专利名称：一种用于产生高功率倍频激光的倍频装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种激光倍频装置，特别涉及一种用于产生高功率、高光束质量 倍频激光的倍频装置。
背景技术：
使用非线性光学晶体将常用激光波长倍频可以大大扩展激光的波长范围，且由于 倍频系统简单、可靠，目前已经发展为一种实用的技术。获得高功率、高光束质量的倍频激 光输出已成为研究热点之一，具有重要的应用价值。如高功率绿光激光器在医学、通讯、遥 感等方面都有重要的应用，利用非线性光学晶体将Nd: YAG激光倍频，是获得这种激光源的 主要途径。目前主要使用的非线性光学倍频晶体有LB0、KTP、BB0···等。但当产生高功率倍 频激光时，需要对上述非线性光学晶体进行有效的冷却，由于晶体冷却技术的限制，加之这 些非线性光学晶体有潮解性及自身固有的缺点，限制了高功率倍频激光的产生。2002年， 胡章贵等生长出了一种新型的负单轴非线性光学晶体BaAlBO3F2 (以下简称BABF)，见文献 1 :Z. G. Hu,M. Yoshimura,K. Muramatsu, Y. Mori and Τ. Sasaki, "A new nonlinear optical crystal BaAlBO3F2(BABF)，” Jpn. J. App 1. Phys,41,1131-1133(2002)。该 BABF 晶体具有 较大非线性光学系数、不潮解、机械性能好、易于生长等优点。BABF晶体在获得高功率倍 频光输出方面极具潜力，如文献 2 :Yong Zhou, Yinchao Yue, et al, "Nonlinear optical properties of BaAlBO3F2 crystal, "Optical Express, 17, (2009)，20034—20038 Mi 绍。 生长出来BABF晶体结构如图1所示，其光轴垂直于生长解理面，光轴方向具有层状结构，使 用相位匹配方向切割的BABF晶体，基频光光斑及倍频光光斑受到层状结构的影响，得到的 倍频光光斑呈条纹状，光束质量差，如图2所示，难以应用。鉴于其层状结构特性，因此不能 按相位匹配方向切割晶体用于谐波产生。高功率深紫外激光(尤其200nm以下)在光刻、科学研究、材料加工等诸多领域具 有重大应用价值。KBBF晶体直接倍频是目前唯一可有效产生实用化与精密化深紫外激光的 手段。KBBF晶体为负单轴晶体，不潮解，但其具有严重的层状结构特性，不能按相位匹配方 向切割直接使用于深紫外谐波产生。生长出来的KBBF晶体结构同BABF晶体结构相同，如 图1所示。虽然KBBF-PCT(棱镜耦合)技术成功实现了深紫外谐波产生，但是在产生高功 率深紫外倍频激光时，KBBF-PCT器件由于其特殊结构，导致热效应严重，严重限制了高功率 深紫外倍频激光的产生。
发明内容本实用新型的目的在于克服具有层状结构的非线性光学晶体不能按相位匹配方向切割使用于谐波产生 的缺陷，并且解决高功率泵浦情形下，晶体热效应严重的问题；为了获得高光束质量、高平 均功率倍频激光，从而提出一种采用非相位匹配切割的非线性光学晶体，并利用该非线性 光学晶体不潮解的特点，将其浸泡在匹配液中通过液体耦合实现谐波产生相位匹配，并通过恒温循环匹配液体，从而将非线性光学晶体完全冷却，热效应影响降到了最低，可以实现 高功率、高光束质量倍频激光输出的倍频装置。本实用新型的技术方案如下本实用新型提供的用于产生高功率倍频激光的倍频装置，其包括一非线性光学 晶体；其特征在于，还包括匹配液体、一盛装匹配液体的腔体和用以控制所述匹配液体的温度及循环流动的 温控循环装置；所述的非线性光学晶体固定于所述腔体中心并绕腔体垂向中心轴旋转，并浸泡于 所述匹配液体中；所述的非线性光学晶体为单轴晶体，未按激光倍频相位匹配方向切割，不 潮解，其光轴方向具有层状结构，且光轴垂直于晶体生长解理面；所述的生长解理面经光学 抛光后作为激光通光面，所述通光面垂直于水平面；通光面为长方形，长方形的长边平行于 所述晶体的最佳倍频方向，并呈水平状态；所述腔体侧壁上对称地设置与所述非线性光学晶体通光面中心等高的入射光学 窗口及出射光学窗口；所述腔体侧壁上还对称地设置匹配液体进口和匹配液体出口 ；所述的温控循环装置装于连通所述匹配液体进口和匹配液体出口的连接管道上， 以控制所述匹配液体的温度在0到35度之间，并使所述匹配液体沿着所述非线性光学晶体 的通光面呈层流形式的流动态；基频激光水平入射通过入射光学窗口进入匹配液体，在非线性光学晶体的通光面 经液体耦合进入非线性光学晶体，旋转非线性光学晶体以实现倍频相位匹配；产生的倍频 激光，未转换的基频激光通过匹配液体从出射光学窗口耦合射出。所述的非线性光学晶体为KBBF晶体、BABF晶体、RBBF晶体、SBBO晶体、CBBF晶体 或NBBF晶体。所述的匹配液体为具有良好光学性能且折射率接近非线性光学晶体折射率的液 体，包括水，优选去离子水；还包括CC14、CS2、甲醇、乙醇、丙醇、苯、三氯甲烷、乙醚、甘油、松 节油、橄榄油或高折射率透光液体。所述的温控循环装置为可控温的水冷机或可控温水泵。本实用新型将非线性光学晶体完全浸泡于匹配液体中实现激光倍频，匹配液体用 来耦合基频激光进入非线性光学晶体实现倍频相位匹配并沿晶体通光面以层流形式的流 动态恒温流动冷却非线性光学晶体；腔体用来盛装匹配液体，固定晶体及实现晶体精确角 度调谐；液体控温循环系统用来控制匹配液体温度及循环流动匹配液体。非线性光学晶体未按激光倍频相位匹配方向切割，是单轴晶体，不潮解，光轴方向 具有层状结构，且光轴垂直于生长解理面；晶体生长解理面光学抛光后作为激光通光面，通 光面为长方形，长方形的长边平行于所述晶体的最佳倍频方向，并呈水平状态；非线性光学晶体固定于腔体中心并绕腔体垂向中心轴旋转，晶体通光面垂直于水 平面，通光面的长边呈水平状态；腔体内部充满匹配液体，腔体侧壁上对称地设置与所述非 线性光学晶体通光面中心等高的入射光学窗口及出射光学窗口，晶体固定的中心高度同光 学窗口中心高度相同；水平入射的基频激光通过光学窗口进入匹配液体，再在晶体通光面 耦合进入晶体，通过旋转晶体来实现晶体的倍频角度调谐相位匹配，产生的倍频激光及未转换的基频激光再通过匹配液体从出射光学窗口耦合出来；温控循环装置装于连通所述匹 配液体进口和匹配液体出口的连接管道上；匹配液体的温度设置在0到35度之间，沿着晶 体通光面以层流形式恒温流动冷却晶体。在上述的技术方案中，所述非线性光学晶体为KBBF、BABF, RBBF, SBBO, CBBF或 NBBF晶体。在上述的技术方案中，所述的匹配液体为具有良好光学性能且折射率接近所用非 线性光学晶体折射率的液体，包括水，优选去离子水；还包括CC14、CS2、甲醇、乙醇、丙醇、 苯、三氯甲烷、乙醚、甘油、松节油、橄榄油或高折射率透光液体。在上述的技术方案中，所述的温控循环装置为可控温的水冷机或可控温的水泵。本实用新型的用于产生高功率倍频激光的倍频装置具有如下的优点1、由于本实用新型的装置中使用了匹配液体，从而大大扩展了所使用非线性光学 晶体倍频的相位匹配范围；当基频激光从空气中直接耦合进晶体，对于BABF晶体，当基频 激光波长小于930nm时由于全反射，基频光便无法耦合进BABF晶体而实现I类相位匹配， 通过选用具有合适折射率的液体作为匹配液，可以大大扩展BABF晶体的I类相位匹配的 基频光波长范围，如对于水-晶体耦合，可将BABF晶体I类相位匹配的基频光波长扩展至 670nm ；对于KBBF晶体，水耦合可以将KBBF晶体I类相位匹配的基频光截止波长从470nm 扩展至 330nm。2、由于本实用新型的装置中采用液体恒温循环冷却晶体，或者流动冷却晶体，使 得晶体一直维持在最佳温度条件下；特别是在高功率泵浦激光情形下，晶体可以得到充分、 有效的冷却。从而产生高效、高平均功率、高稳定性倍频激光输出。
图1为BABF晶体结构示意图；图2为使用相位匹配方向切割的BABF晶体得到的倍频光532nm光斑；图3为使用本实用新型的倍频装置得到的BABF晶体中倍频光532nm光斑；图如为本实用新型实施例中的一种浸泡非线性光学晶体的腔体结构示意图；图4b为图如的浸泡非线性光学晶体的腔体立体示意图；图如为本实用新型实施例中的一种浸泡非线性光学晶体的腔体中容器上盖和角 度调节机构的关系示意图；图5为本实用新型的用于产生高功率倍频激光的倍频装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型做详细的说明图如为本实用新型一实施例中的浸泡非线性光学晶体的腔体结构示意图；图4b 为图如的浸泡非线性光学晶体的腔体立体示意图；图4c为本实用新型实施例中的一种浸 泡非线性光学晶体的腔体中容器上盖和角度调节机构的关系示意图；图5为本实用新型的 用于产生高功率倍频激光的倍频装置的结构示意图；由图可知，本实用新型提供的用于产 生高功率倍频激光的倍频装置，其包括一非线性光学晶体13，特征在于，还包括匹配液体 5，一盛装匹配液体5的腔体和用以控制所述匹配液体5的温度及循环流动的温控循环装置15 ；所述的非线性光学晶体13固定于所述腔体中心并绕腔体垂向中心轴旋转，并浸 泡于所述匹配液体5中；所述的非线性光学晶体13为单轴晶体，未按激光倍频相位匹配方 向切割，不潮解，其光轴方向具有层状结构，且光轴垂直于晶体生长解理面；所述的生长解 理面经光学抛光后作为激光通光面，所述通光面垂直于水平面；通光面为长方形，长方形的 长边平行于所述晶体的最佳倍频方向，并呈水平状态；所述腔体侧壁上对称地设置与所述非线性光学晶体通光面中心等高的入射光学 窗口 9及出射光学窗口 10 ；所述腔体侧壁上还对称地设置匹配液体进口 11和匹配液体出口 12 ；所述的温控循环装置15装于连通所述匹配液体进口 11和匹配液体出口 12的连 接管道14上，以控制所述匹配液体5的温度在0到35度之间，并使所述匹配液体5沿着所 述非线性光学晶体13的通光面呈层流形式的流动态；基频激光水平入射通过入射光学窗口 9进入匹配液体5，在非线性光学晶体13的 通光面经耦合进入非线性光学晶体，旋转非线性光学晶体13以实现倍频相位匹配；产生的 倍频激光，未转换的基频激光通过匹配液体从出射光学窗口 10耦合射出。所述的非线性光学晶体13为KBBF晶体、BABF晶体、RBBF晶体、SBBO晶体、CBBF 晶体或NBBF晶体。所述的匹配液体5为具有良好光学性能且折射率接近非线性光学晶体折射率的 液体，包括水，优选去离子水；还包括CC14、CS2、甲醇、乙醇、丙醇、苯、三氯甲烷、乙醚、甘油、 松节油、橄榄油或高折射率透光液体。所述的温控循环装置15为可控温的水冷机或可控温的水泵。实施例1参考图如、图4b、图如和图5，制作一本实用新型的用于产生高功率倍频激光的倍 频装置，用于产生高功率、高光束质量532nm绿激光。本实施例的用于产生高功率倍频激光的倍频装置，其由一块非线性光学晶体13， 匹配液体5、浸泡非线性光学晶体13的腔体(图4b圆筒容器1)及液体循环控温系统15 组成；该非线性光学晶体13为一块BABF晶体，解理面光学抛光处理后作为通光面，尺寸 25 X IOmm2,长边平行于BABF最佳倍频方向；光轴垂直于解理面，晶体沿光轴方向厚度为 5. 99mm ；匹配液体5为高纯去离子水；液体循环控温系统15为控温范围在5_35°C，控温精 度为0. rc的高精度水冷机。本实施例的浸泡非线性光学晶体的腔体由一带有上盖2的圆筒容器1、一固定非 线性光学晶体13用的不锈钢固定架6、一用于调节非线性光学晶体13角度的调节部件组 成；在圆筒容器1内充入用以浸泡非线性光学晶体13的匹配液5，非线性光学晶体13安装 在固定架6上并浸泡在匹配液5中；上盖2由一块不锈钢板做成上下表面带有凸起(如轴 承形)的圆形板，从上盖2上表面凸出部分的顶部至上盖2下表面的凸起向下打一通孔，位 于上表面凸起部分的通孔的上部设有内螺纹，通孔底部直径比上部直径小，上盖2下表面 的凸起的外径与圆筒容器的内径相等；并在下表面的凸起内所打通孔的底部内壁作出一圈 凸台25，凸台25直径为12mm，以便将第二密封圈27放置在凸台25上；上盖2下表面的凸 起插入圆筒容器上口内，并在上盖2下表面与圆筒容器上口之间设有第一密封圈3，上盖2固定在圆筒容器上口，通过第一密封圈3实现水路密封；用于调节非线性光学晶体角度的调节部件由一活动支杆4、一连接杆7、一螺帽23 和一螺旋微调器8组成；其中，活动支杆4为一根不锈钢杆，该活动支杆4的直径为10mm，长 度为27mm，并在活动支杆4上做出一凸环沈；采用市场上购买的真空密封圈做第二密封圈 27和第三密封圈28 ；第二密封圈27放置在通孔中的凸台25上，一垫环对、第三密封圈28 顺序放置在第二密封圈27上；活动支杆4底端穿过上盖2的通孔，并穿过第三密封圈28、 垫环M和第二密封圈27插入圆筒容器1内，该活动支杆上的凸环沈压装在第三密封圈观 上；活动支杆4的直径与上盖2中的通孔相配合，一与活动支杆4上部相配合的螺帽23套 入活动支杆4，并且螺帽23的外螺纹和通孔上口的内螺纹螺合固定成一体，实现通孔的水 路密封；活动支杆4顶端穿出上盖2的顶面，活动支杆4顶端与一连接杆7固定，螺旋微调 器8的头垂直顶在连接杆7的末端侧壁上，并且与连接杆7的末端侧壁垂直固定，通过旋转 螺旋微调器推动连接杆，连接杆带动活动支杆做圆周转动，达到微调非线性光学晶体的固 定架在容器中的角度，以实现非线性光学晶体的角度相位匹配。所述的固定架6为一带有用于夹紧非线性光学晶体的夹具的框架，或带有凹槽可 通过软胶(703或704硅胶)将非线性光学晶体粘接固定的框架，该固定架竖直固定在所述 的活动支杆底端，非线性光学晶体安放在固定架上，且晶体光轴垂直于活动支杆，这是本专 业技术人员可以实施的。在圆筒容器1相对的两个侧壁上，同轴线分别安装一个入射光窗口 9和出射光窗 口 10，入射光窗口 9和出射光窗口 10处于同一高度，；并在该圆筒容器1的侧壁上分别开有 供匹配液体进和出的进水口 11和出水口 12，设置几个进水口 11和出水口 12可以根据具体 需求，例如进水口 11和出水口 12可以分别为1、2、3个都可以。进水口 11和出水口 12中 心轴线平行于圆筒容器1中的非线性光学晶体的解理面方向；该进水口 11和出水口 12分 别通过管道14与外部的温控循环装置15相连，匹配液体流量大小及温度可调，使得匹配液 体以层流形式流过晶体通光面并有效冷却非线性光学晶体；圆筒容器1内的匹配液体通过 连接于进水口、出水口的管道14流动或循环(见图幻，这些都是本专业技术人员可以实施 的。本实施例制作的浸泡非线性光学晶体的腔体用来固定BABF晶体，实现晶体精确角度调 谐保证倍频相位匹配、并保证液体以层流形式沿着晶体通光面流动及将倍频激光耦合出。圆筒容器1的入射光窗口 9及出射光窗口 10均采用未镀增透膜的SiO2窗口，粗 调晶体固定架6与水平方向成46. 7度角的位置，这样水平方向正入射进入射光窗口 9的 1064nm基频光在高纯去离子水中将以43. 3度的入射角射向BABF晶体13的通光面，从而使 得耦合进BABF晶体的1064nm激光同BABF晶体光轴的夹角在34. 2 (倍频相位匹配角)度 附近，再通过旋转外部的螺旋测微器8可以精确微调BABF晶体角度，以达到最佳倍频相位 匹配，从而产生高效率、高功率532nm绿激光输出；匹配液体(去离子水)温由液体控温循 环系统15精确控制在25°C，以保证对BABF晶体在高功率泵浦情形下进行有效冷却，水流量 控制在5L/min，水沿着BABF晶体通光面以层流形式循环；产生的532nm倍频激光及未转换 的1064nm基频激光通过匹配液体(去离子水)及出射光窗口 10耦合出浸泡非线性光学晶 体的腔体。对于本实施例中的用于产生高功率倍频激光的倍频装置，基频光在匹配液中从晶 体生长解理面入射实现倍频相位匹配，倍频激光同样从晶体生长解理面出射，而避开了晶体层状面对光束的影响，如图1所示。利用此倍频装置得到的BABF晶体倍频光532nm光斑 如图3所示，不再为条纹状，光斑质量得到了极大改善，可以满足应用需求。同时，非线性光 学晶体完全浸泡于恒温流动的匹配液中，所以晶体可以得到完全冷却，热效应影响降到了 最低，可以实现高稳定性、高功率、高光束质量倍频激光输出。实施例2参见图5，制作一本实用新型的用于产生高功率倍频激光的倍频装置，用于产生高 功率、高光束质量深紫外激光。非线性光学晶体13为解理面抛光的块状KBBF晶体，解理面为通光面，尺寸 25 X IOmm2,长边平行于KBBF最佳倍频方向；光轴垂直于解理面，晶体沿光轴方向厚度为 3mm ；匹配液体5采用高纯去离子水；浸泡非线性光学晶体的腔体同实施例1相同；液体控 温循环系统15为控温范围在0-35°C，控温精度为0. 1°C的高精度水冷机。浸泡非线性光学晶体的腔体的圆筒容器1内充满高纯去离子水；入射光窗口 9采 用镀增透膜的SiO2窗口，出射光窗口 10采用未镀增透膜的深紫外SiO2窗口 ；387nm基频激 光正入射进入射光窗口 9，然后进入高纯去离子水中，在水中大约以66. 5°的入射角耦合 进入KBBF晶体，进入KBBF晶体后同晶体光轴的夹角大约为55. 6° (此角度为387nm I类 KBBF晶体倍频相位匹配角)，再通过旋转外部的螺旋测微器8可以微调KBBF晶体角度，以 达到最佳倍频相位匹配角，从而产生高效率、高功率193nm激光输出；水温由液体控温循环 系统15精确控制在20°C，以保证对KBBF晶体在高功率泵浦情形下进行有效冷却，水流量控 制在4L/min，水沿着KBBF晶体通光面以层流方式流动；产生的193. 5nm倍频激光及未转换 的387nm基频激光通过去离子水及出射光窗口 10耦合出浸泡非线性光学晶体的腔体以便 应用。本实施例中，采用去离子水耦合，不仅解决了 KBBF晶体由于层状结构不能按相位 匹配方向切割用于深紫外谐波产生的问题；同时，KBBF晶体完全浸泡在恒温流动的去离子 水中，可以得到有效充分的冷却，相对于目前使用的KBBF-PCT器件，晶体的热效应影响降 到了最低，有望产生高稳定性、高平均功率、高光束质量全固态193nm激光，对大规模集成 电路光刻具有重大的应用价值。同样，对于其他波长激光倍频，如对于532nm基频激光，KBBF晶体倍频匹配角为 36.6°，通过调节KBBF晶体在水中的角度，就可以实现高稳定性、高平均功率、高光束质量 紫外激光输出。实施例3参见图5，制作一本实用新型的用于产生高功率倍频激光的倍频装置。本实施例的 非线性光学晶体使用RBBF、SBBO, CBBF或NBBF晶体均可；匹配液体使用CC14、CS2,甲醇、乙 醇、丙醇、苯、三氯甲烷、乙醚、甘油、松节油或橄榄油等均可，其它结构均同实施例1。
权利要求1.一种用于产生高功率倍频激光的倍频装置，其包括一非线性光学晶体，其特征在于， 还包括匹配液体、一盛装匹配液体的腔体和用以控制所述匹配液体的温度及循环流动的 温控循环装置；所述的非线性光学晶体固定于所述腔体中心并可绕腔体垂向中心轴旋转，并浸泡于所 述匹配液体中；所述的非线性光学晶体为单轴晶体，未按激光倍频相位匹配方向切割，不潮 解，其光轴方向具有层状结构，且光轴垂直于晶体生长解理面；所述的生长解理面经光学抛 光后作为激光通光面，所述通光面垂直于水平面；通光面为长方形，长方形的长边平行于所 述晶体的最佳倍频方向，并呈水平状态；所述腔体侧壁上对称地设置与所述非线性光学晶体通光面中心等高的入射光学窗口 及出射光学窗口；所述腔体侧壁上还对称地设置匹配液体进口和匹配液体出口； 所述的温控循环装置装于连通所述匹配液体进口和匹配液体出口的连接管道上，以控 制所述匹配液体的温度在0到35度之间，并使所述匹配液体沿着所述非线性光学晶体的通 光面呈层流形式的流动态；基频激光水平入射通过入射光学窗口进入匹配液体，在非线性光学晶体的通光面经匹 配液体耦合进入非线性光学晶体，旋转非线性光学晶体以实现倍频相位匹配；产生的倍频 激光，未转换的基频激光通过匹配液体从出射光学窗口耦合射出。
2.按权利要求1所述的产生高功率倍频激光的倍频装置，其特征在于所述的非线性 光学晶体为KBBF晶体、BABF晶体、RBBF晶体、SBBO晶体、CBBF晶体或NBBF晶体。
3.按权利要求1所述的产生高功率倍频激光的倍频装置，其特征在于所述的匹配液 体为具有良好光学性能且折射率接近非线性光学晶体折射率的液体，包括水，优选去离子 水；还包括CC14、CS2、甲醇、乙醇、丙醇、苯、三氯甲烷、乙醚、甘油、松节油、橄榄油或高折射 率透光液体。
4.按权利要求1所述的产生高功率倍频激光的倍频装置，其特征在于所述的温控循 环装置为可控温的水冷机或可控温水泵。
专利摘要一种用于产生高功率激光的倍频装置，其包括非线性光学晶体、盛装匹配液腔体和温控循环装置；晶体浸于匹配液中并固定于腔体中心并绕腔体垂向中心轴旋转；晶体光轴方向具层状结构，且垂直于晶体生长解理面；生长解理面经光学抛光后作激光通光面，通光面垂直于水平面；通光面为长方形，长方形长边平行晶体的最佳倍频方向，并呈水平状态；腔体侧壁上对称地设置入射光学窗口及出射光学窗口；腔体侧壁上还对称地设置匹配液体进口和匹配液体出口；温控循环装置装于连通匹配液体进口和匹配液体出口的连接管道上；基频激光水平入射进入匹配液，在通光面经耦合进入晶体，旋转晶体以实现倍频相位匹配产生高平均功率、高光束质量的倍频激光。
文档编号H01S3/109GK201910571SQ20102069294
公开日2011年7月27日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年4月20日
发明者岳银超, 彭钦军, 杨峰, 王佳诺, 胡章贵, 许祖彦 申请人:中国科学院理化技术研究所