專利名稱：提高溫度匹配轉(zhuǎn)換效率的激光器及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及溫度匹配倍頻激光器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及通過對倍頻晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率的倍頻光輸出。
背景技術(shù)：
非線性頻率變換技術(shù)是拓展激光波段的有效技術(shù)手段之一，它適用于各類型激光器，近年來得到了廣泛的發(fā)展。變頻晶體是非線性頻率變換技術(shù)最重要的器件，它的特性直接影響了變頻效果。溫度匹配是通過對倍頻晶體精確控溫，改變晶體內(nèi)部折射率來實現(xiàn)相位匹配。根據(jù)倍頻轉(zhuǎn)換效率公式可知，在不考慮走離效應等其他因素時，倍頻轉(zhuǎn)換效率與晶體長度成正比。溫度匹配與角度匹配方式不同，基頻光與倍頻光并不存在走離效應，因此可以通過增加晶體長度來提高倍頻轉(zhuǎn)換效率。由于非線性晶體生長工藝的限制，生長出長度大的非線性晶體較困難，生長周期長且成本高昂，因此非線性晶體長度是限制溫度匹配倍頻轉(zhuǎn)換效率提高的重要因素之一。雖然建立倍頻腔可以使基頻光沿有效作用方向往返傳播增加基頻光有效作用長度提高轉(zhuǎn)換效率，但此技術(shù)對基頻光要求嚴格，且結(jié)構(gòu)復雜、穩(wěn)定性差、裝置體積大。此外溫度匹配對晶體控溫精度要求很高，以往都是通過對晶體外部包裹導熱裝置進行控溫，溫度是從晶體外部控溫裝置傳到晶體內(nèi)部，晶體內(nèi)部與外部會存在溫度差，導致相位失配以及晶體溫度測量不精確等問題。發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種提高溫度匹配轉(zhuǎn)換效率的激光器及其方法，通過對倍頻晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計解決倍頻晶體長度限制以及倍頻晶體控溫精度不高等問題。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，其原理是對長方體倍頻晶體前端面左右相對的兩個棱邊以及晶體后端面上下相對的兩個棱邊沿特定方向按45°角切割，利用切割面全反射角原理或鍍膜方式使切割面成為晶體的全反射面，基頻光從入射區(qū)域進入倍頻晶體后，由于基頻光在倍頻晶體有效作用方向上傳播，根據(jù)溫度匹配原理基頻光逐漸向倍頻光轉(zhuǎn)換，當激光傳播到反射面處，由于激光的傳播方向與反射面成45°角，則根據(jù)反射原理激光沒有從晶體內(nèi)部傳播出去，而是改變90°的傳播方向仍然在晶體內(nèi)部傳播，此時由于基頻光傳播方向與倍頻晶體有效作用方向垂直，因此這個過程中基頻光不會向倍頻光轉(zhuǎn)換， 激光傳播到下一個切割面時傳播方向同樣改變90°，此時激光的傳播方向與入射到晶體時的傳播方向相反，但仍然處于有效作用方向上，基頻光再次向倍頻光轉(zhuǎn)換，通過對倍頻晶體切割面方位的合理設(shè)計，使激光在晶體內(nèi)部三維空間內(nèi)傳播，最后激光在倍頻晶體有效作用方向上傳播4次，這種方法使基頻光在晶體內(nèi)有效作用方向上的傳播距離增加了近4倍， 有效的增加了倍頻轉(zhuǎn)換效率，在這個過程中由于采用溫度匹配的匹配方式，基頻光與倍頻光不存在走離效應，基頻光與倍頻光沿著一條傳播軌跡傳播，保證基頻光與倍頻光最后從晶體出射區(qū)域傳播出來。此外，沿倍頻晶體有效作用方向?qū)⒕w中心加工出與外部貫通的圓孔，將銅棒插入圓孔處，并與晶體外部包裹的控溫裝置相連，使倍頻晶體內(nèi)外同時控溫，減小晶體內(nèi)外溫度差，使晶體控溫更加精確，減小由于溫度差導致的相位失配，提高倍頻轉(zhuǎn)換效率。這種晶體結(jié)構(gòu)改變了激光的傳播方向，使激光入射和出射方向不在一條直線上，因此這種方法不適用于腔內(nèi)倍頻方式。這種提高溫度匹配轉(zhuǎn)換效率的激光器的基頻光裝置可采用各類型激光器，倍頻晶體可選用適用于溫度匹配的倍頻晶體，如KTP、LB0、BB0等。
提高溫度匹配轉(zhuǎn)換效率的激光器以其方法的優(yōu)點
1、通過對倍頻晶體自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計，改變激光在晶體內(nèi)部傳播方向，通過增加激光有效作用距離來提高倍頻轉(zhuǎn)換效率，此發(fā)明與通過在晶體外部放置透鏡改變激光傳播方向來增加有效作用距離的方案相比，激光所有的反射都是在晶體本身上進行，因此激光器結(jié)構(gòu)簡單、裝置小巧、系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定。
2、由于激光在倍頻晶體內(nèi)三維空間傳播，提高了倍頻晶體空間利用率，此外避免了采用倍頻腔技術(shù)激光只在晶體內(nèi)一條路徑上振蕩，降低了倍頻晶體損壞風險。
3、相對于增加倍頻晶體長度，增加倍頻晶體通光孔徑相對容易，此方法降低了購買倍頻晶體成本。


圖1 為晶體結(jié)構(gòu)示意圖2 為晶體內(nèi)激光光路示意圖3 為晶體前端面示意圖4 為晶體后端面示意圖5 為晶體前端尺寸示意圖6 為晶體后端尺寸示意圖7 為采用此結(jié)構(gòu)倍頻晶體激光器示意圖具體實施方式
下面借用附圖和具體實例對本發(fā)明進行詳細的說明。
如圖1所示為晶體結(jié)構(gòu)示意圖1為端面為正方形的長方體倍頻晶體；2為晶體前端面左上方反射面；3為晶體前端面右上方反射面；4為晶體中心軸線方向圓柱空心；5為晶體后端面上反射面；6為晶體后端面下反射面；7為晶體后端面；8為晶體前端面激光出射入射區(qū)域；9為晶體有效作用方向。為了使激光在晶體內(nèi)部全反射后光路改變90°，需要激光以45°角入射到切割面，根據(jù)全反射角公式η · sine =1，當θ =45°時《 =。因此當激光在晶體內(nèi)折射率時，激光按45°入射角傳播到切割面時發(fā)生全反射，切割面不需要鍍膜；當激光在晶體內(nèi)折射率時，激光按45°入射到切割面時，在發(fā)生反射的同時還會發(fā)生折射，因此需要對切割面鍍基頻光和倍頻光的全反膜。為了使基頻光和倍頻光正常出射入射倍頻晶體，需要對晶體前端面下半部激光出射入射區(qū)域鍍基頻光倍頻光增透膜。
如圖2所示為晶體內(nèi)激光光路示意圖1為激光入射點，激光按順序在2、3、4、5、6、 7六個點全反射后從8點輸出，如圖虛線表示激光傳播路線，箭頭表示激光傳播方向?；l光從入射點1進入倍頻晶體，沿倍頻晶體有效作用方向傳播，基頻光轉(zhuǎn)換成倍頻光，由于是溫度匹配基頻光與倍頻光無走離效應，基頻光與倍頻光不分離，當激光傳播到2點處，由于全反射，光路發(fā)生90°旋轉(zhuǎn)，激光由2點傳播到3點處，由于2點到3點與有效作用方向垂直，因此這個過程基頻光不向倍頻光轉(zhuǎn)換，激光傳播到3點處全反射，光路改變90°發(fā)生， 即與入射光方向相比發(fā)生180°旋轉(zhuǎn)，由3點到4點為晶體有效作用方向，基頻光向倍頻光轉(zhuǎn)換，同理基頻光與倍頻光繼續(xù)在晶體內(nèi)傳播在5、6、7處全反射，最后在8點處出射。如圖可清晰看到激光在有效作用方向上傳播4次，增加近4倍有效作用距離。
如圖3所示為晶體前端面示意圖，1、2為晶體前端切割面，3為晶體中心軸線方向圓柱孔，4為晶體出射入射區(qū)域。如圖4為晶體后端面示意圖，1、2為晶體后端切割面，3為晶體中心軸線方向圓柱孔，圓孔內(nèi)可插入相應尺寸的銅棒與晶體四周包裹的銦片等控溫材料相連，進行串聯(lián)控溫。
下面用具體實例介紹這種提高溫度匹配轉(zhuǎn)換效率的激光器及其方法。利用溫度匹配對1342nm基頻光倍頻得到671nm紅光輸出，倍頻晶體為LB0，根據(jù)LBO晶體實際生長情況，晶體整體尺寸為20X20X40mm3，晶體中心貫通圓孔部分0 = 5mm。如晶體前端尺寸圖 5所示，陰影為前端上半部分左右相對切割面，各部分對應尺寸1部分20mm、2部分5mm、3、 4部分6mm如圖晶體后端尺寸圖6所示，陰影部分為晶體后端面上下相對切割面，各部分對應尺寸1部分20mm、2部分5mm、3、4部分6mm?？筛鶕?jù)實際情況改變倍頻晶體以及尺寸大小進行實驗。
基頻光裝置采用LD端面抽運Nd =YVO4,由于1342nm基頻光和67 Inm倍頻光在LBO晶體的折射率大于V^，則切割面不用鍍膜，激光傳播到切割面時發(fā)生全反射，1342nm基頻光從圖2中1點處垂直入射進倍頻晶體，當基頻光在晶體有效作用方向上傳播時，基頻光不斷轉(zhuǎn)換成倍頻光，基頻光與倍頻光通過點2、3、4、5、6、7處全反射最后從8點處出射，在激光出射入射區(qū)域需要鍍1342nm基頻光671nm倍頻光的增透膜，確保激光正常進出倍頻晶體。 由于此裝置激光入射區(qū)域和出射區(qū)域都在晶體前端面，如圖6所示，需要在倍頻晶體出射點處放置45°全反鏡，鍍基頻光倍頻光45°全反膜，使激光反射出光路，防止激光損壞前端器件，利于激光有效輸出。
根據(jù)圖2晶體內(nèi)激光光路示意圖可知，激光的入射點和出射點都在晶體前端面， 因此激光傳播方向改變了 180°。若需要使激光傳播方向不發(fā)生改變，依據(jù)本發(fā)明原理， 可以根據(jù)實驗要求適當改變晶體結(jié)構(gòu)，使基頻光在有效作用方向上傳播三次就從晶體內(nèi)輸出，如圖2所示若使基頻光在有效作用方向上傳播三次，即使圖中6點處變?yōu)榧す獬錾潼c， 對6點處不進行切割，即為平面并鍍有基頻光和倍頻光增透膜，這樣當激光傳播到6點處時不會發(fā)生全反射，直接從晶體內(nèi)傳播出去，這種方案可以在增加基頻光有效作用距離的同時，不改變激光傳播方向。
權(quán)利要求
1.提高溫度匹配轉(zhuǎn)換效率的激光器及其方法，其特征在于對倍頻晶體棱邊沿特定方向按45°切割，倍頻晶體為長方體，端面為正方形，對晶體前端面上部份左右相對的兩個棱邊按45°切割，其切割高度和寬度小于晶體端面長度的三分之一；對晶體后端面上下相對的兩個棱邊按45度切割，后切割面高度同樣小于晶體端面長度的三分之一，寬度與晶體端面長度相同；沿晶體中心軸線方向?qū)⒕w中心與外部貫通，即將晶體中心部分加工出與外部貫通的圓孔，圓孔的直徑小于晶體端面長度的三分之一。
2.如權(quán)利要求1所述的提高溫度匹配轉(zhuǎn)換效率的激光器及其方法，其特征在于若基頻光和倍頻光在晶體內(nèi)的全反射角小于等于45°，激光按45°入射到切割面時發(fā)生全反射，則切割面不用鍍膜；若基頻光或倍頻光在晶體內(nèi)的全反射角大于45°，切割面鍍基頻光與倍頻光的全反膜，確保激光在切割面全反射，晶體前端面下半部未切割的區(qū)域為激光入射出射區(qū)域，鍍基頻光與倍頻光增透膜，確保激光正常入射出射倍頻晶體。
3.如權(quán)利要求2所述的提高溫度匹配轉(zhuǎn)換效率的激光器及其方法，其特征在于倍頻晶體端面為正方形，根據(jù)基頻光光斑大小，適當選取端面口徑較大的倍頻晶體，利于晶體加工及實際操作，對晶體切割面進行加工時，預留出晶體中心圓孔尺寸。
4.如權(quán)利要求3所述的提高溫度匹配轉(zhuǎn)換效率的激光器及其方法，其特征在于所述倍頻晶體結(jié)構(gòu)只適用于溫度匹配方式。
5.如權(quán)利要求4所述的提高溫度匹配轉(zhuǎn)換效率的激光器及其方法，其特征在于所述倍頻晶體結(jié)構(gòu)只適用于腔外匹配方式。
6.如權(quán)利要求5所述的提高溫度匹配轉(zhuǎn)換效率的激光器及其方法，其特征在于倍頻晶體可采用適用于溫度匹配的各類晶體，典型的如KTP、LBO, BBO等。
7.如權(quán)利要求6所述的提高溫度匹配轉(zhuǎn)換效率的激光器及其方法，其特征在于要求注入倍頻晶體的基頻光功率較高，基頻光在晶體有效作用方向傳播時仍有可轉(zhuǎn)換的基頻光。
8.如權(quán)利要求7所述的提高溫度匹配轉(zhuǎn)換效率的激光器及其方法，其特征在于非線性晶體內(nèi)部與晶體外部聯(lián)通進行串聯(lián)控溫，圓孔處可插入銅棒并與包裹在晶體外表面的銅片或銦片連接。
9.如權(quán)利要求8所述的提高溫度匹配轉(zhuǎn)換效率的激光器及其方法，其特征在于基頻光裝置可采用各類型激光器，如固體激光器、光纖激光器等。
全文摘要
發(fā)明了一種提高溫度匹配轉(zhuǎn)換效率的激光器及其方法。對倍頻晶體棱邊沿特定方向按45°角切割，切割面利用全反射原理或鍍膜方式，使其成為倍頻晶體的全反射面，即激光在倍頻晶體內(nèi)部傳播到切割面時發(fā)生全反射，激光的傳播方向在晶體內(nèi)部改變90°，通過對倍頻晶體切割面方位的合理設(shè)計，最多可以使激光在倍頻晶體內(nèi)有效作用方向上傳播四次；沿倍頻晶體有效作用方向?qū)⒕w中心與外部貫通，對晶體中心內(nèi)部與外部串聯(lián)進行控溫。這種方法在不增加倍頻晶體長度的基礎(chǔ)上使有效作用距離增加近四倍，同時晶體中心與外部串聯(lián)的控溫方式，減小了倍頻晶體各個部位溫度差，防止了由于溫差導致的相位失配，有效提高了溫度匹配倍頻轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01S3/10GK102545021SQ201210048890
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者于永吉, 劉琦, 吳春婷, 王超, 金光勇, 陳薪羽 申請人:長春理工大學