1.本实用新型涉及激光器技术领域，尤其涉及一种折叠倍频激光系统。
背景技术：
2.近几十年来，可见光波段的激光光源(蓝绿光或红光)在原子分子光谱、冷原子物理、量子计算、光学数据存储、激光电视显示成像、医疗美容等领域有着广泛的应用和需求。其中，最常用、最有效的获得可见波段光源办法就是对0.8-2um波段的激光进行倍频。根据不同的相位匹配方式，倍频可以分为角度匹配、温度匹配和准相位匹配(qpm)。这其中，由于采用准相位匹配方式的倍频晶体具有高非线性系数(一般比角度和温度匹配的晶体高两个数量级以上)、零走离角、宽通光范围等优异特性，人们可以基于这些特性研制出长寿命、高功率、低成本、小体积的可调谐紧凑型固体可见激光光源。
3.目前，已经广泛商用的周期极化晶体主要包括ppln、ppktp和ppslt等，通常情况下单次通过这些晶体就已经足以获得较高的倍频效率。然而，在某些特殊情形下，为了追求更高的倍频转换效率，往往需要通过级联多个晶体来倍频【g.samanta,s.kumar,k.devi,and m.ebrahim-zadeh,opt.lett.35,3513(2010).】或者采用单个周期极化晶体光路多次通过的倍频(包括两次及以上)。在多次通过的方案中，效率最高的就是采用谐振倍频腔【t.meier,b.willke,and k.danzmann,opt.lett.35,3742(2010)】手段，已报道的最高倍频转换效率可以达到90％。
4.不过，以上这些方案会导致激光器结构过大，成本过高，或者相应的电子学更加复杂，可靠性也会降低。
技术实现要素：
5.针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种结构紧凑、倍频效率高且稳定性强的折叠倍频激光系统。
6.为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现。
7.本技术提供了一种折叠倍频激光系统，包括：
8.激光光源，用于输出大功率单频基频光；
9.聚焦镜，用于将自所述激光光源输出的所述基频光汇聚到周期极化晶体；
10.所述周期极化晶体，用于接收基频光并将其倍频后输出为倍频光；
11.平面镜，用于将所述周期极化晶体输出的所述倍频光和残余的所述基频光反射回所述周期极化晶体中进行二次倍频；
12.平凸透镜，位于所述周期极化晶体与所述平面镜之间，用于将自所述平面镜反射的所述基频光、倍频光沿原路以相同的汇聚条件第二次折返到所述周期极化晶体中；
13.二向色镜，位于所述聚焦镜与所述周期极化晶体之间，对所述基频光透射且对所述倍频光反射，用于导出自所述周期极化晶体二次倍频输出的所述倍频光；
14.光学隔离器，位于所述激光光源与所述平面镜之间，用于防止所述基频光返回到
所述激光光源并将残余的所述基频光导出到光档；
15.其中，所述平凸透镜的角度能够调节且用于补偿所述基频光、倍频光在空气中的折射率差引入的相位差。
16.进一步限定，上述的一种折叠倍频激光系统，其中，所述激光光源为光纤激光器或钛宝石激光器。
17.进一步限定，上述的一种折叠倍频激光系统，其中，所述光学隔离器为单个或者多个级联。
18.进一步限定，上述的一种折叠倍频激光系统，其中，还包括：
19.高反镜，位于所述倍频光自所述二向色镜的反射光路上且用于对自所述二向色镜反射的所述倍频光进行二次反射导出。
20.进一步限定，上述的一种折叠倍频激光系统，其中，还包括：
21.整形透镜组，位于所述倍频光自所述二向色镜或高反镜的反射光路上且用于对所述倍频光进行整形、扩束或者缩束。
22.本实用新型至少具备以下有益效果：
23.1、通过平面镜使得一次倍频后的倍频光反射回周期极化晶体进行二次倍频，其中，平凸透镜能够微调角度以调节基频光和倍频光之间的相位差，根据光路可逆原理，第二次折叠回周期极化晶体内的束腰大小和位置与第一次的聚集条件严格一致，从而保证了第二次的倍频效率，且使得光路的调节更加容易，而且通过光学隔离器可以有效隔绝返回的基频光，从而提高激光输出质量；
24.2、较于级联双个以上的晶体倍频方式，该方案只需一个周期极化晶体，成本更低，而且激光器结构可以更加紧凑，和单次通过单个晶体的体积基本接近，在保证小型化的同时具有高倍频效率；
25.3、相较于谐振腔内多次通过晶体的方案，该方案无需多余的伺服控制和复杂的谐振腔，电子学和光学成本更低，稳定性也更好；
26.4、相较于常规的双次通过光路，该方案无需额外的相位板，减小了相位补偿板带来的损耗，也无需平凹反射镜，这些功能都只通过一个平凸透镜即可实现，而且对平凸透镜的焦距没有严格的限制条件，位置只需要调节到基频光和倍频光准直输出即可，大大降低了激光系统的整体设计复杂度；
27.5、通过整形透镜组对倍频光进行整形、扩束或者缩束，保证了倍频光的输出质量。
附图说明
28.图1为本技术实施例折叠倍频激光系统的结构示意图；
29.图2为本技术实施例折叠倍频激光系统“倍频光510”的“功率-效率”关系示意图。
30.附图标记
31.激光光源-100、基频光-110、光学隔离器-200、聚焦镜-300、二向色镜-400、周期极化晶体-500、倍频光-510、平凸透镜-600、平面镜-700、高反镜-800、整形透镜组-900。
具体实施方式
32.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚地描
述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
33.本技术的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
34.下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本技术实施例提供的折叠倍频激光系统进行详细地说明。
35.如图1所示，本技术实施例提供了一种折叠倍频激光系统，包括用于产生大功率单频连续基频光110的激光光源100，激光光源100发射基频光110的光路上设有光学隔离器200，光学隔离器200对自激光光源100射入的基频光110透射，自光学隔离器200透射的基频光110光路上设有用于将基频光110倍频后产生倍频光510的周期极化晶体500，自周期极化晶体500发射的倍频光510光路上设有平面镜700，平面镜700用于将倍频光510和残余的基频光110反射回周期极化晶体500中进行二次倍频。
36.光学隔离器200与周期极化晶体500之间设有用于将自光学隔离器200透射的基频光110汇聚到周期极化晶体500的聚焦镜300，周期极化晶体500与平面镜700之间设有角度能够调节的平凸透镜600，平凸透镜600用于调节补偿基频光110和倍频光510在空气中的折射率差引入的相位差，同时平凸透镜600还用于将自平面镜700反射的基频光110、倍频光510沿原路以相同的汇聚条件第二次折返到周期极化晶体500中。
37.聚焦镜300与周期极化晶体500之间设有二向色镜400，二向色镜400对基频光110透射且对倍频光510反射，自周期极化晶体500二次倍频发射的倍频光510经二向色镜400反射一定角度并被导出，自平面镜700反射的残余基频光110经二向色镜400、聚焦镜300透射后射至光学隔离器200，此时光学隔离器200用于防止基频光110沿原路返回到激光光源100并将残余基频光110导出到光档。
38.激光光源100产生大功率单频连续基频光110，基频光110经过光学隔离器200输出，该光学隔离器200的总体隔离度一般大于25db，可以理解的是，基频光110可以是连续或脉冲激光，其波长可以包括高反镜800-光学隔离器2000nm之间的任意波长，激光光源100可以是光纤激光器、钛宝石激光器等激光光源，在实际光路中，隔离器可以根据需要达到的隔离度级联不同数量的隔离器。
39.二向色镜400对基频光110高透，对倍频光510高反，基频光110通过聚焦镜300汇聚，聚焦镜300的焦距需要根据不同的周期极化晶体500长度和入射基频光110直径选择，最终使入射到周期极化晶体500的聚焦条件满足bold-kleimann(bk)聚焦条件(简单来说就是特定晶体长度下晶体内部有一个最佳聚焦的束腰半径，更详细的计算过程可以参考【boyd g d,kleinman d a.parametric interaction of focused gaussian light beams[j].applied physics,1968,39(8):3597-3639.】)，考虑晶体的折射率后，需要根据周期极化晶体500的长度使聚焦镜300距周期极化晶体500中心的距离大于透镜焦距，保证第一束腰位于周期极化晶体500中心。
[0040]
在基频光110第一次经过周期极化晶体500后，倍频光510的功率可以表述为p
b,1
＝a
12
，其中a1为第一次过周期极化晶体500以后倍频光510的电场振幅，产生的倍频光510和残余的基频光110经过平凸透镜600的准直以及平面镜700的反射后，两束光被第二次汇聚到周期极化晶体500内，根据光路可逆原理，平凸透镜600使得第二次汇聚到周期极化晶体500内部的第二束腰也满足bk聚焦条件且位于周期极化晶体500中心，原路折叠两次后，经过周期极化晶体500的倍频光510电场振幅可以表示为其中a2为第二次经过周期极化晶体500以后倍频光510的电场振幅,为基频光110和倍频光510之间的相位差，由于两路光的折射率相差极小，只需通过细微调节平凸透镜600的角度就可以使相位差等于π，此时两次经过周期极化晶体500的倍频光510功率可以表示为其中a
22
与a
12
可以近似认为相等，因此周期极化晶体500内折叠两次之后的倍频效率近似估算达到单次通过周期极化晶体500的倍频效率的两倍以上。
[0041]
折叠倍频后的基频光110和倍频光510经过二向色镜400的分光之后，基频光110通过光学隔离器200侧面导入收光用的光档，倍频光510通过二向色镜400反射导出。
[0042]
可以理解的是，周期极化晶体500为ppln晶体，其也可以采用所有准相位匹配晶体，例如ppktp和ppslt等，也可以是满足温度匹配条件的非周期极化晶体，例如lbo。
[0043]
可以理解的是，平凸透镜600不严格限制焦距，只需要焦距大于周期极化晶体500长度的一半，用于将第一次的倍频光510和基频光110准直即可，同时对两个波段的光高透，平凸透镜600和平面镜700配合，用于将倍频光510和基频光110原路折返后再次聚焦到周期极化晶体500内部，且束腰大小和束腰位置严格与第一次一致。
[0044]
本技术实施例中，采用上述的一种折叠倍频激光系统，通过平面镜700使得一次倍频后的倍频光510反射回周期极化晶体500进行二次倍频，其中，平凸透镜600能够微调角度以调节基频光110和倍频光510之间的相位差，根据光路可逆原理，第二次折叠回周期极化晶体500内的束腰大小和位置与第一次的聚集条件严格一致，从而保证了第二次的倍频效率，且使得光路的调节更加容易，而且不同于平凹镜对于其曲率半径和位置有严格限定，本方案对平凸透镜600的焦距没有严格的限制条件，位置只需要调节到基频光110和倍频光510准直输出即可，大大降低了激光系统的整体设计复杂度。
[0045]
相较于单次通过的倍频，该方案在倍频效率上提升大于2倍。
[0046]
相较于级联双个以上的晶体倍频方式，该方案只需一个周期极化晶体500，成本更低，而且激光器结构可以更加紧凑，和单次通过单个晶体的体积基本接近，在保证小型化的同时具有高倍频效率。
[0047]
相较于谐振腔内多次通过晶体的方案，该方案无需多余的伺服控制和复杂的谐振腔，电子学和光学成本更低，稳定性也更好。
[0048]
相较于常规的双次通过光路，该方案无需额外的相位板，减小了相位补偿板带来的损耗，也无需平凹反射镜，这些功能都只通过一个平凸透镜600即可实现。
[0049]
综上，本技术实施例兼顾了单次通过倍频晶体的紧凑结构，同时相较于单次通过的方式还具有2倍以上的倍频效率提升以及更灵活的光斑整形可能，相较于谐振腔内多次通过倍频来说结构更加紧凑，电子学部分更简单可靠，出光更稳定，比传统的双次通过方案
无需相位板和平凹镜，结构更为简单。
[0050]
在一种较佳的实施方式中，还包括高反镜800、整形透镜组900，高反镜800位于倍频光510自二向色镜400的反射光路上且用于对自二向色镜400反射的倍频光510进行二次反射导出，整形透镜组900位于倍频光510自高反镜800的反射光路上且用于对倍频光510进行整形、扩束或者缩束。
[0051]
二向色镜400上基频光110、倍频光510的入射角度为45
°
，即射至二向色镜400的倍频光510与自二向色镜400反射的倍频光510之间夹角为90
°
，经二向色镜400反射的倍频光510对高反镜800的入射角度为45
°
，同样的，射至高反镜800的倍频光510与自高反镜800反射的倍频光510之间夹角为90
°
。
[0052]
可以理解的是，二向色镜400与高反镜800的设置角度不局限于上述一种，其只要保证反射的倍频光510不发生干涉即可，上述设置方式是为了提高激光系统的整体紧凑型，减小激光系统的整体体积。
[0053]
当然，高反镜800能够取消设置，将整形透镜组900设置在倍频光510自二向色镜400的反射光路上，此时同样能够实现上述效果，但是激光系统的整体体积将有所增加。
[0054]
本技术实施例中，采用上述的一种折叠倍频激光系统，倍频光510通过高反镜800反射导出，由于导出的倍频光510像散往往是需要整形的，而且其准直性也需要重新调节，故设置整形透镜组900实现对倍频光510的整形、扩束或者缩束。
[0055]
在一种较佳的实施方式中，用以产生大功率9w连续的780nm激光，该申请实施例中，激光光源100采用掺铒光纤激光器，其最大产生15w连续单频1560nm的基频光110，基频光110经过1560nm光学隔离器200输出(隔离度为35db)，聚焦镜300对1560nm的基频光110高透的同时对780nm的倍频光510高反，入射角度45
°
，基频光110的入射光斑直径为1.0mm，该基频光110通过通过聚焦镜300汇聚，聚焦镜300的焦距为50mm，周期极化晶体500为ppln晶体，其长度为60mm，最终使入射到周期极化晶体500的束腰半径约为55um左右，满足bold-kleimann(bk)最佳聚焦条件，考虑晶体的折射率后，聚焦镜300距周期极化晶体500中心的距离约为65mm，保证第一束腰位于周期极化晶体500中心。
[0056]
在基频光110第一次经过周期极化晶体500后，测量得到周期极化晶体500输出780nm倍频光510的输出功率和倍频效率如图2所示(p780nm-sp和efficiency-sp)，平凸透镜600的焦距为40mm，用于将基频光110和倍频光510准直输出，同时也通过细微旋转平凸透镜600角度来调节1560nm基频光110和780nm倍频光510之间的相位差，理论上相位差为π时折叠倍频效率最佳，实际按照折叠后780nm倍频光510的输出功率来优化角度，平面镜700对基频光110和倍频光510同时高反，入射角为0
°
。
[0057]
经过平面镜700的反射后，第二束腰位置位于倍频光510中心，且根据光路可逆原理，第二束腰仍然为55um左右，两次经过周期极化晶体500倍频后，倍频光510的功率和效率如图2所示(p780nm-dp和efficiency-dp)，可以看到，周期极化晶体500内折叠两次之后的周期极化晶体500的最高倍频效率从单次通过的27％提高到了62％，双次通过的倍频效率是单次通过倍频效率的2倍以上，折叠倍频后的1560nm基频光110和780nm倍频光510经过二向色镜400的分光之后，1560nm基频光110通过1560nm光学隔离器200的侧面导光孔收入光档，780nm倍频光510通过一个高反镜800导出，导出的倍频光510通过整形透镜组900扩束成光斑直径约1.5mm的准直激光输出。
[0058]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本技术实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。
[0059]
上面结合附图对本技术的实施例进行了描述，但是本技术并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本技术的启示下，在不脱离本技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本技术的保护之内。