具有用于紫外發生的可更換模塊的高功率固態激光器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及腔內模塊和激光共振腔。特別地，本發明涉及用于高功率激光的、可更換的腔內模塊。更特別地，本發明涉及用于連續波(CW)或者脈沖激光的插入/拔出頻率轉換模塊。
【背景技術】
[0002]已知某些材料具有頻率轉換特性。可利用合適的材料、例如非線性光學晶體，將一種頻率的激光輻射轉變為第二頻率的輻射。例如，Nd = YAG激光產生1064nm (近紅外)的輻射，其可以利用例如磷酸二氘鉀(KDP)晶體通過二次諧波發生轉變為532nm(綠光)。在頻率轉換材料中與1064nm的基本輻射混合的532nm的二次諧波輻射可以轉換成在紫外(UV)波長范圍內的三次諧波。
[0003]然而，適合頻率轉換的元件，包括非線性光學晶體，在經受高峰值功率的激光脈沖時壽命非常有限。特別地，在商用激光中更換頻率轉換元件會導致大量的停機時間，尤其是因為光學校準是高功率激光的關鍵問題。為了防止激光部件，特別是紫外激光腔部件暴露在充滿灰塵的環境中，晶體更換和激光重新校準常常必須在潔凈室中進行。因此，人們將注意力集中在用于頻率轉換的外部模塊，用戶可以在沒有明顯不便的情況下延長頻率轉換元件的壽命。
[0004]已知在初級激光腔外的外部模塊中提供頻率轉換元件，例如激光振蕩器和/或放大器。典型地，來自激光腔的基本波長的光指向或聚焦在頻率轉換元件上，并且光波長被轉換了。例如，可以生成高次諧波。光指向或者聚焦在頻率轉換元件上，從而只輻射到頻率轉換元件的一小部分。轉換效率隨頻率轉換元件的品質降低而下降，但使用者可以將頻率轉換元件平移至相對仔細校準初級光束的新位置以輻射頻率轉換元件的新部分。因此，使用者可以在無需大量的停機時間或激光工程師查看的情況下，延長頻率轉換元件的壽命。值得注意的是，初級激光腔不會中斷。這種技術可以被稱為“輪轉”或“移位”。
[0005]相比用于輪轉的聚焦光斑尺寸，激光腔內的激光的光斑尺寸是比較大的，通常為數個毫米。盡管腔內的光束直徑相對大，在腔內循環的輻射的功率明顯比腔外的高。因此，已發現，當頻率轉換元件在腔內時，頻率轉換元件的理論最大頻率轉換效率可能更高。因此，在理論上，如果可以克服與停機時間和不便對初級激光腔進行調節相關的問題，可以優選利用激光腔內中的元件進行轉換頻率的方法。
[0006]本發明旨在解決這些問題并提供改進的腔內頻率轉換裝置和方法。
【發明內容】
[0007]本發明的特征限定在獨立權利要求中。
[0008]在此提供了腔內模塊，該腔內模塊設置成可更換地安裝或安裝在激光共振腔內。即，該模塊設置成插入初級激光腔和從初級激光腔中拔出，比如激光振蕩器和/或放大器。該模塊包括第一光學元件、第二光學元件和頻率轉換元件。該頻率轉換元件設置成以接收第一頻率的光并輸出第二頻率的光。該第一頻率不等于第二頻率。該頻率轉換元件可以為高次諧波發生器，比如二次、三次或四次諧波發生器。該頻率轉換元件可以為非線性光學晶體。該頻率轉換元件至少由第一光學元件和第二光學元件封裝。即，該頻率轉換元件密封在由第一光學元件和第二光學元件至少部分界定的空間、腔、區域或容積內。該第一光學元件可以界定封閉腔的一側并且該第二光學元件可以界定另一側。其它元件，比如，外殼，可以完成封裝。該第一和第二光學元件在第一和第二頻率可以具有預定的反射率和透射率。該第一和/或第二光學元件可以為，例如，鏡片或光學窗口。
[0009]有利地，可以保護精密的光學部件和涂層免受外部環境損害。特別地，由于該頻率轉換元件可以為第一和/或第二光學元件的表面，因此可以保護該頻率轉換元件本身。因此，周密的光學涂層可以用于光學元件的內表面。進一步有利地，可以非常細心地控制被封裝的容積內的環境。例如，該被封裝的容積可以是經氣體吹掃的、真空的。值得注意的是，該模塊可以是在光學上預先校準的，使得使用者可以在無需大量的停機時間或激光工程師查看的情況下移除舊模塊并用新模塊更換。便利地，提供用于激光的自含式頻率轉換模塊。
[0010]本發明還解決在激光腔中由于高功率UV輻射的存在引起的問題。在激光工作期間防止與UV輻射相關的損害的傳統方法是完全密封該激光腔以防止暴露在外部環境中。這避免了污染物進入激光腔和在UV輻射照射時損害光學部件。但是，當頻率轉換元件是在激光腔內部時，該方法是不切實際的。
[0011]還提供一種激光諧振腔，其中腔內模塊的第一或第二光學元件中的一個形成激光共振鏡片中的一個。因此，可以提供更緊湊的設備。有利地，該激光共振鏡片中的一個的內表面因此免受環境之害。此外，該激光共振鏡片可以相對于其它光學部件在光學上預先校準。
[0012]因此，實現用于腔內頻率轉換的實用的模塊。
【附圖說明】
[0013]結合附圖，描述本發明的實施例，其中:
圖1展示了根據實施例的激光腔的例子；
圖2展示了根據實施例的腔內模塊的示意圖；
圖3為根據另一實施例的腔內模塊的示意圖；
圖4為根據另外的實施例的腔內模塊的示意圖；
圖5為根據另外的實施例的腔內模塊的示意圖；
圖6為根據另外的實施例的腔內模塊的示意圖。
[0014]在附圖中，相同的附圖標記表示相同的部件。
[0015]以下僅通過實施例的方式描述非線性轉換晶體，技術人員會理解，其它頻率轉換元件可以同樣適用。
[0016]所描述的實施例僅通過實施例的方式涉及用于三次諧波發生的模塊并且技術人員會理解該模塊同樣適合任何類型的頻率轉換，包括二次諧波和四次諧波發生。即，在腔內模塊中的頻率轉換元件可以為任何高次諧波發生器。
【具體實施方式】
[0017]總之，描述了一種方法和裝置，該裝置延伸工作壽命，并利用腔內頻率轉換顯著降低高平均功率的激光的維修成本。這是通過將頻率轉換元件(比如非線性頻率轉換晶體)封裝在兩個光學元件(比如鏡片或光學窗口之間)以形成牢固的、密封的和預先校準的模塊，從而提供特定的更換準確度來實現的。
[0018]該可更換的、密封的和預先校準的模塊可用于在高平均功率的激光的腔內傳播的初級輻射的非線性頻率轉換。圖1所示的實施例展示了激光共振腔100。
[0019]在圖1中，還依次展示了公共光軸上的以下光學元件:第一激光腔鏡片101、Q開關108、激光增益介質105、第一腔內鏡片103、二次諧波非線性轉換晶體106、第二腔內鏡片104、三次諧波非線性轉換晶體107和第二激光腔鏡片102。根據本發明的實施例，該第二腔內鏡片104、三次諧波非線性轉換晶體107和第二激光腔鏡片102形成腔內模塊150。
[0020]腔內模塊150可拆卸地安裝在激光器共振腔100內部。值得注意的是，鏡片102形成用于發生三次諧波的腔的兩面鏡片中的一面以及用于激光共振腔100自身的兩面鏡片中的一面。即，有利地，鏡片102具有雙重功能。該三次諧波非線性轉換晶體107至少由第二腔內鏡片104和第二激光腔鏡片102封裝。可利用另外的元件完成封裝。
[0021]“嵌入式”激光腔由鏡片101、102、103和104形成。用于在激光的基波波長積聚和傳播激光輻射的主腔由激光增益介質105形成，該激光增益介質105置于鏡片101和102之間，鏡片101和102在基