本发明涉及光学技术领域，特别是涉及一种激光器的倍频装置。
背景技术：
频率转换是一种扩大高功率激光器的应用范围的有效技术，它利用光学介质在强辐射场下的非线性光学效应产生新的频率。倍频是非线性光学中应用最广泛的技术，一般来说我们希望获得更高的从基频光到倍频光的转化效率。
通常提高倍频过程的转化效率主要有两种途径：（1）增加基频光的峰值功率密度。在给定激光脉冲能量和脉冲宽度的情况下，提高峰值功率密度的方法为缩小光斑的尺寸，这种方法的缺点是当光斑缩小到一定程度时激光的峰值功率密度超过了激光晶体端面镀膜的损伤阈值，导致器件损坏；（2）增加倍频晶体长度。随着基频光在倍频晶体内的转化基频光的峰值功率密度逐渐降低，转化效率下降。所以当倍频晶体长度增加到一定长度时再增加晶体长度倍频效率不会有显著提升。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供了一种激光器的倍频装置，其能够提高激光器倍频过程中的转化率，从而更加适于实用。
为了达到上述第一个目的，本发明提供的激光器的倍频装置的技术方案如下：
本发明提供的激光器的倍频装置包括第一倍频晶体（1）、第一分光镜（2a）、第二分光镜（2b）、第三分光镜（2c）、缩束镜组（3）、第二倍频晶体（4）、扩束镜组（5）、第一半波片（6a）、第二半波片（6b）和偏振分光棱镜（7），
入射光（x1）经过所述第一倍频晶体（1）入射至所述第一分光镜（2a），被所述第一分光镜（2a）分束为第一透射光（x2）和第一反射光（x3），
所述第一透射光（x2）依次经过所述缩束镜组（3）、第二倍频晶体（4）、扩束镜组（5）和第一半波片（6a）后入射至所述第三分光镜（2c），被所述第三分光镜（2c）分束为第二透射光（x6）和第二反射光（x4），所述第二反射光（x4）入射至所述偏振光分光棱镜（7）并被所述偏振光分光棱镜（7）反射形成第三反射光；
所述第一反射光（x3）入射至所述第二分光镜（2b），被所述第二分光镜（2b）反射后得到第四反射光（x5），所述第四反射光（x5）经过所述第二半波片（6b）后入射至所述偏振光分光棱镜（7）并被所述偏振光分光棱镜（7）透射形成第三透射光；
所述第三反射光与所述第三透射光共同形成光束（x7）。
本发明提供的激光器的倍频装置还可采用以下技术措施进一步实现。
作为优选，所述缩束镜组（3）包括第一凸透镜（3a）和第一凹透镜（3b），
所述第一透射光（x2）先经过所述第一凸透镜（2a）后再经过所述第一凹透镜（3b）；
所述第一凸透镜（3a）的主光轴、所述第一凹透镜（3b）的主光轴分别处于所述第一透射光（x2）的光心延长线上。
作为优选，所述扩束镜组（5）包括第二凹透镜（5a）和第二凸透镜（5b），
所述第一透射光（x2）先经过所述第二凹透镜（5a）后再经过所述第二凸透镜（5b）；
所述第二凹透镜（5a）的主光轴、所述第二凸透镜（5b）的主光轴分别处于所述第一透射光（x2）的光心延长线上。
作为优选，所述第一倍频晶体（1）和/或所述第二倍频晶体（4）上由磷酸钛氧钾或者三硼酸锂中的一种物质构成的晶体或者两种物质构成的混合物的晶体制成。
作为优选，所述第一倍频晶体（1）和所述第二倍频晶体（4）均镀有基频光和倍频光的增投膜。
作为优选，所述第一倍频晶体（1）和所述第二倍频晶体（4）的材质相同。
作为优选，所述第二倍频晶体（4）的截面积大于或者等于所述第一倍频晶体（1）的截面积的一半。
作为优选，设所述缩束镜组（3）的缩小倍数为m，所述扩束镜组（5）的扩大倍数为n，则m=n。
作为优选，构成所述缩束镜组（3）的光学元件、构成所述扩束镜组（5）的光学元件上均镀有基频光和倍频光的增透膜。
作为优选，所述第一半波片（6a）、第二半波片（6b）的波长为倍频光波长。
作为优选，所述第一半波片（6a）、第二半波片（6b）上均镀有基频光和倍频光的增透膜。
作为优选，所述偏振分光棱镜上镀有倍频光增透膜。
作为优选，所述第一分光镜（2a）、第二分光镜（2b）、第三分光镜（2c）的反射面均镀有反射率>99.5%的倍频光高反膜，所述第一分光镜（2a）、第二分光镜（2b）、第三分光镜（2c）的两面均镀有透过率>99.5%基频光增透膜。
本发明提供的激光器的倍频装置在应用过程中，基频光通过第一次倍频转化过后程剩余的能量经过缩束后再次进行倍频转化，二次转化得到的倍频光经过扩束后与第一次转化过程得到的倍频光合束后输出以提高倍频效率。此外，采用传统腔外倍频方案受到光学器件损伤阈值的影响一般倍频效率只能到达50%；而采用本发明提供的激光器的倍频装置可以在不损坏光学器件的情况下，举例而言，当缩束镜组的缩小倍数为1.4倍、扩束镜组的扩大倍数也为1.4倍时，其中，第一次倍频转化效率达到50%时，第二次倍频过程中基频光的峰值功率密度达到与第一次倍频过程相同的水平。这样第二次倍频转化过程中可以使剩余基频光的转化效率达到50%，因此，能够使得此时的使倍频效率达到75%。其中，在缩束比例和扩束比例均为1.4倍这个参数下可以实现75%的倍频效率，大于1.4倍频时倍频效率在50～75%之间，小于1.4倍频会导致第二次倍频处的峰值功率密度超过损伤阈值。也就是说，在选择恰当的缩束镜组的缩小倍数、扩束镜组的扩大倍数的情况下，本发明提供的激光器的倍频装置能够显著地提高电光转化效率，同时，还能够降低系统复杂性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例提供的激光器的倍频装置的光学元件及光路示意图。
具体实施方式
本发明为解决现有技术存在的问题，提供一种激光器的倍频装置，其能够提高激光器倍频过程中的转化率，从而更加适于实用。
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的激光器的倍频装置，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，具体的理解为：可以同时包含有a与b，可以单独存在a，也可以单独存在b，能够具备上述三种任一种情况。
参见附图1，本发明实施例提供的激光器的倍频装置包括第一倍频晶体1、第一分光镜2a、第二分光镜2b、第三分光镜2c、缩束镜组3、第二倍频晶体4、扩束镜组5、第一半波片6a、第二半波片6b和偏振分光棱镜7。入射光x1经过第一倍频晶体1入射至第一分光镜2a，被第一分光镜2a分束为第一透射光x2和第一反射光x3。第一透射光x2依次经过缩束镜组3、第二倍频晶体4、扩束镜组5和第一半波片6a后入射至第三分光镜2c，被第三分光镜2c分束为第二透射光x6和第二反射光x4，第二反射光x4入射至偏振光分光棱镜7并被偏振光分光棱镜7反射形成第三反射光。第一反射光x3入射至第二分光镜2b，被第二分光镜2b反射后得到第四反射光x5，第四反射光x5经过第二半波片6b后入射至偏振光分光棱镜7并被偏振光分光棱镜7透射形成第三透射光。第三反射光与第三透射光共同形成光束x7。
本发明提供的激光器的倍频装置在应用过程中，基频光通过第一次倍频转化过后程剩余的能量经过缩束后再次进行倍频转化，二次转化得到的倍频光经过扩束后与第一次转化过程得到的倍频光合束后输出以提高倍频效率。此外，采用传统腔外倍频方案受到光学器件损伤阈值的影响一般倍频效率只能到达50%；而采用本发明提供的激光器的倍频装置可以在不损坏光学器件的情况下，当缩束镜组的缩小倍数为1.4倍、扩束镜组的扩大倍数也为1.4倍时，其中，第一次倍频转化效率达到50%时，第二次倍频过程中基频光的峰值功率密度达到与第一次倍频过程相同的水平。这样第二次倍频转化过程中可以使剩余基频光的转化效率达到50%，因此，能够使得此时的使倍频效率达到75%。也就是说，在选择恰当的缩束镜组的缩小倍数、扩束镜组的扩大倍数的情况下，本发明提供的激光器的倍频装置能够显著地提高电光转化效率，同时，还能够降低系统复杂性。
其中，缩束镜组3包括第一凸透镜3a和第一凹透镜3b。第一透射光x2先经过第一凸透镜2a后再经过第一凹透镜3b。第一凸透镜3a的主光轴、第一凹透镜3b的主光轴分别处于第一透射光x2的光心延长线上。由于凸透镜和凹透镜均对光具有折射作用，其根据光入射到凸透镜或者凹透镜的位置，能够根据折射率改变光沿直线传播的特性，在这种情况下，只有当第一凸透镜3a的主光轴、第一凹透镜3b的主光轴分别处于第一透射光x2的光心延长线上时，才能够保证第一透射光x2在依次经过第一凸透镜3a、第一凹透镜3b之后，依然能够沿直线传播。
其中，扩束镜组5包括第二凹透镜5a和第二凸透镜5b。第一透射光x2先经过第二凹透镜5a后再经过第二凸透镜5b；第二凹透镜5a的主光轴、第二凸透镜5b的主光轴分别处于第一透射光x2的光心延长线上。由于凸透镜和凹透镜均对光具有折射作用，其根据光入射到凸透镜或者凹透镜的位置，能够根据折射率改变光沿直线传播的特性，在这种情况下，只有当第二凹透镜5a的主光轴、第二凸透镜5b的主光轴分别处于第一透射光x2的光心延长线上时，才能够保证第一透射光x2在依次经过第二凹透镜5a、第二凸透镜5b之后，依然能够沿直线传播。
其中，第一倍频晶体1和/或第二倍频晶体4上由磷酸钛氧钾或者三硼酸锂中的一种物质构成的晶体或者两种物质构成的混合物的晶体制成。其中，
磷酸钛氧钾（ktp）晶体是一种具有优良的非线性光学性质、已得到了广泛重视和应用的非线性光学晶体。ktp晶体是正光性双晶，其透光波段为350nm～4.5um，可以实现1.064um钕离子激光及其他波段激光倍频、和频、光参量振荡的位相匹配（一般采用ⅱ类位相匹配）。其非线性系数d31、d32、d33分别为1.4、2.65和10.7pm/v，d33是kdp晶体d36的20余倍。ktp晶体有较高的抗光损伤阈值，可以用于中功率激光倍频等。ktp晶体有良好的机械性质和理化性质，不溶于水及有机溶剂，不潮解，熔点约1150℃，在熔化时有部分分解，该晶体还有很大的温度和角度宽容度。ktp晶体作为频率转换材料已经广泛应用于科研、技术等各个领域，特别是作为中小功率倍频的最佳晶体。该晶体制成的倍频器及光参量放大器等已应用于全固态可调谐激光光源。
三硼酸锂（lib3o5，简写为lbo）为优秀的大功率紫外倍频晶体，具有宽的透光波段，高的损伤阈值，大的接受角。其主要性能包括：透过波段：0.165~3.2μm，非线性系数：d31=1.05pm/v，激光损伤阈值：25gw/cm2，倍频转化效率：40~60%（1064nm→532nm），应用范围：固体激光系统，特别是用于高功率nd：yag的二倍频，三倍频以及光参量振荡和放大等。
其中，第一倍频晶体1和第二倍频晶体4均镀有基频光和倍频光的增透膜。在这种情况下，光在经过第一倍频晶体1和第二倍频晶体4的过程中，光强损失由于增透膜的引入，会被降低，因此，能够使得经过第一倍频晶体1和第二倍频晶体4的光能够尽可能地实现保真传播。
其中，第一倍频晶体1和第二倍频晶体4的材质相同。
其中，第二倍频晶体4的截面积大于或者等于第一倍频晶体1的截面积的一半。在这种情况下，晶体的截面积可以使光束全部通过即可，倍频晶体的截面积越大价格越高。由于第二倍频晶体4处的光斑面积只有第一倍频晶体1处的一半，所以只需第二倍频晶体4的截面积大于或者等于第一倍频晶体1的截面积的一半就可以使光束全部通过。这样做的目的是降低成本。
其中，设缩束镜组3的缩小倍数为m，扩束镜组5的扩大倍数为n，则m=n。其能够保证光束x7的光斑分布均匀。其中，如果m≠n，则光束x4和光束x5的光斑直径不同，合束后会改变原有的光斑能量分布状态，使光束x7的光斑分布不均匀。
其中，构成缩束镜组3的光学元件、构成扩束镜组5的光学元件上均镀有基频光和倍频光的增透膜。
其中，第一半波片6a、第二半波片6b的波长为倍频光波长。在这种情况下，此处两个半波片的作用是使经过半波片的两束倍频光偏振方向发生变化，从而实现两束倍频光在偏振光分光棱镜7处的合束输出。其中光束x5经过半波片6b后变为水平偏振光，经过半波片6a后的光束x4变为垂直偏振光。半波片有使用波长范围，例如波长1064nm的激光不适用于532nm的半波片。
其中，第一半波片6a、第二半波片6b上均镀有基频光和倍频光的增透膜。从而降低光在经过第一半波片6a、第二半波片6b之后的光强损失。
其中，偏振分光棱镜上镀有倍频光增透膜。从而降低光在经过偏振分光棱镜之后的光强损失。
其中，第一分光镜2a、第二分光镜2b、第三分光镜2c的反射面均镀有反射率>99.5%的倍频光高反膜，第一分光镜2a、第二分光镜2b、第三分光镜2c的两面均镀有透过率>99.5%基频光增透膜。尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。