一种非线性光学倍频模组和激光系统的制作方法

1.本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种非线性光学倍频模组和激光系统。


背景技术：

2.激光的出现是二十世纪最重要的发现之一，激光以其高度的方向性、相干性以及高亮度而受到各方面的重视并迅速获得应用，尤其是在机械加工、材料热处理、合成和微加工、激光测距等方面获得了广泛的应用。激光自问世以来，已经成为工业生产中最重要和最先进的工具。
3.非线性光学晶体是一种利用其在强激光、强外场等作用下，发生二次及以上非线性效应，进行对现有激光的波长、波长范围进行扩展的器件，可进行倍频、混频、参量振荡及光参量放大等变频技术。非线性光学晶体是一种功能材料，在激光技术领域具有重要应用价值。
4.现有的激光系统，包括激光器和激光设备外光学模块，其所使用的非线性光学倍频模组无法自动调节，入射激光仅照射于非线性光学晶体的中心处，一旦非线性光学晶体的中心处被烧伤损坏，就需要更换新的非线性光学晶体，导致非线性光学晶体的使用寿命短，成本高昂；更换新的非线性光学晶体难以操作，具有一定的安全隐患。
5.因此，设计一种能够提升非线性光学晶体使用寿命的非线性光学倍频模组意义重大。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术的不足，本发明的主要目的在于提供一种非线性光学倍频模组，能够大幅地提升非线性光学晶体的使用寿命，减少维护次数，可自由拆换，给维护安装带来极大的便利性。
7.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
8.一种非线性光学倍频模组，包括非线性光学晶体模块、温控系统和晶体调节模块；
9.所述非线性光学晶体模块包括非线性光学晶体和晶体固定组件，所述非线性光学晶体安装于所述晶体固定组件；
10.所述温控系统用于提供并控制所述非线性光学晶体所需的倍频温度；
11.所述晶体调节模块用于调节所述非线性光学晶体模块的位置，使得调节后入射激光照射于非线性光学晶体的不同点位。
12.可选地，所述晶体调节模块包括直线驱动装置和角度调节装置，所述直线驱动装置驱动所述非线性光学晶体模块在垂直于入射激光传播方向的平面内移动，所述角度调节装置驱动控制所述非线性光学晶体的倍频相位角度。
13.可选地，所述直线驱动装置采用直线轴电机，所述直线轴电机的输出轴与所述晶体固定组件传动连接，所述直线轴电机的输出轴垂直于所述入射激光的传播方向；所述角度调节装置采用角度调节电机，所述角度调节电机的输出轴平行于所述入射激光的传播方
向，以通过调节所述晶体固定组件与激光传播方向的俯仰角控制所述非线性光学晶体的倍频相位角度。
14.可选地，所述直线驱动装置的数量为一个或两个。
15.可选地，所述晶体调节模块为xyz三轴定位平台，所述非线性光学晶体模块通过角度调节组件安装于所述xyz三轴定位平台上，所述xyz三轴定位平台用于控制所述非线性光学晶体模块的位置，所述角度调节组件为角度调节电机，所述角度调节电机的输出轴平行于所述入射激光的传播方向，以通过调节所述晶体固定组件与激光传播方向的俯仰角控制所述非线性光学晶体的倍频相位角度；其中，xyz三轴两两相互垂直。
16.可选地，所述温控系统包括加热炉、温度传感器、温度控制器，所述加热炉设置于所述晶体固定组件外侧，用于对所述非线性光学晶体进行加热，所述温度传感器设置于所述加热炉内，以用于监测所述加热炉内的温度，所述温度控制器用于所述加热炉的工作。
17.可选地，还包括模组腔体盒，所述模组腔体盒为一个具有容置空腔的密封盒，所述非线性光学晶体模块、温控系统和晶体调节模块均安装于所述容置空腔内；所述模组腔体盒的盒体上设置有用于激光传播的窗口。
18.可选地，所述模组腔体盒内还设置有吹气装置，所述吹气装置与外部通过气路连通，所述吹气装置用于向所述容置空腔内吹入保护气体。
19.可选地，还包括电控系统，所述电控系统与所述温控系统和晶体调节模块连接，以用于控制所述温控系统和晶体调节模块工作；所述电控系统的控制逻辑为：当所述非线性光学晶体的一个点位工作预定时长后，控制所述晶体调节模块移动所述非线性光学晶体模块的位置，使入射激光照射于所述非线性光学晶体的点位产生变化。
20.可选地，所述非线性光学晶体包括三硼酸锂、三硼酸锂铯、低温相偏硼酸钡、磷酸二氢铵、磷酸二氢钾、磷酸二氘钾、砷酸二氘铯、砷酸二氢铯中的任一种。
21.本发明还提供了一种激光系统，包括激光发射器和激光设备外光学模块，所述激光发射器和激光设备外光学模块之间还设有如前所述的非线性光学倍频模组。
22.本发明提供的一种非线性光学倍频模组，包括非线性光学晶体模块、温控系统和晶体调节模块。通过晶体调节模块调节所述非线性光学晶体模块的位置，使得调节后入射激光照射于非线性光学晶体的不同点位，当一个点位(激光入射于非线性光学晶体的位置点)被烧蚀损坏后，通过晶体调节模块调节非线性光学晶体的位置，从而使得激光入射于非线性光学晶体的位置点发生改变，充分利用了非线性光学晶体的中心点位被烧伤后其他区域仍可正常使用的特点，提高非线性光学晶体的利用率，通常更换几个点位即可提高几倍的使用寿命，因此，极大程度上提高非线性光学晶体的使用寿命，避免人工操作维护更换时带来的安全隐患。
23.本发明提供的一种非线性光学倍频模组，具有高独立性，可自由拆换，给维护安装带来极大便利性。
24.本发明提供的一种非线性光学倍频模组，一种激光系统可独立用于激光设备的外光路，对比倍频后的同波长激光器，成本大幅下降。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使
用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本发明提供的一种非线性光学倍频模组的结构示意图；
27.图2是根据图1所示的非线性光学倍频模组的非线性光学晶体模块1的结构示意图；
28.图3是一个具体实施例中的一种非线性光学倍频模组的结构示意图。
具体实施方式
29.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.本发明的发明人发现，现有的激光系统，包括激光器和激光设备外光学模块，所使用的非线性光学倍频模组无法自动调节，其非线性光学晶体被激光烧坏后，通常仅有激光入射的点位(激光入射至非线性光学晶体的表面的点处，以及激光光路经由非线性光学晶体的内部的一条直线处)，而其他位置的区域仍可正常使用，基于此，发明人提出了通过移动非线性光学晶体的位置，对非线性光学晶体的激光入射的点位进行更换的方式，以提高非线性光学晶体使用寿命，减少维护更换新的非线性光学晶体的次数，避免人工操作带来的安全隐患。
31.如图1
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3所示，本发明提供的一种非线性光学倍频模组，一般地，可以包括非线性光学晶体模块1、温控系统2和晶体调节模块3。非线性光学晶体模块1包括非线性光学晶体11和晶体固定组件12。非线性光学晶体11可以是三硼酸锂(lbo)、三硼酸锂铯(clbo)、低温相偏硼酸钡(bbo)、磷酸二氢铵(adp)、磷酸二氢钾(kdp)、磷酸二氘钾(dkdp)、砷酸二氘铯(dcda)、砷酸二氢铯(cda)等晶体。非线性光学晶体11安装于晶体固定组件12内。可选地，如图2所示，晶体固定组件12为晶体套筒。使用时，入射激光以近似平行于晶体套筒的中心轴线的方向传播，并穿过非线性光学晶体11。温控系统2用于提供并控制非线性光学晶体11所需的倍频温度。可选地，温控系统2包括加热炉21、温度传感器(图中未示出)和温度控制器(图中未示出)。加热炉21设置于晶体固定组件12外侧或周侧。加热炉21用于对非线性光学晶体11进行加热。温度传感器设置于加热炉21内。温度传感器用于监测加热炉21内的温度。温度控制器用于控制加热炉21的工作，使得非线性光学晶体11工作时保持在入射激光需要的倍频温度，并保持恒温。温控系统2的具体结构和工作方式在此不再赘述，其可以是本领域技术人员所熟知的温控系统结构和连接方式。晶体调节模块3用于调节非线性光学晶体模块1的位置，使得调节后入射激光照射于非线性光学晶体11的不同点位。
32.具体地，晶体调节模块3包括直线驱动装置31和角度调节装置32。直线驱动装置31用于驱动非线性光学晶体模块1在垂直于入射激光传播方向的平面内移动，从而实现当非线性光学晶体模块1的位置发生变化时，入射激光照射于非线性光学晶体11上的点位也会随之发生变化，从而可以充分利用非线性光学晶体11其他区域，实现非线性光学晶体11的最大化利用。角度调节装置32用于驱动控制非线性光学晶体11的倍频相位角度，即当直线
驱动装置31移动非线性光学晶体11的点位后，再经由角度调节装置32对非线性光学晶体11的俯仰角(非线性光学晶体11与入射激光的传播方向之间的夹角)进行调节，使得入射激光穿过合适的晶体位置，并调整合适角度，发生非线性光学效应，出射二次谐波激光。例如入射激光波长1064nm，倍频后为532nm激光；入射激光波长为532nm，倍频后为266nm激光。本发明提供的一种非线性光学倍频模组，通过晶体调节模块3调节所述非线性光学晶体模块1的位置，使得调节后入射激光照射于非线性光学晶体11的不同点位。当一个点位被烧蚀损坏后，通过晶体调节模块3调节非线性光学晶体11的位置，从而使得激光入射于非线性光学晶体11的位置点发生改变，充分利用了非线性光学晶体11的中心点位被烧伤后其他区域仍可正常使用的特点，提高非线性光学晶体11的利用率。通常更换几个点位即可大致提高几倍的使用寿命。因此，极大程度上提高非线性光学晶体11的使用寿命，避免人工操作维护更换时带来的安全隐患。
33.如图1所示，在一个具体的实施方式中，直线驱动装置31采用直线轴电机。直线轴电机的输出轴与晶体固定组件12传动连接，直线轴电机的输出轴垂直于入射激光的传播方向。直线轴电机也称为直线步进电机，或称线性步进电机，由磁性转子铁芯通过与由定子产生的脉冲电磁场相互作用而产生转动，直线步进电机在电机内部把旋转运动转化为线性运动，从而驱动晶体固定组件12沿垂直于入射激光的传播方向的直线运动。可选地，直线驱动装置31还可以是采用电动推杆、电动滑台、直线模组等，其目的在于实现对非线性光学晶体模块1位置的控制。在本实施例中，采用了高精度的直线轴电机，可以实现对非线性光学晶体模块1位置的精确控制。
34.可选地，直线驱动装置31的数量为一个或两个。当直线驱动装置31的数量为一个时，直线驱动装置31可以是水平方向上或竖直方向上控制非线性光学晶体模块1移动。这时，非线性光学晶体模块1仅可以在一条直线方向上移动，通常，一个非线性光学晶体11可以具有3
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5个不同的点位可以进行更换，可提高非线性光学晶体11的使用寿命至3
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5倍，其具有结构简单、成本低廉的优点。当直线驱动装置31的数量为两个时，两个直线驱动装置31可相互垂直设置，使得非线性光学晶体模块1可在垂直于入射激光的传播方向的平面内任意移动并更换点位。即，可选地，将直线轴电机和垂直轴升降电机联合使用。通常，一个非线性光学晶体11可以具有2
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25个不同的点位可以进行更换，使得可提高非线性光学晶体11的使用寿命至2
‑
25倍，极大地提高了非线性光学晶体11的使用寿命，避免人工操作维护更换时带来的安全隐患。
35.在另一个具体的实施方式中，晶体调节模块3为xyz三轴定位平台(图中未示出)。非线性光学晶体模块1通过角度调节组件安装于xyz三轴定位平台上。xyz三轴定位平台用于控制非线性光学晶体模块1的位置。角度调节组件为角度调节电机。角度调节电机的输出轴平行于入射激光的传播方向，以通过调节晶体固定组件12与激光传播方向的俯仰角控制非线性光学晶体11的倍频相位角度。其中，xyz三轴两两相互垂直。xyz三轴定位平台是成熟的产品，精度控制较好。采用此方案，可以直接使用市场上现有的高精度的xyz三轴定位平台，无需再单独设计直线轴电机和垂直轴升降电机，具有精度高、成本低的优点。当然地，晶体调节模块3也可以是xz两轴定位平台，入射激光沿y轴方向射入非线性光学晶体11。
36.如图3所示，本发明提供的一种非线性光学倍频模组，还包括模组腔体盒4和电控系统(图中未示出)。模组腔体盒4为一个具有容置空腔41的密封盒。需要注意的是，如图3中
仅示出了密封盒的底板和两个侧板，上板和另两个侧板未示出，以便于显示模组腔体盒4内部的结构。非线性光学晶体模块1、温控系统2和晶体调节模块3均安装于容置空腔41内。模组腔体盒4内还设置有吹气装置44。吹气装置44与外部通过气路连通。吹气装置44用于向容置空腔41内吹入保护气体。模组腔体盒4是密封盒，其各个侧板之间都设置有密封装置45。通过吹气装置44向容置空腔41内吹入保护气体，可以防止灰尘进入，更好地保护非线性光学晶体11。模组腔体盒4的盒体42上的相对两个侧面上设置有两个窗口43。两个窗口43用于激光传播。非线性光学晶体模块1的晶体套筒的两端即对应于两个窗口43。两个窗口43上安装有窗口玻片、窗口玻片垫片和窗口玻片压圈，以使得窗口43处为密封状态。其中一个窗口43的外端装有用于与激光发射器连接的接口结构，另一个窗口43的外端装有用于与激光设备外光学模块连接的接口结构，从而使本发明提供的一种非线性光学倍频模组为一个具有倍频功能的高独立性模块，便于用于不同的激光系统中，可自由拆换，给维护安装带来极大便利性。模组腔体盒4内还设置有吹气装置44，所述吹气装置44与外部通过气路连通，所述吹气装置44用于向所述容置空腔41内吹入保护气体。
37.电控系统与温控系统2和晶体调节模块3连接。电控系统用于控制温控系统2和晶体调节模块3工作。在一个具体的实施方式中，电控系统的控制逻辑为：当非线性光学晶体11的一个点位工作预定时长后，控制晶体调节模块3移动非线性光学晶体模块1的位置，使入射激光照射于非线性光学晶体11的点位产生变化。非线性光学晶体11的一个点位的工作预定时长可以根据经验或者非线性光学晶体11的通常烧蚀损坏工作时长进行设定。可选地，采用电控系统和软件对非线性光学晶体11的工作时长进行监控，待非线性光学晶体11的一个点位的寿命快要结束时，定期对非线性光学晶体模块1进行点位更换。需要理解的是，晶体调节模块3还可以是采用手动滑台的方式进行晶体换点，可以节省电机成本和避免布线问题。但是手动晶体换点需要拆卸工序，易将光路之外的灰尘带入，造成光路部件的易损。
38.可选地，如图3所示，非线性光学晶体模块1的外侧设置有温控系统2的加热炉21，加热炉21通过加热炉固定架13固定。加热炉固定架13的一侧设有快拆件(快拆螺丝)14，以方便进行拆卸和安装。晶体调节模块3设置于非线性光学晶体模块1的下方，并在晶体调节模块3与模组腔体盒4的底板之间设置有缓冲垫板33，可以提高非线性光学倍频模组的稳定性。
39.本发明还提供了一种激光系统，包括激光发射器和激光设备外光学模块。激光发射器和激光设备外光学模块之间还设有如前所述的非线性光学倍频模组。在使用时，将本发明提供的非线性光学倍频模组的模组腔体盒4的两个窗口43分别连接于激光发射器和激光设备外光学模块，使得激光发射器发射的激光由一个窗口43传播至模组腔体盒4内的非线性光学晶体模块1，然后，再由另一个窗口43传播至激光设备外光学模块，即可实现对激光的非线性光学倍频效应。
40.当非线性光学倍频模组不包含模组腔体盒4时，可以将本发明提供的非线性光学倍频模组集成安装于激光设备外光学模块内，或者集成安装于激光发射器的发射口处。关于非线性光学倍频模组的具体结构和使用见前述陈述，在此不再一一赘述。
41.本发明提供的一种激光系统，其非线性光学倍频模组可独立用于激光设备的外光路，对比倍频后的同波长激光器，成本大幅下降。
42.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。