專利名稱：激光腔外倍頻系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
激光波長(基頻光、二倍頻光、三倍頻光、四倍頻光)的同時(shí)輸出及能量的 控制。
背景技術(shù)：
激光的出現(xiàn)，使人們擁有了一種研究物質(zhì)深層次規(guī)律的強(qiáng)大光源。近年 來激光應(yīng)用于化學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域，形成了許多新興的交叉學(xué)科。在激光與 物質(zhì)相互作用這一基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，通過改變激光波長、能量，來深入研究分 子/原子的動力學(xué)規(guī)律，已成為人們熱衷的技術(shù)手段。鑒于激光器的昂貴造價(jià)， 通過對基頻激光進(jìn)行倍頻處理，成了獲取不同波長激光的有效手段?，F(xiàn)有激 光倍頻方案，多采用通過更換倍頻晶體和濾波裝置來獲取不同波長的激光。
如圖l所示，全反鏡l、調(diào)Q晶體2、偏振片3、工作介質(zhì)4、泵浦光源5、直角轉(zhuǎn) 折鏡6、耦合輸出鏡7、放大用工作介質(zhì)8構(gòu)成基頻光的輸出。使用二倍頻波長 的激光時(shí)，需安裝二倍頻晶體9、基頻激光濾波器IO,通過機(jī)械調(diào)節(jié)全反鏡l、 耦合輸出鏡7及二倍頻晶體9，獲得最優(yōu)的二倍頻激光輸出；使用三倍頻波長 的激光時(shí)，需安裝二倍頻晶體9、三倍頻晶體ll、高通濾波器12,通過機(jī)械調(diào) 節(jié)全反鏡l、耦合輸出鏡7、 二倍頻晶體9、三倍頻晶體ll，得到最優(yōu)的三倍頻 波長激光；使用四倍頻波長激光時(shí)，需安裝二倍頻晶體9、基頻光濾波器IO、 四倍頻晶體13、 二倍頻光濾波器14，通過機(jī)械調(diào)節(jié)全反鏡l、耦合輸出鏡7、 二倍頻晶體9、四倍頻晶體13,獲得最優(yōu)四倍頻波長的激光輸出。目前的激光 倍頻過程中，需反復(fù)更換倍頻裝置，并進(jìn)行大量的機(jī)械調(diào)節(jié)，存在如下兩方 面問題。第一，每次調(diào)節(jié)只能輸出一種波長的激光，無法實(shí)現(xiàn)多種波長激光 的同時(shí)輸出；第二，變換激光波長時(shí)，需更換倍頻晶體，并進(jìn)行大量機(jī)械調(diào) 節(jié)，耗時(shí)耗力。
實(shí)用新型內(nèi)容
基于目前激光倍頻過程中存在的問題，本實(shí)用新型激光腔外倍頻系統(tǒng)將 耗時(shí)耗力的機(jī)械調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換成了簡單易于操作的光學(xué)調(diào)節(jié)，并實(shí)現(xiàn)了多個(gè)倍頻 波長激光的同時(shí)輸出。圖2示出了激光腔外倍頻系統(tǒng)框圖。全反鏡l、調(diào)Q晶體2、偏振片3、工作介質(zhì)4、泵浦光源5、直角轉(zhuǎn)折鏡6、 耦合輸出鏡7、放大用工作介質(zhì)8構(gòu)成激光器的基頻輸出。
基頻光經(jīng)全反鏡15反射，進(jìn)入第一半波片16,改變偏振狀態(tài)后的基頻光 由第一偏振分束棱鏡17分為兩束， 一束直接輸出， 一束進(jìn)行倍頻處理。使用 基頻光時(shí)，旋轉(zhuǎn)第一半波片16,實(shí)現(xiàn)對基頻輸出光35能量的控制。
基頻光經(jīng)第二半波片18改變偏振狀態(tài)后，由第二偏振分束棱鏡19分為兩 束， 一束進(jìn)行二倍頻處理，另一束進(jìn)行其它倍頻處理。由于二倍頻晶體對基 頻光的偏振方向有要求，因此，進(jìn)行二倍頻處理的基頻光首先由第三半波片 20進(jìn)行偏振調(diào)節(jié)，然后由第一二倍頻晶體21進(jìn)行倍頻，倍頻后的激光中基頻 光和二倍頻光共軸混在一起，通過第一濾波器22將基頻光吸收，將二倍頻激 光36輸出。使用二倍頻激光時(shí)，通過調(diào)節(jié)第一半波片16、第二半波片18實(shí)現(xiàn) 二倍頻輸出光36的能量控制。
基頻光經(jīng)第四半波片23調(diào)節(jié)偏振狀態(tài)后，由第三偏振分束棱鏡24分為兩 束， 一束進(jìn)行三倍頻處理， 一束進(jìn)行四倍頻處理。同樣由于倍頻晶體對偏振 方向的要求，進(jìn)行三倍頻處理的基頻光，首先由第五半波片30調(diào)節(jié)其偏振狀 態(tài)，而后經(jīng)第二二倍頻晶體31產(chǎn)生二倍頻激光，二倍頻激光和基頻光同時(shí)進(jìn) 入三倍頻晶體32進(jìn)行合頻，產(chǎn)生三倍頻激光?；l光、二倍頻光、三倍頻光 共軸混在一起進(jìn)入第二濾波器33，基頻光和二倍頻光被吸收，三倍頻光經(jīng)全 反鏡34反射變換方向，輸出三倍頻激光38。使用三倍頻激光時(shí)，通過調(diào)節(jié)第 一半波片16、第二半波片18、第四半波片23實(shí)現(xiàn)三倍頻激光38的能量控制。
根據(jù)倍頻晶體對偏振方向的要求，進(jìn)行四倍頻處理的基頻光，首先由第 六半波片25進(jìn)行偏振調(diào)節(jié)，而后經(jīng)第三二倍頻晶體26,生成二倍頻激光，經(jīng) 第三濾波器27后，基頻光被吸收，二倍頻光經(jīng)四倍頻晶體28后，產(chǎn)生四倍頻 激光，二倍頻光和四倍頻光共軸混在一起進(jìn)入第四濾波器29, 二倍頻光被吸 收，輸出四倍頻光37。使用四倍頻激光時(shí)，通過調(diào)節(jié)第一半波片16、第二半 波片18、第四半波片23實(shí)現(xiàn)四倍頻激光37的能量控制。
同時(shí)，通過調(diào)節(jié)第一半波片16、第二半波片18、第四半波片23能任意控 制基頻光在各個(gè)倍頻過程中的能量分配，從而實(shí)現(xiàn)四種激光波長的同時(shí)輸出， 并且輸出能量可以通過調(diào)節(jié)相應(yīng)半波片方便地控制。本實(shí)用新型原理如下
1 )通過第一半波片16和第一偏振分束棱鏡17控制基頻激光能量的大小。 激光經(jīng)過第一半波片16后，設(shè)其線偏振方向與水平方向的夾角為6，如 圖3。該線偏振光經(jīng)過第一偏振分束棱鏡時(shí)，其水平方向的偏振分量E〃透過 晶體直接輸出；其垂直方向的偏振分量Ei則經(jīng)晶體反射后輸出。輸出基頻光 能量E〃由(l)式表示
E/尸E。xCos0 (1)
通過旋轉(zhuǎn)第一半波片16，改變6,實(shí)現(xiàn)輸出基頻光能量E〃的控制。當(dāng)6 =0°時(shí)，輸出基頻光能量最大；當(dāng)6=90°時(shí)，輸出基頻光能量最小。
2) 通過第一半波片16、第一偏振分束棱鏡17、第二半波片18、第二偏 振分束棱鏡19控制二倍頻激光能量的大小。
基頻激光E工經(jīng)過第二半波片18后，設(shè)其線偏振方向與水平方向的夾角為
02, 如圖4。該線偏振光經(jīng)過第二偏振分束棱鏡19時(shí)，其水平方向的偏振分量 E^〃透過晶體直接輸出；其垂直方向的偏振分量E②i則經(jīng)晶體反射后輸出。
基頻光E口、由第三半波片20進(jìn)行偏振調(diào)節(jié)后，由第一二倍頻晶體2l進(jìn)行 倍頻，倍頻后的激光中基頻光和二倍頻光共軸混在一起，通過第一濾波器22 將基頻光吸收，將二倍頻激光36輸出。E 的強(qiáng)度直接決定了二倍頻光36的輸 出能量大小。E,的強(qiáng)度由(2)式表示
E =EoxSinexSin02 (2)
通過旋轉(zhuǎn)第一半波片16，第二半波片18，就能實(shí)現(xiàn)輸出基頻光能量E"、 的控制，即實(shí)現(xiàn)二倍頻光能量的控制。當(dāng)6=90°及62=90°時(shí)，輸出二倍頻 光的能量最大；當(dāng)6=0°或6尸0時(shí)，輸出二倍頻光的能量最小。
3) 通過第一半波片16、第一偏振分束棱鏡17、第二半波片18、第二偏振 分束棱鏡19、第四半波片23及第三偏振分束棱鏡24，控制三倍頻激光能量的 大小。
基頻光五，,經(jīng)過第四半波片23后，設(shè)其線偏振方向與水平方向的夾角為
03, 如圖5。該線偏振光經(jīng)過第三偏振分束棱鏡24時(shí)，其水平方向的偏振分 量E?！ㄍ高^晶體直接輸出；其垂直方向的偏振分量E③i則經(jīng)晶體反射后輸出。基頻光E③〃由第五半波片30進(jìn)行偏振調(diào)節(jié)后，經(jīng)第二二倍頻晶體31產(chǎn) 生二倍頻激光，二倍頻激光和基頻光同時(shí)進(jìn)入三倍頻晶體32進(jìn)行合頻，產(chǎn)生 三倍頻激光?；l光、二倍頻光、三倍頻光共軸混在一起進(jìn)入第二濾波器33, 基頻光和二倍頻光凈皮吸收，三倍頻光經(jīng)全反鏡34反射變換方向，輸出三倍頻 激光38。 E( 的強(qiáng)度直接決定了三倍頻光38的輸出能量。E( 的強(qiáng)度由(3) 式表示
E(3)〃= EoxSin0xCos62xCos03 (3) 通過旋轉(zhuǎn)第一半波片16，第二半波片18,第四半波片23,就能實(shí)現(xiàn)輸出
基頻光能量E"、的控制，即實(shí)現(xiàn)三倍頻光能量的控制。當(dāng)6=90° 、 62=0°及
6產(chǎn)0°時(shí)，輸出三倍頻光的能量最大；當(dāng)6=0°或0產(chǎn)90°或6產(chǎn)90°時(shí)，輸
出三倍頻光的能量最小。
4)通過第一半波片16、第一偏振分束棱鏡17、第二半波片18、第二偏振
分束棱鏡19、第四半波片23及第三偏振分束棱鏡24，控制四倍頻光能量的大小。
基頻光E③i由第六半波片25進(jìn)行偏振調(diào)節(jié)后，經(jīng)第三二倍頻晶體26,生 成二倍頻激光，經(jīng)第三濾波器27后，基頻光被吸收，二倍頻光經(jīng)四倍頻晶體 28后，產(chǎn)生四倍頻激光，二倍頻光和四倍頻光共軸混在一起進(jìn)入第四濾波器 29, 二倍頻光被吸收，輸出四倍頻光37。 E(3) i的強(qiáng)度直接決定了四倍頻光37 的輸出能量。E(3)丄的強(qiáng)度由(O式表示
E(3) ±= E0xSinexCose2xSin93 ( 4)
通過旋轉(zhuǎn)第一半波片16，第二半波片18，第四半波片23，就能實(shí)現(xiàn)輸出 基頻光能量E^工的控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)四倍頻光能量的控制。當(dāng)6=90° 、 62=0 °及6產(chǎn)90°時(shí)，輸出四倍頻光的能量最大；當(dāng)6=0°或6 2=90°或6產(chǎn)0°時(shí)， 輸出四倍頻光的能量最小。
本實(shí)用新型激光腔外倍頻系統(tǒng)解決了目前激光倍頻過程中存在的機(jī)械調(diào) 節(jié)耗時(shí)耗力、不能同時(shí)輸出多個(gè)波長激光的問題。其具備的優(yōu)點(diǎn)如下第一， 實(shí)現(xiàn)了四種激光波長的同時(shí)輸出。笫二，通過方《更地旋轉(zhuǎn)相關(guān)半波片，實(shí)現(xiàn) 不同波長激光能量的控制。第三，倍頻調(diào)節(jié)過程省時(shí)省力。

圖l現(xiàn)有激光倍頻過程框圖
圖2激光腔外倍頻系統(tǒng)框圖 圖3偏振分束棱鏡分光示意圖 圖4偏振分束棱鏡分光示意圖 圖5偏振分束棱鏡分光示意圖
具體實(shí)施方式
采用上述結(jié)構(gòu)的激光倍頻系統(tǒng)對Nd: YAG激光器(白俄羅斯SOLARTII LF117)產(chǎn)生的1064nm基頻光進(jìn)行了倍頻處理及其能量控制。
基頻1064nm激光能量的控制
通過旋轉(zhuǎn)第一半波片16,實(shí)現(xiàn)基頻1064nm激光單脈沖能量的控制。當(dāng)0 -0。時(shí)，1064nm基頻激光的單脈沖能量最大，為850mJ;當(dāng)6-90°時(shí)，1064nm 基頻激光的單脈沖能量為0。
二倍頻532nm激光能量的控制
通過旋轉(zhuǎn)第一半波片16、笫二半波片18，實(shí)現(xiàn)了二倍頻晶體KD'P產(chǎn)生的 532nm二倍頻激光單脈沖能量的控制。當(dāng)6=90°及62=90°時(shí)，輸出532nm 二倍頻激光的單脈沖能量最大為500mJ;當(dāng)6 =0?；?2=0時(shí)，輸出532nm二 倍頻激光的單脈沖能量為0。
三倍頻355nm激光能量的控制
通過旋轉(zhuǎn)第一半波片16、第二半波片18、第四半波片23實(shí)現(xiàn)了二倍頻晶 體KD,P及三倍頻晶體BBO產(chǎn)生的355nm三倍頻激光單脈沖能量的控制。
當(dāng)6=90° 、 62-0°及6產(chǎn)0。時(shí)，輸出三倍頻激光的單脈沖能量最大為 350mJ;當(dāng)6 =0°或62=90°或63=90。時(shí)，輸出三倍頻光的能量為O。
四倍頻266nm激光能量的控制
通過旋轉(zhuǎn)第一半波片16、第二半波片18、第四半波片23實(shí)現(xiàn)了二倍頻 晶體KD*P及四倍頻晶體BBO產(chǎn)生的四倍頻光266nm單脈沖能量的控制。當(dāng)6=90° 、 62=0°及63=90°時(shí)，輸出四倍頻光的能量最大為200mJ; 當(dāng)6=0°或6 2=90°或63=0°時(shí)，輸出四倍頻光的能量為O。
采用上述結(jié)構(gòu)的激光倍頻系統(tǒng)對Nd: YAG激光器(白俄羅斯SOLARTII LF117)產(chǎn)生的1064nm基頻光進(jìn)行了倍頻處理。通過旋轉(zhuǎn)第一半波片16，基 頻1064nm激光的單脈沖能量由0-850mJ的變化。通過旋轉(zhuǎn)第一半波片16、 第二半波片18,實(shí)現(xiàn)了二倍頻晶體KD*P產(chǎn)生倍頻532nm激光的單脈沖能量由 0-S00mJ的變化。通過旋轉(zhuǎn)第一半波片16、第二半波片18、第四半波片23 實(shí)現(xiàn)了二倍頻晶體KD*P及三倍頻晶體BBO產(chǎn)生的三倍頻355nm激光單脈沖能 量由0-3S0mJ的變化。通過旋轉(zhuǎn)第一半波片16、第二半波片18、第四半波片 23實(shí)現(xiàn)了二倍頻晶體IH^P及四倍頻晶體BBO產(chǎn)生的四倍頻光266nm單脈沖 能量由0-:200mJ的控制。通過旋轉(zhuǎn)第一半波片16、第二半波片18、第四半波 片23，實(shí)現(xiàn)了基頻光1064nm、 二倍頻光532nm、三倍頻光355nm、四倍頻光 266nm的同時(shí)輸出。
權(quán)利要求1.一種激光腔外倍頻系統(tǒng)，全反鏡(1)、調(diào)Q晶體(2)、偏振片(3)、工作介質(zhì)(4)、泵浦光源(5)、直角轉(zhuǎn)折鏡(6)、耦合輸出鏡(7)、放大用工作介質(zhì)(8)構(gòu)成激光器的基頻輸出，其特征在于基頻光經(jīng)全反鏡(15)反射，進(jìn)入第一半波片(16)，改變偏振狀態(tài)后的基頻光由第一偏振分束棱鏡(17)分為兩束，一束直接輸出基頻輸出光(35)，一束基頻光有待于進(jìn)行倍頻處理。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的激光腔外倍頻系統(tǒng)，其特征在于上述有待于進(jìn) 行倍頻處理的基頻光經(jīng)第二半波片(18)改變偏振狀態(tài)后，由第二偏振分束棱 鏡(19)分為兩束， 一束基頻光進(jìn)行二倍頻處理，另一束基頻光有待于進(jìn)行其 它倍頻處理；進(jìn)行二倍頻處理的基頻光首先由第三半波片(20)進(jìn)行偏振調(diào)節(jié)， 然后由第一二倍頻晶體(21)進(jìn)行倍頻，倍頻后的激光中基頻光和二倍頻光共 軸混在一起，通過第一濾波器(22)將基頻光吸收，將二倍頻激光(36)輸出。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光腔外倍頻系統(tǒng)，其特征在于上述有待于進(jìn) 行其它倍頻處理的基頻光經(jīng)第四半波片(23)調(diào)節(jié)偏振狀態(tài)后，由第三偏振分 束棱鏡(24)分為兩束， 一束進(jìn)行三倍頻處理， 一束有待于進(jìn)行四倍頻處理；進(jìn)行三倍頻處理的基頻光，首先由第五半波片(30)調(diào)節(jié)其偏振狀態(tài)，而后 經(jīng)第二二倍頻晶體(31)產(chǎn)生二倍頻激光，二倍頻激光和基頻光同時(shí)進(jìn)入三倍 頻晶體(32)進(jìn)行合頻，產(chǎn)生三倍頻激光；基頻光、二倍頻光、三倍頻光共軸 混在一起進(jìn)入第二濾波器(33)，基頻光和二倍頻光被吸收，三倍頻光經(jīng)全反 鏡34反射變換方向，輸出三倍頻激光(38)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光腔外倍頻系統(tǒng)，其特征在于上述有待于進(jìn) 行四倍頻處理的基頻光由第六半波片(25)進(jìn)行偏振調(diào)節(jié)，而后經(jīng)第三二倍頻 晶體(26)，生成二倍頻激光，經(jīng)第三濾波器(27)后，基頻光被吸收，二倍頻 光經(jīng)四倍頻晶體(28)后，產(chǎn)生四倍頻激光，二倍頻光和四倍頻光共軸混在一 起進(jìn)入第四濾波器(29)， 二倍頻光被吸收，輸出四倍頻光(37)。
專利摘要本實(shí)用新型激光腔外倍頻系統(tǒng)主要用于激光與物質(zhì)相互作用研究領(lǐng)域中四種激光波長(基頻光、二倍頻光、三倍頻光、四倍頻光)的同時(shí)輸出及其能量的控制?，F(xiàn)有的激光倍頻技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)多種波長激光的同時(shí)輸出；且在改變激光波長時(shí)，需反復(fù)更換倍頻裝置，進(jìn)行大量的機(jī)械調(diào)節(jié)?；l光經(jīng)全反鏡(15)反射，進(jìn)入第一半波片(16)，改變偏振狀態(tài)后的基頻光由第一偏振分束棱鏡(17)分為兩束，一束直接輸出基頻輸出光(35)，一束基頻光有待于進(jìn)行倍頻處理。本實(shí)用新型利用半波片調(diào)節(jié)激光偏振方向，通過偏振分束棱鏡進(jìn)行激光分束?；诩す夥质蟮哪芰勘戎狄蕾囉谌肷浼す馄穹较蜻@一特性，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)倍頻波長激光的同時(shí)輸出及其能量的自由調(diào)節(jié)。利用本實(shí)用新型對激光器產(chǎn)生的基頻光進(jìn)行了倍頻處理。通過旋轉(zhuǎn)半波片，實(shí)現(xiàn)了基頻、二倍頻激光、三倍頻激光、四倍頻激光的同時(shí)輸出，且其能量大小可調(diào)。
文檔編號G02F1/35GK201373964SQ200820233860
公開日2009年12月30日 申請日期2008年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日
發(fā)明者劉世炳, 劉院省, 濤 陳, 黃永光 申請人:北京工業(yè)大學(xué)