[发明专利]减少用于激光高功率频率变换的非线性晶体的表面热效应

说明书

技术领域

本发明涉及减少用于激光高功率频率变换的非线性晶体的表面热效应。 

背景技术

因为新应用的出现以及不同波长区域内增益介质数目仍然有限，对于不同波长的高功率激光器的需求逐渐增加。用来将激光波长改变到不同光谱区域的主要机理为使用非线性晶体将基础激光波长变换为新的波长。这种系统的例子包括使用非线性晶体将来自Nd:YAG激光器位于1064nm的波长变换为532nm的波长，其中非线性晶体诸如磷酸二氢钾(KDP)、硼酸钡(BBO)、三硼酸锂(LBO)、硼酸铋(BiBO)和磷酸氧钛钾(KTP)。通过在另一个晶体中与剩余的1064nm的基础激光进行和频以产生355nm，可以将532nm的合成的辐射进一步变换到355nm。通过在晶体中加倍也可以将532nm的光变换为266nm的光，其中晶体诸如BBO、砷酸二氢铯(CDA)、氟硼铍酸钾(KBBF)和硼酸锂铯(CLBO)。通过与1064nm的基频进行和频，可以对266nm进行变换以获得213nm这么短的波长。 

在上面所有过程中，对于平顶空间/时间激光脉冲来说，基频激光波长到期望的波长范围的变换效率理论地可能达到100％。在实际中，使用空间-时间成形的脉冲和/或非线性晶体的有效多通操作，二次谐波(SHG)和三次谐波(THG)变换为紫外线(UV)的变换效率可以分别达到80-90％和30-40％。 

上述波长已经形成了范围非常宽的一批应用，从材料的激光加工(例如，标记/雕刻/切割)到测距再到激光外科/牙科应用。不同波长具有的与感兴趣的介质中光吸收率有关的特殊属性反映出改变波长的重要性。在一 些情况下，例如在测距的情况下，所期望的波长是为了更高透明度。在其他情况下，例如在用于通过过热和烧蚀切割材料而对能量进行高度限制的情况下，所期望的波长是为了更高吸收。在所有的情况下，期望的应用受益于更高的激光功率和向感兴趣的波长的更高功率的频率变换，因为更高的功率能够使得信号更大或使得处理更快。 

为了获得高亮度，固体激光器的功率已经攀升得越来越高了。例如，现在已经可以产生具有1KW衍射极限输出的连续激光器了，其对应于大于10¹¹W/cm²的可聚焦的平均功率。尽管基础激光源有高的功率提高(scale)能力，但是还不可能提高非线性频率变换以全部利用更高的功率输出。因此，本领域中需要在用于有效、高功率的激光频率变换的非线性晶体中减少表面损伤的方法和系统。 

发明内容

本发明的实施例涉及一种在用于激光的有效高功率频率变换的非线性晶体中减少表面热效应的方法和设备。 

一种用于产生经频率变换的激光束的装置。此装置包括具有第一端面和与所述第一端面相反的第二端面的非线性晶体。非线性晶体被设置为在第一端面处接收至少一个输入激光束并且在第二端面输出经频率变换的光束。在频率变换的过程中，至少一个输入激光束的束腰位于第一端面和第二端面之间。此装置还包括第二晶体，其中第二晶体具有与非线性晶体的第二端面结合的第一端面以及与第一端面相反的第二端面。在第二晶体的第一端面处的经频率变换的光束的直径小于在第二晶体的第二端面处的经频率变换的光束的直径。 

根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于产生经频率变换的激光束的装置。此装置包括具有入口窗和出口窗的室，以及具有第一端面和与第一端面相反的第二端面的非线性晶体。非线性晶体被放置在室中并且第一端面距离入口窗第一预定距离，第二端面距离出口窗第二预定距离。非线性晶体被设置为在第一端面接收至少一个入射激光束。此外，非线性晶体被定向成对工作于至少一个入射激光束上的非线性光学变换过程提供相 位匹配，并产生经频率变换的激光束。此装置还包括放置在所述室中的化学惰性的流体。化学惰性的流体对于所述至少一个入射激光束和经频率变换的激光束基本上透明。经频率变换的激光束在出口窗处的束直径大于经频率变换的激光束在第二端面处的直径。 

根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于产生经频率变换的激光束的装置。此装置包括具有第一晶体面和与第一晶体面相反的第二晶体面的非线性晶体。非线性晶体被设置为在第一晶体面处接收至少一个入射激光束并对所述至少一个入射激光束执行频率变换过程以产生以传播方向传播的经频率变换的激光束。此装置还包括具有与第二晶体面结合的第一材料面以及与第一材料面相反的第二材料面的光学材料。光学材料的特征为折射率分布在传播方向的横断方向上变化。