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1、(10)申请公布号 CN 102934019 A (43)申请公布日 2013.02.13 CN 102934019 A *CN102934019A* (21)申请号 201180027047.1 (22)申请日 2011.03.11 102010003591.2 2010.04.01 DE G02F 1/35(2006.01) G02F 1/37(2006.01) (71)申请人 通快激光标记系统公司 地址 瑞士格鲁施 (72)发明人 S董 S约斯滕 C焦莱克 (74)专利代理机构 永新专利商标代理有限公司 72002 代理人 侯鸣慧 (54) 发明名称 用于激光辐射的频率转换的装置和方法 。
2、(57) 摘要 本发明涉及一种用于激光辐射的频率转换的 装置 （1） ， 包括 ： 第一非线性晶体 （5） ， 在该第一非 线性晶体中由具有第一波长 （1） 的第一入射激 光束 （2）通过频率翻倍产生具有第二波长 （2） 的第二激光束 （6） ， 第二激光束 （6） 与第一激光束 （2） 共线地延伸 ； 第二非线性晶体 （9） ， 在第二非 线性晶体中由第一激光束和第二激光束 （2， 6） 通 过频率混合产生具有第三波长 （3） 的第三激光 束 （10） ； 以及在第一非线性晶和第二非线性晶体 （5， 9） 之间布置的、 用于将第一激光束 （2） 与第二 激光束 （6） 空间分离的光学装置 （。
3、7， 8） 。光学装置 具有至少一个透镜 （7， 8） ， 第一激光束和第二激 光束 （2， 6） 相对于光轴 （7a， 8a） 偏移地和 / 或倾 斜地穿过透镜 （7， 8） ， 以便引起分离。本发明也涉 及相关的用于频率转换的方法。 (30)优先权数据 (85)PCT申请进入国家阶段日 2012.11.30 (86)PCT申请的申请数据 PCT/EP2011/053687 2011.03.11 (87)PCT申请的公布数据 WO2011/120777 DE 2011.10.06 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 。
4、(12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 2 页 1/2 页 2 1. 一种用于激光辐射的频率转换的装置 （1） ， 包括 ： 第一非线性晶体 （5） ， 在该第一非线性晶体中由具有第一波长 （1） 的第一入射激光束 （2） 通过频率翻倍产生具有第二波长 （2） 的第二激光束 （6） ， 第二激光束 （6） 与第一激光 束 （2） 共线地延伸 ； 第二非线性晶体 （9） ， 在该第二非线性晶体中由第一和第二激光束 （2， 6） 通过频率混 合产生具有第三波长 （3） 的第三激光束 （10） ； 以及布置在第一和第二非线性晶体 （5， 9） 之间的、 用于使激光束 （2， 。
5、6） 彼此分离的光 学装置 （7， 7， 8） ， 其特征在于， 该光学装置具有至少一个透镜 （7， 7， 8） ， 以便引起分离。 2. 根据权利要求 1 所述的装置， 其中， 第一和第二激光束 （2， 6） 相对于光轴 （7a， 8a） 偏 移地和 / 或倾斜地穿过透镜 （7， 8） ， 以便引起分离。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的装置， 其中， 透镜 （7） 由双折射材料构成， 以便引起分 离。 4. 根据上述权利要求之一所述的装置， 其中， 该光学装置 （7， 7， 8） 在第二非线性晶体 （9） 的射束入射面 （9a） 上产生在第一和第二激光束 （2， 6） 之间的射束偏移。
6、 （） 。 5. 根据上述权利要求之一所述的装置， 其中， 该光学装置 （7， 8） 具有用于将从第一非 线性晶体 （5） 射出的第一和第二激光束 （2， 6） 准直的第一透镜 （7） 以及用于将第一和第二 激光束 （2， 6） 聚焦到第二非线性晶体 （9） 上的第二透镜 （8） 。 6. 根据上述权利要求之一所述的装置， 还包括 ： 设置在第一非线性晶体 （5） 之前的另 外的透镜 （4） ， 用于将第一激光束 （2） 聚焦到第一非线性晶体 （5） 上。 7. 根据上述权利要求之一所述的装置， 还包括 ： 用于使至少一个透镜 （7， 8） 垂直于光 轴 （7a， 8a） 运动的运动设备 （1。
7、1， 12） 。 8. 根据上述权利要求之一所述的装置， 其中， 第一和 / 或第二非线性晶体 （5， 9） 由三硼 酸锂构成。 9. 根据上述权利要求之一所述的装置， 还包括 ： 用于产生第一激光束 （2） 的激光振荡 器 （3） 。 10. 根据权利要求 9 所述的装置， 其中， 第一波长 （1） 对应于激光振荡器 （3） 的基频， 尤其是对应于 1064nm 的波长。 11. 一种用于激光辐射的频率转换的方法， 包括 ： 通过在第一非线性晶体 （5） 中使具有第一波长 （1） 的第一激光束 （2） 频率翻倍来产 生具有第二波长 （2） 的第二激光束 （6） ， 其中， 第二激光束 （6）。
8、 与第一激光束 （2） 共线地延 伸 ； 由第一和第二激光束 （2， 6） 通过在第二非线性晶体 （9） 中频率混合来产生具有第三波 长 （3） 的第三激光束 （10） ， 其中第一和第二激光束 （2， 6） 在一个设置在第一和第二非线性晶体 （5， 9） 之间的光路 中的光学装置 （7， 7， 8） 上彼此分离， 其特征在于， 第一和第二激光束 （2， 6） 穿过光学装置的至少一个透镜 （7， 7， 8） ， 以便 引起分离。 12. 根据权利要求 11 所述的方法， 其中， 第一和第二激光束 （2， 6） 相对于光轴 （7a， 8a） 权 利 要 求 书 CN 102934019 A 2 。
9、2/2 页 3 偏移地和 / 或倾斜地穿过透镜 （7， 8） ， 以便引起分离。 13. 根据权利要求 11 或 12 所述的方法， 其中， 透镜 （7） 由双折射材料构成， 以便引起 分离。 权 利 要 求 书 CN 102934019 A 3 1/5 页 4 用于激光辐射的频率转换的装置和方法 技术领域 0001 本发明涉及一种用于激光辐射的频率转换的装置， 包括 ： 第一非线性晶体， 在该第 一非线性晶体中由具有第一波长的第一入射激光束通过频率翻倍产生具有第二波长的第 二激光束， 第二激光束与第一激光束共线地延伸 ； 第二非线性晶体， 在第二非线性晶体中由 第一激光束和第二激光束通过频率。
10、混合产生具有第三波长的第三激光束 ； 以及在第一非线 性晶和第二非线性晶体之间的光路中布置的用于将激光束彼此分离的光学装置。 本发明也 涉及相关的用于频率转换的方法。 背景技术 0002 为了产生具有中等功率的 UV 激光， 即在大约 0 到 30 瓦的功率范围的 UV 激光， 可 以根据由激光振荡器提供的例如 1=1064nm 的第一波长 （基波波长） 在第一步骤中借助具 有非临界相位匹配的第一非线性晶体产生具有例如 2=1/2=532nm 的第二波长 （所谓的 二次谐波） 的频率翻倍的激光束 （所谓的 “二次谐波生成” ， SHG） 。基波和二次谐波在此情况 下线性地被极化并且具有彼此垂直。
11、的极化方向。 基波和二次谐波于是在具有临界相位匹配 的第二非线性晶体中根据 1/3=1/1+1/2=3/1来产生总频率 （所谓的 “总频率生成” ， SFG） ， 即在此例子中产生具有 3=355nm 波长的第三激光束， 其如所期望的那样在 UV 范围 中。 0003 在非线性晶体中的所谓的临界相位匹配使得三个参与频率混合的波的波长向量 满足条件 k3=k2+k1（针对 SHG 适用于 k2=2k1） 。由于非线性晶体具有双折射特性， 所以临界 相位匹配导致这两个入射的激光束之一 （无序极化的波） 以所谓的 “走离” 角度从第二入射 的激光束 （有序极化的波） 远离。这两个激光束于是在非线性晶。
12、内一定传播路程之后被分离 并且具有所谓的空间走离。 0004 在以开头所描述的方式产生具有高功率的 UV 激光时， 基波在第二晶体中典型地 有序地被极化， 而二次谐波在该晶体中被无序地极化， 使得在第二非线性晶体中出现走离 效应。而在第一非线性晶体中使用非临界相位匹配， 使得在那里不出现走离效应并且基波 和二次谐波共线地从晶体射出。 0005 在第二非线性晶体中在基波与二次谐波之间的走离降低了在产生三次谐波 （UV 辐射） 时的效率， 因为进行频率转换的交互作用长度减小。通过补偿走离效应， 增大了交互 作用长度， 由此在产生 UV 辐射时的效率明显升高。 0006 在文献 DE 1014370。
13、9A1 中介绍了一种用于补偿在频率转换时的走离效应的方法。 在该方法中使用具有非临界相位匹配的用于频率转换的第一非线性三硼酸锂 （LBO） 晶体并 且使用具有临界相位匹配的 LBO 晶体来产生三次谐波。在第一非线性晶体与第二非线性晶 体之间设置有双折射晶体， 其中避免了非线性光学特性。 通过双折射晶体产生走离， 其导致 在第二非线性晶体上基波与二次谐波的射束偏移。射束偏移与第二 LBO 晶体的走离相反并 且应当补偿该走离。 0007 但在 DE 10143709A1 所描述的结构中必须将附加部件 （双折射晶体） 定位在光路 说 明 书 CN 102934019 A 4 2/5 页 5 中。这导。
14、致较高的调整开销。由于抵抗第二非线性晶体的走离效应的晶体的双折射与温度 有关， 所以用于分离激光束的双折射晶体还必须保持在恒定温度上。 0008 文献 EP 0503875A2 公开了另一用于在具有临界相位匹配的非线性晶体中进行走 离补偿的可能性。 在此情况下， 在有序射束和无序射束之间的走离通过如下方式来补偿， 即 两个射束共线地相对于晶体表面呈一角度地射到具有临界相位匹配的晶体上。 当激光以一 角度射到晶体上时， 出现折射并且辐射的波长向量根据极化方向而改变了不同的数值。在 正确选择入射角度和使晶体轴线相对于晶体的入射面取向时因此可以实现走离的补偿。 然 而该解决方案同样要求相应剖切并被调。
15、制的非线性晶体。典型地， 晶体轴线在此情况下并 不垂直于或平行于晶体表面地取向， 而是相对于晶体表面呈一角度地延伸。晶体被剖切的 角度因此必须非常精确， 因为不精确的剖切角度不能通过整个晶体的倾斜或转动来补偿。 0009 出版物 US 2006/0250677 公开了一种走离补偿的解决方案， 其中激光束同样在相 同的点处射到非线性晶体上， 但之前借助光学装置被分离， 使得这些激光束关于晶体表面 的入射角度彼此不同。激光束之一例如垂直射到晶体表面上， 而另一激光束以一角度射到 非线性晶体上。作为用于分离的光学装置， 双棱镜定位在非线性晶体之前。在使用不同波 长的激光束时， 提出了必要时使用二色性。
16、分束器。 为了实现最大的走离补偿， 非线性晶体同 样拥有优化的剖面， 即晶体轴线相对于晶体表面呈一角度地延伸。 发明内容 0010 本发明的任务是改进一种开头所述类型的设备， 使得以特别简单的方式能够实现 走离效应的补偿。 0011 该任务根据本发明通过开头所述类型的设备来解决， 其中光学装置具有至少一个 透镜， 以便引起这些激光束的空间分离。这是有利的， 因为为了实现良好的转换效率， 激光 束通常必须 （在这里使用泵浦功率的情况下） 被聚焦， 使得为此本来在光路中设置的透镜除 了用于射束成形或成像之外还可以用于激光束的空间分离。 0012 在一个实施形式中， 为了波长有关的分离， 第一激光束。
17、和第二激光束相对于光轴 偏移地和 / 或倾斜地穿过透镜以便引起空间分离。通过激光束相对于透镜的光轴的偏移或 倾斜， 激光束并不垂直地射到透镜入射面和透镜出射面， 使得激光束由于波长不同而在射 入透镜时以及在从透镜射出时分别以不同的角度被折射。 激光束在从透镜射出之后因此不 再共线地延伸， 而是彼此具有角度。本发明已发现， 为了补偿空间走离效应， 激光束相对于 透镜的光轴比较小的移动或倾斜足以使得能够避免激光束的过强的椭圆率。 0013 通常， 在光学装置中使用进行聚焦的透镜 （会聚透镜） ， 其典型地构造为双凸透镜。 但必要时也可以使用其他类型的会聚透镜， 例如平凸透镜或凹凸透镜。 重要的是，。
18、 所使用的 透镜材料具有波长有关的折射率， 其中折射率中的差异对于所使用的不同激光波长而言要 尽可能大。在这里所使用的波长的情况下已表明石英玻璃和 BK7 玻璃作为特别合适的透镜 材料。在石英玻璃的情况下， 在 1064nm 到 532nm 之间的折射率差在大约 n=0.0108。在 BK7 玻璃的情况下， 差甚至为 n=0.01284。其他材料通常具有较小的折射率差。 0014 对透镜的移动或倾斜可替选地或除此之外， 透镜中的至少一个由双折射的材料构 成， 以便引起分离。 由于在当前泵浦功率的情况下本来需要透镜来聚焦， 所以在使用透镜来 分离激光束时不会产生提高的调节开销。 说 明 书 CN。
19、 102934019 A 5 3/5 页 6 0015 已证明有利的是， 光学装置或透镜在第二非线性晶体的射束入射面上产生在第一 激光束和第二激光束之间的射束偏移， 因为在此情况下通常可以使用方形标准晶体。但应 理解的是， 必要时被分离的激光束也可以以不同的角度在共同的点处射到相应被剖切的非 线性晶体的入射面上， 以便以在 US 2006/0250677 中所描述的方式来补偿走离效应。 0016 在一个实施形式中， 光学装置具有用于将从第一非线性晶体射出的第一激光束和 第二激光束准直的第一透镜以及用于将第一激光束和第二激光束聚焦到第二非线性晶体 上的第二透镜。 当激光束通过两个透镜偏心地延伸时。
20、， 在此透镜对激光束的分离会有帮助。 以此方式， 可以实现激光束的充分分离， 而为此无需在相应透镜中激光束相对于光轴的过 强的偏移。应理解的是， 光学装置也可以具有多于两个或小于两个的透镜。 0017 在使用透镜时的另一优点在于， 具有较短波长的激光束略微较强地被折射， 使得 第二激光束 （具有 532nm） 的焦点与第一激光束 （具有 1064nm） 的焦点相比更靠近透镜。这 导致， 在第二晶体中的交互作用长度内第二激光束的直径小于第一激光束的直径， 这证明 为对于频率转换是有利的。 但由此产生的对频率转换的积极作用小于通过空间走离补偿实 现的作用。 0018 在一个实施形式中， 该装置具有。
21、设置在第一非线性晶体之前的另外的透镜， 用于 将激光辐射聚焦到第一非线性晶体上。 通过另外的透镜可以提高在第一非线性晶体中的转 换效率。另外的透镜的焦距在此情况下例如与第一透镜的焦距相一致。 0019 在另一实施形式中， 该装置具有用于使至少一个用于分离的透镜垂直于光轴运动 的运动设备。如上面所介绍的那样， 基波和二次谐波借助一个或多个透镜来聚焦用于在第 二晶体中产生 UV。通过使透镜从光轴沿着临界方向移动， 这些激光束的相互远离借助折射 来产生而在两个激光束之间的射束偏移被产生， 由此可以延长在第二非线性晶体中的交互 作用长度并且由此可以提高 UV 产生的效率。在理想情况下， 通过透镜产生的。
22、射束偏移选择 为使得射束在第二非线性晶体的中心精确地重叠。 0020 运动设备可以用于调节所期望的射束偏移， 其必要时在温度波动的情况下要与第 一非线性晶体匹配。运动设备在此情况下可以与调节设备耦合， 该调节设备与用于测量第 三激光束的输出功率的检测器耦合并且调节射束偏移使得输出功率最大。可替选地， 当然 也可以使晶体温度稳定。 0021 在一个有利的实施形式中， 第一非线性晶体和 / 或第二非线性晶体由三硼酸锂构 成。该材料尤其是在使用具有大约 1064nm 的基波波长的激光辐射的情况下已表明可行， 如 其例如由 Nd:YVO4激光器所提供的那样。 0022 该装置还可以包括用于产生第一激光。
23、束的激光振荡器， 其中非线性晶体典型地设 置在谐振器外部。应理解的是， 在激光振荡器与第一晶体之间还可以中间连接有另外的器 件， 例如激光放大器。用于频率转换的第一波长在非线性晶体管布置在谐振器外部的情况 下对应于激光振荡器的基频， 其尤其是可以在 1064nm。 0023 本发明的另一方面以用于激光辐射的频率转换的方法来实现， 包括 ： 通过在第一 非线性晶体中使具有第一波长的第一激光束频率翻倍来产生具有第二波长的第二激光束， 其中第二激光束与第一激光束共线地延伸 ； 由第一激光束和第二激光束通过在第二非线性 晶体中频率混合来产生具有第三波长的第三激光束， 其中第一激光束和第二激光束在设置 。
24、在第一非线性晶体与第二非线性晶体之间的光路中的光学装置上彼此分离。为了引起分 说 明 书 CN 102934019 A 6 4/5 页 7 离， 第一激光束和第二激光束相对于光轴偏移地和 / 或倾斜地穿过光学装置的至少一个透 镜。 0024 在该方法的一个变型方案中， 第一激光束和第二激光束相对于光学轴偏移地和 / 或倾斜地穿过透镜， 以便引起分离。可替选地或附加地， 透镜也可以由双折射材料构成， 以 便引起分离。 附图说明 0025 本发明的其他优点从以下说明书和所附的附图中得到。同样， 单独地或多个任意 组合地使用前面所述的并且以下还要介绍的特征。 所示的且所描述的实施形式并不理解为 穷尽。
25、性列举， 而是更确切地说示例性的特征用于描述本发明。 0026 其中 ： 0027 图 1a、 1b 示出根据本发明的用于激光束的频率转换的设备的实施形式的示意图， 该设备具有两个非线性的晶体和两个或一个用于走离补偿的透镜， 以及 0028 图 2a、 b 示出第二非线性晶体的示意性图， 该晶体具有在走离补偿 （图 2a） 的情况 下和在没有走离补偿 （图 2b） 的情况下的临界相位匹配。 具体实施方式 0029 图 1a 示出了用于具有 1064nm 的第一波长 1的第一激光束 2 的频率转换的装 置 1， 该第一激光束由激光振荡器 3 产生。激光振荡器 3 在此例子中具有作为激光介质的 N。
26、d:YVO4激光器晶体。由激光振荡器 3 发射的第一激光束 2 借助透镜 4 聚焦至第一光学非 线性晶体 5 中， 它构造为三硼酸锂 （LBO） 晶体。在非临界相位匹配的第一非线性晶体 5 中 由第一激光束 2 通过频率翻倍产生具有第二波长 2 1/2=532nm 的第二激光束 6， 即第 一非线性晶体 5 用于产生二次谐波。由于该非临界相位匹配， 在第一非线性晶体 5 中不出 现走离效应， 使得第一激光束2和第二激光束6共线地离开第一非线性晶体5。 两个激光束 2、 6 在从第一晶体 5 离开时线性地极化， 其中它们的极化方向彼此垂直。 0030 共线激光束 2、 6 在离开第一 LBO 晶。
27、体 5 之后首先借助第一透镜 7 来准直， 该第一 透镜 7 拥有与用于第一聚焦的 （另外的） 透镜 4 相同的焦距。随后， 激光束 2、 6 借助第二透 镜 8 聚焦至第二 LBO 晶体 9 中， 以便通过第一激光束 2 和第二激光束 6 的频率混合产生具 有 355nm 波长 3 的、 即在 UV 波长范围中的第三激光束 10（三次谐波） 。在第二 LBO 晶体 9 中利用临界相位匹配， 以便由第一激光束 2 和第二激光束 6 形成总频率 （SPG） 。 0031 如在图 2b 中所示， 临界相位匹配导致第二激光束 6 与第一激光束 2 在第二晶体 9 中的空间分离， 即使两个激光束2、 。
28、6在相同位置处共线地并且垂直于入射平面9a地射到第 二晶体 9 上。这通过以下方式产生， 即两个激光束 2、 6 具有不同的极化方向， 使得第二激光 束 6 在双折射的晶体 9 中被无序地极化， 而第一激光束拥有有序的极化。走离效应使得两 个有序的或无序极化的激光束2、 6彼此远离并且交叠区域L即在进行频率转换的第二晶体 9 中的长度明显减小。在交叠区域外还存在的第二晶体 9 的长度对在三个波长 3处的激 光辐射的产生不再有帮助。 0032 为了尽可能在很大程度上避免该问题， 在图 1a 的装置 1 中这两个激光束 2、 6 相 对于光轴 7a、 8a 偏移地延伸通过第一透镜 7 和第二透镜 。
29、8。因为激光束 2、 6 并不垂直地射 说 明 书 CN 102934019 A 7 5/5 页 8 到透镜表面上， 所以具有 532nm 的波长 2的第二激光束 6 被折射的射束方向不同于具有 1064nm 的波长 1的第一激光束 2 的射束方向。这两个激光束 2、 6 因此彼此远离并且因此 不再在相同位置处射入第二 LBO 晶体 9 中， 而是在入射面 9a 上具有射束偏移 。针对两个 透镜7、 8的移动， 在此情况下选择如下方向， 该方向使得第二激光束6的入射点沿着与走离 相反的方向移动， 使得这两个激光束 2、 6 在第二晶体 9 中进入到彼此之中。如在图 2a 与图 2b 的比较中得。
30、到的那样， 进行频率转换的交互作用长度 L 以此方式会增加， 使得 UV 产生的 效率即所产生的第三激光束 10 的功率提高。 0033 在理想情况下， 通过透镜 7、 8 产生的射束偏移 选择为使得这两个激光束 2、 6 在 第二 LBO 晶体 9 的中心在交叠区域中叠加。为了保证射束偏移 的可调节性， 两个操作器 11、 12（例如线性马达） 设置在透镜 7、 8 上， 其啮合到其插座上并且实现垂直于其光轴的移 动。应理解的是， 除了这里所示的移动之外或对这里所示的移动可替选地， 透镜 7、 8 的倾斜 也是可能的， 以便引起分离。对于分离重要的是， 激光束 2、 6 并不与透镜 7、 8。
31、 的入射面和出 射面垂直， 如例如在沿着光轴 7a、 8a 穿过时情况如此， 因为在此情况下不会进行分离 （参见 图 2b） 。 0034 图 1a 的装置 1 也可以被适当地修改。这样， 如在图 1b 中所示的那样例如也可能 的是， 在第一 LBO 晶体 5 与第二 LBO 晶体 9 之间代替这两个透镜 7、 8 仅使用具有更小的焦 距的唯一的透镜7。 在此情况下， 透镜7定位为使得两个激光束2、 6近轴地即沿着光轴射 到透镜 7 上。图 1b 的透镜 T 与图 1a 的透镜 7、 8 相反由双折射材料例如方解石构成， 在该 材料中第一激光束 2 被有序地折射而第二激光束 6 被无序地折射，。
32、 由此引起分离。在此情 况下， 可以利用的是， 第一激光束 2 和第二激光束 6 在从第一晶体 5 出射时具有彼此垂直的 极化方向。 0035 应理解的是， 图 1a 和图 1b 中所示的装置的组合是可能的。例如， 在图 1a 中所示 的装置 1 的情况下一个或两个透镜 2、 6 也可以由双折射的材料构成。此外， 应理解的是， 频 率转换可以在不同于这里所描述的频率或波长处进行。为了分离从第二非线性晶体 9 出射 的激光束 2、 6、 10， 也可以使用附加的光学元件譬如二色性镜或棱镜。 说 明 书 CN 102934019 A 8 1/2 页 9 图 1a 图 1b 图 2a 说 明 书 附 图 CN 102934019 A 9 2/2 页 10 图 2b 说 明 书 附 图 CN 102934019 A 10 。