CN1258121A - 波长变换激光器及采用波长变换激光器的加工装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于生成合频激光束的波长变换激光器,包括激光共振腔、固态激光器激活媒质、二次谐波生成波长变换晶体及合频生成波长变换晶体,其中二次谐波生成波长变换晶体在光轴方向上的长度设定为比合频生成波长变换晶体在光轴方向上的长度短。

Description

波长变换激光器及采用波长变换激光器的加工装置
本发明涉及可以以高再现性的稳定方式生成高输出功率和高可聚焦性的合频激光束的波长变换激光器及激光加工装置。
图15示出通常的波长变换激光器，例如在日本公开专利申请No.148096/1975(特开昭50-148096)中所示出的，的结构示意图。在图15中，标号1为对基频激光束具有高反射率的激光器共振腔反射镜，3为固态激光器激活媒质，6c为二次谐波生成波长变换晶体，7c为合频生成(三次谐波生成)变换晶体，9为对二次谐波激光束和基频激光束具有高反射率的激光器共振腔反射镜，而18为对基频激光束具有高反射率并且对二次谐波和合频激光束具有高透射率的反射镜。
在图15中示出的波长变换激光器中，由激光器共振腔反射镜1，9和反射镜18及固态激光器激活媒质3组成的共振腔所生成的基频激光束由置于激光器共振腔内部的二次谐波生成波长变换晶体6c部分地变换为二次谐波激光束，并且如此生成的二次谐波激光束的一部分和基频激光束的一部分由合频生成波长变换晶体7c变换为用作合频激光束的三次谐波激光束。未经波长变换的二次谐波激光束(2ω)和三次激光束(3ω)从反射镜1抽出。在将合频生成波长变换晶体和二次谐波生成波长变换晶体***激光共振腔以生成合频激光束的上述波长变换激光器中，合频激光束的输出通过交替调节相应的波长变换晶体角度和温度而达到极大。
在图15所示的场合，用于生成合频激光束的波长变换激光器的结构是将二次谐波生成波长变换晶体和合频生成波长变换晶体***激光共振腔。然而，波长变换效率依波长变换晶体角度和温度而改变，结果激光共振腔内的基频激光束的特性也改变；因而很难构造具有高再现性的此种装置。构造此种装置的复杂性及困难比构造激光共振腔中只有一个波长变换晶体的基频激光束生成装置的复杂性及困难要大得多。此外，专利公报No.2654728号等等中也公开了一种波长变换晶体波长变换激光器，其中波长变换晶体置于激光共振腔之内；然而，如图15所示，即使应用这种装置也很难提供一种具有高再现性的装置。
上述取决于波长变换晶体的角度和温度的波长变换激光输出功率波动的复杂性，以及在生产这种装置中不可避免的障碍(如部件中的变化和各个工人能力上的差异)使得在工厂中生产和成批制造波长变换激光器很困难。此外，此装置制造和维护所需要的复杂的加工过程使制造成本更高。另外，还需要有熟练工人。
在采用由上述波长变换激光器生成的激光束进行机械加工的场合，如激光器的一个组成部件(如半导体激光器和抽运光源用灯、波长变换晶体及像反射镜这样的光学部件)受到损害并需要更换时，光学***和共振腔需要进行耗费时间的调节，并且即使是在同样的操作条件下，有时也难于再现修理之前的加工结果，因为激光器不能再现修理之前的同一状态。
根据本发明的第1种波长变换激光器是一种通过将二次谐波生成波长生成变换晶体和合频生成波长变换晶体置于激光共振腔之内的波长变换激光器，其特征在于采用的二次谐波生成波长变换晶体比合频生成波长变换晶体为短。
此外，根据本发明的第2种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其特征在于合频生成波长变换晶体用作三次谐波生成波长变换晶体。
另外，根据本发明的第3种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其特征在于合频生成波长变换晶体是由多个波长变换晶体制成。
根据本发明的第4种波长变换激光器与第3种波长变换激光器相同，其特征在于合频生成波长变换晶体是两个波长变换晶体，以便生成四次谐波激光束。
此外，根据本发明的第5种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其特征在于合频生成波长变换晶体被置于固态激光器激活媒质和二次谐波生成波长变换晶体之间。
另外，根据本发明的第6种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其特征在于共振腔Q值调制元件置于激光器共振腔之内。
此外，根据本发明的第7种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其特征在于安装有可对至少一个波长变换晶体的角度以不大于±0.1度的精度进行细调的装置。
此外，根据本发明的第8种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其特征在于安装有可对至少一个波长变换晶体的温度以不大于±0.5摄氏度的精度进行细调的装置。
另外，根据本发明的第9种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其特征在于偏振控制元件置于激光器共振腔之内。
根据本发明的第10种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其特征在于采用Nd：YAG、Nd：YLF或Nd：YVO4作为固态激光器激活媒质。
根据本发明的第11种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其特征在于二次谐波生成波长变换晶体或合频生成波长变换晶体中的至少一个采用LBO(LiB3O5)晶体。
此外，根据本发明的第12种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其特征在于合频激光束的平均输出功率不小于1W。
另外，根据本发明的第13种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其特征在于二次谐波生成波长变换晶体和合频生成波长变换晶体形成一个集成波长变换元件，以便整体改变二次谐波生成波长变换晶体和合频生成波长变换晶体的温度或角度。
根据本发明的机加工装置是用由上述波长变换激光器生成的波长变换激光束作为光源，对加工对象进行机加工的激光机加工装置。
图1为示出根据本发明的实施例1至8的波长变换激光器的配置的示图。
图2为示出在外腔频率变换的场合二次谐波激光束平均输出功率与波长变换晶体的角度的关系的示意图，其中频率变换晶体置于共振腔的外部。
图3为示出在内腔频率变换的场合二次谐波激光束平均输出功率与晶体角度的关系的示意图，其中频率变换晶体置于共振腔的内部。
图4为示出由利用置于激光共振腔内的二次谐波生成波长变换晶体和合频生成波长变换晶体生成的合频激光束平均输出功率与晶体角度的关系的示意图。
图5为示出在采用长二次谐波生成波长变换晶体的场合二次谐波激光束平均输出功率与晶体角度的关系的示意图。
图6为示出在采用短二次谐波生成波长变换晶体的场合二次谐波激光束功率与晶体角度的关系的示意图。
图7为示出在采用长二次谐波生成波长变换晶体的场合合频激光束平均输出功率与晶体角度的关系的示意图。
图8为示出在采用短二次谐波生成波长变换晶体的场合合频激光束平均输出功率与晶体角度的关系的示意图。
图9为示出合频激光束功率根据二次谐波生成波长变换晶体的长度的改变情况的示意图。
图10为示出根据本发明的实施例9的波长变换激光器的配置的示图。
图11为示出根据本发明的实施例10的波长变换激光器的配置的示图。
图12为示出根据本发明的实施例11的波长变换激光器的配置的示图。
图13为示出根据本发明的实施例12的波长变换激光器的配置的示图。
图14为示出根据本发明的实施例13的波长变换激光器的配置的示图。
图15为示出通常的波长变换激光器的配置的示图。
实施例1
图1为示出本发明的实施例1的波长变换激光器的构造的示意图。在图1中，标号1为对基频激光束具有高反射率的激光器共振腔反射镜，2为用于控制在共振腔内部基频激光束的偏振的偏振器，如布儒斯特片，3为固态激光器激活媒质，4为对基频激光束具有高反射率并且对二次谐波激光束具有高透射率的反射镜，5为对合频激光束具有高透射率并对二次谐波和基频激光束具有高反射率的反射镜，6为二次谐波生成波长变换晶体，7为用于生成合频(三次谐波)激光束的合频生成波长变换晶体，8为用作共振腔Q值调制元件的Q开关装置，而9为对基频激光束和二次谐波激光束具有高反射率的激光器共振腔反射镜。此外，20代表激光振荡的光轴。如图所示，在二次谐波生成波长变换晶体6的光轴方向上的长度l2ω设定为比合频生成波长变换晶体7的光轴方向上的长度l3ω短。
在图1所示的波长变换激光器中，线性偏振基频脉冲激光束由构成激光器共振腔的共振腔反射镜1和9、用作基频激光束的折叠反射镜的反射镜4和5、固态激光器激活媒质3、偏振器2及Q开关装置8生成的，并且此激光束的一部分由置于激光共振腔内的二次谐波生成波长变换晶体6变换为二次谐波激光束。如此生成的二次谐波激光束的一部分及未变换为二次谐波激光束的基频激光束的一部分由置于激光共振腔内的合频生成波长变换晶体7变换为用作合频激光束的三次谐波激光束。如此生成的三次谐波激光束(3ω)由反射镜5取出，并且二次谐波激光束(2ω)由反射镜4抽出。
此处，通过本发明首次发现在将二次谐波生成波长变换晶体6的光轴方向上的长度l2ω设定为较合频生成波长变换晶体7的光轴方向上的长度l3ω为短时，可减小由二次谐波生成波长变换晶体的角度和温度所造成的对合频激光束生成的有害影响，从而提供高合频生成效率。下面的描述将说明这一点的原因。
为了说明内腔合频生成中激光束输出功率与波长变换晶体角度之间的关系，首先给出对共振腔外部的波长变换的说明，即在二次谐波生成中激光束输出与波长变换晶体角度之间的关系，其中波长变换晶体置于共振腔的外部。图2为示出二次谐波激光束平均输出功率与波长变换晶体附近的相位匹配角θ0的角度θ在外腔频率变换场合的关系的示意图，该关系曲线见文献“Handbook of NonlinearOptical Crystals”(“非线性光学晶体手册”，新修订第二版，Springer出版社)等等。水平轴上的波长变换晶体的角度利用与相位匹配角θ0的角偏移(θ-θ0)表示(其中基频激光束的入射条件不变)。在图2中，二次谐波激光束输出I、相位失配量ΔK及二次谐波生成波长变换晶体的长度l之间的关系表示如下：
I∝(sin(ΔKl/2)/(ΔKl/2))2       (1)
在式(1)中，相位失配量ΔK正比于与相位匹配角的角偏移(θ-θ0)。
ΔK∝(θ-θ0)                    (2)
其中相位匹配接受角(Δθ)一般用来表征波长变换晶体与角度之间的关系。如图2所示，Δθ代表二次谐波激光束输出功率为最大功率的一半的角度处的角度宽度。此处，从表达式(1)和Δθ的关系，(θ-θ0)＝Δθ，其中ΔKl＝0.886π。Δθ是波长变换晶体及其相位匹配方法的固有值。
关于“Handbook of Nonlinear Optical Crystals”(“非线性光学晶体手册”，新修订第二版，Springer出版社)所报告的数值的具体例子，在与二次谐波生成匹配的LBO(LiB3O5)类型1角度相位的场合中，Δθ＝0.34(度×厘米)，并且在与二次谐波生成匹配的KTP(KTiOPO4)类型1角度相位的场合中，Δθ＝0.53(度×厘米)。
因为波长变换晶体的角度是变化的，所以当ΔKl/2＝0，±(2n+1)π/2(n＝1，2，3…)时出现峰，因此，波长变换晶体长度l越长，图2所示的二次谐波输出峰的间隔及各个峰的宽度就越窄，结果在二次谐波波长变换晶体在给定的角度范围内移动的场合出现的二次谐波输出功率峰的数目，随着波长变换晶体长度变长而增加。
此处，在二次谐波波长变换晶体置于基频激光器共振腔外部以便生成二次谐波的场合，即在外腔波长变换的场合，在相位匹配角θ0(在式(1)中ΔKl＝0)的二次谐波输出比在其他峰(在式(1)中ΔKl/2＝±(2n+1)π/2(n＝1，2，3…))足够大，如图2所示；因此，在实际应用中，可以毫无困难地很容易进行校准。
根据上述说明，将对在二次谐波波长变换晶体置于激光共振腔之内以便进行波长变换的场合，即内腔波长变换的场合，予以说明。图3为示出在二次谐波生成是在只将二次谐波生成波长变换晶体置于激光共振腔内部作为波长变换晶体的场合进行时，二次谐波激光束平均输出功率(曲线B)和内腔基频激光束功率(曲线A)与波长变换晶体角度的关系。作为比较，短划线(c)表示在同一波长变换晶体用于进行外腔波长变换时所得到的与角度的关系的示意曲线。在曲线B和C之间的箭头表示在从外腔变化转换到内腔变换的场合，二次谐波激光束输出功率的改变。
下面的描述将讨论图3所示的特性曲线的原因。在二次谐波生成波长变换晶体置于激光共振腔内部，以便使二次谐波的生成通过构造只利用对基频激光束具有高反射率的反射镜的场合，共振腔中的基频激光功率中的变换为二次谐波激光束的那一部分从共振腔中作为输出抽出。由于这一缘故，增加对二次谐波激光束的变换效率实际上与增加基频激光束的输出耦合率一样，并且与此相对地，减小变换效率实际上与减小输出耦合率一样。因此，当对二次谐波激光束的变换效率增加时，在共振腔内部的基频激光束的功率减小，而在对二次谐波激光束的变换效率减小时，在共振腔内部的基频激光束的功率增加。当二次谐波生成波长变换晶体角度改变时，共振腔内部的基频功率在具有高波长变换效率的角度(例如，相位匹配角θ0)处减小，而与此相对地，共振腔内部的基频功率在具有低波长变换效率的角度(例如，相位匹配角θ0)处增加，如图3所示。此处，二次谐波激光束输出功率由波长变换效率与内腔基频激光束功率的乘积给出；因此，与由点线表示的外部波长变换相比较，在内腔波长变换中在具有高波长变换效率的角度处二次谐波激光束输出功率与在具有低波长变换效率的角度处的二次谐波激光束输出功率之间的差别变小，而其结果，如图3所示，在角度不是相位匹配角θ0(在式(1)中，ΔKl/2＝±(2n+1)π/2(n＝1，2，3…))处的二次谐波输出功率峰和在相位匹配角θ0(在式(1)中ΔKl/2＝0)处的二次谐波输出功率峰的差别变小。结果，如图3所示，在如图3所示的二次谐波生成波长变换晶体上的二次谐波输出与角度的关系中出现多个输出差别不大的峰，结果在通过改变角度寻找可得到最大二次谐波输出的角度中发生困难。过去，没有对由内腔激光束功率变化引起的二次谐波激光束输出与复杂的波长变换晶体的角度的关系进行过详细观察。
此外，在内腔波长变换时共振腔内部取决于如上所述的二次谐波生成波长变换晶体的角度的基频激光束的变化，在共振腔Q值调制元件置于共振腔内部以便进行Q开关振荡时变得更为明显，因为其波长变换效率更高。在此场合，取决于如上所述的波长变换晶体的角度的二次谐波输出特性变得更为复杂。
下面对合频激光束输出与二次谐波生成波长变换晶体的角度的关系进行说明，所说明的场合是在如下配置中生成合频的，即，在通过由具有上述特性的内腔波长变换得到二次谐波生成的构造中，在激光共振腔内部再加上一个合频生成波长变换晶体以便进行合频生成。图4为示出在二次谐波生成波长变换晶体的角度变化时，合频激光束输出(曲线B)和共振腔内基频激光束功率(曲线A)的变化情况的示意图。作为比较，短划线(C)表示外腔变换的场合的二次谐波激光束功率。由于二次谐波激光束输出正比于(波长变换晶***置处的基频激光束的强度)2，并且由于合频激光束输出正比于(波长变换晶***置处的二次谐波激光束的强度)×(波长变换晶***置处的基频激光束的强度)，与图3和图4中的短划线所表示的二次谐波输出相比较，合频激光束输出似乎更容易受到内腔基频激光束功率变化的影响。结果，如图4所示，在二次谐波波长变换晶体的角度位于相位匹配角θ0(在式(1)中ΔKl/2＝0)处的场合和在二次谐波波长变换晶体的角度位于其周边处(在式(1)中ΔKl/2＝±(2n+1)π/2(n＝1，2，3…))的场合的合频激光束输出的差别变得比在二次谐波生成的场合更小。结果，与图3所示的二次谐波输出特性相比较，具有类似输出的峰的数目进一步增加，结果在通过改变角度寻找可得到最大合频输出的角度时发生困难。
此外，在二次谐波生成波长变换晶体的长度设定为长于预定长度的场合，如图4所示，在合频生成波长变换晶***置处的二次谐波激光束强度在二次谐波激光束输出最高的相位匹配角θ0及其周边处变得更高，而基频激光束的强度降低，结果如图4中的部分a和b所示，有时在偏离得到二次谐波输出最大值的相位匹配角θ0位置得到最大合频激光束输出。在此场合，可得到相似合频激光束输出的峰的数目更多。关于组装波长变换激光器的顺序，首先，将组成激光共振腔的反射镜中的一个设置为基频激光束的部分透射镜，并且在将共振腔发出的基频激光束的一部分取出的同时，对光学元件，如激光共振腔镜子，的配置针对基频输出进行优化。之后，将部分透射镜更换为全反射镜，并在共振腔中***二次谐波生成波长变换晶体以使光学元件和波长变换晶体角度针对二次谐波激光束输出进行优化。然后，在共振腔中***合频生成波长变换晶体以使光学元件和波长变换晶体校准以便进行合频生成输出。此处，由于光学元件和波长变换晶体的最佳角度由于在共振腔中***合频生成波长变换晶体而发生改变，并且由于对于二次谐波生成为最佳的二次谐波生成波长变换晶体的角度不一定与稳定的高输出合频生成的最佳角度相符，所以在很多场合下需要对组成激光共振腔的二次谐波生成波长变换晶体和光学元件重新校准。结果就必须在生成合频激光束的同时，通过改变二次谐波生成波长变换晶体的角度进行校准来寻找最佳角度。于是，相对二次谐波生成波长变换晶体的角度存在多个具有相似大小的合频激光束输出峰，就引起在构造具有高再现性的稳定波长变换激光器方面的障碍。
此外，当试图在内腔波长变换合频激光束生成装置中对合频激光束输出进行极大化时，从基频激光束到二次谐波激光束的变换效率具有最佳值，即并不是越高越好。换言之，当二次谐波激光束变换效率过高时，基频激光束减小，结果合频激光束输出功率下降。与此相对地，在从基频激光束和二次谐波激光束到合频激光束的变换效率方面，该变换效率越高，生成的合频激光束就越强。这样，为了抑制向二次谐波激光束的变换效率和增加向合频激光束的变换效率，将合频生成波长变换晶体的长度设定得较长，即，将二次谐波生成波长变换晶体的长度设定得比合频生成波长变换晶体短；于是，通过增加合频生成效率就可以构造具有高再现性的稳定波长变换激光器。这一事实是首次由本发明披露的。
下面的描述将讨论合频输出与二次谐波生成波长变换晶体的角度的关系是如何根据二次谐波生成波长变换晶体的长度而改变的。图5和图6分别示意地示出在合频生成波长变换晶体不***的条件下，在二次谐波生成波长变换晶体长度较长的场合和在二次谐波生成波长变换晶体较短的场合，内腔基频激光束功率(曲线A)和二次谐波激光束功率(曲线B)与二次谐波生成波长变换晶体的角度的关系。短划线(c)表示在外腔变换场合的二次谐波激光束功率。
比较图5和图6可知，由于在图2和图3中所说明的同一原因，与图5相比较，在如图6所示的二次谐波生成波长变换晶体较短的场合，由于二次谐波激光束输出(及基频激光束功率)的峰(及谷)的角度宽度和角度间隔变宽，所以取决于波长变换晶体角度的二次谐波激光束输出逐渐改变，并且峰的数目减少。因此，采用较短的二次谐波生成波长变换晶体可以简化取决于波长变换晶体角度的二次谐波激光束输出，并且可以得到容易调节的激光装置。
此外，在图7和图8中分别示意地示出，在合频生成波长变换晶体***共振腔中以便生成合频激光束的条件下，在二次谐波生成波长变换晶体长度较长的场合和在二次谐波生成波长变换晶体较短的场合，合频输出功率(曲线B)与与二次谐波生成波长变换晶体的角度的关系。作为比较，短划线(C)表示二次谐波激光束功率。比较图7和图8可知，与上面所说明的在共振腔内部生成二次谐波的情况一样，在如图8所示的二次谐波生成波长变换晶体较短的场合，由于二次谐波激光束输出(及内腔基频激光束功率)的峰(及谷)的角度宽度和角度间隔变宽，并且峰的数目减少。因此，可以提供二次谐波生成波长变换晶体角度关系简单，从而容易使用的激光装置。至于具体数值，例如，在采用类型1相位匹配LBO(LiB3O5)晶体时，从式(1)可以预期，在晶体长度为15mm的场合，大致每隔8mrad(毫弧度)出现一个峰，而在晶体长度为5mm的场合，大致每隔24mrad出现一个峰；并且实际测量的结果几乎与这些峰的间隔重合。
此外，如在图4中所说明的，在应用较长的二次谐波生成波长变换晶体的场合，在二次谐波波长变换晶体的二次谐波激光束输出功率最高的相位匹配角θ0其周边处，由于从基频激光束到二次谐波激光束的变换效率过高，共振腔内部的基频激光束减小，其结果如图7所示，在取决于二次谐波生成波长变换晶体角度的合频激光束输出特性中出现另外的峰。与此相对地，如图8所示，在应用较短的二次谐波生成波长变换晶体的场合，在相位匹配角θ0其周边处，由于从基频激光束到二次谐波激光束的变换效率降低，所以共振腔内部的基频激光束加大；于是，可以构造在二次谐波激光束输出功率最高的相位匹配角θ0及其周边处得到最高合频激光束输出的激光器。
下面的描述将讨论所得到的合频输出是如何根据二次谐波生成波长变换晶体的长度而改变的。图9示意地示出在如图1所示的内腔波长变换合频生成的结构中，当二次谐波生成波长变换晶体的长度改变而合频生成波长变换晶体的长度l3ω保持不变时，合频激光束功率的改变情况。如图9所示，对于二次谐波生成波长变换晶体而言，在改变二次谐波生成波长变换晶体的长度时观察合频输出的场合，存在有一个可得到合频激光束的最大输出的峰(在图9中具有长度为l1的点)。并且在二次谐波生成波长变换晶体的长度设定为不小于l1的长度时，在大多数场合合频输出稍微减小，并且至少输出不会增加很大。其主要原因可解释如下：
(1)减小基频内腔功率作用变得大于加大二次谐波输出功率的作用。
(2)由于二次谐波生成波长变换晶体的变换效率的增加，脉冲宽度变长。
在此场合，如前所述，当然，随着二次谐波生成波长变换晶体的变长，在取决于二次谐波生成波长变换晶体的角度的合频激光束输出中出现多个峰，造成调节困难的问题。
对于图9中所示的特性曲线，给出了实验得出的具体数值。在与图1所示的相同的结构中，使用具有长度l3ω为10mm的三次谐波生成LBO晶体作为合频生成波长变换晶体，并且在重复频率为数kHz和合频激光束输出大约为5～10W的激光装置中二次谐波生成波长变换晶体的长度是变化的；结果，得到的可产生极大合频激光束功率的l1实际上为3mm。此外，在二次谐波生成波长变换晶体的长度不小于10mm(l3ω)的场合，即使二次谐波生成波长变换晶体加长，如图9所示，输出也不会有所改善，特性曲线略有降低。此处，通过实验证实，出现如图7所示的二次谐波生成波长变换晶体的角度关系，使调节变得极其复杂。如上所述，已通过实验证实，通过将二次谐波生成波长变换晶体的长度缩短为较合频生成波长变换晶体的长度更小，就可以得到足够的合频输出功率并且也可使调节更为容易。
此外，当二次谐波生成波长变换晶体设定为较短时，从基频激光束到二次谐波激光束的波长变换效率降低，结果脉冲宽度缩短且基波和二次谐波的峰强度变高(例如，如Journal of Applied Physicsvol.41，p609“Pulse Lengthening via Overcoupled Internal Second-Harmonic Generation”所示)。由于合频生成效率正比于入射基频激光束和二次谐波激光束的强度，所以就可以通过适当配置激光装置而增加从基频激光束和二次谐波激光束到合频激光束的变换效率。
此外，波长变换晶体越大，就越难于制作均匀的晶体，并且随着长度的变长，晶体的价格增加。因此，使用较短的二次谐波生成波长变换晶体可以降低成本并从而构造具有所希望的性能和成本的波长变换激光器。此处，对于长度的下限，在考虑到加工波长变换晶体中的限制和波长变换效率的降低之后，设定为大致不小于0.5mm。
此外，对于波长变换晶体的***位置，在如图1所示的波长变换激光器中，配置的安排使得合频生成波长变换晶体7位于固态激光器激活媒质3和二次谐波生成波长变换晶体6之间的位置；于是，由于在这一配置中合频输出功率是从反射镜5抽出的，所以当基波和二次谐波由反射镜9反射并返回之时，基频激光束和二次谐波激光束同时通过合频生成波长变换晶体7的情况只限于一次；这使得由于波长变换晶体的温度改变和角度改变所造成的对合频生成效率的有害作用减小到最小，从而使得可以获得稳定的装置。与此相对，当二次谐波生成波长变换晶***置和合频生成波长变换晶体的位置倒转时，即在二次谐波生成波长变换晶***于合频生成波长变换晶体和固态激光器激活媒质之间的场合，当基波和二次谐波由二次谐波生成波长变换晶体入射到其上并由反射镜9反射时，基频激光束和二次谐波激光束同时通过合频生成波长变换晶体的情况增加到两次，结果由于波长变换晶体的温度改变和角度改变所造成的对合频生成效率的有害作用变大，从而使激光装置不稳定。实际上，在如图1所示的结构中，通过利用具有合频输出功率为5～10W和脉冲宽度～100ns的Q脉冲波长变换激光器，用长度为10mm的LBO晶体作为合频(三次谐波)波长变换晶体并用长度为5mm的LBO晶体作为二次谐波长变换晶体，在改变合频生成波长变换晶体的温度时可观察到波长变换激光束输出功率和内腔基频激光束输出功率的改变。结果示出使合频输出成为最大输出的95％的温度范围(即，容许输出成为最大输出的95％的上限温度和下限温度的两个温度之间的温度差)大约为1～2度，而在波长变换晶体的位置倒转时，温度范围变得不大于0.3度，因而肯定了图1所示的结构是优选的。
实施例2
在图1所示的二次谐波生成波长变换晶体或合频生成波长变换晶体上可添加一个精度不大于±0.1度的角度细调装置。一般讲，角度调谐相位匹配型的波长变换晶体(主要是通过对波长变换晶体的角度进行细调实现相位匹配的波长变换晶体，并且根据波长变换晶体角度不同其相位匹配条件可有很大变化)要求在使用这种装置时更经常地对波长变换晶体角度进行细调；因此，正如在图2～8中所说明的，合频输出与波长变换晶体的复杂角度关系极大地影响波长变换装置的操作。因此，在使用角度相位匹配型波长变换晶体时通过缩短二次谐波生成波长变换晶体得到的效果与合频生成波长变换晶体相比较大得多。在具有类似本实施例的实现角度精度不大于±0.1度的微调的机械装置的波长变换激光器中，通过将二次谐波生成波长变换晶体设定为短于合频生成波长变换晶体，也可以提供一个具有高再现性的容易使用的稳定的激光装置。
实施例3
在图1所示的二次谐波生成波长变换晶体或合频生成波长变换晶体上可添加一个精度不大于±0.5度(摄氏)的温度细调装置。某些波长变换晶体具有很狭窄的温度容限，并且，例如，当使用三次谐波输出类型2相位匹配LBO晶体作为合频生成波长变换晶体时，温度容限(温度容限是指长度为1cm的晶体变换效率降低到相位匹配温度时的一半的两个温度之间的温度范围)为3.7度(据例如“Handbookof Nonlinear Optical crystals”(“非线性光学晶体手册”，新修订第二版，Springer出版社)报导)。在使用具有如此狭窄温度容限的波长变换晶体时，有时必须控制波长变换晶体的温度以构造一种激光装置，可将输出功率的变化抑制在不会给实际使用造成问题的范围内，并且也可避免对波长变换晶体造成损伤，这种损伤是由于内共振腔基频激光束功率增加所造成的，而其增加的原因是相位匹配条件由于波长变换晶体中的温度的迅速变化引起的恶化；并且这种装置可长时间稳定运行。在本实施例中，在设置有以不大于±0.5度(摄氏)的精度控制波长变换晶体的温度机械装置的波长变换激光器中，二次谐波生成波长变换晶体设定为短于合频生成波长变换晶体以便可以提供具有高再现性并容易使用的稳定的激光装置。
实施例4
对于如图1所示的波长变换激光器的固态激光器激活媒质而言，可使用Nd：YAG。Nd：YAG是一种化学稳定性和机械强度优异的激光材料，并且具有较高的热导率和很高的热断裂极限。此外，与其他固态激光器激活媒质相比，这种2材料可提供低成本高质量的光学晶体。采用Nd：YAG作为固态激光器激活媒质可构造具有高再现性和量测性并容易使用的稳定的激光装置。
实施例5
对于如图1所示的波长变换激光器的固态激光器激活媒质而言，可使用Nd：YLF。Nd：YLF具有很小的热透镜效应。一般讲，当激光装置是利用固态激光器激活媒质构造而成时，有时激光输出会由于固态激光器激活媒质的热透镜聚焦焦距的变化而变得不稳定。此外，当Q脉冲振荡进行时，有时会降低。采用具有如此小的热透镜效应的Nd：YLF作为固态激光器激活媒质就可以构造易于使用、稳定操作的输出范围很宽的稳定的激光装置。此外，在借助Q脉冲振荡进行合频生成时，可以构造脉冲-脉冲稳定性优异的装置。
实施例6
Nd：YVO4可用作如图1所示的波长变换激光器的固态激光器激活媒质。Nd：YVO4对抽运光具有很宽的波长吸收宽度并具有较大的受激发射截面。采用Nd：YVO4作为固态激光器激活媒质可以对抽运光源的波长的变化提供高容限。此外，因为具有很宽的波长吸收宽度并具有较大的受激发射截面，所以可提供很高的基频激光束生成效率。此外，在构造Q脉冲激光的场合，由于受激发射截面大，就可以甚至在使用高重复频率进行Q开关操作时生成波长变换激光束。另外，由于脉冲宽度短，就可以提高波长变换效率。采用具有上述特性的Nd：YVO4可以提供易于使用的波长变换激光器。
实施例7
LBO(LiB3O5)可用作如图1所示的波长变换激光器的二次谐波生成波长变换晶体或合频生成波长变换晶体。与其他晶体相比较，LBO晶体具有更高的损伤阈值；因此可生成具有高输出和高峰脉冲的波长变换激光束。此外，与其他二次谐波生成波长变换晶体，如KTP晶体，相比较，它具有较小的取决于温度的折射率变化和较高的热导率；因而较少受发热作用的影响。另外，与当前用于三次谐波生成的β-BBO晶体相比较，由于这种材料具有较宽的相位匹配角容限，所以可以生成具有高环比(由最小直径除以最大直径定义)的合频激光束。此外，因为其热导率高，所以可以稳定地生成具有高输出功率和高效率的合频激光束。通过在如图1所示的结构中使用具有上述优异特性的LBO晶体作为二次谐波生成波长变换晶体或合频生成波长变换晶体就可以构造容易使用的具有高输出功率和高效率的稳定的波长变换激光器。
实施例8
本发明的波长变换激光器在合频激光束平均输出不小于1W时特别有效。当从合频生成波长变换晶体和二次谐波生成波长变换晶体抽出的波长变换激光束的平均输出功率变得较大时，在波长变换晶体中会出现热畸变，使功率输出不稳定并使光学元件的校准更困难。此外，由于固态激光器激活媒质需要强烈的抽运以增加输出功率，固态激光器激活媒质也会发生像热透镜和热双折射这样的畸变，因而引起输出功率不稳定并使光学元件的校准变得更为复杂。此外，由于光学元件上的激光束的平均强度增加，光学元件更易于受到损伤。另外，波长变换晶体的相位匹配角由于温度变化而改变。特别是，当合频激光束的平均功率输出变得大致不小于1W时，由于温度变化会出现上述的有害作用。在这种环境下，通过缩短二次谐波生成波长变换晶体可以简化取决于波长变换晶体角的特性，并且甚至在热畸变的作用下也可以进行高再现性的校准。此外，由于二次谐波生成波长变换晶体的相位匹配角容限变宽，即使由于温度变化引起相位匹配角发生改变，由于相位匹配条件中的变化所引起的输出功率变化也可以减小。如上所述，在本发明的波长变换激光器中，可以提供甚至在合频输出功率不小于1W的高输出功率运行中也具有高可靠性的稳定的并易于使用的激光装置。
实施例9
图10为示出本发明的实施例9的波长变换激光器的结构示意图。在图10中，标号4a为一反射镜，对基频激光束具有高反射率，并且还对二次谐波激光束和三次谐波激光束具有高透射率，5a为一反射镜，对四次谐波激光束具有高透射率，并且还对三次谐波激光束、二次谐波激光束和基波激光束具有高反射率，6a为二次谐波生成波长变换晶体，7a为第一合频生成波长变换晶体，而10为第二合频生成波长变换晶体。二次谐波生成波长变换晶体6a短于合频生成波长变换晶体7a和10。
在如图10所示的波长变换激光器中，线性偏振基频脉冲激光束是由激光器共振腔反射镜1、9和反射镜4a、5a，固态激光器激活媒质3，偏振元件2及Q开关装置8生成的，并且此激光束的一部分借助置于激光共振腔中的二次谐波生成波长变换晶体6a变换为二次谐波激光束。如此生成的二次谐波激光束的一部分和未变换为二次谐波激光束的一部分基频激光束借助置于激光共振腔中的第一合频生成波长变换晶体7a变换为三次谐波激光束。如此生成的三次谐波激光束的一部分和一部分基频激光束借助置于激光共振腔中的第二合频生成波长变换晶体10变换为四次谐波激光束。如此生成的四次谐波激光束从反射镜5a中抽出。三次谐波激光束和二次谐波激光束从反射镜4a中抽出。
在图10中所示的波长变换激光器中，除了用来从基频激光束和二次谐波激光束生成三次谐波激光束的合频生成波长变换晶体7a之外，在激光共振腔中***了用来从基频激光束和三次谐波激光束生成四次谐波激光束的第二合频生成波长变换晶体10以便生成四次谐波激光束。在具有如上所述结构的激光器装置中，二次谐波生成波长变换晶体6a的长度l2ω设定为短于第一合频生成波长变换晶体7a的长度l3ω及第二合频生成波长变换晶体10的长度l4ω；于是就可以简化取决于二次谐波生成波长变换晶体角度的合频激光束的输出的变化。此处，在图10中示出一个在激光共振腔中***两个合频生成波长变换晶体的示例；不过合频生成波长变换晶体的数目并不限于2。
实施例10
图11为示出根据本发明的实施例10的波长变换激光器的结构示意图。在图11中，标号3a、3b为固态激光器激活媒质，而11为用作偏振元件的90°旋转偏振片。
在如图11所示的结构的波长变换激光器中，置于两个固态激光器激活媒质3a和3b之间的90°旋转偏振片11在波长变换激光器中是用来消除(抵销)取决于在受到抽运光和振荡激光束的作用的固态激光器激活媒质内部的发热所产生的偏振方向的热双折射；于是就可以展宽稳定生成合频激光束的抽运强度区而进一步提高稳定性和再现性，并且也可增加振荡效率。此外，在如图11所示的合频生成装置中，二次谐波生成波长变换晶体6的长度设定为短于合频生成波长变换晶体7，以便可以构造具有高再现性的易于使用的激光装置。
实施例11
图12为示出根据本发明的实施例11的波长变换激光器的结构示意图。在图12中，标号12为一波长变换元件，其中两个波长变换晶体，即合频生成波长变换晶体7b和二次谐波生成波长变换晶体6b借助扩散键合形成一体或固定于同一波长变换晶体支架中。二次谐波生成波长变换晶体和合频生成波长变换晶体在其中置于一起的波长变换元件12配置有一个执行相位匹配过程的机构19，这些相位匹配过程包括整体地改变温度，将波长变换晶体的折射率(该折射率根据温度而改变)设定为预定值，以及对角度进行微调等。此外，构成一体化的波长变换元件12的二次谐波生成波长变换晶体6b设定为短于合频生成波长变换晶体7b。
在图12所示的波长变换激光器中，线性偏振基频脉冲激光束是由激光器共振腔反射镜1、4和反射镜5、9，固态激光器激活媒质3，偏振元件2及Q开关装置8生成的，并且此激光束的一部分借助置于激光共振腔中的组成波长变换元件12的二次谐波生成波长变换晶体6b变换为二次谐波激光束。如此生成的二次谐波激光束的一部分和未变换为二次谐波激光束的一部分基频激光束借助波长变换元件12的合频生成波长变换晶体7b变换为合频激光束。如此生成的合频激光束从反射镜5中抽出，并且，二次谐波激光束从反射镜4中抽出。
在图12所示的波长变换激光器中，在构造其中二次谐波生成波长变换晶体6b和合频生成波长变换晶体7b是集成为一体的波长变换元件12时，必须适当设定二次谐波生成波长变换晶体6b和合频生成波长变换晶体7b以便增加它们的相位匹配角容限的重叠部分。此处，公知的是波长变换晶体的相位匹配角是根据晶体的温度而改变。然而，一般讲，在二次谐波生成波长变换晶体6b和合频生成波长变换晶体7b之间角度改变(相位匹配角的改变方向，及变化幅度)的方式是有差别的；因此，在利用图12所示的配置构造高输出功率合频生成激光器的场合，由于高平均输出功率在波长变换元件12中会出现温度变化，结果在二次谐波生成波长变换晶体6b和合频生成波长变换晶体7b之间发生幅度不同及方向不同的相位匹配角的改变。为了即使在此种情况下也能提供合适的相位匹配过程就必须将相位匹配角容限加宽到不会在实际应用中产生问题的水平。如图12所示，在本实施例中，由于二次谐波生成波长变换晶体6b设定为短于合频生成波长变换晶体7b，使得二次谐波生成波长变换晶体6b的相位匹配角容限可设定得更宽，从而使波长变换元件12容易制造。此外，还可以构造对于由于在生成高输出功率的激光束时出现的温度的改变所造成的相位匹配角的变化而言具有足够容限的装置。
实施例12
图13为示出根据本发明的实施例12的波长变换激光器的结构的示意图。此处，代替图1中的反射镜4和5的是所采用的利用折射率中的波长分散的激光束分离光学元件5b，并且通过采用这一激光束分离光学元件可对基波进行分离，二次谐波激光束(图13中的2ω)和三次谐波激光束(图13中的3ω)用作合频激光束。在此配置中，可进行与图1中相同的操作，并且可提供具有高再现性的稳定的激光装置。
实施例13
图14为示出根据本发明的实施例13的波长变换激光器的结构的示意图。在图14中，标号17是一个由图1、10、11、12或13中的任何一个波长变换激光器构成的激光加工装置光源。标号13为激光束折叠镜，14为激光束成形及会聚元件，如透镜，15为用于加工的激光束，而16为加工对象。
在具有图14所示配置的激光加工装置中，由图1、10、11、12或13中的任何一个波长变换激光器17生成的激光束由激光束折叠镜13折叠，由元件14成形和聚焦，并入射到待加工对象16之上。
在具有如图14所示的结构的激光加工装置中，由于使用的是一个由图1、10、11、12或13中的任何一个波长变换激光器17生成的具有高再现性的稳定的激光束，所以就可能以高再现性执行稳定的加工过程。此外，即或波长变换激光器17的任何一个构成部件(如抽运源中的半导体激光器及灯，波长变换晶体，及反射镜)受到损伤并需要更换，也容易进行调节，并且光学***和共振腔的调节可在很短时间内完成；从而就可以很容易进入修理前的状态并也可以在修理前的同样操作条件下恢复修理前的加工。这样，使用由图1、10、11、12或13中的任何一个波长变换激光器17的激光加工装置具有优异的稳定性并可提供高再现性的加工。
具有如上所述的配置的本发明具有如下效果。
根据本发明的第1种激光器是一种通过将二次谐波生成波长生成变换晶体和合频生成波长变换晶体置于包含固态激光器激活媒质的激光共振腔之内的光轴上的波长变换激光器，其设计特征在于二次谐波生成波长变换晶体在光轴方向上的长度比合频生成波长变换晶体在光轴方向上的长度短；所以可以简化取决于二次谐波生成波长变换晶体角度的合频激光束的输出功率特性，并从而可构造具有高再现性和易于使用的波长变换激光器。
根据本发明的第2种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其设计特征在于合频生成波长变换晶体用作生成三次谐波激光束的波长变换晶体；所以可以简化取决于二次谐波生成波长变换晶体角度的三次谐波激光束的输出功率特性，并从而可构造具有高再现性和易于使用的波长变换激光器。
根据本发明的第3种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其是特征在于合频生成波长变换元件由多个波长变换晶体制成；所以可以简化取决于二次谐波生成波长变换晶体角度的合频激光束的输出功率特性，并从而可构造具有高再现性和易于使用的波长变换激光器。
根据本发明的第4种波长变换激光器与第3种波长变换激光器相同，其设计特征在于合频生成波长变换晶体包括两个波长变换晶体以便生成四次谐波激光束；所以可以简化取决于二次谐波生成波长变换晶体角度的四次谐波激光束的输出功率特性，并从而可构造具有高再现性和易于使用的波长变换激光器。
根据本发明的第5种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其设计特征在于合频生成波长变换晶体是置于固态激光器激活媒质和二次谐波生成波长变换晶体之间；所以就可以提供具有高再现性的稳定的装置。
另外，根据本发明的第6种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其设计特征在于共振腔Q值调制元件置于激光器共振腔之内；所以波长变换效率比在连续波运行时高。在此场合也可以平滑及简化取决于波长变换晶体角度的二次谐波输出功率的变化及共振腔内的基频功率的变化，从而简化合频激光束输出功率与二次谐波生成波长变换晶体角度关系；于是就可以构造易于使用的波长变换激光器。
根据本发明的第7种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其设计特征在于安装有可对至少一个波长变换晶体的角度进行细调的机构，其精度不大于±0.1度；所以通常由于复杂的角度关系难于使用的波长变换激光器可更容易使用。
根据本发明的第8种波长变换激光器与第1的波长变换激光器相同，其设计特征在于安装有可对至少一个波长变换晶体的温度进行细调的机构，其精度不大于±摄氏0.5度；所以通常由于要求对波长变换激光器进行温度控制和复杂的角度关系难于使用的波长变换激光器可更容易使用。
根据本发明的第9种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其设计特征在于偏振控制元件置于激光器共振腔之内；所以就可以使具有高再现性和高效率的波长变换激光器得到改进而具有更高的再现性和易于使用。
根据本发明的第10种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其设计特征在于采用Nd：YAG或Nd：YLF或Nd：YVO4作为固态激光器激活媒质；所以就可以使具有高再现性，高效率和短脉冲宽度的波长变换激光器得到改进而具有更高的再现性和易于使用。
根据本发明的第11种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其设计特征在于采用LBO(LiB3O5)晶体至少作为二次谐波生成波长变换晶体或三次谐波生成波长变换晶体中的一个；所以就可以使具有高再现性和高效率的波长变换激光器得到改进而具有更高的再现性和易于使用。
根据本发明的第12种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其设计特征在于合频激光束的平均输出功率不小于1W。在此种装置中，即使在由于热畸变使相位匹配角度出现偏移，光学元件受到损伤及波长变换晶体中出现温度变化，由于二次谐波生成波长变换晶体短并且相位匹配角容限宽，所以可构造具有高再现性和高生成效率的甚至在平均输出功率高的场合也易于使用的稳定的波长变换激光器。
根据本发明的第13种波长变换激光器与第1种波长变换激光器相同，其设计特征在于二次谐波生成波长变换晶体和合频生成波长变换晶体形成一个集成波长变换元件，以便整体改变二次谐波生成波长变换晶体和合频生成波长变换晶体的温度或角度。在此种装置中，甚至在尽管通常由于温度改变其相位匹配角容限的变化情况不同的合频生成波长变换晶体和二次谐波生成波长变换晶体是形成了一个整体而波长变换晶体仍然经受温度改变的场合，这种配置可使这两种晶体的相位匹配角容限重叠达到不会在实际使用中产生问题的水平；所以可构造稳定的激光器。
根据本发明的机加工装置是利用由上述波长变换激光器生成的波长变换激光束作为光源对加工对象进行机加工的激光机加工装置；所以可提供一种可进行高再现性和高精度加工、可长时间稳定运行的便宜的装置，并且此装置还容易维护。

Claims (14)

1.一种用于生成合频激光束的波长变换激光器，包括激光共振腔、固态激光器激活媒质、二次谐波生成波长变换晶体、合频生成波长变换晶体，其中二次谐波生成波长变换晶体在光轴方向上的长度设定为比合频生成波长变换晶体在光轴方向上的长度短。
2.如权利要求1的波长变换激光器，其中合频生成波长变换晶体用作三次谐波生成波长变换晶体。
3.如权利要求1的波长变换激光器，其中合频生成波长变换晶体包括多个波长变换晶体。
4.如权利要求3的波长变换激光器，其中合频生成波长变换晶体包括两个波长变换晶体以便生成四次谐波激光束。
5.如权利要求1的波长变换激光器，其中合频生成波长变换晶体是置于固态激光器激活媒质和二次谐波生成波长变换晶体之间。
6.如权利要求1的波长变换激光器，其中还包括置于激光器共振腔之内的共振腔Q值调制元件。
7.如权利要求1的波长变换激光器，其中还包括可对至少一个波长变换晶体的角度进行调节的角度调节装置，其精度不大于±0.1度。
8.如权利要求1的波长变换激光器，其中还包括可对至少一个波长变换晶体的温度进行调节的温度调节装置，其精度不大于±0.5摄氏度。
9.如权利要求1的波长变换激光器，其中还包括置于激光器共振腔之内的偏振控制元件。
10.如权利要求1的波长变换激光器，其中固态激光器激活媒质包括Nd：YAG、Nd：YLF或Nd：YVO4中的一种。
11.如权利要求1的波长变换激光器，其中二次谐波生成波长变换晶体或合频生成波长变换晶体中的至少一个采用LBO(LiB3O5)晶体。
12.如权利要求1的波长变换激光器，其中合频激光束的输出功率不小于1W。
13.如权利要求1的波长变换激光器，其中二次谐波生成波长变换晶体和合频生成波长变换晶体形成一个集成波长变换元件，以便整体改变波长变换晶体的温度或角度。
14.一种以用权利要求1所述的波长变换激光器生成的输出激光束作为光源对加工对象进行机加工的激光机加工装置。
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