一种利用折叠谐振腔产生三倍频紫外激光方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用折叠形谐振腔产生三倍频紫外激光的方法，激光二极管侧面泵浦激光晶体，产生受激辐射，在腔内形成基频光振荡，Q开关使基频光变成脉冲光，提高基频光功率密度，然后基频光通过二倍频晶体产生二次谐波，剩余的基频光和产生的二次谐波在和频晶体作用下产生紫外激光，通过输出镜输出腔外；在折叠形谐振腔外使用一个紫外反射镜将一个方向的紫外出射光反射回谐振腔内继续振荡，使紫外光只在一个方向输出，减少了紫外光的损失。该折叠形谐振腔采用腔内倍频、和频方法，利用腔内高功率密度，大的模体积提高紫外激光转换效率。
【专利说明】一种利用折叠谐振腔产生三倍频紫外激光方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种产生三倍频紫外激光方法，属于激光技术应用领域，尤其涉及一种利用折叠谐振腔产生三倍频紫外激光方法。
【背景技术】
[0002]激光自发明之初就被用于材料加工领域，相比于红外和可见光激光，紫外激光具有波长短、聚焦性能好、单光子能量高等特点，可以直接破坏材料分子的化学键，借助高密度高能光子引发或控制光化学反应的加工过程，不会对加工区域的周边产生热变形等影响，同时紫外激光具有加工精度高、在电子行业和其它精密加工领域应用非常广泛，因此紫外激光器成为近几年国内外研究的热点。
[0003]传统的紫外激光光源如氩离子激光器、氮分子激光器、准分子激光器等，其设备占地面积大、效率低、高耗能、维护费用高，无法得到广泛用。全固态紫外激光器具有功率稳定性好、光束质量好、脉冲重复频率高、可靠性高、操作简单、结构紧凑、体积小、工作安全等诸多优点，是紫外激光器的首选方案。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供了 一种利用折叠谐振腔产生三倍频紫外激光方法，该紫外激光产生方法能使激光器长期稳定运转，具有高功率、高转换效率且可用于硬脆性材料加工。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种利用折叠谐振腔产生三倍频紫外激光方法，该折叠形谐振腔包括全反镜a、Q开关、激光二极管泵浦模块、输出镜、和频晶体、全反镜b、二倍频晶体、全反镜c、紫外反射镜a、分光元件、紫外反射镜b;谐振腔内分为三个臂，第一个臂包含Q开关、激光二极管泵浦模块，第二个臂包含和频晶体，第三个臂包含二倍频晶体；谐振腔内的光学元件包括全反镜a、输出镜、全反镜b、全反镜c ;谐振腔外的光学元件包括紫外反射镜a、分光元件、紫外反射镜b ;整个谐振腔结构形状为折叠形，其中第一个臂和第二个臂的节点为输出镜，第二个臂和第三个臂的节点为全反镜b ;第一个臂依次放置全反镜a、Q开关、激光二极管泵浦模块、输出镜，谐振腔外的光学元件紫外反射镜a在第一个臂输出镜之后，即第一个臂延长线上；第二个臂依次放置和频晶体、全反镜b，谐振腔外的光学元件分光元件置于全反镜b、和频晶体、输出镜的延长线上，即在第二个臂的延长线上；第三个臂上依次放置二倍频晶体、全反镜c ;谐振腔外的紫外反射镜b置于分光元件的垂直线上，通过两者的反射作用以保证紫外激光呈水平输出。
[0006]在第一个臂上，利用激光二极管泵浦模块在腔内首先形成基频光振荡，Q开关使基频光变成脉冲光，提高基频光功率密度；基频光通过谐振腔内的输出镜、全反镜b，最后传输入第三个臂上的二倍频晶体并产生二次谐波；产生的二次谐波和剩余的基频光经全反镜c、全反镜b输入到第二个臂上的和频晶体，并在和频晶体的作用下产生紫外激光；产生的紫外激光通过输出镜输出腔外并由分光元件、紫外反射镜b水平输出；部分紫外激光被输出镜反射到第一个臂，然后又被全反镜a反射到输出镜输出，此方向输出腔外的紫外激光被紫外反射镜a又反射回谐振腔内继续振荡，然后再输出腔外。
[0007]折叠形谐振腔外的分光元件将输出腔外的紫外激光与基频光和二次谐波分离出来，通过紫外反射镜b改变激光输出方向，使之水平输出。
[0008]Q开关采用能实现高重频关断的BBO、RTP、LGS电光或声光Q开关，Q开关晶体的两个通光端面镀基频光增透膜，为了有利于Q开关散热，将Q开关置于通水的铜制水冷块内进行冷却。
[0009]激光二极管泵浦模块中的激光晶体是Nd: YAG、Nd: YV04、Nd: YAP、Nd: GdV04或Nd: YLF晶体中的一种，激光晶体的两个通光端面镀有基频光增透膜，激光二极管泵浦模块采用循环液体冷却(如去离子水)，以抑制激光晶体的热透镜效应并提高输出功率稳定性和光束质量。
[0010]全反镜a和全反镜c是平面全反镜，镀有对0°入射的基频光、二次谐波和紫外激光三种波长的全反介质膜，实现对这三种波长的反射。
[0011]输出镜是熔石英平凹镜，采用双面镀膜，面向腔内一侧镀有某一角度入射的基频光和二次谐波双波长全反的介质膜及紫外激光的高透膜，面向腔外一侧镀紫外激光高透膜，实现对基频光和二次谐波高反，对紫外激光高透，使产生的紫外激光输出腔外，同时基频光和二次谐波在腔内继续振荡。
[0012]全反镜b是平凹全反镜，镀有对某一角度入射的基频光、二次谐波和紫外激光三种波长的全反介质膜，起到折叠光路的作用。
[0013]和频晶体可以为I类或II类相位匹配的LBO、BBO、CBO、CLB0或ΒΙΒ0晶体中的一种。
[0014]二倍频晶体可以是I类或II类相位匹配的KTP、LB0或ΒΒ0晶体中的一种。
[0015]激光二极管泵浦模块采用激光二极管端面或侧面泵浦，它具有能量稳定性好、运行寿命长、转换效率高和光束质量好的优点。
[0016]谐振腔外使用紫外反射镜a将其中一个方向输出的紫外激光反射回谐振腔内继续振荡，然后在另外一个方向输出腔外，减少紫外激光的损失。
[0017]分光元件镀有对紫外激光的高反膜及对基频光和二次谐波的高透膜，实现对紫外激光高反，对基频光和二次谐波高透，可以将输出腔外的紫外激光与基频光和二次谐波分离出来。
[0018]第一个臂与第二个臂之间的夹角与第二个臂和第三个臂之间的夹角相等，夹角的大小兼顾减小象散和调整方便的因素，折叠腔中镜片镀膜和光线入射角有关，膜层透过率是专门针对某一入射角的光线，光线在输出镜和全反镜b的入射角相等，即输出镜的入射光线与镜面法线的夹角与全反镜b的入射光线与镜面法线夹角相等。
[0019]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
[0020]本发明的折叠形谐振腔可以在腔内形成多个束腰，其将二倍频晶体与和频晶体置于两个束腰处，还可以实现腔内双通倍频，提高倍频效率，而且把基频光和倍频光分开，减少激光晶体对倍频光的吸收；同时该紫外激光产生方法能使激光器长期稳定运转，具有高功率、高转换效率的特点且可用于硬脆性材料加工。【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为利用折叠谐振腔产生三倍频紫外激光的原理示意图。
[0022]图中:1、全反镜a，2、Q开关，3、激光二极管泵浦模块，4、输出镜，5、和频晶体，6、全反镜b, 7、二倍频晶体,8、全反镜c, 9、紫外反射镜a, 10、分光元件,11、紫外反射镜b。
【具体实施方式】
[0023]以下将结合附图对本发明作进一步说明。
[0024]如图1所示为利用折叠谐振腔产生三倍频紫外激光的原理示意图，该折叠形谐振腔包括全反镜al、Q开关2、激光二极管泵浦模块3、输出镜4、和频晶体5、全反镜b6、二倍频晶体7、全反镜c8、紫外反射镜a9、分光元件10、紫外反射镜bll ;谐振腔内分为三个臂，第一个臂包含Q开关2、激光二极管泵浦模块3，第二个臂包含和频晶体5，第三个臂包含二倍频晶体7 ;谐振腔内的光学元件包括全反镜al、输出镜4、全反镜b6、全反镜c8 ;谐振腔外的光学元件包括紫外反射镜a9、分光元件10、紫外反射镜bll ;整个谐振腔结构形状为折叠形，其中第一个臂和第二个臂的节点为输出镜4，第二个臂和第三个臂的节点为全反镜b6 ；第一个臂依次放置全反镜al、Q开关2、激光二极管泵浦模块3、输出镜4，谐振腔外的光学元件紫外反射镜a9在第一个臂输出镜4之后，即第一个臂延长线上；第二个臂依次放置和频晶体5、全反镜b6，谐振腔外的光学元件分光元件10置于全反镜b6、和频晶体5、输出镜4的延长线上，即在第二个臂的延长线上；第三个臂上依次放置二倍频晶体7、全反镜c8 ;谐振腔外的紫外反射镜bll置于分光元件10的垂直线上，通过两者的反射作用以保证紫外激光呈水平输出。
[0025]在第一个臂上，利用激光二极管泵浦模块3在腔内首先形成基频光振荡，Q开关2使基频光变成脉冲光，提高基频光功率密度；基频光通过谐振腔内的输出镜4、全反镜b6，最后传输入第三个臂上的二倍频晶体7并产生二次谐波；产生的二次谐波和剩余的基频光经全反镜c8、全反镜b6输入到第二个臂上的和频晶体5，并在和频晶体5的作用下产生紫外激光；产生的紫外激光通过输出镜4输出腔外并由分光元件10、紫外反射镜bll水平输出；部分紫外激光被输出镜4反射到第一个臂，然后又被全反镜al反射到输出镜4输出，此方向输出腔外的紫外激光被紫外反射镜a9又反射回谐振腔内继续振荡，然后再输出腔外。
[0026]折叠形谐振腔外的分光元件10将输出腔外的紫外激光与基频光和二次谐波分离出来，通过紫外反射镜bll改变激光输出方向，使之水平输出。
[0027]Q开关2采用能实现高重频关断的BBO、RTP、LGS电光或声光Q开关，Q开关2晶体两个通光端面镀基频光增透膜，为了有利于Q开关散热，将Q开关2置于通水的铜制水冷块内进行冷却。
[0028]激光二极管泵浦模块3中的激光晶体是Nd:YAG、Nd:YV04、Nd:YAP、Nd:GdV04或Nd: YLF晶体中的一种，激光晶体的两个通光端面镀有基频光增透膜，激光二极管泵浦模块3采用循环液体冷却(如去离子水)，以抑制激光晶体的热透镜效应并提高输出功率稳定性和光束质量，冷却水温度设置在20°C。
[0029]全反镜al和全反镜c8是平面全反镜，镀有对0°入射的基频光、二次谐波和紫外激光三种波长的全反介质膜，实现对这三种波长的反射。
[0030]输出镜4是熔石英平凹镜，采用双面镀膜，面向腔内一侧镀有某一角度入射的基频光和二次谐波双波长全反的介质膜及紫外激光的高透膜，面向腔外一侧镀紫外激光高透膜，实现对基频光和二次谐波高反，对紫外激光高透，使产生的紫外激光输出腔外，同时基频光和二次谐波在腔内继续振荡。
[0031]全反镜b6是平凹全反镜，镀有对某一角度入射的基频光、二次谐波和紫外激光三种波长的全反介质膜，起到折叠光路的作用。
[0032]和频晶体5可以为I类或II类相位匹配的LBO、BBO、CBO、CLB0或ΒΙΒ0晶体中的一种。
[0033]二倍频晶体7可以是I类或II类相位匹配的KTP、LB0或ΒΒ0晶体中的一种。
[0034]激光二极管泵浦模块3采用激光二极管端面或侧面泵浦，它具有能量稳定性好、运行寿命长、转换效率高和光束质量好的优点。
[0035]谐振腔外使用紫外反射镜a9将其中一个方向输出的紫外激光反射回谐振腔内继续振荡，然后在另外一个方向输出腔外，减少紫外激光的损失。
[0036]分光元件10镀有对紫外激光的高反膜及对基频光和二次谐波的高透膜，实现对紫外激光高反，对基频光和二次谐波高透，可以将输出腔外的紫外激光与基频光和二次谐波分离出来。
[0037]第一个臂与第二个臂之间的夹角与第二个臂和第三个臂之间的夹角相等，夹角的大小兼顾减小象散和调整方便的因素，折叠腔中镜片镀膜和光线入射角有关，膜层透过率是专门针对某一入射角的光线，光线在输出镜4和全反镜b6的入射角相等，即输出镜4的入射光线与镜面法线的夹角与全反镜b6的入射光线与镜面法线夹角相等。
[0038]本发明以波长为1064nm的基频光通过三倍频产生355nm紫外激光为例进行实例分析。
[0039]全反镜al为K9玻璃平面镜，镀有0°入射的1064nm、532nm和355nm三种波长全反膜，其对三种波长反射率大于99% ;输出镜4采用熔石英平凹镜，曲率半径200mm，采用双面镀膜，面向腔内一侧镀15°入射的1064nm、532nm的双波长全反的介质膜和355nm高透膜，面向腔外一侧镀15°入射的355nm高透膜，对1064nm和532nm的反射率大于99%，355nm透过率大约93%;全反镜b6为K9玻璃平凹镜，曲率半径300mm，镀有15°入射的1064nm、532nm和355nm三种波长全反膜，对三种波长反射率大于99% ;全反镜c8为K9玻璃平面镜，镀有0°入射的1064nm、532nm和355nm三种波长全反膜，对三种波长反射率大于99% ;紫外反射镜a9为K9玻璃平面镜，镀有0°入射的355nm全反膜，反射率大于99% ;分光元件10镀有355nm的高反膜和对1064nm、532nm的高透膜，实现对355nm激光高反，对1064nm和532nm高透，可以将输出腔外的355nm与1064nm和532nm分离出来；紫外反射镜bll为K9玻璃平面镜，镀有355nm全反膜，反射率大于99%，改变激光输出方向，使之水平输出；所有光学镜片直径均为25.4mm,利于产品化。
[0040]Q开关2米用能实现闻重频关断的ΒΒ0电光Q开关，Q开关晶体规格为4mmX4mmX 20mm, Q开关2晶体两个通光端面镀基频光1064nm的增透膜，为了有利于Q开关2的散热，把Q开关置于通水的铜制水冷块内进行冷却。
[0041]激光二极管泵浦模块3中的激光晶体是Nd:YAG，规格为Φ6mmX 140mm，两个通光端面镀有基频光1064nm增透膜；对激光二极管泵浦模块3采用循环液体(去离子水)冷却，抑制Nd: YAG晶体的热透镜效应，提高输出功率稳定性和光束质量，冷却水温度设置在20。。。
[0042]激光二极管泵浦模块3采用激光二极管侧面泵浦。
[0043]二倍频晶体7采用I类非临界相位匹配(NCPM)，选用规格为3mmX 3mmX 12臟，按匹配角度为Θ =90°，φ=0°切割的LB0晶体，两通光端面镀1064nm和532nm的增透膜，LBO晶体放置精确控温装置中，精密调节温度为149°C，温度变化不超过±0.1°C。
[0044]和频晶体5采用II类相位匹配方式，选用规格为3mmX3mmX 10mm，按匹配角度为Θ =42.4°，φ=90°切割的LB0晶体，两通光端面镀1064nm、532nm和355nm的三色增透膜，用铟箔纸包好放在循环水冷却的铜制水冷块内。
[0045]在本实施例中，设计了折叠形结构谐振腔三个臂的最佳腔长，分别为310mm，270mm和90mm，Q开关2紧靠全反镜al放置，此处为最佳关断位置，激光二极管泵浦模块3 —端距全反镜al大约70mm,激光二极管泵浦模块3另一端距输出镜4大约为100mm,和频晶体5的中心距输出镜4距离大约是180mm，离全反镜b6距离大约是90mm，全反镜c8距离全反镜b6距离大约是90mm，二倍频晶体7紧靠全反镜c8放置。
[0046]整个谐振腔内存在多个光腰，设计将和频晶体5放置在粗光腰处，防止过高的功率密度将和频晶体LB0的膜层打坏，将二倍频晶体7放置在较细光腰处，提高基频光1064nm到二次谐波532nm的转换效率。
[0047]本发明设计的355nm全固态三倍频紫外激光器结构紧凑、输出平均功率高、稳定性好、脉宽窄、重复频率高而且可调，转换效率高、能耗小，使用寿命长，根据此方案设计的355nm全固态三倍频紫外激光器已经成功用在硬脆性材料如手机盖板玻璃等的切割，还可以取代传统的准分子激光器进行精密加工方面的应用。
【权利要求】
1.一种产生三倍频紫外激光的折叠谐振腔，其特征在于:该折叠形谐振腔包括全反镜a (1)、Q开关(2)、激光二极管泵浦模块(3)、输出镜(4)、和频晶体(5)、全反镜b (6)、二倍频晶体(7)、全反镜c (8)、紫外反射镜a (9)、分光元件(10)、紫外反射镜b (11);谐振腔内分为三个臂，第一个臂包含Q开关(2)、激光二极管泵浦模块(3)，第二个臂包含和频晶体(5)，第三个臂包含二倍频晶体(7);谐振腔内的光学元件包括全反镜a (1)、输出镜(4)、全反镜b (6)、全反镜c (8);谐振腔外的光学元件包括紫外反射镜a (9)、分光元件(10)、紫外反射镜b(ll);整个谐振腔结构形状为折叠形，其中第一个臂和第二个臂的节点为输出镜(4)，第二个臂和第三个臂的节点为全反镜b (6);第一个臂依次放置全反镜a (1)、Q开关(2)、激光二极管泵浦模块(3)、输出镜(4)，谐振腔外的光学元件紫外反射镜a (9)在第一个臂输出镜(4)之后，即第一个臂延长线上；第二个臂依次放置和频晶体(5)、全反镜b (6)，谐振腔外的光学元件分光元件(10)置于全反镜b (6)、和频晶体(5)、输出镜(4)的延长线上，即在第二个臂的延长线上；第三个臂上依次放置二倍频晶体(7)、全反镜c (8);谐振腔外的紫外反射镜b (11)置于分光元件(10)的垂直线上，通过两者的反射作用以保证紫外激光呈水平输出。
2.一种利用折叠谐振腔产生三倍频紫外激光方法，其特征在于:在第一个臂上，利用激光二极管泵浦模块(3)在腔内首先形成基频光振荡，Q开关(2)使基频光变成脉冲光，提高基频光功率密度；基频光通过谐振腔内的输出镜(4)、全反镜b (6)，最后传输入第三个臂上的二倍频晶体(7)并产生二次谐波；产生的二次谐波和剩余的基频光经全反镜c (8)、全反镜b (6)输入到第二个臂上的和频晶体(5)，并在和频晶体(5)的作用下产生紫外激光；产生的紫外激光通过输出镜(4)输出腔外并由分光元件(10)、紫外反射镜b (11)水平输出；部分紫外激光被输出镜(4)反射到第一个臂，然后又被全反镜a (1)反射到输出镜(4)输出，此方向输出腔外的紫外激光被紫外反射镜a (9)又反射回谐振腔内继续振荡，然后再输出腔外；折叠形谐振腔外的分光元件(10)将输出腔外的紫外激光与基频光和二次谐波分离出来，通过紫外反射镜b (11)改变激光输出方向，使之水平输出。
3.根据权利要求1所述的一种产生三倍频紫外激光的折叠谐振腔，其特征在于:Q开关(2)采用能实现高重频关断的BBO、RTP、LGS电光或声光Q开关，Q开关⑵晶体的两个通光端面镀基频光增透膜，为了有利于Q开关散热，将Q开关(2)置于通水的铜制水冷块内进行冷却；激光二极管泵浦模块(3冲的激光晶体是Nd: YAG、Nd: YV04、Nd: YAP、Nd: GdV04或Nd: YLF晶体中的一种，激光晶体的两个通光端面镀有基频光增透膜，激光二极管泵浦模块(3 )采用循环液体冷却，以抑制激光晶体的热透镜效应并提高输出功率稳定性和光束质量；全反镜a (1)和全反镜c (8)是平面全反镜，镀有对0°入射的基频光、二次谐波和紫外激光三种波长的全反介质膜，实现对这三种波长的反射；输出镜(4 )是熔石英平凹镜，采用双面镀膜，面向腔内一侧镀有某一角度入射的基频光和二次谐波双波长全反的介质膜及紫外激光的高透膜，面向腔外一侧镀紫外激光高透膜，实现对基频光和二次谐波高反，对紫外激光高透，使产生的紫外激光输出腔外，同时基频光和二次谐波在腔内继续振荡；全反镜b (6)是平凹全反镜，镀有对某一角度入射的基频光、二次谐波和紫外激光三种波长的全反介质膜，起到折叠光路的作用；和频晶体(5)可以为I类或II类相位匹配的LBO、BBO、CBO、CLBO或BIBO晶体中的一种；二倍频晶体(7)可以是I类或II类相位匹配的KTP、LBO或BBO晶体中的一种；激光二极管泵浦模块(3)采用激光二极管端面或侧面泵浦；谐振腔外使用紫外反射镜a (9)将其中一个方向输出的紫外激光反射回谐振腔内继续振荡，然后在另外一个方向输出腔外；分光元件(10)镀有对紫外激光的高反膜及对基频光和二次谐波的高透膜，实现对紫外激光高反，对基频光和二次谐波高透，可以将输出腔外的紫外激光与基频光和二次谐波分离出来；第一个臂与第二个臂之间的夹角与第二个臂和第三个臂之间的夹角相等，夹角的大小兼顾减小象散和调整方便的因素，折叠腔中镜片镀膜和光线入射角有关，膜层透过率是专门针对某一入射角的光线，光线在输出镜(4)和全反镜b (6)的入射角相等，即输出镜(4)的入射光线与镜面法线的夹角与全反镜b (6)的入射光线与镜面法线夹角相等。
4.根据权利要求1或3所述 的循环液体，其特征在于:该循环液体可以为去离子水，冷却温度设置在20°C。
【文档编号】H01S3/109GK103682974SQ201310687575
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月16日 优先权日:2013年12月16日
【发明者】王旭葆, 王小磊, 吴丹, 刘俊, 米庆改 申请人:北京工业大学