專利名稱：一種用于減輕ktp晶體灰跡效應(yīng)的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于減輕KTP晶體灰跡效應(yīng)的裝 置及方法。
背景技術(shù)：
在激光技術(shù)領(lǐng)域，通過非線性頻率轉(zhuǎn)換的方式將Nd:YAG激光輸出的 1064nrn激光束二倍頻轉(zhuǎn)換為532nm的綠光，是獲得綠光輸出的簡單易行的方 法。倍頻過程中只有將入射光束以比較小的半徑會(huì)聚在KTP晶體中，提高基頻 光的峰值功率密度，才能獲得較高的倍頻轉(zhuǎn)換效率。但是在使用調(diào)Q方式工作 的激光器作為基頻光源時(shí)，如果會(huì)聚光束半徑過小，就會(huì)在KTP晶體中產(chǎn)生灰 跡效應(yīng)?；役E效應(yīng)產(chǎn)生后，不僅會(huì)降低倍頻轉(zhuǎn)換效率，還會(huì)降低綠光的光束質(zhì) 量。而且灰跡效應(yīng)形成后，會(huì)造成KTP晶體在整個(gè)可見光光譜范圍內(nèi)吸收系數(shù) 的增加，在對(duì)1064nm激光倍頻的過程中，還可能造成KTP晶體的損傷。
現(xiàn)有技術(shù)在使用KTP晶體倍頻時(shí)，通常采用單透鏡會(huì)聚的方式，并將KTP 晶體的前表面置于入射光經(jīng)透鏡會(huì)聚后的焦點(diǎn)處。如果在倍頻過程中產(chǎn)生了灰 跡效應(yīng)，則將會(huì)聚透鏡更換為焦距更長的透鏡，從而增大在焦點(diǎn)處的入射光光 束半徑，進(jìn)而消除灰跡效應(yīng)。這種技術(shù)雖然可以避免灰跡效應(yīng)的產(chǎn)生，但同時(shí) 也降低了綠光的輸出功率和倍頻轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于減輕KTP晶體灰 跡效應(yīng)的裝置及方法。使用本發(fā)明的裝置和方法可以提高激光倍頻轉(zhuǎn)換效率同 時(shí)又可以獲得好的綠光光束質(zhì)量。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的 一種用于減輕KTP晶體灰跡 效應(yīng)的裝置，它主要由在同一光軸上依次放置的第一透鏡、第二透鏡和KTP晶 體組成；其中，所述第一透鏡和第二透鏡組成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，第一透鏡和第二透鏡的焦距分別為f產(chǎn)30 500mm、 f產(chǎn)15 500mm。第一透鏡1和第二透鏡2之間的 距離為d「 &+ f2=45 1000mm。
一種應(yīng)用上述裝置來減輕KTP晶體灰跡效應(yīng)的方法，包括以下步驟
1) 選擇某一望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)會(huì)聚比(fVf2)，使入射激光束經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后產(chǎn) 生會(huì)聚，由遠(yuǎn)及近地將KTP晶體向激光束的會(huì)聚點(diǎn)靠近，直到產(chǎn)生灰跡效應(yīng)為 止，記錄下整個(gè)過程中不產(chǎn)生灰跡效應(yīng)的最高的綠光輸出功率和倍頻轉(zhuǎn)換效率。
2) 如果在步驟1中始終未產(chǎn)生灰跡效應(yīng)，則增加望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的會(huì)聚比，將 入射激光束進(jìn)一步會(huì)聚，重復(fù)步驟l，記錄下整個(gè)過程中不產(chǎn)生灰跡效應(yīng)的最高 的綠光輸出功率和倍頻轉(zhuǎn)換效率。
3) 如果在步驟1中過早產(chǎn)生灰跡效應(yīng)導(dǎo)致倍頻轉(zhuǎn)換效率較低，則可以增加 或者減小望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的會(huì)聚比，重復(fù)步驟l，記錄下整個(gè)過程中不產(chǎn)生灰跡效應(yīng) 的最高的綠光輸出功率和倍頻轉(zhuǎn)換效率。
4) 重復(fù)步驟2、 3，直至在不產(chǎn)生灰跡效應(yīng)的條件下獲得最高的綠光輸出功 率和倍頻轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明可以避免晶體中產(chǎn)生灰跡效應(yīng)，從而獲 得較高的倍頻效率和好的綠光光束質(zhì)量。裝置簡單，沒有任何特殊的光學(xué)元件， 使用普通的商用透鏡即可實(shí)現(xiàn)。方法操作簡單，只需要由遠(yuǎn)及近地連續(xù)調(diào)節(jié)KTP 晶體和會(huì)聚系統(tǒng)之間的距離，即可以獲得最佳的結(jié)果。


圖1是本發(fā)明用于減輕KTP晶體灰跡效應(yīng)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是實(shí)施例1采用會(huì)聚比為4:3的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)得到的綠光輸出功率及灰跡效 應(yīng)產(chǎn)生的效果圖3是實(shí)施例2采用會(huì)聚比為2:1的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)得到的綠光輸出功率及灰跡效 應(yīng)產(chǎn)生的效果圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的原理是使用KTP晶體進(jìn)行倍頻的過程中，是否產(chǎn)生灰跡效應(yīng)取 決于綠光光強(qiáng)的強(qiáng)弱。KTP晶體中綠光的光強(qiáng)是逐步增加的，在KTP晶體的出 射面處綠光的光強(qiáng)達(dá)到最大值。為了消除灰跡效應(yīng)，就需要增加KTP晶體出射 面處綠光的光束半徑。同時(shí)，為了獲得高的倍頻轉(zhuǎn)換效率，又要求在KTP晶體入射面上基頻光的光束半徑比較小。因此，本發(fā)明在使用KTP晶體進(jìn)行倍頻的 過程采用了強(qiáng)會(huì)聚的方式，并且沒有將KTP晶體置于入射光經(jīng)過會(huì)聚系統(tǒng)后的 焦點(diǎn)處，而是從遠(yuǎn)離焦點(diǎn)的位置處由遠(yuǎn)及近地連續(xù)調(diào)節(jié)KTP晶體和會(huì)聚系統(tǒng)之 間的距離，直至在不產(chǎn)生灰跡效應(yīng)的條件下獲得最高的綠光輸出功率和倍頻轉(zhuǎn) 換效率。
下面根據(jù)附圖詳細(xì)說明本發(fā)明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。
如圖l所示，本發(fā)明用于減輕KTP晶體灰跡效應(yīng)的裝置主要由在同一光軸 上依次放置的第一透鏡l、第二透鏡2和KTP晶體3組成。
所述的第一透鏡1和第二透鏡2組成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，第一透鏡1和第二透鏡2 的焦距分別為f產(chǎn)30 500mm， f2=15~500mm，第一透鏡1和第二透鏡2之間的距 離為d產(chǎn)f2=45 1000mm。
本發(fā)明用于減輕KTP晶體灰跡效應(yīng)的方法包括以下步驟-
1) 選擇某一望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)會(huì)聚比(&zT2)，使入射激光束經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后產(chǎn) 生會(huì)聚，由遠(yuǎn)及近地將KTP晶體向激光束的會(huì)聚點(diǎn)靠近，直到產(chǎn)生灰跡效應(yīng)為 止，記錄下整個(gè)過程中不產(chǎn)生灰跡效應(yīng)的最高的綠光輸出功率和倍頻轉(zhuǎn)換效率；
2) 如果在步驟1中始終未產(chǎn)生灰跡效應(yīng)，則增加望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的會(huì)聚比，將 入射激光束進(jìn)一步會(huì)聚，重復(fù)步驟l，記錄下整個(gè)過程中不產(chǎn)生灰跡效應(yīng)的最高 的綠光輸出功率和倍頻轉(zhuǎn)換效率；
3) 如果在步驟1中過早產(chǎn)生灰跡效應(yīng)導(dǎo)致倍頻轉(zhuǎn)換效率較低，則可以增加 或者減小望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的會(huì)聚比，重復(fù)步驟l，記錄下整個(gè)過程中不產(chǎn)生灰跡效應(yīng) 的最高的綠光輸出功率和倍頻轉(zhuǎn)換效率；
4) 重復(fù)步驟2、 3，直至在不產(chǎn)生灰跡效應(yīng)的條件下獲得最高的綠光輸出功 率和倍頻轉(zhuǎn)換效率。
下面根據(jù)具體實(shí)施例進(jìn)一歩說明本發(fā)明。 實(shí)施例1:
在實(shí)驗(yàn)中使用的基頻光光源為Nd:YAG激光器，以聲光調(diào)Q方式工作，重 復(fù)頻率6kHz 15kHz可調(diào)，脈沖寬度150ns 250ns，輸出功率48W 61W。所使 用的KTP晶體的尺寸為5X5X15mm，晶體的切角為6>=90° ， 0=23.5° ,放 置在加熱爐中，溫度控制恒定在60°C。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中第一透鏡1的焦距為 f產(chǎn)200mm，到激光器輸出鏡的距離為200mm，通過改變第二透鏡2的焦距6來 改變望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的會(huì)聚比，從而控制KTP晶體中的激光光束半徑，第一透鏡l 和第二透鏡2之間的距離為f2。
KTP晶體3的前表面到第二透鏡2的距離為d2。圖2示出了在望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)為f2=150mm，會(huì)聚比(f/f2)為4'.3的情況下，倍頻輸出的 綠光功率隨脈沖重復(fù)頻率的變化關(guān)系。從圖2可以看出，綠光的輸出功率隨著 脈沖重復(fù)頻率的減小而增加，雖然重復(fù)頻率的減小會(huì)使得基頻光的平均功率也 減小，但是單脈沖的峰值功率卻增加了，這樣會(huì)帶來倍頻效率的增加。在 d產(chǎn)230mm的情況下， 一直未產(chǎn)生灰跡效應(yīng)，但是綠光輸出功率不高，最大值為 13W，造成這樣結(jié)果的原因是，KTP晶體距離光束焦點(diǎn)處比較遠(yuǎn)，KTP晶體內(nèi) 光束半徑較大，基頻光的功率密度不夠高。為了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以使KTP晶 體更加靠近光束的焦點(diǎn)，即減小KTP晶體中的光束半徑，從圖2的結(jié)果可以看 出，在d2=220mm的情況下，綠光輸出功率明顯增加，但是隨著脈沖重復(fù)頻率 的進(jìn)一步減小(圖中10kHz 11.5kHz)，產(chǎn)生了明顯的灰跡效應(yīng)。灰跡效應(yīng)產(chǎn)生 后，輸出綠光的光強(qiáng)分布就不再是高斯分布，而是在光束中心出現(xiàn)了空心，測 量得到的光束質(zhì)量因子為M2=12。如果進(jìn)一步減小d2值，灰跡效應(yīng)就變得更加 明顯。
因此，采用強(qiáng)會(huì)聚的方式倍頻， 一個(gè)很關(guān)鍵的因素是KTP晶體的前表面到
第二透鏡2的距離d2，如果d2過小，會(huì)造成明顯的灰跡效應(yīng)，如果d2過大，會(huì)
造成倍頻效率的降低，其最佳值需要在實(shí)驗(yàn)中根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇。 實(shí)施例2
圖3示出了在望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的會(huì)聚比為2:1情況下(第二透鏡2的焦距為 100mm)， d2值不同的時(shí)候，倍頻輸出的綠光功率隨脈沖重復(fù)頻率的變化關(guān)系。 從圖3中可以看出，隨著d2的減小，倍頻效率也逐漸增加，當(dāng)d2-170mm時(shí)， 倍頻效率達(dá)到最大值，在9kHz的條件下獲得了 18W的綠光，隨著脈沖重復(fù)頻 率的進(jìn)一步減小，在7.5kHz的情況下出現(xiàn)了灰跡效應(yīng)。如果繼續(xù)減小d2值，灰 跡效應(yīng)就變得更加明顯，在這種實(shí)驗(yàn)條件下，dfl70mm就是最佳值，即在不產(chǎn) 生灰跡效應(yīng)的條件下獲得了最高的綠光輸出功率和倍頻轉(zhuǎn)換效率。
使用Spiricon公司的M2-200光束質(zhì)量分析儀測量了輸出綠光的光束質(zhì)量， 實(shí)驗(yàn)測量得到的綠光光束的衍射倍率因子為M2=1.6，輸出綠光的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布 接近理想的高斯分布。
上述實(shí)施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的 精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā) 明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1. 一種用于減輕KTP晶體灰跡效應(yīng)的裝置，其特征在于，它主要由在同一光軸上依次放置的第一透鏡、第二透鏡和KTP晶體組成。其中，所述第一透鏡和第二透鏡組成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，第一透鏡和第二透鏡的焦距分別為f1＝30～500mm、f2＝15～500mm。第一透鏡1和第二透鏡2之間的距離為d1＝f1+f2＝45～1000mm。
2. —種應(yīng)用權(quán)利要求1所述裝置來減輕KTP晶體灰跡效應(yīng)的方法，其特征在于， 包括以下步驟1) 選擇某一望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)會(huì)聚比使入射激光束經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后產(chǎn) 生會(huì)聚，由遠(yuǎn)及近地將KTP晶體向激光束的會(huì)聚點(diǎn)靠近，直到產(chǎn)生灰跡效應(yīng)為 止，記錄下整個(gè)過程中不產(chǎn)生灰跡效應(yīng)的最高的綠光輸出功率和倍頻轉(zhuǎn)換效率。2) 如果在步驟1中始終未產(chǎn)生灰跡效應(yīng)，則增加望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的會(huì)聚比，將 入射激光束進(jìn)一步會(huì)聚，重復(fù)步驟l，記錄下整個(gè)過程中不產(chǎn)生灰跡效應(yīng)的最高 的綠光輸出功率和倍頻轉(zhuǎn)換效率。3) 如果在步驟1中過早產(chǎn)生灰跡效應(yīng)導(dǎo)致倍頻轉(zhuǎn)換效率較低，則可以增加 或者減小望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的會(huì)聚比，重復(fù)步驟l，記錄下整個(gè)過程中不產(chǎn)生灰跡效應(yīng) 的最高的綠光輸出功率和倍頻轉(zhuǎn)換效率。4) 重復(fù)步驟2、 3，直至在不產(chǎn)生灰跡效應(yīng)的條件下獲得最高的綠光輸出功 率和倍頻轉(zhuǎn)換效率。
全文摘要
本發(fā)明一種用于減輕KTP晶體灰跡效應(yīng)的裝置及方法，該裝置主要由在同一光軸上依次放置的第一透鏡、第二透鏡和KTP晶體組成，本發(fā)明可以避免晶體中產(chǎn)生灰跡效應(yīng)，從而獲得較高的倍頻效率和好的綠光光束質(zhì)量。裝置簡單，沒有任何特殊的光學(xué)元件，使用普通的商用透鏡即可實(shí)現(xiàn)。方法操作簡單，只需要由遠(yuǎn)及近地連續(xù)調(diào)節(jié)KTP晶體和會(huì)聚系統(tǒng)之間的距離，即可以獲得最佳的結(jié)果。
文檔編號(hào)H01S3/109GK101431214SQ200810163439
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2008年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月22日
發(fā)明者崇 劉, 葛劍虹, 軍 陳 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)