CN102934019A - 用于激光辐射的频率转换的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于激光辐射的频率转换的装置（1），包括：第一非线性晶体（5），在该第一非线性晶体中由具有第一波长（λ₁）的第一入射激光束（2）通过频率翻倍产生具有第二波长（λ₂）的第二激光束（6），第二激光束（6）与第一激光束（2）共线地延伸；第二非线性晶体（9），在第二非线性晶体中由第一激光束和第二激光束（2，6）通过频率混合产生具有第三波长（λ₃）的第三激光束（10）；以及在第一非线性晶和第二非线性晶体（5，9）之间布置的、用于将第一激光束（2）与第二激光束（6）空间分离的光学装置（7，8）。光学装置具有至少一个透镜（7，8），第一激光束和第二激光束（2，6）相对于光轴（7a，8a）偏移地和/或倾斜地穿过透镜（7，8），以便引起分离。本发明也涉及相关的用于频率转换的方法。

Description

用于激光辐射的频率转换的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于激光辐射的频率转换的装置，包括：第一非线性晶体，在该第一非线性晶体中由具有第一波长的第一入射激光束通过频率翻倍产生具有第二波长的第二激光束，第二激光束与第一激光束共线地延伸；第二非线性晶体，在第二非线性晶体中由第一激光束和第二激光束通过频率混合产生具有第三波长的第三激光束；以及在第一非线性晶和第二非线性晶体之间的光路中布置的用于将激光束彼此分离的光学装置。本发明也涉及相关的用于频率转换的方法。

背景技术

为了产生具有中等功率的UV激光，即在大约0到30瓦的功率范围的UV激光，可以根据由激光振荡器提供的例如λ₁=1064nm的第一波长（基波波长）在第一步骤中借助具有非临界相位匹配的第一非线性晶体产生具有例如λ₂=λ₁/2=532nm的第二波长（所谓的二次谐波）的频率翻倍的激光束（所谓的“二次谐波生成”，SHG）。基波和二次谐波在此情况下线性地被极化并且具有彼此垂直的极化方向。基波和二次谐波于是在具有临界相位匹配的第二非线性晶体中根据1/λ₃=1/λ₁+1/λ₂=3/λ₁来产生总频率（所谓的“总频率生成”，SFG），即在此例子中产生具有λ₃=355nm波长的第三激光束，其如所期望的那样在UV范围中。

在非线性晶体中的所谓的临界相位匹配使得三个参与频率混合的波的波长向量满足条件k₃=k₂+k₁（针对SHG适用于k₂=2k₁）。由于非线性晶体具有双折射特性，所以临界相位匹配导致这两个入射的激光束之一（无序极化的波）以所谓的“走离”角度从第二入射的激光束（有序极化的波）远离。这两个激光束于是在非线性晶内一定传播路程之后被分离并且具有所谓的空间走离。

在以开头所描述的方式产生具有高功率的UV激光时，基波在第二晶体中典型地有序地被极化，而二次谐波在该晶体中被无序地极化，使得在第二非线性晶体中出现走离效应。而在第一非线性晶体中使用非临界相位匹配，使得在那里不出现走离效应并且基波和二次谐波共线地从晶体射出。

在第二非线性晶体中在基波与二次谐波之间的走离降低了在产生三次谐波（UV辐射）时的效率，因为进行频率转换的交互作用长度减小。通过补偿走离效应，增大了交互作用长度，由此在产生UV辐射时的效率明显升高。

在文献DE 10143709A1中介绍了一种用于补偿在频率转换时的走离效应的方法。在该方法中使用具有非临界相位匹配的用于频率转换的第一非线性三硼酸锂（LBO）晶体并且使用具有临界相位匹配的LBO晶体来产生三次谐波。在第一非线性晶体与第二非线性晶体之间设置有双折射晶体，其中避免了非线性光学特性。通过双折射晶体产生走离，其导致在第二非线性晶体上基波与二次谐波的射束偏移。射束偏移与第二LBO晶体的走离相反并且应当补偿该走离。

但在DE 10143709A1所描述的结构中必须将附加部件（双折射晶体）定位在光路中。这导致较高的调整开销。由于抵抗第二非线性晶体的走离效应的晶体的双折射与温度有关，所以用于分离激光束的双折射晶体还必须保持在恒定温度上。

文献EP 0503875A2公开了另一用于在具有临界相位匹配的非线性晶体中进行走离补偿的可能性。在此情况下，在有序射束和无序射束之间的走离通过如下方式来补偿，即两个射束共线地相对于晶体表面呈一角度地射到具有临界相位匹配的晶体上。当激光以一角度射到晶体上时，出现折射并且辐射的波长向量根据极化方向而改变了不同的数值。在正确选择入射角度和使晶体轴线相对于晶体的入射面取向时因此可以实现走离的补偿。然而该解决方案同样要求相应剖切并被调制的非线性晶体。典型地，晶体轴线在此情况下并不垂直于或平行于晶体表面地取向，而是相对于晶体表面呈一角度地延伸。晶体被剖切的角度因此必须非常精确，因为不精确的剖切角度不能通过整个晶体的倾斜或转动来补偿。

出版物US 2006/0250677公开了一种走离补偿的解决方案，其中激光束同样在相同的点处射到非线性晶体上，但之前借助光学装置被分离，使得这些激光束关于晶体表面的入射角度彼此不同。激光束之一例如垂直射到晶体表面上，而另一激光束以一角度射到非线性晶体上。作为用于分离的光学装置，双棱镜定位在非线性晶体之前。在使用不同波长的激光束时，提出了必要时使用二色性分束器。为了实现最大的走离补偿，非线性晶体同样拥有优化的剖面，即晶体轴线相对于晶体表面呈一角度地延伸。

发明内容

本发明的任务是改进一种开头所述类型的设备，使得以特别简单的方式能够实现走离效应的补偿。

该任务根据本发明通过开头所述类型的设备来解决，其中光学装置具有至少一个透镜，以便引起这些激光束的空间分离。这是有利的，因为为了实现良好的转换效率，激光束通常必须（在这里使用泵浦功率的情况下）被聚焦，使得为此本来在光路中设置的透镜除了用于射束成形或成像之外还可以用于激光束的空间分离。

在一个实施形式中，为了波长有关的分离，第一激光束和第二激光束相对于光轴偏移地和/或倾斜地穿过透镜以便引起空间分离。通过激光束相对于透镜的光轴的偏移或倾斜，激光束并不垂直地射到透镜入射面和透镜出射面，使得激光束由于波长不同而在射入透镜时以及在从透镜射出时分别以不同的角度被折射。激光束在从透镜射出之后因此不再共线地延伸，而是彼此具有角度。本发明已发现，为了补偿空间走离效应，激光束相对于透镜的光轴比较小的移动或倾斜足以使得能够避免激光束的过强的椭圆率。

通常，在光学装置中使用进行聚焦的透镜（会聚透镜），其典型地构造为双凸透镜。但必要时也可以使用其他类型的会聚透镜，例如平凸透镜或凹凸透镜。重要的是，所使用的透镜材料具有波长有关的折射率，其中折射率中的差异对于所使用的不同激光波长而言要尽可能大。在这里所使用的波长的情况下已表明石英玻璃和BK7玻璃作为特别合适的透镜材料。在石英玻璃的情况下，在1064nm到532nm之间的折射率差在大约Δn=0.0108。在BK7玻璃的情况下，差甚至为Δn=0.01284。其他材料通常具有较小的折射率差。

对透镜的移动或倾斜可替选地或除此之外，透镜中的至少一个由双折射的材料构成，以便引起分离。由于在当前泵浦功率的情况下本来需要透镜来聚焦，所以在使用透镜来分离激光束时不会产生提高的调节开销。

已证明有利的是，光学装置或透镜在第二非线性晶体的射束入射面上产生在第一激光束和第二激光束之间的射束偏移，因为在此情况下通常可以使用方形标准晶体。但应理解的是，必要时被分离的激光束也可以以不同的角度在共同的点处射到相应被剖切的非线性晶体的入射面上，以便以在US 2006/0250677中所描述的方式来补偿走离效应。

在一个实施形式中，光学装置具有用于将从第一非线性晶体射出的第一激光束和第二激光束准直的第一透镜以及用于将第一激光束和第二激光束聚焦到第二非线性晶体上的第二透镜。当激光束通过两个透镜偏心地延伸时，在此透镜对激光束的分离会有帮助。以此方式，可以实现激光束的充分分离，而为此无需在相应透镜中激光束相对于光轴的过强的偏移。应理解的是，光学装置也可以具有多于两个或小于两个的透镜。

在使用透镜时的另一优点在于，具有较短波长的激光束略微较强地被折射，使得第二激光束（具有532nm）的焦点与第一激光束（具有1064nm）的焦点相比更靠近透镜。这导致，在第二晶体中的交互作用长度内第二激光束的直径小于第一激光束的直径，这证明为对于频率转换是有利的。但由此产生的对频率转换的积极作用小于通过空间走离补偿实现的作用。

在一个实施形式中，该装置具有设置在第一非线性晶体之前的另外的透镜，用于将激光辐射聚焦到第一非线性晶体上。通过另外的透镜可以提高在第一非线性晶体中的转换效率。另外的透镜的焦距在此情况下例如与第一透镜的焦距相一致。

在另一实施形式中，该装置具有用于使至少一个用于分离的透镜垂直于光轴运动的运动设备。如上面所介绍的那样，基波和二次谐波借助一个或多个透镜来聚焦用于在第二晶体中产生UV。通过使透镜从光轴沿着临界方向移动，这些激光束的相互远离借助折射来产生而在两个激光束之间的射束偏移被产生，由此可以延长在第二非线性晶体中的交互作用长度并且由此可以提高UV产生的效率。在理想情况下，通过透镜产生的射束偏移选择为使得射束在第二非线性晶体的中心精确地重叠。

运动设备可以用于调节所期望的射束偏移，其必要时在温度波动的情况下要与第一非线性晶体匹配。运动设备在此情况下可以与调节设备耦合，该调节设备与用于测量第三激光束的输出功率的检测器耦合并且调节射束偏移使得输出功率最大。可替选地，当然也可以使晶体温度稳定。

在一个有利的实施形式中，第一非线性晶体和/或第二非线性晶体由三硼酸锂构成。该材料尤其是在使用具有大约1064nm的基波波长的激光辐射的情况下已表明可行，如其例如由Nd:YVO₄激光器所提供的那样。

该装置还可以包括用于产生第一激光束的激光振荡器，其中非线性晶体典型地设置在谐振器外部。应理解的是，在激光振荡器与第一晶体之间还可以中间连接有另外的器件，例如激光放大器。用于频率转换的第一波长在非线性晶体管布置在谐振器外部的情况下对应于激光振荡器的基频，其尤其是可以在1064nm。

本发明的另一方面以用于激光辐射的频率转换的方法来实现，包括：通过在第一非线性晶体中使具有第一波长的第一激光束频率翻倍来产生具有第二波长的第二激光束，其中第二激光束与第一激光束共线地延伸；由第一激光束和第二激光束通过在第二非线性晶体中频率混合来产生具有第三波长的第三激光束，其中第一激光束和第二激光束在设置在第一非线性晶体与第二非线性晶体之间的光路中的光学装置上彼此分离。为了引起分离，第一激光束和第二激光束相对于光轴偏移地和/或倾斜地穿过光学装置的至少一个透镜。

在该方法的一个变型方案中，第一激光束和第二激光束相对于光学轴偏移地和/或倾斜地穿过透镜，以便引起分离。可替选地或附加地，透镜也可以由双折射材料构成，以便引起分离。

附图说明

本发明的其他优点从以下说明书和所附的附图中得到。同样，单独地或多个任意组合地使用前面所述的并且以下还要介绍的特征。所示的且所描述的实施形式并不理解为穷尽性列举，而是更确切地说示例性的特征用于描述本发明。

其中：

图1a、1b示出根据本发明的用于激光束的频率转换的设备的实施形式的示意图，该设备具有两个非线性的晶体和两个或一个用于走离补偿的透镜，以及

图2a、b示出第二非线性晶体的示意性图，该晶体具有在走离补偿（图2a）的情况下和在没有走离补偿（图2b）的情况下的临界相位匹配。

具体实施方式

图1a示出了用于具有1064nm的第一波长λ₁的第一激光束2的频率转换的装置1，该第一激光束由激光振荡器3产生。激光振荡器3在此例子中具有作为激光介质的Nd:YVO₄激光器晶体。由激光振荡器3发射的第一激光束2借助透镜4聚焦至第一光学非线性晶体5中，它构造为三硼酸锂（LBO）晶体。在非临界相位匹配的第一非线性晶体5中由第一激光束2通过频率翻倍产生具有第二波长λ₂＝λ₁/2=532nm的第二激光束6，即第一非线性晶体5用于产生二次谐波。由于该非临界相位匹配，在第一非线性晶体5中不出现走离效应，使得第一激光束2和第二激光束6共线地离开第一非线性晶体5。两个激光束2、6在从第一晶体5离开时线性地极化，其中它们的极化方向彼此垂直。

共线激光束2、6在离开第一LBO晶体5之后首先借助第一透镜7来准直，该第一透镜7拥有与用于第一聚焦的（另外的）透镜4相同的焦距。随后，激光束2、6借助第二透镜8聚焦至第二LBO晶体9中，以便通过第一激光束2和第二激光束6的频率混合产生具有355nm波长λ3的、即在UV波长范围中的第三激光束10（三次谐波）。在第二LBO晶体9中利用临界相位匹配，以便由第一激光束2和第二激光束6形成总频率（SPG）。

如在图2b中所示，临界相位匹配导致第二激光束6与第一激光束2在第二晶体9中的空间分离，即使两个激光束2、6在相同位置处共线地并且垂直于入射平面9a地射到第二晶体9上。这通过以下方式产生，即两个激光束2、6具有不同的极化方向，使得第二激光束6在双折射的晶体9中被无序地极化，而第一激光束拥有有序的极化。走离效应使得两个有序的或无序极化的激光束2、6彼此远离并且交叠区域L即在进行频率转换的第二晶体9中的长度明显减小。在交叠区域外还存在的第二晶体9的长度对在三个波长λ₃处的激光辐射的产生不再有帮助。

为了尽可能在很大程度上避免该问题，在图1a的装置1中这两个激光束2、6相对于光轴7a、8a偏移地延伸通过第一透镜7和第二透镜8。因为激光束2、6并不垂直地射到透镜表面上，所以具有532nm的波长λ₂的第二激光束6被折射的射束方向不同于具有1064nm的波长λ₁的第一激光束2的射束方向。这两个激光束2、6因此彼此远离并且因此不再在相同位置处射入第二LBO晶体9中，而是在入射面9a上具有射束偏移δ。针对两个透镜7、8的移动，在此情况下选择如下方向，该方向使得第二激光束6的入射点沿着与走离相反的方向移动，使得这两个激光束2、6在第二晶体9中进入到彼此之中。如在图2a与图2b的比较中得到的那样，进行频率转换的交互作用长度L以此方式会增加，使得UV产生的效率即所产生的第三激光束10的功率提高。

在理想情况下，通过透镜7、8产生的射束偏移δ选择为使得这两个激光束2、6在第二LBO晶体9的中心在交叠区域中叠加。为了保证射束偏移δ的可调节性，两个操作器11、12（例如线性马达）设置在透镜7、8上，其啮合到其插座上并且实现垂直于其光轴的移动。应理解的是，除了这里所示的移动之外或对这里所示的移动可替选地，透镜7、8的倾斜也是可能的，以便引起分离。对于分离重要的是，激光束2、6并不与透镜7、8的入射面和出射面垂直，如例如在沿着光轴7a、8a穿过时情况如此，因为在此情况下不会进行分离（参见图2b）。

图1a的装置1也可以被适当地修改。这样，如在图1b中所示的那样例如也可能的是，在第一LBO晶体5与第二LBO晶体9之间代替这两个透镜7、8仅使用具有更小的焦距的唯一的透镜7'。在此情况下，透镜7'定位为使得两个激光束2、6近轴地即沿着光轴射到透镜7'上。图1b的透镜T与图1a的透镜7、8相反由双折射材料例如方解石构成，在该材料中第一激光束2被有序地折射而第二激光束6被无序地折射，由此引起分离。在此情况下，可以利用的是，第一激光束2和第二激光束6在从第一晶体5出射时具有彼此垂直的极化方向。

应理解的是，图1a和图1b中所示的装置的组合是可能的。例如，在图1a中所示的装置1的情况下一个或两个透镜2、6也可以由双折射的材料构成。此外，应理解的是，频率转换可以在不同于这里所描述的频率或波长处进行。为了分离从第二非线性晶体9出射的激光束2、6、10，也可以使用附加的光学元件譬如二色性镜或棱镜。

Claims (13)

1.一种用于激光辐射的频率转换的装置（1），包括：

第一非线性晶体（5），在该第一非线性晶体中由具有第一波长（λ₁）的第一入射激光束（2）通过频率翻倍产生具有第二波长（λ₂）的第二激光束（6），第二激光束（6）与第一激光束（2）共线地延伸；

第二非线性晶体（9），在该第二非线性晶体中由第一和第二激光束（2，6）通过频率混合产生具有第三波长（λ₃）的第三激光束（10）；

以及布置在第一和第二非线性晶体（5，9）之间的、用于使激光束（2，6）彼此分离的光学装置（7，7'，8），

其特征在于，该光学装置具有至少一个透镜（7，7'，8），以便引起分离。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，第一和第二激光束（2，6）相对于光轴（7a，8a）偏移地和/或倾斜地穿过透镜（7，8），以便引起分离。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，透镜（7'）由双折射材料构成，以便引起分离。

4.根据上述权利要求之一所述的装置，其中，该光学装置（7，7'，8）在第二非线性晶体（9）的射束入射面（9a）上产生在第一和第二激光束（2，6）之间的射束偏移（δ）。

5.根据上述权利要求之一所述的装置，其中，该光学装置（7，8）具有用于将从第一非线性晶体（5）射出的第一和第二激光束（2，6）准直的第一透镜（7）以及用于将第一和第二激光束（2，6）聚焦到第二非线性晶体（9）上的第二透镜（8）。

6.根据上述权利要求之一所述的装置，还包括：设置在第一非线性晶体（5）之前的另外的透镜（4），用于将第一激光束（2）聚焦到第一非线性晶体（5）上。

7.根据上述权利要求之一所述的装置，还包括：用于使至少一个透镜（7，8）垂直于光轴（7a，8a）运动的运动设备（11，12）。

8.根据上述权利要求之一所述的装置，其中，第一和/或第二非线性晶体（5，9）由三硼酸锂构成。

9.根据上述权利要求之一所述的装置，还包括：用于产生第一激光束（2）的激光振荡器（3）。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，第一波长（λ₁）对应于激光振荡器（3）的基频，尤其是对应于1064nm的波长。

11.一种用于激光辐射的频率转换的方法，包括：

通过在第一非线性晶体（5）中使具有第一波长（λ₁）的第一激光束（2）频率翻倍来产生具有第二波长（λ₂）的第二激光束（6），其中，第二激光束（6）与第一激光束（2）共线地延伸；

由第一和第二激光束（2，6）通过在第二非线性晶体（9）中频率混合来产生具有第三波长（λ₃）的第三激光束（10），

其中第一和第二激光束（2，6）在一个设置在第一和第二非线性晶体（5，9）之间的光路中的光学装置（7，7'，8）上彼此分离，

其特征在于，第一和第二激光束（2，6）穿过光学装置的至少一个透镜（7，7'，8），以便引起分离。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，第一和第二激光束（2，6）相对于光轴（7a，8a）偏移地和/或倾斜地穿过透镜（7，8），以便引起分离。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，透镜（7'）由双折射材料构成，以便引起分离。

Images