用于諧波產(chǎn)生的楔形面非線性晶體制造技術(shù)

激光器和激光器系統(tǒng)通過(guò)非線性和頻或差頻轉(zhuǎn)換產(chǎn)生不同的波長(zhǎng)。在以峰值功率產(chǎn)生諧波激光輸出的過(guò)程中，楔形面非線性晶體（30'）補(bǔ)償與非線性晶體的臨界相位匹配相關(guān)聯(lián)的空間走離現(xiàn)象。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來(lái)華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)涉及通過(guò)非線性和頻或差頻轉(zhuǎn)換產(chǎn)生不同的波長(zhǎng)的激光器及激光器系統(tǒng)，確切地說(shuō)，涉及在以峰值功率產(chǎn)生諧波激光輸出的過(guò)程中補(bǔ)償與非線性晶體的臨界相位匹配相關(guān)聯(lián)的空間走離(spatial walk-off)現(xiàn)象。
技術(shù)介紹
·激光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器在許多工業(yè)應(yīng)用中被廣泛使用。例如，已在激光微細(xì)加工系統(tǒng)中使用激光器系統(tǒng)，這些激光器系統(tǒng)進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換來(lái)產(chǎn)生綠色及紫外(UV)的激光輸出。實(shí)現(xiàn)諧波產(chǎn)生的兩種傳統(tǒng)方法需要腔內(nèi)諧波轉(zhuǎn)換和腔外諧波轉(zhuǎn)換。使用腔內(nèi)諧波轉(zhuǎn)換的諧波產(chǎn)生方法的優(yōu)勢(shì)在于其能夠產(chǎn)生光束質(zhì)量好的高效率的激光輸出，。但是，在以短波長(zhǎng)操作的高功率應(yīng)用中，功率衰減和非線性晶體損傷控制需要特別關(guān)注的。使用腔外諧波轉(zhuǎn)換的諧波產(chǎn)生方法的益處在于能夠延長(zhǎng)非線性晶體的壽命，但是諧波轉(zhuǎn)換效率較低，特別是對(duì)于較低峰值功率激光器。緊密聚焦的光束有助于獲得較高的轉(zhuǎn)換效率，例如具有IOOym直徑光點(diǎn)大小的激光束。但是，存在影響諧波轉(zhuǎn)換效率的競(jìng)爭(zhēng)因素。一方面，由于非線性晶體的臨界相位匹配所導(dǎo)致的空間走離現(xiàn)象的效應(yīng)，晶體長(zhǎng)度是有限的，而另一方面，所聚焦的光束越小，非線性晶體中的光束發(fā)散角越大。另外，光束的光點(diǎn)大小受到非線性晶體損傷閾值的限制。因此，改善諧波轉(zhuǎn)換效率是具有挑戰(zhàn)性的嘗試。已知非線性轉(zhuǎn)換效率與非線性晶體的長(zhǎng)度及峰值功率的平方成比例。為獲得腔外配置的非線性諧波轉(zhuǎn)換的高轉(zhuǎn)換效率，使用小的光點(diǎn)大小，但這樣做受限于兩個(gè)主要因素。第一限制因素是由高的峰值功率強(qiáng)度所導(dǎo)致的抗反射(AR)涂層及晶體材料塊損傷。第二限制因素是小的光點(diǎn)大小給非線性晶體帶來(lái)空間走離現(xiàn)象，而此現(xiàn)象限制了諧波轉(zhuǎn)換效率及激光束質(zhì)量。已進(jìn)行了調(diào)查來(lái)改善諧波產(chǎn)生效率。杜德利(Dudley)等人的第7，016，389號(hào)美國(guó)專利陳述了在腔內(nèi)非線性頻率產(chǎn)生過(guò)程中在激光器腔體內(nèi)循環(huán)的高功率具有轉(zhuǎn)換效率的益處。關(guān)于杜德利方案的圖I示出了典型的腔內(nèi)諧波產(chǎn)生方案。然而，對(duì)于存在連續(xù)波(CD操作、高脈沖重復(fù)頻率(高于ΙΟΟΚΗζ)、長(zhǎng)脈沖寬度(高于100ns)或高階諧波產(chǎn)生的情況而言，腔內(nèi)諧波產(chǎn)生的效率將更低。如在腔外轉(zhuǎn)換中，較小的光點(diǎn)大小及較長(zhǎng)的晶體有助于改善諧波轉(zhuǎn)換效率。較小的光點(diǎn)大小引起了對(duì)AR涂層和晶體材料塊損傷的關(guān)注，并且較小的光點(diǎn)大小及較長(zhǎng)的晶體引起了對(duì)空間走離現(xiàn)象的關(guān)注。在腔外諧波產(chǎn)生中使用的可增加諧波轉(zhuǎn)換效率的一種方法是通過(guò)保持高的峰值功率強(qiáng)度而不引起損傷問(wèn)題并且使用具有減小的走離效應(yīng)的較長(zhǎng)的晶體而實(shí)現(xiàn)的，這種方法需要利用柱面透鏡以使激光束呈橢圓形，以使橢圓形激光束的主軸處于非線性晶體的走離平面中。但是，此方法存在某些缺陷。這些缺陷包括顯然需要額外部件來(lái)成形激光束。隨著將至少兩個(gè)柱面透鏡添加到該光學(xué)系統(tǒng)中的對(duì)齊難度的增大，這是因?yàn)樾枰硪粋€(gè)柱面透鏡來(lái)將橢圓形光束重新成形為圓形光束。圖I是將曲線圖疊加于現(xiàn)有技術(shù)的激光器系統(tǒng)的方框圖之上的復(fù)合圖示。該曲線圖示出了在激光器系統(tǒng)的不同級(jí)處的橢圓形光束形成，其表示在腔外配置中使用柱面透鏡系統(tǒng)(CLl及CL2)的第三諧波產(chǎn)生的現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施方案。圖I示出在X軸與y軸之間的半徑最小位置(waist location)的位移,這最終會(huì)導(dǎo)致激光束的圓化及散光問(wèn)題。實(shí)線表示沿著X軸的光束半徑 ，而虛線表示沿著I軸的光束半徑。然而，更加困難的是在腔體中定位柱面透鏡以在非線性晶體中形成橢圓光束并且維持穩(wěn)定的腔體以及提供橢圓形的腔體模式。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提供一種進(jìn)行激光束的和頻或差頻混合的方法以在高峰值功率激光輸出的產(chǎn)生過(guò)程中獲得有效率的諧波轉(zhuǎn)換。所述方法需要使用具有入射面、內(nèi)腔及長(zhǎng)度的雙折射晶體頻率轉(zhuǎn)換介質(zhì)。沿著相應(yīng)的第一傳播路徑及第二傳播路徑傳播的第一激光束及第二激光束被定向?yàn)橐匀肷浣侨肷溆陬l率轉(zhuǎn)換介質(zhì)的入射面上。第一激光束具有第一波長(zhǎng)及第一光點(diǎn)形狀，而第二激光束具有第二波長(zhǎng)及第二光點(diǎn)形狀。在第一激光束及第二激光束在內(nèi)腔內(nèi)沿頻率轉(zhuǎn)換介質(zhì)的長(zhǎng)度傳播時(shí)，頻率轉(zhuǎn)換介質(zhì)的雙折射有助于相應(yīng)的第一激光束及第二激光束的第一傳播路徑及第二傳播路徑的有效交互長(zhǎng)度的發(fā)散及重疊。通過(guò)將入射角設(shè)置為向第一光點(diǎn)形狀及第二光點(diǎn)形狀給予橢圓性的值來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換介質(zhì)的整合雙折射補(bǔ)償。相比于表示第一激光束及第二激光束在入射面上的垂直入射的入射角的值，這樣操作造成在頻率轉(zhuǎn)換介質(zhì)內(nèi)傳播的相應(yīng)的發(fā)散的第一激光束及第二激光束的第一橢圓形光點(diǎn)大小及第二橢圓形光點(diǎn)大小的更大的有效的交互長(zhǎng)度的重疊的形成，以便在以高峰值功率產(chǎn)生諧波激光輸出的過(guò)程中進(jìn)行和頻及差頻混合。雙折射晶體頻率轉(zhuǎn)換介質(zhì)是臨界相位匹配非線性晶體，優(yōu)選地有類型I或類型II。對(duì)入光角進(jìn)行設(shè)置形成了楔形面非線性晶體，楔形面非線性晶體充當(dāng)柱面透鏡，以向在該非線性晶體中傳播的光束給予橢圓性，從而減少走離現(xiàn)象的影響。楔形面非線性晶體可用于具有改善的轉(zhuǎn)換頻率的和頻產(chǎn)生或差頻產(chǎn)生的腔內(nèi)配置及腔外配置中。非線性晶體材料可為 LB0、ΒΒ0, KTP、CBO, CLBO, KDP、KBBF, LiNbO3^ KNbO3> GdCOB 及 RBBF 中的任一者。楔形面非線性晶體可用于諧波產(chǎn)生以獲得較短波長(zhǎng)或與光學(xué)參量振蕩器(opticalparameteroscillator, 0P0)—起以獲得較長(zhǎng)波長(zhǎng)。該諧波產(chǎn)生可為第二、第三、第四及第五諧波產(chǎn)生。根據(jù)下文中參閱附圖進(jìn)行描述的優(yōu)選實(shí)施例的具體實(shí)施方式，可以顯而易見地認(rèn)識(shí)到本專利技術(shù)的其他方面和優(yōu)點(diǎn)。附圖說(shuō)明圖I是將曲線圖疊加于現(xiàn)有技術(shù)激光器系統(tǒng)的方框圖上的復(fù)合圖示，該曲線圖示出了在激光器系統(tǒng)的不同級(jí)處的橢圓形光束形成，其表示使用腔外配置中的柱面透鏡系統(tǒng)的第三諧波產(chǎn)生的現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施方案。圖2是用于通過(guò)兩個(gè)輸入激光束的頻率的和頻或差頻產(chǎn)生激光輸出的現(xiàn)有技術(shù)非線性晶體的圖。圖3是通過(guò)將入射面設(shè)置到入射角9而形成的楔形面非線性晶體的圖，入射角9實(shí)現(xiàn)了非線性晶體的整合雙折射補(bǔ)償。圖4A及圖4B是分別示出了通過(guò)圖2的常規(guī)矩形非線性晶體傳播的圓點(diǎn)形光束及通過(guò)圖3的楔形面非線性晶體傳播的橢圓點(diǎn)形光束的漸進(jìn)重疊的圖。圖5是示出了對(duì)于四個(gè)折射率的隨入射角變化的在圖3的楔形面非線性晶體中傳播的激光束的橢圓性的曲線圖。圖6A、圖6B及圖6C是三種可能的腔外諧波頻率轉(zhuǎn)換配置的簡(jiǎn)化方框圖。 圖7是腔內(nèi)諧波頻率轉(zhuǎn)換配置的簡(jiǎn)化方框圖。具體實(shí)施例方式圖2是在通過(guò)輸入激光束34及36的頻率的和頻或差頻產(chǎn)生激光輸出32的過(guò)程中所使用的基本上呈矩形的雙折射晶體頻率轉(zhuǎn)換介質(zhì)或非線性晶體30的現(xiàn)有技術(shù)的圖。非線性晶體30具有由抗反射(AR)涂層40所覆蓋的入射面38，在3mm與5mm之間的寬度42，以及約IOmm的長(zhǎng)度44。在和頻產(chǎn)生及差頻產(chǎn)生中所使用的非線性晶體材料具有折射率n，其通常在1.6與2. O之間。通過(guò)將1064nm Nd: YAG激光的紅外(IR)光束34與頻率加倍的532nm綠光束36混合的355nm UV光輸出32的和頻產(chǎn)生的實(shí)例給出以下描述。臨界相位匹配是一種用于在非線性晶體30中獲得非線性過(guò)程的相位匹配的技術(shù)。交互的輸入光束34及36以相對(duì)于折射率橢球的軸的某角度對(duì)齊。存在能夠進(jìn)行臨界相位匹配的受限制的光束角度范圍(稱為“接受角(acceptanceangle)”)。對(duì)于臨界相位匹配操作，市面上的非線性本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來(lái)華專利技術(shù)】...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：彭曉原，王海文，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：伊雷克托科學(xué)工業(yè)股份有限公司，
類型：
國(guó)別省市：