一种紫外光纤激光器的制作方法

1.本发明涉及激光技术领域，更具体地，涉及一种高重频、高稳定性的紫外光纤激光器。


背景技术：

2.近年来随着新能源行业日益蓬勃的需求，对前端激光加工技术提出了更高的要求。受限于材料吸收因素，传统的红外激光器对高反材料的吸收率很低，已不能满足锂电行业中铜材料等高反材料的焊接及切割。紫外激光凭借着其短的波长进而可以在更加精细的领域进行精密加工而深受社会的欢迎。
3.当前产生紫外激光的主要方式是通过纯固态激光器进行谐振腔+变频的方式产生，这样形成的紫外激光具有高的峰值功率和单脉冲能量，但是受限于固体材料特性，这种激光器重频低，能量转换效率低，输出的紫外光束功率终不能太高。光纤激光器拥有着高集成度，高稳定性等特性，通过变更增益光纤的长短可以比较容易实现高功率激光的输出。
4.当前为了提高激光输出的稳定性，通常会采用偏振片对激光传输的偏振态进行改变，以满足激光的稳定输出，然而偏振片对光线的吸收大，经过偏光片的光损失大，且偏振片材料本身难以耐受高功率激光，容易材料损伤失效，难以实现高功率、稳定性的激光输出。
5.基于此，有必要发明一种紫外光纤激光器，可以得到高重复频率、高能量转化效率、高功率、稳定性的紫外光输出。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提供一种紫外光纤激光器，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：一种紫外光纤激光器，依次包括高重频保偏光纤激光器、第一布儒斯特窗口片、第二半波片、第一平凸透镜、第一变频晶体、第一反射镜、第二变频晶体、第四反射镜、第二平凸透镜。
8.本技术的具体工作原理和过程如下：
9.所述高重频保偏光纤激光器可输出高重频保偏1000～1100nm的线偏振基频信号光，所谓保偏光纤为输入激光为线偏振光时，经过保偏光纤传输后，输出激光仍然为线偏振光。
10.所述第一布儒斯特窗口片为呈布儒斯特角放置的光学镜片，穿过第一布儒斯特窗口片后的1000～1100nm基频信号光具有特定偏振态。
11.光束再经过第二半波片时，第二半波片对线偏光的偏振态的方向进行调整，以满足第一变频晶体对进入其的高功率输入激光的偏振态方向的要求，得到理想的倍频激光。所述第一平凸透镜时，光束会被聚焦，以实现入射第一变频晶体8的光束具有高能量密度和高功率密度。
12.所述第一变频晶体使用lbo/bbo或其他倍频晶体，当1000～1100nm基频信号光穿过该第一变频晶体且功率密度达到非线性阈值时，会产生相应的二次谐波，即倍频光，产生的倍频光的光频率为基频光的一半，此时产生的即为紫外。由于从第一变频晶体内出射的倍频光和基频信号光是发散光。
13.所述第一反射镜的受光面为具有反射功能的凹面镜，采用第一反射镜对从第一变频晶体内出射的倍频光和基频信号光进行聚焦修正，且通过设置第一反射镜和第二变频晶体放置角度，使得进入第二变频晶体的高功率入射光可以满足第二变频晶体的偏振态的角度要求。由于当由第一反射镜反射聚焦后的1000-1100nm和500-550nm混频光穿过第二变频晶体，且功率密度达到非线性阈值时，会产生相应的三次谐波，即和频光，产生的和频光的光频率为基频光的三倍，此时产生的即为紫外光束(330-370nm)。
14.所述第四反射镜再将经过第二变频晶体后的光束进行筛选，将需要的330-370nm紫外光束和经三倍频后残余的1000-1100nm和500-550nm光束进行分离。最后，所述第二平凸透镜对第二变频晶体内出射的和紫外光进行准直，以满足后序生产需求。
15.本技术的激光器是通过对高重频保偏光纤激光器进行两次腔外倍频实现，所述高重频频保偏光纤激光器输出高重频保偏1000～1100nm红外光到达第一布儒斯特窗口片之后，由于第一布儒斯特窗口片与光路之间成一定夹角，光束因不完全透射或其他原因产生的回返光就很少，且第一布儒斯特窗口片可以使得线偏光具有较好的透过率。其次，经过第一布儒斯特窗口片之后的光束，即1000～1100nm基频信号光具有特定偏振态，但是光路方向和偏振方向之间形成一种三维坐标关系，单独调控第一布儒斯特窗口片难以完全满足第一变频晶体对入射激光偏振态的方向的需求，或者说单独调控第一布儒斯特窗口片，一般仅可以调控1～2个维度的方向，难以稳定输出第一变频晶体需要的激光。
16.在第一布儒斯特窗口片的后面放置第二半波片，该半波片的作用主要是用来调节该镜片之后光束在另一个维度的偏振方向与之前的偏振方向发生旋转，这样做的目的在于，进一步提升满足第一变频晶体需求的激光，减少回返光，提升器件的整体稳定性。
17.所述第一反射镜对从第一变频晶体内出射的倍频光和基频信号光进行聚焦修正，且通过设置第一反射镜和第二变频晶体放置角度，以满足第二变频晶体的三次谐波所要求的功率、能量和偏振态的角度需求。
18.本技术一方面可以保护前端高重频保偏光纤激光器(高重频保偏光纤激光器对回返光很敏感，回返光强时易发生光纤打点或者器件损伤)，另一方面该设计可以极大地提高系统的功率稳定性，因为原光路路径返回的光和正向传输的光具有相同的相位、频率、周期等参数，易发生干涉，干扰原光路传输。
19.本技术提供的紫外光纤激光器可以大幅提高紫外光纤激光器系统稳定性，该紫外光纤激光器至少包括第一布儒斯特窗口片、第二半波片、第一反射镜，由于布儒斯特窗口片、半波片、第一反射镜对光线的吸收远远低于常规的偏振片对光线的吸收，且材料对高功率激光具有更强的耐受力，继而可实现高功率的稳定输出，同时，基于布儒斯特角的特性，巧妙利用半波片对偏振态进行调节，进而可实现激光光路稳定性、输出功率稳定性，且极大地降低了对紫外光纤激光器的器件损伤率。
附图说明
20.为了更清楚的说明本技术实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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。
21.图1为本技术提供的紫外光纤激光器的第一结构示意图；
22.图2为本技术提供的紫外光纤激光器的第二结构示意图；
23.图3为本技术提供的紫外光纤激光器的第三结构示意图；
24.图4为本技术提供的紫外光纤激光器的第四结构示意图；
25.图5为本技术提供的紫外光纤激光器的第五结构示意图；
26.图6为本技术提供的紫外光纤激光器的第六结构示意图。
27.附图标记：1、高重频保偏光纤激光器，2、第一半波片，3、第一布儒斯特窗口片，4、第二半波片，5、第一小孔光阑，6、第一平凸透镜，7第一温度控制系统，8、第一变频晶体，9、第一反射镜，10、第二反射镜，11、第一收集器，13、第二温度控制系统，14、第三反射镜，15、第二收集器，16、第四反射镜，17、第二变频晶体，18、第二小孔光阑，19、第二平凸透镜，12、第三半波片，20、第二布儒斯特窗口片。
具体实施方式
28.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是对本技术权利范围的限制。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
29.请参阅图1，图1为本技术提供的紫外光纤激光器的第一结构示意图，该紫外光纤激光器，依次包括高重频保偏光纤激光器1、第一布儒斯特窗口片3、第二半波片4、第一平凸透镜6、第一变频晶体8、第一反射镜9、第二变频晶体17、第四反射镜16、第二平凸透镜19。
30.所述高重频保偏光纤激光器1可输出高重频保偏1000～1100nm的线偏振型基频信号光。
31.所述第一布儒斯特窗口片3为呈布儒斯特角放置的光学镜片，穿过第一布儒斯特窗口片3后的1000～1100nm基频信号光具有特定偏振态。
32.所述第一布儒斯特窗口片3可以极大地减少经该镜片后的所有镜片端面因不完全透射导致的沿原路径返回的光对前端基频光路稳定性和安全性的影响，该设计可以极大的保护前端的高重频保偏光纤激光器1，同时，该镜片的存在可以极大的提高整个系统的输出光路稳定性。
33.所述第二半波片4可以通过旋转所述第二半波片4的放置角度，用于调节经第一布儒斯特窗口片3之后的线偏振红外光的偏振态旋转角度。由于第一变频晶体8对进入其的入射光的偏振态要求极为严格，当输入激光为高功率激光时，第一变频晶体8对进入其的入射光的偏振态要求更为苛刻，且通过调节第一变频晶体8的设置而使得入射光的偏振态满足工作需求难度较大、效果不理想，第一布儒斯特窗口片3单独设置也难以满足第一变频晶体8对入射光线的方向偏振态的方向需求，通过使用第二半波片4和第一布儒斯特窗口片3将
偏振态旋转角度调节至一个合适偏振态时，将极大提高整个系统的光光转化效率，极大的节省成本，减少功耗。
34.在光束经过所述第一平凸透镜6时，光束会被聚焦，以此来提高光束的能量密度和功率密度。
35.所述第一变频晶体8使用lbo/bbo或其他倍频晶体，当1000～1100nm基频信号光穿过该晶体且功率密度达到非线性阈值时，会产生相应的二次谐波，即倍频光，产生的倍频光的光频率为基频光的一半，此时产生的即为500-550nm的绿光。
36.由于从第一变频晶体8内输出的光束包含产生的二次谐波500-550nm和在第一变频晶体内未参与非线性变换的1000-1100nm基频光，此时输出的两种频率的光束具有相同的相位和传输方向，输出的混频光束具有较大的发散度。所述第一反射镜9的受光面为具有反射功能的凹面镜，光束经过第一反射镜9后，所述混频光束均会发生同向反射，且第一反射镜9会对混频光束进行同比的发散度聚焦修正。由于光束的能量密度和功率密度决定了三次谐波产生的效率，光束聚焦时，更容易生成第二变频晶体17内进行三次谐波的光强。即，第一反射镜9的存在除对第一变频晶体8输出的光束进行发散度修正之外，同时要最大程度提高经过第一反射镜9之后混频光束在第二变频晶体17内部产生三次谐波时需求的功率密度和能量密度。为提高进行三次谐波时需求的光束的功率密度和能量密度，第一反射镜9的凹面曲率尺寸适配激光器参数产生。
37.由于进入第二变频晶体17的光束包括1000-1100nm和500-550nm混频光，使用半波片将难以同时调整控制两种波长的光束达到理想偏振态角度，故本技术通过设置第一反射镜9和第二变频晶体17放置角度，使得进入第二变频晶体17的高功率入射光可以满足第二变频晶体17的偏振态的角度要求。
38.所述第二变频晶体17使用lbo/bbo或其他适用于产生三次谐波的非线性光学晶体，当由第一反射镜9反射聚焦后的1000-1100nm和500-550nm混频光穿过该晶体且功率密度达到非线性阈值时，会产生相应的三次谐波，即和频光，产生的和频光的光频率为基频光的三倍，所以产生该光的过程又叫做三倍频，此时产生的即为紫外光束(330-370nm)。
39.所述第四反射镜16可将经过第二变频晶体17后的光束进行筛选，将需要的330-370nm紫外光束进行反射，并将经三倍频后残余的1000-1100nm和500-550nm光束进行透射，从主光路中剥除，进而分离残余基频信号光和倍频光。
40.所述第二平凸透镜19对第二变频晶体17内出射的和紫外光进行准直。
41.进一步地，为基本消除光学件端面反射光沿原路径返回，进而影响系统光束的稳定性，在采用第二半波片4调节光束的偏振态时应使调节后的光束偏振方向与调节前互相垂直。
42.进一步地，为减少基频光的损耗，该第二半波片4前后受光面镀1000～1100nm增透膜，从而提高基频光经过该部件时的透过率。
43.进一步地，可以按照波长1000～1100nm对应的材料折射率计算出最合适的角度放置第一布儒斯特窗口片3，以减少第一布儒斯特窗口片3对系统中基频光的损耗，进而，极大的提高基频光透过第一布儒斯特窗口片3时的透射率。
44.进一步地，为提高基频光经过该部件时的透射率，所述第一布儒斯特窗口片3的受光端面采用高抛光处理。
45.进一步地，为提高所述第一布儒斯特窗口片3的损伤阈值，所述第一布儒斯特窗口片3的双端面不进行镀膜。
46.进一步地，为减少由第一布儒斯特窗口片3传输过来的光的损耗，所述第一平凸透镜6前后受光端面镀1000～1100nm增透膜。更具体的，所述第一平凸透镜6最终会将光束聚焦进第一变频晶体8内。同时，所述第一平凸透镜6放置时为凸面端受光，平面端朝向第一变频晶体8的一侧的设置方式，可减少像差对系统的影响。
47.进一步地，为提高第一变频晶体8内部进行非线性变换的基频光的功率，进一步提高倍频效率，第一变频晶体8受光端面镀1000～1100nm增透膜。
48.进一步地，非线性变换后，为减少残余信号光对第一变频晶体8的影响，同时为了提升出射倍频光的功率，在第一变频晶体8出光面同时镀1000～1100nm增透膜和500～550n增透膜。
49.进一步地，为了大幅提高用于三次谐波的混频光(1000-1100nm和500-550nm)的反射功率，进而提高三倍频效率，所述第一反射镜9的凹面镀1000-1100nm和500-550nm高反膜。
50.进一步地，所述第一反射镜9可将由第四反射镜16和第二变频晶体17反射回来的330-370nm的光束从光路中剥除，提高所述第一反射镜9对紫外光束的剥除效率，防止沿光路返回的紫外光束影响整个系统的光路稳定性，防止返回的紫外光束回到前方器件中，损伤光纤激光器，所述第一反射镜9的两个端面均镀有330-370nm增透膜。
51.进一步地，为提高第二变频晶体17内部进行非线性变换的混频光的功率，提高和频转化效率，所述第二变频晶体17的受光端面和出光端面均镀1000-1100nm和500-550nm增透膜。
52.进一步地，在非线性变换后，为了提升出射和频光的功率，极大的减少端面反射，在第二变频晶体17出光面同时镀330-370nm增透膜。
53.进一步，为提高需求紫外光束的输出功率，所述第四反射镜16的第一面镀330-370nm的高反膜，同时第一面和第二面均镀有1000-1100nm和500-550nm增透膜，通过增透膜将1000-1100nm和500-550nm残余基频信号光和倍频光从主光路中剥除。
54.进一步地，为减小像差对系统的影响，同样，所述第二平凸透镜19在放置时，平面端朝向第四反射镜16受光，凸面端出射光。
55.进一步地，为提高整个系统紫外光输出的功率值和系统的功率稳定性，减少从第二变频晶体17内出射的紫光经过所述第二平凸透镜19反射回前方器件的比例，进而降低对前方器件的损害，所述第二平凸透镜19的受光面和出射光面均镀330-370nm的增透膜。
56.请参阅图2，图2为本技术提供的紫外光纤激光器的第二结构示意图，该紫外光纤激光器，在图1所示紫外光纤激光器的基础上，还包括第一半波片2，所述第一半波片2位于所述高重频保偏光纤激光器1和第一布儒斯特窗口片3之间。同样，光路方向和偏振方向之间形成一种三维坐标关系，通过旋转该第一半波片2的放置角度，即可实现对透过该部件的信号光的偏振态方向进行调节，进而满足第一布儒斯特窗口片3的入射光的偏振态需求，使得透过第一布儒斯特窗口片3的基频光极大地提高，且输出稳定，甚至可以使高重频频保偏光纤激光器所输出的光完全透过第一布儒斯特窗口片。
57.请参阅图3，图3为本技术提供的紫外光纤激光器的第三结构示意图，该紫外光纤
激光器，在图2所示紫外光纤激光器的基础上，还可以包括第二反射镜10、第一收集器11和第三反射镜14、第二收集器15，所述第二反射镜10、第一收集器11均位于所述第一反射镜9的透射端面外侧，所述第一收集器11环绕所述第二反射镜10，所述第三反射镜14、第二收集器15均位于所述第四反射镜16的透射端面外侧，所述第二收集器15环绕所述第三反射镜14。
58.所述第二反射镜10可将经第一反射镜9剥除的紫外光束进行偏折，使其湮灭在第一收集器11内部，防止这些沿原光路返回影响系统稳定性，或者反射至腔内损伤光学器件。所述第三反射镜14可将经第四反射镜16透射过来的闲频光进行折返并湮灭在第二收集器15中，防止其沿原光路返回，影响整机稳定性。为提高反射效率，所述第二反射镜10镀有330-370nm高反膜。为提高折返效果，第三反射镜14镀有1000-1100nm和500-550nm的高反膜。
59.进一步地，由于第一反射镜9对由第一变频晶体8输出的混频光(1000-1100nm和500-550nm)的反射即使镀了高反膜，也不能做到100％反射，所述第二反射镜10同时镀500-550nm和1000-1100nm高反膜，对经由第一反射镜9不完全反射的混频光进行反射进第一收集器11湮灭，为提高混频光的反射率。
60.所述第一收集器11主要用于对经由第一反射镜9不完全反射的混频光(500-550nm和1000-1100nm)和经由第一反射镜9剥除的紫外光束(330-370nm)在经过第二反射镜10反射后进行光子湮灭，所述第二收集器15主要用于对残余不完全透射或者后端光路返回的1000-1100nm和500-550nm基频信号光和倍频光的吸收和散热，经第二变频晶体17后残余的混频光和不完全反射的倍频光均会在该第二收集器15中被湮灭，将光能转化为热能。
61.进一步地，为了减少闲频光湮灭时造成的热能对系统稳定性的影响，所述第一收集器11和第二收集器15做了强散热处理。
62.进一步地，为了减少第一收集器11和第二收集器15内壁材料的镜面反射对光路稳定性的影响，在第一收集器11和第二收集器15的受光区域做糙化处理。
63.请参阅图4，图4为本技术提供的紫外光纤激光器的第四结构示意图，该紫外光纤激光器，在图3所示紫外光纤激光器的基础上，还可以包括第一晶体控温系统7和第二晶体控温系统13，所述第一晶体控温系统环绕所述第一变频晶体8，该系统用于给第一变频晶体8提供一个恒温的工作环境，以及为第一变频晶体8提供固设条件，所述第二晶体控温系统13环绕所述第二变频晶体17，该系统用于给第二变频晶体17提供一个恒温的工作环境，以及为第二变频晶体17提供固设条件。
64.进一步地，所述第一晶体控温系统7和第二晶体控温系统13内含升/降温组件和温度反馈调节系统，可以根据环境温度或者其他因素影响下的实时温度反馈进行自主调节，使第一变频晶体始终在特定的温度下工作，极大地提升系统的功率稳定性。
65.请参阅图5，图5为本技术提供的紫外光纤激光器的第五结构示意图，该紫外光纤激光器，在图4所示紫外光纤激光器的基础上，还可以包括第一小孔光阑5和第二小孔光阑18，所述第一小孔光阑5位于第二半波片4和第一平凸透镜6之间，所述第二小孔光阑18位于第四反射镜16和第二平凸透镜19之间。
66.所述第一小孔光阑5和第二小孔光阑18均可以极大程度的阻挡由其之后的其他器件反射回的非轴上光束对整个系统光路稳定性的影响，同时其还可以阻挡由其之前的可能
产生的杂散光从系统中出射，此外，第一小孔光阑5和第二小孔光阑18还有限模的作用。
67.进一步地，所述第一小孔光阑5和第二小孔光阑18可以限制该紫外系统的出射光在外光路传输时与设计一致，即减少调试偏差。
68.进一步地，为提高光路稳定性，所述第一小孔光阑5和第二小孔光阑18的底部应进行相应的散热处理。
69.请参阅图6，图6为本技术提供的紫外光纤激光器的第六结构示意图，该紫外光纤激光器，在图5所示紫外光纤激光器的基础上，还可以包括第三半波片12、第二布儒斯特窗口片20。
70.所述第三半波片12、第二布儒斯特窗口片20依次位于所述第二平凸透镜19之后。同样，所述第三半波片12可对穿过该部件的光束的偏振态进行调节，使其以一定的方向进行传播。所述第二布儒斯特窗口片20同样为呈布儒斯特角放置的光学镜片，用于将激光器光路与外界空气进行分割，保护激光器内部元件。所述第三半波片12同样可以调整部件穿过部件10的光束的偏振方向，大大提高第二布儒斯特窗口片20的透过率。
71.进一步地，为了提高系统的输出功率和系统功率稳定性，提高紫外光束的透过率，所述第三半波片12的两个端面均镀有330-370增透膜。
72.进一步的，为提高系统紫外光束的输出功率，该部件按照波长330-370nm对应的材料折射率计算出最合适的放置角度以此极大的提高倍频光透过该镜片时的透射率。
73.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者器件所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者器件中还存在另外的相同要素。另外，本技术实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
74.本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，以及对本技术中的各个实施例进行组合，这些改进、修饰和组合也落入本技术权利要求的保护范围内。