一种全固态355nm激光器

本申请涉及激光器，更具体地，涉及一种全固态355nm激光器。

背景技术：

1、高功率、高光束质量全固态355nm紫外激光器因其具有短波长、易聚焦、高能量等特点，已经广泛应用于精细加工、生物医学、光学制造、光学传感等领域。实现355nm紫外激光输出，最常用的技术手段是采用主振荡功率放大器(mopa)将1064nm种子光进行单级或多级放大后，在腔外经和频转换后获得。在这种方法中尽管可以保证355nm紫外激光的高功率输出，但是系统整体相对复杂，不利于获得高稳定性的紫外激光器。而且为了提高和频过程的转换效率，通常会缩小基频光和倍频光在和频晶体处的腰斑尺寸来提高二者的功率密度，由此导致和频晶体端面的镀膜涂层在高功率密度激光长时间照射下极易损伤。

2、和腔外和频技术相比，腔内和频过程不仅可以充分利用腔内基频光功率密度高的优点，并且所获得的激光器整体结构紧凑、稳定性高，是实现高功率高稳定性全固态355nm紫外激光器的有效手段之一。

3、在传统的腔内和频方案中，倍频晶体采用ⅰ类非临界相位匹配方式，和频晶体采用ii类临界相位匹配方式，这样在倍频过程中虽然1064nm基频光和532nm倍频光不产生走离，但是和频过程中1064nm基频光和532nm倍频光会产生走离并且无法得到补偿，最终影响和频转换效率以及355nm紫外激光的光束质量。基于这个问题其中一个解决方案是在和频晶体前面插入走离补偿器，但是这导致腔内多了一个光学元件，基频光损耗变多，想要实现更多的补偿，走离补偿器使得532nm倍频光的偏折角度就需要变大，这就导致在一定程度上限制了腔内和频晶体尺寸的选择并且当基频光束发散角较大时，在空间上无法合理利用较小腰斑来同时保证较高的和频转换效率以及较高的倍频转换效率。另一个解决方案是采用将和频晶体分成长度一样的两块晶体并将二者在光轴方向不一致的状态下紧挨放置，但是在355nm紫外激光高功率输出时，这种方式使得和频晶体端面镀膜膜层出现损坏的几率几乎翻倍，不利于和频晶体的长期使用，所以只适合输出功率较低的355nm紫外激光器使用。

4、另外，在ⅰ类非临界相位匹配加ii类临界相位匹配组合方式下由于倍频晶体采用ⅰ类非临界相位匹配方式，它的匹配温度在140°-150°范围内，而和频晶体采用ii类临界相位匹配方式，它的匹配温度在常温范围内。这时当两块非线性晶体相近放置时，由于巨大的的温度差使得两块非现性晶体之间以及非现性晶体控温炉之间存在严重的热传递，导致和频晶体的温度分布不均匀，进而影响和频转换效率。为了降低温度差对和频转换效率的影响，通常，这种匹配组合方式中和频晶体的匹配温度一般在60°-70°范围内，这对常温控温设备的控温能力要求会更高，并且同时要做好两晶体之间的隔热处理，整体操作难度较大。

技术实现思路

1、本申请提供一种全固态355nm激光器中，倍频晶体和和频晶体的光轴方向不一致放置，使得在倍频晶体中由于走离而分开的1064nm基频光和532nm倍频光在经过和频晶体时又重新重合到一起，使得两束光在和频晶体中的交叠区域变大，实现走离补偿，最终可以获得高功率的355nm紫外激光输出，由此避免走离补偿器和分割和频晶体带来的不利影响，不仅可以提高和频转换效率而且可以改善其光束质量，另外，由于转换效率的提高，可以充分利用谐振腔内基频光功率密度高的优点，在保证355nm紫外激光高功率输出的同时放大和频晶体处基频光的光斑半径，从而提高晶体的使用寿命，同时，大的光斑可以有效降低非线性晶体的热效应，提高腔内谐波在高功率工作时的光束质量。

2、本申请提供了一种全固态355nm激光器，包括泵浦源、光束耦合系统、激光谐振腔以及输出系统；

3、光束耦合系统设置在泵浦源的出射光路上，激光谐振腔设置在光束耦合系统的出射光路上，激光谐振腔内设有增益介质以及相邻放置的倍频晶体和和频晶体，输出系统设置在和频晶体的出射光路上；

4、其中，倍频晶体的光轴方向与和频晶体的光轴方向不一致，从而利用倍频过程产生的走离来补偿和频过程产生的走离。

5、优选地，倍频晶体为ⅰ类临界相位匹配方式的非线性晶体，和频晶体为ⅱ类临界相位匹配方式的非线性晶体。

6、优选地，倍频晶体和和频晶体均为双端垂直切面的非线性晶体。

7、优选地，激光谐振腔包括第一平凸镜、第二平凸镜以及放置在第一平凸镜与第二平凸镜之间的增益介质，光束耦合系统的出射光经第一平凸镜进入激光谐振腔。

8、优选地，激光谐振腔还包括第一平面镜和第二平面镜，第一平凸镜与第一平面镜之间的光路上设有声光调q开关，倍频晶体和和频晶体设置在第二平凸镜与第二平面镜之间的光路上，相对于和频晶体，倍频晶体更靠近第二平面镜。

9、优选地，输出系统包括第三平面镜和第四平面镜，第三平面镜位于第二平凸镜与和频晶体之间的主光路上且与主光路的夹角为45°，第四平面镜设置在激光谐振腔外并位于第三平面镜的反射光路上。

10、优选地，激光谐振腔还包括第一平凹镜和第二平凹镜，第二平凸镜与第一平凹镜之间的光路上设有声光调q开关，第一平凸镜与第二平凹镜之间的光路上设有单向器，倍频晶体和和频晶体设置在第一平凹镜与第二平凹镜之间的光路上，相对于和频晶体，倍频晶体更靠近第一平凹镜。

11、优选地，输出系统包括第五平面镜，第五平面镜设置在激光谐振腔外并位于第二平凹镜的出射光路上。

12、优选地，全固态355nm激光器还包括凸透镜和第六平面镜，凸透镜设置在激光谐振腔外并位于第二平凸镜的出射光路上，凸透镜位于第二平凸镜与第六平面镜之间。

13、优选地，倍频晶体的相位匹配角为θ＝90°，φ＝(10.8°-11.6°)；和频晶体的相位匹配角为θ＝(42.2°-43.4°)，φ＝90°。

14、通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请的其它特征及其优点将会变得清楚。

技术特征：

1.一种全固态355nm激光器，其特征在于，包括泵浦源、光束耦合系统、激光谐振腔以及输出系统；

2.根据权利要求1所述的全固态355nm激光器，其特征在于，所述倍频晶体为ⅰ类临界相位匹配方式的非线性晶体，所述和频晶体为ⅱ类临界相位匹配方式的非线性晶体。

3.根据权利要求1或2所述的全固态355nm激光器，其特征在于，所述倍频晶体和所述和频晶体均为双端垂直切面的非线性晶体。

4.根据权利要求1所述的全固态355nm激光器，其特征在于，所述激光谐振腔包括第一平凸镜、第二平凸镜以及放置在所述第一平凸镜与所述第二平凸镜之间的增益介质，所述光束耦合系统的出射光经所述第一平凸镜进入所述激光谐振腔。

5.根据权利要求4所述的全固态355nm激光器，其特征在于，所述激光谐振腔还包括第一平面镜和第二平面镜，所述第一平凸镜与所述第一平面镜之间的光路上设有声光调q开关，所述倍频晶体和所述和频晶体设置在所述第二平凸镜与所述第二平面镜之间的光路上，相对于所述和频晶体，所述倍频晶体更靠近所述第二平面镜。

6.根据权利要求5所述的全固态355nm激光器，其特征在于，所述输出系统包括第三平面镜和第四平面镜，所述第三平面镜位于所述第二平凸镜与所述和频晶体之间的主光路上且与主光路的夹角为45°，所述第四平面镜设置在所述激光谐振腔外并位于所述第三平面镜的反射光路上。

7.根据权利要求4所述的全固态355nm激光器，其特征在于，所述激光谐振腔还包括第一平凹镜和第二平凹镜，所述第二平凸镜与所述第一平凹镜之间的光路上设有声光调q开关，所述第一平凸镜与所述第二平凹镜之间的光路上设有单向器，所述倍频晶体和所述和频晶体设置在所述第一平凹镜与所述第二平凹镜之间的光路上，相对于所述和频晶体，所述倍频晶体更靠近所述第一平凹镜。

8.根据权利要求7所述的全固态355nm激光器，其特征在于，所述输出系统包括第五平面镜，所述第五平面镜设置在所述激光谐振腔外并位于所述第二平凹镜的出射光路上。

9.根据权利要求5或7所述的全固态355nm激光器，其特征在于，还包括凸透镜和第六平面镜，所述凸透镜设置在所述激光谐振腔外并位于所述第二平凸镜的出射光路上，所述凸透镜位于所述第二平凸镜与所述第六平面镜之间。

10.根据权利要求1所述的全固态355nm激光器，其特征在于，所述倍频晶体的相位匹配角为θ＝90°，φ＝(10.8°-11.6°)；所述和频晶体的相位匹配角为θ＝(42.2°-43.4°)，φ＝90°。

技术总结
本申请公开了一种全固态355nm激光器，包括泵浦源、光束耦合系统、激光谐振腔以及输出系统；光束耦合系统设置在泵浦源的出射光路上，激光谐振腔设置在光束耦合系统的出射光路上，激光谐振腔内设有增益介质以及相邻放置的倍频晶体和和频晶体，输出系统设置在和频晶体的出射光路上；其中，倍频晶体的光轴方向与和频晶体的光轴方向不一致，从而利用倍频过程产生的走离来补偿和频过程产生的走离。本申请通过倍频晶体和和频晶体的光轴方向不一致实现走离补偿，并且在保证355nm紫外激光高功率输出的同时放大和频晶体处基频光的光斑半径，从而提高晶体的使用寿命。

技术研发人员：卢华东,刘鑫宇,靳丕铦,苏静,彭堃墀
受保护的技术使用者：山西大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16