[发明专利]用于谐波产生的楔形面非线性晶体

说明书

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技术领域

本发明涉及通过非线性和频或差频转换产生不同的波长的激光器及激光器系统，确切地说，涉及在以峰值功率产生谐波激光输出的过程中补偿与非线性晶体的临界相位匹配相关联的空间走离（spatial walk-off）现象。

背景技术

激光波长转换器在许多工业应用中被广泛使用。例如，已在激光微细加工系统中使用激光器系统，这些激光器系统进行波长转换来产生绿色及紫外（UV）的激光输出。实现谐波产生的两种传统方法需要腔内谐波转换和腔外谐波转换。使用腔内谐波转换的谐波产生方法的优势在于其能够产生光束质量好的高效率的激光输出，。但是，在以短波长操作的高功率应用中，功率衰减和非线性晶体损伤控制需要特别关注的。使用腔外谐波转换的谐波产生方法的益处在于能够延长非线性晶体的寿命，但是谐波转换效率较低，特别是对于较低峰值功率激光器。

紧密聚焦的光束有助于获得较高的转换效率，例如具有100μm直径光点大小的激光束。但是，存在影响谐波转换效率的竞争因素。一方面，由于非线性晶体的临界相位匹配所导致的空间走离现象的效应，晶体长度是有限的，而另一方面，所聚焦的光束越小，非线性晶体中的光束发散角越大。另外，光束的光点大小受到非线性晶体损伤阈值的限制。因此，改善谐波转换效率是具有挑战性的尝试。

已知非线性转换效率与非线性晶体的长度及峰值功率的平方成比例。为获得腔外配置的非线性谐波转换的高转换效率，使用小的光点大小，但这样做受限于两个主要因素。第一限制因素是由高的峰值功率强度所导致的抗反射（AR）涂层及晶体材料块损伤。第二限制因素是小的光点大小给非线性晶体带来空间走离现象，而此现象限制了谐波转换效率及激光束质量。

已进行了调查来改善谐波产生效率。杜德利（Dudley）等人的第7,016,389号美国专利陈述了在腔内非线性频率产生过程中在激光器腔体内循环的高功率具有转换效率的益处。关于杜德利方案的图1示出了典型的腔内谐波产生方案。然而，对于存在连续波（CW）操作、高脉冲重复频率（高于100KHz）、长脉冲宽度（高于100ns）或高阶谐波产生的情况而言，腔内谐波产生的效率将更低。如在腔外转换中，较小的光点大小及较长的晶体有助于改善谐波转换效率。较小的光点大小引起了对AR涂层和晶体材料块损伤的关注，并且较小的光点大小及较长的晶体引起了对空间走离现象的关注。

在腔外谐波产生中使用的可增加谐波转换效率的一种方法是通过保持高的峰值功率强度而不引起损伤问题并且使用具有减小的走离效应的较长的晶体而实现的，这种方法需要利用柱面透镜以使激光束呈椭圆形，以使椭圆形激光束的主轴处于非线性晶体的走离平面中。

但是，此方法存在某些缺陷。这些缺陷包括显然需要额外部件来成形激光束。随着将至少两个柱面透镜添加到该光学系统中的对齐难度的增大，这是因为需要另一个柱面透镜来将椭圆形光束重新成形为圆形光束。图1是将曲线图叠加于现有技术的激光器系统的方框图之上的复合图示。该曲线图示出了在激光器系统的不同级处的椭圆形光束形成，其表示在腔外配置中使用柱面透镜系统（CL1及CL2）的第三谐波产生的现有技术实施方案。图1示出在x轴与y轴之间的半径最小位置（waist location）的位移，这最终会导致激光束的圆化及散光问题。实线表示沿着x轴的光束半径，而虚线表示沿着y轴的光束半径。然而，更加困难的是在腔体中定位柱面透镜以在非线性晶体中形成椭圆光束并且维持稳定的腔体以及提供椭圆形的腔体模式。

发明内容

本发明提供一种进行激光束的和频或差频混合的方法以在高峰值功率激光输出的产生过程中获得有效率的谐波转换。所述方法需要使用具有入射面、内腔及长度的双折射晶体频率转换介质。沿着相应的第一传播路径及第二传播路径传播的第一激光束及第二激光束被定向为以入射角入射于频率转换介质的入射面上。第一激光束具有第一波长及第一光点形状，而第二激光束具有第二波长及第二光点形状。在第一激光束及第二激光束在内腔内沿频率转换介质的长度传播时，频率转换介质的双折射有助于相应的第一激光束及第二激光束的第一传播路径及第二传播路径的有效交互长度的发散及重叠。