[发明专利]一种激光三倍频系统

说明书

技术领域

本发明属于非线性光学领域，涉及一种倍频系统，特别涉及一种激光三倍频系统。

背景技术

自上世纪60年代激光问世以来，由于其强度高、方向性好、相干性好引起了人们的广泛关注，并被应用于照明、测量和医疗等多个领域。近40年来，随着激光技术的不断发展，锁模、调Q和CPA技术的出现，激光的强度被不断的提高，其在激光加工领域中的优势也越来越明显，全固态激光器更因为其高转换效率、高光束质量和高稳定性受到激光加工行业的青睐。

目前的全固态激光器主要以波长在800~1000nm的半导体激光器作为泵浦源，对作为工作物质的Nd：YAG晶体或Nd：YVO₄晶体进行激励，并通过调Q技术，产生波长为1064nm、脉冲宽度为几ns至几十ns、功率为几瓦到几十瓦的脉冲激光。由于此类激光器脉冲宽度短，光束质量好，且工作稳定、转换效率高，所以被广泛应用于激光打标、激光微加工、激光打孔和激光生物学等方面。众所周知，激光在上述各方面的应用和激光波长有密切的关系，具体表现在：一方面，激光单光子的能量为hν，其和波长有着密切的关系，激光波长越短，单光子能量越大，对于多光子激发荧光光谱来讲，激光波长越短，其所需要的光子数则越少，所以其激发的几率更大。另一方面，激光可聚焦光斑的大小和激光波长有着密切的关系，一般来讲，激光的聚焦光斑可以用下述公式计算：

                   (1)

从公式中可以看出，激光波长越短，激光可聚焦光斑越小，对于激光加工特别是激光微加工来讲，激光可聚焦光斑的大小直接决定了加工精度的大小；此外，波长大于800nm的激光属于近红外激光，波长小于400nm的激光属于近紫外激光，红外激光的热效应比较强，而紫外激光的光化学作用比较明显，针对不同的应用，不同波长的激光的优势也不相同。所以全固态激光器在努力提高其输出功率的同时，也在努力寻找提高波长转换效率的办法。

目前激光波长的转换主要是通过晶体的非线性效应实现的，可以分为倍频转换与和频转换两种，其转换效率主要受到激光功率密度和走离效应的影响。一般来讲，激光功率密度越大，转换效率越高。目前的倍频或者和频系统主要是通过对光束进行聚焦或提高激光功率从而提高激光在非线性晶体中的功率密度，对于相同的激光条件和聚焦条件，则没有提出有针对性的提高激光功率密度的方法，从而错失了优化激光转换效率的机会。对于走离效应来说，倍频系统可以通过使用温度匹配的方式将其消除，但是对于和频效应来说，其很难找到合适的晶体来进行温度匹配，所以走离效应对于和频系统的影响尤为明显。现有技术中针对走离效应采取的措施是对其进行补偿，即在两种不同频率的光进入和频系统之前先引入一个预走离量，该预走离量与两种光束在和频系统中的走离分离方向相反，大小有一定关联，从而提高和频系统的效率。此种方法虽然能在一定程度上提高和频效率，但是对于预走离的大小的最优值一直没有一个确定的结论，且未考虑功率密度对走离补偿结果的影响。现有技术的另一个突出缺点是：其走离补偿多采用非线性晶体来实现，非线性晶体的厚度与走离补偿量有直接关系，所以为了调整走离补偿量需要选用一系列不同长度的非线性晶体，其缺点在于非线性晶体价格昂贵，若选用的晶体数目过多则会导致整个走离补偿系统的造价过高；且非线性晶体的厚度只能是一系列的点，不能对走离补偿量进行连续的调整，所以不易找到走离补偿的最优值。

目前的三倍频系统主要由倍频系统与和频系统共同构成，即使采用了上述走离补偿系统对和频转换效率进行优化，其得到的转换效率最高也仅在25%左右，无法进一步提高。从而大大限制了三倍频光的应用。本发明正是针对上述缺点提出的改进，目的在于提高三倍频光的转换效率。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的缺点，提供一种激光三倍频系统；本发明通过采用激光功率密度调整装置和走离补偿装置，寻求最优的三倍频转换条件，从而提高三倍频转换效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

本发明的一种激光三倍频系统，其主要包括聚焦系统、倍频系统及和频系统，基频激光经过聚焦系统聚焦后进入倍频系统，在倍频系统中产生二倍频光，二倍频光和剩余的基频光一起射入和频系统，产生三倍频光；其中，该系统在聚焦系统前还包含基频光功率密度调节装置，在倍频系统与和频系统之间，还设有走离补偿装置。

基频光功率密度调节装置可以为多组扩束比不同的扩束镜，通过使用不同的扩束镜，可以改变入射到聚焦系统中的基频光的光斑大小。不同扩束比的扩束镜放可以置于可旋转的转盘上，通过转盘的转动实现扩束镜的切换。