光谐振变频器制造技术

本发明专利技术公开了一种光谐振变频器，它由设置在谐振器中的两块镜和一非线性晶体构成，用于将激光束倍频。非线性晶体基于其棱镜形的折射作用，结合两块镜就足以构成一个带有总共为三个光学元件的谐振器。通过适当地选择晶体晶轴相对于激光束方向的定向，减少了激光束在晶体中的散射。在一种实施方式中，在出射面垂直于入射光束且涂覆了抗反射涂层时，该晶体的入射面与入射光束成布鲁斯特角。在另一种实施方式中，该转换射线通过在其中一个非线形晶体面上的一偏振分光层被输出耦合。在又一种实施方式中，该晶体面为圆柱形曲面。由此在晶体中产生一个椭圆形射束断面，这减少了偏移效应。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光谐振变频器，其包括一个具有一个第一镜、一个第二镜及一个带有一入射面和一出射面的非线性晶体的环形谐振器，其中在该环形谐振器中形成一个在一谐振器平面中环行的光波，该光波作为第一激光束通过入射面进入非线性晶体且通过出射面再从该非线性晶体出来，并在该非线性晶体中部分转换成频率与第一激光束不同的第二激光束。本专利技术尤其涉及一种光谐振倍频器，即一种产生一个频率为进入光波两倍的光波的变频器。一种光谐振变频器用来以特别有效的方式将一种带有一基波波长的激光束(以下称作基波)通过在一合适的非线性晶体中的非线性转换产生一种带有较高频率、尤其是倍频的激光束(以下称作转换射线)。在未能提供一种合适活性的激光材料来直接产生所希望的波长时，总要采用非线性转换技术。考虑到长寿命和高效率，目前越来越多地使用在红色和红外光谱区产生连续光波的半导体激光器和二极管泵浦固体激光器(DPSS激光器)。此外，较短的波长通常通过非线性转换来产生。该转换可以分多级来实现。在DPSS激光器中，用于产生可见光激光束的第一级转换在激光谐振器中自行完成(“腔内倍频”)。其他用于更短波长的转换优选在激光谐振器外完成。尤其在非线性产生连续紫外线(UV)激光时在一外部谐振器中的谐振倍频起重要的作用，因为可提供在此波长区使用的晶体材料仅具有很低的非线性系数，因而未谐振的转换对实际应用来说效率太低了。通过将一腔内倍频的DPSS激光器或一半导体激光器与一谐振变频器结合起来得到一个用于产生连续UV激光的激光源，这在半导体工业、消费电子工业(Konsum-elektronikindustrie)和通信工业中得到多方面的应用。谐振倍频的原理很久以来就已公知(例如参见Ashkin等“ResonantOptical Second Harmonic Generation and Mixing”，Journal of QuantumElectronics，QE-2，1966，109页；M.Brieger等“Enhancement of SingleFrequency SHG in a Passive Ring Resonantor”，Optics Communications 38，1981，423页)。在那里，将基波耦合输入到一个由一些镜组成的、对基波频率进行调谐的光谐振器中。为此，该谐振器的光学长度借助一合适的装置这样进行调整，使得其为基波波长的整数倍。如果在谐振器中的损失小，输入镜为局部透明且带有有利选择的反射率，则发生谐振增强，即在谐振器中环行的光波的功率大于从外部射入基波的功率。输入镜的反射率R为R＝1-V时，则该反射率最佳，其中V表示环行光波在该谐振器中环行时的相对损失，以下称作谐振器损失。在此称作“阻抗匹配”的条件下，该增强系数(“enhancement”)为A＝1/V，即在该谐振器中循环的光波为入射光波功率的A倍。在实践中，该增强系数达到100至200。在谐振器中设置一个供环行基波透射过的非线性晶体，通过非线性转换产生一个倍频的第二光波，该第二光波经一个对此倍频为透明的谐振器镜从该谐振器输出。为产生带有可利用效率的转换射线，必须在非线性晶体中存在相位适配，即该晶体对基波波长的折射率必须与其对转换射线波长的折射率相等。相位适配可通过角度调整(严格相位适配)或通过温度匹配(不严格相位适配)来实现。在不严格相位适配时通常频率转换的效率较高，转换射线的光束断面有较高的质量，即接近所希望的高斯射束形状(Gauβsche Strahlform)。然而目前可提供使用的晶体材料仅对少量窄的波长范围可采用不严格的相位适配。尤其是目前还没有晶体材料能在低UV区产生带有不严格相位适配的激光。由于转换射线的功率正比于基波功率密度的平方，当将基波聚焦到非线性晶体中，该非线性转换的效率提高了。因而这些谐振器镜通常带有球形弯曲表面，从而在晶体中间形成一个射线窄区。通过减小射线窄区可以提高晶体中的功率密度。然而同时在晶体中增大的射线发散降低了在那些比射线窄区、即雷利长度(Raleigh-lnge)长得多的晶体中的转换效率。因而存在一个最佳的射线窄区尺寸，其可以通过合适地选择这些谐振器镜的距离和曲率半径来调节。通过在谐振器中将基波功率调谐增强，该转换效率相对于一未调谐的装置增加了几个数量级。例如为产生波长为266nm的UV激光束，在基波功率为1W到5W时，现有技术可达到的转换效率介于20％至40％。在此功率区已出现了效率饱和，从而作进一步努力至少对转换效率来说成为多余。但是，在采用功率范围为10mW至100mW(适于建造结构特别紧凑的UV激光器)的基波激光器时，现有技术的变频器的转换效率是令人不满意地低，因为在此功率范围还存在一个基波功率的平方关系。总体上基于各种在下面要讨论的现象存在着一个带有变频器的激光器的输出功率受影响的问题。本专利技术要解决的技术问题也就是提供一种在很大程度上可避免功率减小的变频器。解决上述技术问题的技术方案建立在对功率减小现象分析的基础上，并由后面将要作具体说明的、可分别单独地或组合起来后得到一个严格相位适配的谐振变频器的结构特征来构成，从而使该谐振变频器与现有技术的装置相比其转换射线具有一个更高的转换效率、更好的射线质量和更高的功率稳定性。由于在较低的基波功率时有较高的转换效率，尤其应当提供了这样一种可能性为发射UV激光束制造一个比现有技术中所采用的激光源在尺寸上更紧凑的激光源。在本说明书开始部分所提到的这一类变频器中，可分别用来解决或经相互组合后用来解决上述技术问题的特征为-该非线性晶体的出射面涂覆了既对第一激光束、又对第二激光束抗反射的涂层，且出射面的法线与从晶体出来的光波的夹角小于15°，其中第二激光束优选通过该出射面离开该非线性晶体，而且第一激光束通过第一镜进入该环行谐振器，第二激光束通过该第一镜离开该环行谐振器。-作为一种替换方式，该非线性晶体出射面的法线与从该晶体出来的光波之间的夹角接近布鲁斯特角，所述在环形谐振器中环行的光波平行于谐振器平面偏振，该非线性晶体的出射面设有一偏振分光层，该偏振分光层对第一激光束的频率基本是透明的，对第二激光束的频率则是反射的，该非线性晶体具有一个涂覆了对第二激光束的频率为抗反射涂层的第三面，且该非线性晶体这样成形，使得该第二激光束在该偏振分光层上反射，并通过第三面从该非线性晶体中出来。-在将这些特征组合起来后或以与这些特征无关的方式将非线性晶体的晶轴相对于入射光波的入射方向这样定向，使得该与角度成函数关系的有效非线性系数的平方接近或等于最大值，且该非线性晶体使得该入射光波在与其传输方向相反的方向上有尽可能少的散射。-作为一种替代选择，至少该非线性晶体的入射面或出射面具有一圆柱形的弯曲面，其中该非线性晶体的圆柱形面的对称轴位于谐振器平面中，至少两镜之一具有一圆柱形的弯曲面，该圆柱形的弯曲面的对称轴与该谐振器平面相垂直，其中，该非线性晶体的主断面与该谐振器平面相垂直，且该光波在该非线性晶体中的光束断面为一椭圆形，其长半轴位于该非线性晶体的主断面中。分别通过这些特征或它们的组合相对于现有技术的装置减少了谐振损失，并减少了两次折射对严格地相位适配的晶体中的转换效率和射线质量的影响，且减少了基波在非线性晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光谐振变频器，其包括一个具有一个第一镜、一个第二镜及一个带有一入射面和一出射面的非线性晶体的环形谐振器，该第一镜和第二镜及非线性晶体被这样设置，使得一光波以第一激光束的形式通过该入射面进入该非线性晶体，再通过出射面离开该非线性晶体，其中该光波在非线性晶体中部分转换成另一频率的第二激光束，其特征在于：所述非线性晶体入射面的法线与入射到该晶体中的光波之间的夹角接近布鲁斯特角，且该入射光波平行于谐振器平面偏振，该非线性晶体的出射面涂覆了既对第一激光束、又对第二激光束抗反射的涂层，且该出射面的法线与从晶体出来的光波的夹角小于１５°。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：埃克哈德赞格，曼弗雷德萨尔兹曼，
申请(专利权)人：NLG新激光发生有限责任公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]