专利名称：三次谐波激光的产生方法
技术领域：
本发明涉及激光的产生方法，特别涉及三次谐波激光的产生方法。
技术背景近几年来，国际上激光精细加工发展极为迅速，其市场产值超过激光标记， 已成为仅次于激光切割与焊接的主要激光产业，而短波长高功率紫外激光由于 具有高分辨率和高吸收的特点，是激光精细加工的重要发展方向。现有技术三次谐波激光产生方式可归类为三种。第一种是二倍频、三倍频 非线性晶体都在激光谐振腔外。基波光由泵浦源输出后首先作用在二倍频非线 性晶体上，产生二次谐波激光，然后基波光与二次谐波激光共同作用在三倍频 非线性晶体上进行和频，产生三次谐波激光。参见美国专利第US6115402,US5835513号。该种方式由于采用腔外倍频技术，激光功率密度仅 为腔内的20%左右，倍频效率较低。为提高作用在三倍频非线性晶体上的功率 密度常采取聚焦方式，导致三倍频非线性晶体膜层容易破坏，激光寿命短。目 前工业产品一般采用隔段时间移动三倍频非线性晶体，避免聚焦光斑长时间作 用在一点上的方式延长膜层寿命，结构复杂，控制精密。第二种是二倍频非线 性晶体放腔内，三倍频非线性晶体在腔外，请参见美国专利第US6241720, US6229859号。该方式优点是二倍频在腔内，光转换效率高，缺点同第一种方 式。由于三倍频仍然在腔外，聚焦方式避免不了，膜层破坏问题仍然存在。第 三种是二倍频，三倍频都在腔内。见美国专利第US5278852， US5943351号。 该方式优点在于利用腔内高功率密度，无须聚焦方式即可产生高光转换效率的
三次谐波。但却存在基波损耗大和整个谐振腔的稳定性差的缺点。 发明内容本发明所欲解决的技术问题是提供一种能获得稳定、光转换效率高、非线 性晶体使用寿命长、易产品化的三次谐波激光的产生方法。本发明的目的可以通过以下技术方案实现 一种三次谐波激光的产生方法，包括泵浦源、Q开关、二倍频非线性晶体、 三倍频非线性晶体及多个反射镜，泵浦源泵浦产生的高功率密度基波光作用到 二倍频非线性晶体上产生二次谐波激光，该产生的二次谐波激光和泵浦源泵浦 产生的高功率密度基波光同时射入三倍频非线性晶体上进行和频，产生三次谐 波激光输出激光谐振腔外，二倍频非线性晶体、三倍频非线性晶体和泵浦源皆 置于激光谐振腔内，激光谐振腔为封闭或内反射振荡腔。 三倍频非线性晶体处于激光谐振腔的粗光腰处。基波光在激光谐振腔内多次全反射，二次谐波激光在激光谐振腔内 一次反 射，基波光和二次谐波激光单次通过三倍频非线性晶体产生单束高转换效率的 三次谐波激光输出。二次谐波激光和三次谐波激光通过三倍频非线性晶体后同时输出，用光学 组件转换方向、分光后输出三次波激光。用于转换方向的光学组件是反射镜，用于分光的光学组件是光学棱镜。激光谐振腔内光腰处设置限模小孔，保证基模三次谐波输出。激光谐振腔内在激光振荡的光路上还安装有偏振片。所使用的二倍频非线性晶体可以为I类LBO或I类BBO或I类CLBO。 所使用的三倍频晶体为I类LBO或I类BBO或I类CLBO或II类LBO或 II类BBO或II类CLBO等非线性晶体。
所使用的基波激光介质为Nd: YAG或Nd:YV04或Nd:YLF或Nd: Glass 或Yb: YAG或Er: YAG等晶体。采用泵浦光源为大功率半导体激光二极管侧面泵浦或二极管端面纵向泵浦 或氪灯、氤灯侧面泵浦。所述Q开关为声光开关或电光开关或饱和激收型被动Q开关。激光谐振腔为小角度折叠腔结构或45Q角折叠腔结构或布鲁斯特角折叠腔 结构。本发明能达到的技术效果是一是采用二倍频，三倍频均在腔内的倍频方式，利用腔内高能量密度，提 高光转换效率。二是设计了光腰与三倍频非线性晶体腔内位置，使腔内粗光腰正好通过晶体中心，避免三倍频非线性晶体膜层破坏，提高激光寿命。 三是在光腰处设小孔光阑限模，改善激光模式。 四是谐振腔结构简单，调节方便，稳定性好，易工业化生产。
下面结合附图和实验对本发明进一步说明 图l为本发明原理示意图； 图2为本发明光学谐振腔的模拟计算结果图； 图3为本发明实验获得三次谐波功率曲线图； 图4为本发明实验获得三次谐波光场图。
具体实施方法
三次谐波激光的产生方法原理如图1所示。基波为波长1064nm的振荡器， 由泵浦源5、 Q开关3、偏振片4、限模小孔2、端面全反射镜l、 9、 45度反射 镜6组成。泵浦源5采用大功率激光二极管列阵侧面泵浦的Nd: YAG棒，计算 和测量了在不同泵浦功率下，Nd: YAG棒的热透镜效应，用光学矩阵方法计算 了激光谐振腔内高斯模传递的空间分布，设计了最佳腔长和端面全反射镜1、 9 的曲率，使红外激光谐振腔在热透镜大范围变化下仍然保持稳定的振荡。计算 结果如图2所示。限模小孔2置于靠近端面全反射镜1的光腰处，以控制基波 在单模振荡。在靠近端面全反射镜9的另一个光腰，则放置二倍频非线性晶体8。 由于红外激光腔为封闭或内全反射振荡，且与高功率泵浦的热透镜平衡，因此 有很高的腔内功率密度。Q开关3为光电开关，可以为声光开关或电光开关或 饱和激收型被动Q开关。二倍频非线性晶体8可以为I类LBO或I类BBO或 I类CLBO等其他非线性晶体。二次谐波波长为532nm，由I类二倍频非线性晶体8、端面全反射镜1、 9 和45度镜6组成。45度镜6镀1064nm高透射和355nm、 532nm高反射三色膜。 二次谐波激光形成过程如下从端面全反射镜1方向来的基波光，在二倍频非 线性晶体8中产生二次谐波激光，二次谐波激光经端面全反射镜9全反射，与 从端面全反射镜9全反射的基波光共同作用到三倍频非线性晶体7上，再从45 度镜6全反射输出。三次谐波波长为355nm，由三倍频非线性晶体7、 45度镜6和分光棱镜10 组成，为单程通过非线性晶体反射输出结构，具有低损耗、单光束输出特点。 形成过程如下从端面全反射镜9方向来的基波光和二次谐波激光同时入射到 三倍频非线性晶体7上，和频产生三次谐波激光，该三次谐波激光和剩余的二 次谐波激光经45度镜6反射输出，经分光棱镜10分光后输出，即得到三次谐 波激光。设计三倍频非线性晶体7处于腔内粗光腰处，避免腔内过高功率密度 作用在三倍频非线性晶体7上造成三倍频非线性晶体7表面膜层破坏，提高激 光器寿命。腔内光腰处设置小孔光阑限模，保证基模三次谐波输出。所使用的三倍频非线性晶体7为I类LBO或I类BBO或I类CLBO或II类LBO或II类 BBO或II类CLBO等非线性晶体。本发明所使用的基波激光介质为Nd: YAG或Nd:YV04或Nd:YLF或Nd: Glass或Yb: YAG或Er: YAG等晶体。采用泵浦光源为大功率半导体激光二极 管侧面泵浦或二极管端面纵向泵浦或氪灯、氙灯侧面泵浦。激光谐振腔结构可 为小角度折叠腔结构或45°角折叠腔结构或布鲁斯特角折叠腔结构。腔内可能加 入如l/2波片，透镜等光学组件。综上可知，基波光在谐振腔内多次全反射，二次谐波激光在谐振腔内一次 反射，基波光和二次谐波激光单次通过三倍频非线性晶体产生单束高转换效率 的三次谐波激光输出。二次谐波激光和三次谐波激光同时输出，用光学组件分 光，即得到所需的三次谐波激光。 实验结果根据上述技术方案，建立了大功率二极管激光列阵侧面泵浦Nd: YAG激光 腔内三倍频实验装置。实验结果如图3、图4所示，图3为不同输入电流所对应 的三次谐波功率和脉冲宽度变化曲线的实验结果(频率为IOKHZ)。图4为实验 测得的三次谐波光场分布图。
权利要求
1、一种三次谐波激光的产生方法，包括泵浦源、Q开关、二倍频非线性晶体、三倍频非线性晶体及多个反射镜，其特征在于泵浦源泵浦产生的高功率密度基波光作用到二倍频非线性晶体上产生二次谐波激光，该产生的二次谐波激光和泵浦源泵浦产生的高功率密度基波光同时射入三倍频非线性晶体上进行和频，产生三次谐波激光输出激光谐振腔外，二倍频非线性晶体、三倍频非线性晶体和泵浦源皆置于激光谐振腔内，激光谐振腔为封闭或内反射振荡腔。
2、 根据权利要求1所述的三次谐波激光的产生方法，其特征是三倍频非 线性晶体处于激光谐振腔的粗光腰处。
3、 根据权利要求1所述的三次谐波激光的产生方法，其特征是基波光在 激光谐振腔内多次全反射，二次谐波激光在激光谐振腔内一次反射，基波光和 二次谐波激光单次通过三倍频非线性晶体产生单束高转换效率的三次谐波激光 输出。
4、 根据权利要求1或3所述的三次谐波激光的产生方法，其特征是二次 谐波激光和三次谐波激光通过三倍频非线性晶体后同时输出，用光学组件转换 方向、分光后输出三次波激光。
5、 根据权利要求4所述的三次谐波激光的产生方法，其特征是用于转换 方向的光学组件是反射镜，用于分光的光学组件是光学棱镜。
6、 根据权利要求1所述的三次谐波激光的产生方法，其特征是激光谐振 腔内光腰处设置限模小孔，保证基模三次谐波输出。
7、 根据权利要求1所述的三次谐波激光的产生方法，其特征是激光谐振 腔内在激光振荡的光路上还安装有偏振片。
8、 根据权利要求1所述的三次谐波激光的产生方法，其特征是所使用的 二倍频非线性晶体可以为I类LBO或I类BBO或I类CLBO。
9、 根据权利要求1所述的三次谐波激光的产生方法，其特征是所使用的 三倍频晶体为I类LBO或I类BBO或I类CLBO或II类LBO或II类BBO或 II类CLBO等非线性晶体。
10、 根据权利要求1所述的三次谐波激光的产生方法，其特征是所使用的基波激光介质为Nd: YAG或Nd:YV04或Nd:YLF或Nd: Glass或Yb: YAG 或Er: YAG等晶体。
11、 根据权利要求1所述的三次谐波激光的产生方法，其特征是采用泵 浦光源为大功率半导体激光二极管侧面泵浦或二极管端面纵向泵浦或氪灯、氙 灯侧面泵浦。
12、 根据权利要求1所述的三次谐波激光的产生方法，其特征是所述Q开关为声光开关或电光开关或饱和激收型被动Q开关。
13、 根据权利要求1所述的三次谐波激光的产生方法，其特征是激光谐 振腔为小角度折叠腔结构或45G角折叠腔结构或布鲁斯特角折叠腔结构。
全文摘要
本发明涉及一种三次谐波激光的产生方法，包括泵浦源、Q开关、二倍频非线性晶体、三倍频非线性晶体及多个反射镜，泵浦源泵浦产生的高功率密度基波光作用到二倍频非线性晶体上产生二次谐波激光，该产生的二次谐波激光和泵浦源泵浦产生的高功率密度基波光同时射入三倍频非线性晶体上进行和频，产生三次谐波激光输出激光谐振腔外，二倍频非线性晶体、三倍频非线性晶体和泵浦源皆置于激光谐振腔内，激光谐振腔为封闭或内反射振荡腔。本发明研制出二极管列阵侧面泵浦紫外355nm激光器，得到基模、光转换效率高、寿命长的紫外355nm激光输出。
文档编号G02F1/37GK101119009SQ20061003684
公开日2008年2月6日 申请日期2006年7月31日 优先权日2006年7月31日
发明者路绪鹏, 陈莉英, 马淑贞, 高云峰 申请人:深圳市大族激光科技股份有限公司