激光器，其特征在于，所述晶体座包括基座、横截面为L形 的凸起和横截面为倒L形的挡块;所述凸起固定在所述基座上，所述挡块设置在所述凸起 上，所述凸起和挡块之间形成用于固定所述激光晶体的通道;所述导热膏设置在激光晶体 与所述通道之间的缝隙中。4. 根据权利要求3所述的紫外激光器，其特征在于，所述激光晶体两端面与所述通道之 间设置有用于密封所述通道内的导热膏的硅橡胶圈。5. 根据权利要求1所述的紫外激光器，其特征在于，所述三倍频晶体座包括三倍频晶体 底座、第一支撑板、第一固定块和第一组合圆柱体;所述三倍频晶体底座上设置有至少三个 螺纹孔，所述三倍频晶体底座通过与所述螺纹孔适配的固定螺钉固定在所述激光器腔体 内；所述第一支撑板竖直设置在所述三倍频晶体底座上，所述第一支撑板上设置有一个销 钉孔、至少两个螺纹孔，所述第一固定块的左侧面上设置有与所述销钉孔适配的圆柱凸起， 所述第一固定块通过与第一支撑板上的螺纹孔适配的螺钉固定在第一支撑板上;所述第一 固定块内设置有用于容纳所述第一组合圆柱体的第一通孔，所述第一通孔的一端开设在第 一固定块的正面，所述第一通孔的另一端开设在第一固定块的反面;所述第一固定块的顶 面设置有螺纹孔，所述第一固定块顶面的螺纹孔与所述第一通孔连通，所述第一组合圆柱 体通过与第一固定块顶面上的螺纹孔适配的压紧螺钉固定在所述第一通孔内；所述第一组 合圆柱体的圆心处设置有用于固定所述三倍频晶体的第一方孔。6. 根据权利要求5所述的紫外激光器，其特征在于，所述第一组合圆柱体包括第一瓣体 和第二瓣体，所述第一瓣体和第二瓣体的径向截面为半圆形，所述第一瓣体的直边侧和第 二瓣体的直边侧均设置有矩形凹槽，所述第一瓣体的矩形凹槽和第二瓣体的矩形凹槽组合 成所述第一方孔;所述第一瓣体和第二瓣体内均设置有第一安装孔，所述第一安装孔内安 装有温度传感器和用于给所述三倍频晶体加热的导线。7. 根据权利要求5所述的紫外激光器，其特征在于，所述三倍频晶体与第一方孔之间的 间隙设置有导热膏。8. 根据权利要求1所述的紫外激光器，其特征在于，所述二倍频晶体座包括二倍频晶体 底座、第二支撑板、第二固定块和第二组合圆柱体;所述二倍频晶体底座上设置有至少三个 螺纹孔，所述二倍频晶体底座通过与所述螺纹孔适配的固定螺钉固定在所述激光器腔体 内；所述第二支撑板竖直设置在所述二倍频晶体底座上，所述第二支撑板上设置有一个销 钉孔、至少两个螺纹孔，所述第二固定块的左侧面上设置有与所述销钉孔适配的圆柱凸起， 所述第二固定块通过与第二支撑板上的螺纹孔适配的螺钉固定在第二支撑板上;所述第二 固定块内设置有用于容纳所述第二组合圆柱体的第二通孔，所述第二通孔的一端开设在第 二固定块的正面，所述第二通孔的另一端开设在第二固定块的反面;所述第二固定块的顶 面设置有螺纹孔，所述第二固定块顶面的螺纹孔与所述第二通孔连通，所述第二组合圆柱 体通过与第二固定块顶面上的螺纹孔适配的压紧螺钉固定在所述第二通孔内；所述第二组 合圆柱体的圆心处设置有用于固定所述二倍频晶体的第二方孔。9. 根据权利要求8所述的紫外激光器，其特征在于，所述第二组合圆柱体包括第三瓣体 和第四瓣体，所述第三瓣体和第四瓣体的径向截面为半圆形，所述第三瓣体的直边侧和第 四瓣体的直边侧均设置有矩形凹槽，所述第三瓣体的矩形凹槽和第四瓣体的矩形凹槽组合 成所述第二方孔;所述第三瓣体和第四瓣体内均设置有第二安装孔，所述第二安装孔内安 装有温度传感器和用于给所述二倍频晶体加热的导线。10. 根据权利要求1所述的紫外激光器，其特征在于，所述第一栗浦激光光源包括第一 栗浦激光二极管、第一 SMA-905接头和用于对第一栗浦激光二极管发出的栗浦激光进行准 直聚焦的第一耦合镜组;所述第一栗浦激光二极管与所述第一 SMA-905接头连接，所述第一 栗浦激光二极管通过所述第一 SMA-905接头出射栗浦激光，所述第一耦合镜组设置在所述 栗浦激光的光路上。
【文档编号】H01S3/109GK205543662SQ201620084847
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年1月28日
【发明人】肖磊, 赵建涛, 徐地华
【申请人】昆山市正业电子有限公司