【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及利用经频率转换的输出激光束的功率调制的非线性晶体中的频率转换，具体地涉及用于管理非线性晶体中的热负荷的技术。
技术介绍
1、非线性晶体中的频率转换是用于变换激光辐射波长的常用技术。在许多情况下，当需要高功率的可见光或紫外激光辐射时，优选的方法是首先产生近红外激光辐射，然后通过对近红外激光辐射进行频率转换将其变换为可见光或紫外光。采用这种方法的主要原因是存在几种有吸引力的解决方案来产生高功率激光辐射。例如，一些更流行的激光源基于镧系元素掺杂的钇铝石榴石(yag)晶体。镧系元素掺杂yag晶体是高效可靠的激光增益介质，可产生多种不同近红外波长的激光辐射，尤其是掺钕yag晶体的情况下为1064纳米，掺镱yag晶体的情况下为1030纳米。一旦由近红外激光源产生，近红外激光辐射就会通过非线性晶体产生谐波以达到可见光，此后，如果需要，可以在一个或多个附加非线性晶体中进行进一步的频率转换以达到所需的波长。这种谐波生成以及适用时的进一步频率转换对于脉冲激光辐射特别有效，其中高峰值功率有利于高转换效率。
2、非线性晶体中的高效频率转换依赖于输入激光束(或多个光束)与经频率转换的激光束相位匹配，使得当输入激光束和经频率转换的激光束传播通过非线性晶体时，在每个空间位置产生的经频率转换的激光辐射与在前面的空间位置产生的经频率转换的激光辐射相长干涉。根据所使用的非线性晶体的波长和类型，可以使用临界或非临界相位匹配。
3、在也称为“温度相位匹配”的非临界相位匹配中，非线性晶体保持在输入激光束和经频率转换的激光束各自
4、临界相位匹配，也称为“角相位匹配”，利用双折射非线性晶体并利用该双折射非线性晶体的折射率的偏振依赖性。调整输入激光束(或多个光束)相对于晶体轴的入射角，使得输入激光束和经频率转换的激光束的折射率相同。由于输入激光束和经频率转换的激光束各自波长和偏振的折射率与温度的相关性，临界相位匹配通常对温度也敏感。临界相位匹配通常无需将非线性晶体加热到高温即可完成，但需要在恒定温度下以输入激光束的特定入射角进行操作。
5、高功率脉冲激光束用于许多不同的应用，包括重要的工业过程，例如激光加工、激光焊接和激光退火。随着新工艺的开发、现有工艺的改进以及激光系统的开发、定制和/或优化以执行这些工艺，使用激光器进行工业材料加工的用途正在迅速扩大。一些工艺需要脉冲能量为数十微焦或更高的可见光或紫外脉冲激光束，脉冲重复率导致平均功率为数十或数百瓦或更高。
6、在工业材料加工和其他应用中，通常需要改变激光束的平均功率。最简单的形式是，这种功率变化包括接通和关断激光束。例如，在工业材料加工中，可能需要重复接通和关断激光束，以使激光曝光与过程的其他方面同步，例如工件相对于激光束的机械运动或激光束相对于工件的扫描。然而，对于机械快门来说，所需的切换时间通常太快，并且重复接通和关断实际激光源通常是不可行的。在基于近红外激光辐射的频率转换的可见光或紫外高功率脉冲激光束生成的背景下，当前最先进的切换技术使用声光或电光调制器来在频率转换前切换红外光激光束的接通和关断。该技术受益于相对实惠的声光和电光调制器，具有高损伤阈值，可在近红外区域使用。
技术实现思路
0、专利技术概述
1、本文公开了用于激光辐射的非线性频率转换的系统和方法，其在改变经频率转换的输出激光束的平均功率的同时维持非线性晶体中的稳定的热负荷。这些系统和方法克服了影响现有系统的热负荷问题，现有系统在非线性晶体中进行频率转换之前改变输入激光束或多个输入激光束的平均功率。当经频率转换的激光束和/或输入激光束在非线性晶体内具有相当大的平均功率时，即使非线性晶体对激光辐射的低水平吸收也可能升高晶体温度。因此，当在频率转换之前改变输入激光束的平均功率时，特别是进入紫外光时，转换效率可能会因晶体温度变化而导致相位匹配降级。目前公开的系统和方法通过在两个衍射阶之间声光切换输入激光束并将两个衍射阶引导至非线性晶体以进行频率转换来克服该问题。来自两个衍射阶之一的经频率转换的激光束被用作经频率转换的输出激光束。当声光调制器改变两个衍射阶之间的平均功率比时，另一个衍射阶的频率转换用于稳定非线性晶体中的热负荷。通过在两个衍射阶之间切换功率以及因此改变该平均功率比来改变经频率转换的输出激光束的平均功率。
2、由于大多数非线性晶体在紫外线中表现出相对高的吸收，因此当前公开的方法在通过可见光或近红外激光辐射的频率转换来产生紫外线激光辐射方面特别有利。然而，本方法的优点不限于产生紫外激光辐射。一般而言，本方法在任何形式的非线性频率转换中都可能是有利的，其中(a)需要改变经频率转换的激光束的平均功率，例如打开和关闭，以及(b)一个或多个参与频率转换过程的激光束具有足够的平均功率，来在非线性晶体中产生显著的热负荷。例如，本方法可以有利于频率转换成中红外光或高功率激光束频率转换成可见光。
3、在一个方面，用于非线性频率转换的系统包括：声光调制器，该声光调制器用于将输入激光束的部分衍射为一阶光束，并将该输入激光束的非衍射部分作为零阶光束透射。该系统还包括：非线性晶体，该非线性晶体设置成接收该零阶光束和该一阶光束中的每一个并对其进行频率转换，以生成两个相应的经频率转换的激光束，由此，当该声光调制器改变该零阶光束和该一阶光束之间的平均功率比时，该非线性晶体中的热负荷的变化被最小化。
4、另一方面，用于非线性频率转换的方法包括：利用声光调制器调制输入激光束，以将该输入激光束的部分衍射为一阶光束，并将该输入激光束的非衍射部分作为零阶光束透射。该方法还包括：控制该声光调制器在零阶光束和一阶光束之间传递平均功率；以及在非线性晶体中将该零阶光束和该一阶光束进行频率转换，以生成两个相应的经频率转换的激光束，由此，当该声光调制器改变该零阶光束和该一阶光束之间的平均功率比时，该非线性晶体中的热负荷的变化被最小化。
5、在另一方面，四次谐波激光装置包括：二次谐波发生器，用于从基频激光束生成两个二次谐波激光束。二次谐波发生器包括：第一倍频晶体，该第一倍频晶体用于使入射到其上的激光辐射进行频率加倍，以及声光调制器，该声光调制器用于生成入射到其上的激光束的零衍射阶和一衍射阶。该声光调制器设置成控制两个二次谐波激光束之间的平均功率比。该装置还包括：第二倍频晶体，该第二倍频晶体设置成接收两个二次谐波激光束中的每一个并将其进行频率加倍以生成两个相应的四次谐波激光束，由此，当该声光调制器改变两个二次谐波激光束之间的平均功率比时，该第二倍频晶体中的热负荷的变化被最小化。
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1.用于非线性频率转换的系统，包括：
2.根据权利要求1所述的系统，还包括控制器，所述控制器配置成(a)通过调节施加到所述声光调制器的射频电功率来设置所述零阶光束和一阶光束之间的平均功率比，以及(b)当改变所述零阶光束和一阶光束之间的平均功率比时，设置所述输入激光束的平均功率以校正改变后的频率转换效率对所述热负荷的影响。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中所述零阶光束和所述一阶光束在所述非线性晶体中在空间上重叠至少50％。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，还包括一个或多个透镜，所述一个或多个透镜位于所述声光调制器和所述非线性晶体之间并且设置成使所述零阶光束和一阶光束在所述非线性晶体中在空间上重叠。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述一个或多个透镜配置成将来自所述声光调制器的所述零阶光束和一阶光束成像到所述非线性晶体。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述输入激光束被脉冲化，并且还包括与所述零阶光束和一阶光束中的一个但不是两者相交以延迟所述零阶光束和一阶光束的脉冲的一个或多个玻璃板。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述一个或多个玻璃板包括至少一个楔子，以引导与所述一个或多个玻璃板相交的所述零阶光束和一阶光束中的所述一个。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，还包括用于通过对前体激光束进行频率转换来生成所述输入激光束的附加非线性晶体。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述非线性晶体和所述附加非线性晶体中的每一个都是倍频晶体。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，还包括附加非线性晶体，用于在所述非线性晶体中进行频率转换之前对所述零阶光束和一阶光束进行附加频率转换。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述非线性晶体和所述附加非线性晶体中的每一个都是倍频晶体。
12.用于非线性频率转换的方法，包括以下步骤：
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：当控制所述声光调制器的步骤使得所述声光调制器共享所述零阶光束和所述一阶光束之间的平均功率时，控制所述输入激光束的源以设置所述输入激光束的平均功率，以校正改变后的频率转换效率变化对所述热负荷的影响。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的方法，还包括：在所述非线性晶体中将所述零衍射阶和一衍射阶在空间上重叠至少50％。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的方法，其中所述频率转换步骤生成所述零阶光束和所述一阶光束中的每一个的谐波，所述经频率转换的激光束是紫外线。
16.根据权利要求12至15中的任一项所述的方法，其中所述输入激光束具有至少一千瓦的平均功率。
17.根据权利要求12至16中的任一项所述的方法，还包括：将来自所述声光调制器的零阶光束和一阶光束成像到所述非线性晶体。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述成像步骤包括增大或减小所述零阶光束和一阶光束的直径。
19.根据权利要求12至18中的任一项所述的方法，其中在所述调制步骤中，所述声光调制器输出零阶光束和一阶光束，所述零阶光束和一阶光束之间的角度不大于20毫弧度，所述方法还包括在所述非线性晶体之前保持所述角度。
20.根据权利要求12至19中的任一项所述的方法，其中所述输入激光束被脉冲化，并且还包括延迟所述零阶光束和所述一阶光束中的一个但不是两者的脉冲的步骤。
21.根据权利要求12至20中的任一项所述的方法，还包括：在附加非线性晶体中生成所述输入激光束作为前体激光束的谐波的步骤。
22.根据权利要求21所述的方法，其中：
23.根据权利要求12至22中的任一项所述的方法，还包括：在所述非线性晶体中进行频率转换步骤之前使所述零阶光束和一阶光束在附加非线性晶体中经受附加频率转换的步骤。
24.根据权利要求23所述的方法，其中：
25.根据权利要求23或权利要求24所述的方法，其中：
26.四次谐波激光装置，包括：
27.根据权利要求26所述的装置，其中：
28.根据权利要求26所述的装置，其中：
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.用于非线性频率转换的系统，包括：
2.根据权利要求1所述的系统，还包括控制器，所述控制器配置成(a)通过调节施加到所述声光调制器的射频电功率来设置所述零阶光束和一阶光束之间的平均功率比，以及(b)当改变所述零阶光束和一阶光束之间的平均功率比时，设置所述输入激光束的平均功率以校正改变后的频率转换效率对所述热负荷的影响。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中所述零阶光束和所述一阶光束在所述非线性晶体中在空间上重叠至少50％。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，还包括一个或多个透镜，所述一个或多个透镜位于所述声光调制器和所述非线性晶体之间并且设置成使所述零阶光束和一阶光束在所述非线性晶体中在空间上重叠。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述一个或多个透镜配置成将来自所述声光调制器的所述零阶光束和一阶光束成像到所述非线性晶体。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中所述输入激光束被脉冲化，并且还包括与所述零阶光束和一阶光束中的一个但不是两者相交以延迟所述零阶光束和一阶光束的脉冲的一个或多个玻璃板。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述一个或多个玻璃板包括至少一个楔子，以引导与所述一个或多个玻璃板相交的所述零阶光束和一阶光束中的所述一个。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，还包括用于通过对前体激光束进行频率转换来生成所述输入激光束的附加非线性晶体。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述非线性晶体和所述附加非线性晶体中的每一个都是倍频晶体。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，还包括附加非线性晶体，用于在所述非线性晶体中进行频率转换之前对所述零阶光束和一阶光束进行附加频率转换。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述非线性晶体和所述附加非线性晶体中的每一个都是倍频晶体。
12.用于非线性频率转换的方法，包括以下步骤：
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：当控制所述声光调制器的步骤使得所述声光调制器共享所...
【专利技术属性】
技术研发人员：M·鲁赫曼，C·O·舍费尔，S·尼德利希，R·克纳佩，
申请(专利权)人：相干凯撒斯劳滕有限公司，
类型：发明
国别省市：
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