专利名称：一种用于减轻ktp晶体灰迹效应的装置及方法
技术领域：
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种用于减轻KTP晶体灰迹效应的装 置及方法。
背景技术：
在激光技术领域，通过非线性频率转换的方式将Nd:YAG激光输出的 1064nrn激光束二倍频转换为532nm的绿光，是获得绿光输出的简单易行的方 法。倍频过程中只有将入射光束以比较小的半径会聚在KTP晶体中，提高基频 光的峰值功率密度，才能获得较高的倍频转换效率。但是在使用调Q方式工作 的激光器作为基频光源时，如果会聚光束半径过小，就会在KTP晶体中产生灰 迹效应。灰迹效应产生后，不仅会降低倍频转换效率，还会降低绿光的光束质 量。而且灰迹效应形成后，会造成KTP晶体在整个可见光光谱范围内吸收系数 的增加，在对1064nm激光倍频的过程中，还可能造成KTP晶体的损伤。
现有技术在使用KTP晶体倍频时，通常采用单透镜会聚的方式，并将KTP 晶体的前表面置于入射光经透镜会聚后的焦点处。如果在倍频过程中产生了灰 迹效应，则将会聚透镜更换为焦距更长的透镜，从而增大在焦点处的入射光光 束半径，进而消除灰迹效应。这种技术虽然可以避免灰迹效应的产生，但同时 也降低了绿光的输出功率和倍频转换效率。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种用于减轻KTP晶体灰 迹效应的装置及方法。使用本发明的装置和方法可以提高激光倍频转换效率同 时又可以获得好的绿光光束质量。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的 一种用于减轻KTP晶体灰迹 效应的装置，它主要由在同一光轴上依次放置的第一透镜、第二透镜和KTP晶 体组成；其中，所述第一透镜和第二透镜组成望远镜系统，第一透镜和第二透镜的焦距分别为f产30 500mm、 f产15 500mm。第一透镜1和第二透镜2之间的 距离为d「 &+ f2=45 1000mm。
一种应用上述装置来减轻KTP晶体灰迹效应的方法，包括以下步骤
1) 选择某一望远镜系统会聚比(fVf2)，使入射激光束经过望远镜系统后产 生会聚，由远及近地将KTP晶体向激光束的会聚点靠近，直到产生灰迹效应为 止，记录下整个过程中不产生灰迹效应的最高的绿光输出功率和倍频转换效率。
2) 如果在步骤1中始终未产生灰迹效应，则增加望远镜系统的会聚比，将 入射激光束进一步会聚，重复步骤l，记录下整个过程中不产生灰迹效应的最高 的绿光输出功率和倍频转换效率。
3) 如果在步骤1中过早产生灰迹效应导致倍频转换效率较低，则可以增加 或者减小望远镜系统的会聚比，重复步骤l，记录下整个过程中不产生灰迹效应 的最高的绿光输出功率和倍频转换效率。
4) 重复步骤2、 3，直至在不产生灰迹效应的条件下获得最高的绿光输出功 率和倍频转换效率。
本发明具有的有益效果是本发明可以避免晶体中产生灰迹效应，从而获 得较高的倍频效率和好的绿光光束质量。装置简单，没有任何特殊的光学元件， 使用普通的商用透镜即可实现。方法操作简单，只需要由远及近地连续调节KTP 晶体和会聚系统之间的距离，即可以获得最佳的结果。
图1是本发明用于减轻KTP晶体灰迹效应的装置的结构示意图； 图2是实施例1采用会聚比为4:3的望远镜系统得到的绿光输出功率及灰迹效 应产生的效果图3是实施例2采用会聚比为2:1的望远镜系统得到的绿光输出功率及灰迹效 应产生的效果图。
具体实施例方式
本发明的原理是使用KTP晶体进行倍频的过程中，是否产生灰迹效应取 决于绿光光强的强弱。KTP晶体中绿光的光强是逐步增加的，在KTP晶体的出 射面处绿光的光强达到最大值。为了消除灰迹效应，就需要增加KTP晶体出射 面处绿光的光束半径。同时，为了获得高的倍频转换效率，又要求在KTP晶体入射面上基频光的光束半径比较小。因此，本发明在使用KTP晶体进行倍频的 过程采用了强会聚的方式，并且没有将KTP晶体置于入射光经过会聚系统后的 焦点处，而是从远离焦点的位置处由远及近地连续调节KTP晶体和会聚系统之 间的距离，直至在不产生灰迹效应的条件下获得最高的绿光输出功率和倍频转 换效率。
下面根据附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
如图l所示，本发明用于减轻KTP晶体灰迹效应的装置主要由在同一光轴 上依次放置的第一透镜l、第二透镜2和KTP晶体3组成。
所述的第一透镜1和第二透镜2组成望远镜系统，第一透镜1和第二透镜2 的焦距分别为f产30 500mm， f2=15~500mm，第一透镜1和第二透镜2之间的距 离为d产f2=45 1000mm。
本发明用于减轻KTP晶体灰迹效应的方法包括以下步骤-
1) 选择某一望远镜系统会聚比(&zT2)，使入射激光束经过望远镜系统后产 生会聚，由远及近地将KTP晶体向激光束的会聚点靠近，直到产生灰迹效应为 止，记录下整个过程中不产生灰迹效应的最高的绿光输出功率和倍频转换效率；
2) 如果在步骤1中始终未产生灰迹效应，则增加望远镜系统的会聚比，将 入射激光束进一步会聚，重复步骤l，记录下整个过程中不产生灰迹效应的最高 的绿光输出功率和倍频转换效率；
3) 如果在步骤1中过早产生灰迹效应导致倍频转换效率较低，则可以增加 或者减小望远镜系统的会聚比，重复步骤l，记录下整个过程中不产生灰迹效应 的最高的绿光输出功率和倍频转换效率；
4) 重复步骤2、 3，直至在不产生灰迹效应的条件下获得最高的绿光输出功 率和倍频转换效率。
下面根据具体实施例进一歩说明本发明。 实施例1:
在实验中使用的基频光光源为Nd:YAG激光器，以声光调Q方式工作，重 复频率6kHz 15kHz可调，脉冲宽度150ns 250ns，输出功率48W 61W。所使 用的KTP晶体的尺寸为5X5X15mm，晶体的切角为6>=90° ， 0=23.5° ,放 置在加热炉中，温度控制恒定在60°C。望远镜系统中第一透镜1的焦距为 f产200mm，到激光器输出镜的距离为200mm，通过改变第二透镜2的焦距6来 改变望远镜系统的会聚比，从而控制KTP晶体中的激光光束半径，第一透镜l 和第二透镜2之间的距离为f2。
KTP晶体3的前表面到第二透镜2的距离为d2。图2示出了在望远镜系统为f2=150mm，会聚比(f/f2)为4'.3的情况下，倍频输出的 绿光功率随脉冲重复频率的变化关系。从图2可以看出，绿光的输出功率随着 脉冲重复频率的减小而增加，虽然重复频率的减小会使得基频光的平均功率也 减小，但是单脉冲的峰值功率却增加了，这样会带来倍频效率的增加。在 d产230mm的情况下， 一直未产生灰迹效应，但是绿光输出功率不高，最大值为 13W，造成这样结果的原因是，KTP晶体距离光束焦点处比较远，KTP晶体内 光束半径较大，基频光的功率密度不够高。为了改进实验结果，可以使KTP晶 体更加靠近光束的焦点，即减小KTP晶体中的光束半径，从图2的结果可以看 出，在d2=220mm的情况下，绿光输出功率明显增加，但是随着脉冲重复频率 的进一步减小(图中10kHz 11.5kHz)，产生了明显的灰迹效应。灰迹效应产生 后，输出绿光的光强分布就不再是高斯分布，而是在光束中心出现了空心，测 量得到的光束质量因子为M2=12。如果进一步减小d2值，灰迹效应就变得更加 明显。
因此，采用强会聚的方式倍频， 一个很关键的因素是KTP晶体的前表面到
第二透镜2的距离d2，如果d2过小，会造成明显的灰迹效应，如果d2过大，会
造成倍频效率的降低，其最佳值需要在实验中根据实验结果选择。 实施例2
图3示出了在望远镜系统的会聚比为2:1情况下(第二透镜2的焦距为 100mm)， d2值不同的时候，倍频输出的绿光功率随脉冲重复频率的变化关系。 从图3中可以看出，随着d2的减小，倍频效率也逐渐增加，当d2-170mm时， 倍频效率达到最大值，在9kHz的条件下获得了 18W的绿光，随着脉冲重复频 率的进一步减小，在7.5kHz的情况下出现了灰迹效应。如果继续减小d2值，灰 迹效应就变得更加明显，在这种实验条件下，dfl70mm就是最佳值，即在不产 生灰迹效应的条件下获得了最高的绿光输出功率和倍频转换效率。
使用Spiricon公司的M2-200光束质量分析仪测量了输出绿光的光束质量， 实验测量得到的绿光光束的衍射倍率因子为M2=1.6，输出绿光的远场光强分布 接近理想的高斯分布。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的 精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发 明的保护范围。
权利要求
1. 一种用于减轻KTP晶体灰迹效应的装置，其特征在于，它主要由在同一光轴上依次放置的第一透镜、第二透镜和KTP晶体组成。其中，所述第一透镜和第二透镜组成望远镜系统，第一透镜和第二透镜的焦距分别为f1＝30～500mm、f2＝15～500mm。第一透镜1和第二透镜2之间的距离为d1＝f1+f2＝45～1000mm。
2. —种应用权利要求1所述装置来减轻KTP晶体灰迹效应的方法，其特征在于， 包括以下步骤1) 选择某一望远镜系统会聚比使入射激光束经过望远镜系统后产 生会聚，由远及近地将KTP晶体向激光束的会聚点靠近，直到产生灰迹效应为 止，记录下整个过程中不产生灰迹效应的最高的绿光输出功率和倍频转换效率。2) 如果在步骤1中始终未产生灰迹效应，则增加望远镜系统的会聚比，将 入射激光束进一步会聚，重复步骤l，记录下整个过程中不产生灰迹效应的最高 的绿光输出功率和倍频转换效率。3) 如果在步骤1中过早产生灰迹效应导致倍频转换效率较低，则可以增加 或者减小望远镜系统的会聚比，重复步骤l，记录下整个过程中不产生灰迹效应 的最高的绿光输出功率和倍频转换效率。4) 重复步骤2、 3，直至在不产生灰迹效应的条件下获得最高的绿光输出功 率和倍频转换效率。
全文摘要
本发明一种用于减轻KTP晶体灰迹效应的装置及方法，该装置主要由在同一光轴上依次放置的第一透镜、第二透镜和KTP晶体组成，本发明可以避免晶体中产生灰迹效应，从而获得较高的倍频效率和好的绿光光束质量。装置简单，没有任何特殊的光学元件，使用普通的商用透镜即可实现。方法操作简单，只需要由远及近地连续调节KTP晶体和会聚系统之间的距离，即可以获得最佳的结果。
文档编号H01S3/109GK101431214SQ200810163439
公开日2009年5月13日 申请日期2008年12月22日 优先权日2008年12月22日
发明者崇 刘, 葛剑虹, 军 陈 申请人:浙江大学