基于组合透镜的高效率飞秒激光倍频装置及其调节方法
阅读说明：本技术 基于组合透镜的高效率飞秒激光倍频装置及其调节方法 (High-efficiency femtosecond laser frequency doubling device based on combined lens and adjusting method thereof ) 是由 李峰 赵卫 杨小君 杨直 王娜 王屹山 吕志国 ***龙 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于组合透镜的高效率飞秒激光倍频装置及其调节方法,解决现有飞秒激光倍频过程中,晶体易损伤、倍频光束质量易受影响、倍频后脉冲宽度二次展宽严重,及成本增加的问题。该装置包括沿光源出射方向依次设的飞秒激光光源、衰减器、第二半波片、双透镜组、倍频晶体及双色镜；衰减器用对飞秒激光进行功率衰减并输出线偏振激光；第二半波片可实现转动调节,用于控制线偏振激光的偏振方向；双透镜组包括距离可调整的凸透镜和凹透镜,用于改变激光在倍频晶体上的聚焦光斑大小；倍频晶体为Ⅰ类相位匹配的BBO晶体,用于对激光实现倍频；倍频晶体可实现俯仰和偏摆调节；双色镜用于将倍频后的光束分为2路,2路光束出射方向上均设有功率计。(The invention provides a high-efficiency femtosecond laser frequency doubling device based on a combined lens and an adjusting method thereof, and solves the problems that crystals are easy to damage, the quality of frequency doubling light beams is easy to influence, the pulse width after frequency doubling is seriously widened twice and the cost is increased in the existing femtosecond laser frequency doubling process. The device comprises a femtosecond laser light source, an attenuator, a second half-wave plate, a double-lens group, a frequency doubling crystal and a dichroic mirror which are sequentially arranged along the emergent direction of the light source; the attenuator is used for carrying out power attenuation on the femtosecond laser and outputting linear polarized laser; the second half-wave plate can realize rotation adjustment and is used for controlling the polarization direction of the linear polarized laser; the double-lens group comprises a convex lens and a concave lens with adjustable distances and is used for changing the size of a focused light spot of the laser on the frequency doubling crystal; the frequency doubling crystal is a BBO crystal with I-type phase matching and is used for realizing frequency doubling on laser; the frequency doubling crystal can realize pitch and deflection adjustment; the dichroic mirror is used for dividing the frequency-doubled light beams into 2 paths, and power meters are arranged in the outgoing directions of the 2 paths of light beams.)
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种基于组合透镜的高效率飞秒激光倍频装置及其调节方法。
背景技术
超快飞秒激光光源已经被应用于材料加工领域，其材料加工过程中的热效应小，具有广泛的材料加工能力，加工精度高，加工表面质量好，受到了广泛的关注，在航空航天领域、半导体材料焊接及切割、柔性电路板切割、玻璃切割及打孔等领域都实现了应用。
而飞秒绿光相对于基频光而言，其在大多数加工过程中热效应更小，加工精度更高，特别是一些铜合金材料加工工程中，材料本身对于红外光吸收率非常小，但是在飞秒绿光处吸收率显著提高，使得倍频的飞秒绿光激光光源在激光精细焊接领域有重要的需求。但是，不同于传统的窄线宽倍频激光过程，飞秒倍频过程中涉及到极高的峰值功率密度，倍频效率也是和峰值功率密度相关的，在高效率转换的过程中，晶体极其容易造成损伤的，加之群速色散问题导致的时域走离效应限制了倍频效率的提升。因此，现有飞秒激光倍频过程中存在晶体容易损伤、倍频光束质量易受影响，以及倍频效率较低，倍频后脉冲宽度的二次展宽明显等问题；为提高倍频效率，采用苛刻的温控系统，由于温控系统精度要求较高，使得成本增加。
发明内容
为了解决现有飞秒激光倍频过程中，晶体容易损伤、倍频光束质量易受影响、倍频后脉冲宽度二次展宽严重，以及为保证倍频效率需采用苛刻温控系统导致成本增加的技术问题，本发明提供了一种基于组合透镜的高效率飞秒激光倍频装置及其调节方法。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种基于组合透镜的高效率飞秒激光倍频装置，其特殊之处在于：包括沿飞秒激光光源出射方向依次设置的飞秒激光光源、衰减器、第二半波片、双透镜组、倍频晶体及双色镜；
所述衰减器包括沿激光出射方向依次同轴设置的第一半波片和偏振分光棱镜，用对飞秒激光进行功率衰减并输出线偏振激光；
所述第二半波片可实现转动调节，用于控制线偏振激光的偏振方向；
所述双透镜组包括沿激光出射方向依次同轴设置且距离可调整的凸透镜和凹透镜，用于改变激光在倍频晶体上的聚焦光斑大小；
所述倍频晶体为Ⅰ类相位匹配的BBO晶体，用于对激光实现倍频；倍频晶体可实现俯仰和偏摆调节，用于调整飞秒激光和倍频晶体的倍频匹配角度及倍频晶体上的峰值功率密度；
所述BBO晶体的厚度为0.5mm～1.5mm；
所述双色镜用于将倍频后的光束分为2路，分别为倍频光和基频光；
所述倍频光的出射方向上设有倍频光功率计；
所述基频光的出射方向上设有基频光功率计。
进一步地，还包括设置在飞秒激光光源和第一半波片之间的近红外高反镜对，用于对飞秒激光进行光轴方向和垂直于光轴的调节，实现光路方向的调节。
进一步地，所述近红外高反镜对包括平行设置的第一反射镜和第二反射镜；
所述第一反射镜和第二反射镜的参数均为[email protected]；
所述第一反射镜的反射面与飞秒激光光源的光轴夹角为45°；
所述第二反射镜的反射面与第一半波片的光轴夹角为45°。
进一步地，所述凸透镜为正透镜，焦距为100mm；
所述凹透镜为负透镜，焦距为-100mm；
所述凸透镜和凹透镜的间距为13mm。
进一步地，所述BBO晶体尺寸参数为6*6*1.2mm，切割角度θ＝23.4°，
进一步地，所述倍频晶体安装在二维调整架上，二维调整架用于倍频晶体俯仰和偏摆调节。
本发明还提供一种基于组合透镜的高效率飞秒激光倍频装置的调节方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)对飞秒激光进行功率衰减，使得衰减后的功率满足倍频光路的调试；
其中，倍频晶体采用Ⅰ类相位匹配的BBO晶体，其厚度为0.5mm～1.5mm；；
2)通过监测倍频效率将第二半波片角度调整为最佳角度，使得进入倍频晶体的飞秒激光偏振方向为倍频晶体要求的最佳偏振方向；
其中，倍频效率是通过位于倍频晶体出射光路上的双色镜，将光束分为反射的倍频光和透射的基频光，分别测得倍频光和基频光的光功率，并根据测得的两个功率值计算得到的；
3)通过调整组合式双透镜组凸透镜和凹透镜之间的距离，改变飞秒激光在倍频晶体上聚焦光斑大小，实现控制进入倍频晶体的峰值功率密度；
4)通过对倍频晶体俯仰和偏摆的调整，实现飞秒激光和倍频晶体的倍频匹配角度及倍频晶体上的峰值功率密度调整。
进一步地，步骤2)中，倍频效率计算公式如下：
进一步地，步骤1)中，在对飞秒激光进行功率衰减之前，采用近红外高反镜对对入射飞秒激光进行光轴方向和垂直于光轴方向调节，实现光路方向的调节；
所述近红外高反镜对包括平行设置的第一反射镜和第二反射镜；
所述第一反射镜和第二反射镜的参数均为[email protected]；
所述第一反射镜的反射面与飞秒激光光源的光轴夹角为45°；
所述第二反射镜的反射面与第一半波片的光轴夹角为45°。
步骤4)中，倍频晶体安装在二维调整架上，实现倍频晶体的俯仰和偏摆调节。
进一步地，步骤1)中，所述BBO晶体尺寸参数为6*6*1.2mm，切割角度θ＝23.4°，BBO晶体双面镀有1030nm&515nm的增透膜；
步骤3)中，所述凸透镜为正透镜，焦距为100mm；
所述凹透镜为负透镜，焦距为-100mm；
所述凸透镜和凹透镜的间距为13mm。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明倍频装置采用双透镜组可以实现动态的调整入射到倍频晶体上的峰值功率密度，满足不同注入参数的(不同功率、不同重复频率、不同脉冲宽度)飞秒激光，均实现高效率的倍频输出，同时，可以避免倍频晶体的损伤问题，保证长时间的高效率稳定运转；采用具有高非线性系数的薄片BBO晶体，不易对倍频光束质量产生影响，实现飞秒倍频绿光光束质量无畸变、脉冲二次展宽影响小，同时，无需主动的精密温控，倍频装置具有结构简单、成本低的特点。
2、本发明倍频装置及方法在对激光衰减之前，采用近红外高反镜对对入射飞秒激光进行高低和左右调节，实现倍频光路方向的调节。
3、本发明倍频装置及方法中BBO晶体的厚度为0.5mm～1.5mm，倍频晶体的效率较高、晶体的器件损伤阈值和对光束质量的影响较小，进一步地，优选BBO晶体尺寸参数为6*6*1.2mm，切割角度θ＝23.4°，
4、本发明倍频装置及方法将倍频晶体装在二维调整架上，二维调整架具备俯仰和偏摆调节功能，实现倍频晶***置的精细调节，进而实现最优化的倍频匹配角度。
5、本发明调节方法通过监测倍频效率调整第二半波片角度，使得进入倍频晶体的偏振光方向为晶体要求的最佳偏振方向，提高倍频效率，保证长时间的高效率稳定运转。
6、本发明调节方法通过调整双透镜组的凸透镜和凹透镜的距离，变激光在倍频晶体上聚焦光斑大小，实现控制进入倍频晶体的峰值功率密度，可避免倍频过程中晶体容易损伤。
附图说明
图1是本发明基于组合透镜的高效率飞秒激光倍频装置实施例的结构示意图；
图2是本发明基于组合透镜的高效率飞秒激光倍频装置实施例中飞秒光源功率输出曲线图；
图3是本发明基于组合透镜的高效率飞秒激光倍频装置实施例中飞秒光源的脉冲自相关曲线图；
图4是本发明基于组合透镜的高效率飞秒激光倍频装置实施例中飞秒倍频效率曲线图；
图5是本发明基于组合透镜的高效率飞秒激光倍频装置实施例中双透镜组配合BBO晶体形成稳定倍频输出功率稳定性测试图；
图6是本发明基于组合透镜的高效率飞秒激光倍频装置最高注入功率约6W注入的情况下的倍频效率测试图；
其中，附图标记如下：
1-飞秒激光光源，2-第一反射镜，3-第二反射镜，4-第一半波片，5-偏振分光棱镜，6-第二半波片，7-凸透镜，8-凹透镜，9-倍频晶体，10-双色镜，11-倍频光功率计，12-基频光功率计。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
本发明提出了采用基于正负透镜组合的光束变换方法和高非线性、薄片BBO晶体的无温控直接倍频方式，通过对倍频效率的监控和峰值功率的调节，实现高效率、无损伤、低成本的稳定的飞秒激光倍频，包括以下步骤：
1)对飞秒激光进行功率衰减，使得衰减后的功率满足开始调试时注入倍频晶体9的功率，所述开始调试时具体为：光路调试过程中的安全功率，进行倍频光路的调节和晶体上光斑大小的测试；
2)通过监测倍频效率将第二半波片6角度调整为最佳角度，使得进入倍频晶体9的飞秒激光偏振方向为倍频晶体9要求的最佳偏振方向；
3)采用组合式双透镜组改变飞秒激光在倍频晶体9上聚焦光斑大小，实现控制进入倍频晶体9的峰值功率密度；
4)通过对倍频晶体9的俯仰角和偏摆角的调整，实现飞秒激光和倍频晶体9最优化的倍频匹配角度。
实施例
如图1所示，飞秒激光光源的光轴方向为左右方向，垂直于飞秒激光光源光轴方向为高低方向，一种基于组合透镜的高效率飞秒激光倍频装置，包括从左至右依次设置的飞秒激光光源1、近红外高反镜对、衰减器、第二半波片6、双透镜组、倍频晶体9及双色镜10，衰减器、第二半波片6、双透镜组、倍频晶体9及双色镜10同轴设置；
飞秒激光光源1是基于啁啾脉冲放大技术的飞秒光纤激光器，重复频率200kHz，中心波长1031.5nm,谱宽约6nm，功率输出曲线如图2所示，最大输出功率约18W，脉冲宽度测试的自相关曲线如图3所示，双曲正割拟合的脉冲宽度为666fs。输出光近似准直，光斑直径约1.7mm。
近红外高反镜对为近红外的一对高反镜，具有高低和左右的二维调节功能，用于实现对入射激光脉冲的高低和左右调节，实现倍频光路方向的粗调，近红外高反镜对包括平行设置的第一反射镜2和第二反射镜3；第一反射镜2和第二反射镜3的参数均为[email protected]。第一反射镜2的反射面与飞秒激光光源1的光轴夹角为45°；第二反射镜3的反射面与第一半波片4的光轴夹角为45°。
衰减器包括从左至右依次同轴设置的1030nm第一半波片4和偏振分光棱镜5，用于对入射光进行功率衰减，使得注入倍频晶体9的功率较低，比如衰减到几个mW，满足倍频光路的调试和人眼安全，并输出线偏振激光。
第二半波片6为1030nm的半波片，主要是用来控制线偏振激光的偏振方向，通过转动半波片，使得进入倍频晶体9的偏振光方向为晶体要求的最佳偏振方向，可以通过监测倍频效率将第二半波片6角度调整为最佳角度。
其中，倍频效率＝倍频光功率/总的入射的基频光功率；
总的入射的基频光功率＝通过双色镜10反射的倍频光功率+透射的基频光功率；
双透镜组包括从左至右依次同轴设置且距离可调整的凸透镜7和凹透镜8；调整凸透镜7和凹透镜8之间的距离实现对光束在倍频晶体9上聚焦光斑大小的改变，进而控制进入倍频晶体9的峰值功率密度，通过改变凸透镜7和凹透镜8之间的距离，可以获得满足不同注入功率条件下(功率范围实测:1W-18W)的飞秒高效率倍频(>50％)。本实施例中采用的凸透镜7为正透镜，焦距为100mm，凹透镜8为负透镜，焦距为-100mm。实验过程中，高功率注入情况下，双透镜间距为13mm，最小的聚焦光斑约280μm，进行了倍频实验，满功率注入下倍频效率大于50％，最大输出绿光功率8.81W，倍频效率达到51.6％。如图4所示，测试了不同泵浦电流下的被双色镜10反射的绿光功率和双色镜10透射的红外激光功率。同时，为了验证倍频装置的稳定性，在注入功率15.08W的情况下进行优化后，倍频输出7.71W(效率51.4％)的状态下进行了长达8小时的功率稳定性测试，测试得到倍频绿光输出的稳定性达到0.58％，如图5所示。并进行了基频光斑和倍频光斑的对比，倍频后光束质量无恶化。
本实施例双透镜组可安装在双透镜调节机构上，双透镜调节机构可调节控制凸透镜7和凹透镜8之间的间距，形成合适的聚焦光斑大小，满足不同注入功率的飞秒倍频，使得峰值功率密度在损伤阈值以内，本实施例中控制在200GW/cm2以内都可以安全的运行，并且可以保持>50％的倍频效率输出。针对不同的注入功率，如果注入功率较低，可以增大凸透镜7和凹透镜8的间距，即可实现聚焦后最小光斑变小，增加峰值功率，保证低功率下的倍频效率也可以达到50％以上。实测了6W注入下的倍频效率，倍频效率曲线如图6所示，约6W注入的情况下，效率也可以达到50％以上的倍频效率。
高效率的飞秒激光倍频存在损伤风险，对于晶体的选型需要充分考虑群速色散导致的脉冲二次展宽以及倍频效率的影响，同时在倍频过程中应当关注光束质量的变化、飞秒倍频的稳定性等问题，因此本实施例倍频晶体9采用薄片的结构，不易对光束质量和脉冲宽度产生影响，倍频晶体9的厚度可为0.5mm～1.5mm，本实施例对0.5mm，1.2mm，1.5mm厚度的倍频晶体9进行了实验，从倍频晶体9的效率、晶体的器件损伤阈值以及对光束质量的影响，最终优选定型为6*6*1.2mm，晶体厚度为1.2mm，晶体采用Ⅰ类相位匹配的BBO晶体，切割角度θ＝23.4°，
双色镜10的参数为[email protected]，[email protected]，对倍频后的绿光反射，基频光透射，在倍频绿光的出射方向上设有倍频光功率计11(倍频绿光功率计)，在基频光的出射方向上设有基频光功率计12，倍频绿光功率计和基频光功率计12测试倍频绿光功率和基频光功率，根据测试功率值，计算倍频效率，通过监测倍频效率对第二半波片6角度调整。
本实施例倍频装置具有针对不同注入功率的飞秒激光均可实现>50％的高效率倍频(实测范围约1-18W注入)，同时，采用高非线性、薄片结构的Ⅰ类相位匹配的BBO晶体的无温控直接倍频方式，通过对倍频效率的监控和峰值功率的调节，实现高效率、无损伤、低成本的稳定飞秒激光倍频。防止了倍频损伤、保证了倍频效率、倍频光束质量无恶化，具备长时间的倍频稳定性。
基于上述倍频装置，本实施例提供了一种基于组合透镜的高效率飞秒激光倍频装置的调节方法，包括以下步骤：
1)飞秒激光光源1产生飞秒激光脉冲，最大输出功率18W；
2)近红外高反镜对对入射飞秒激光进行高低和左右调节，实现倍频光路方向的粗调；
3)第一半波片4和偏振分光棱镜5对入射光进行功率衰减，使得注入倍频晶体的功率较低，比如衰减到几个mW，满足倍频光路的调试和人眼安全，满足开始调试时的注入倍频晶体9的功率控制和光斑大小的测试；
4)衰减后的光束依次经过第二半波片6、凸透镜7、凹透镜8后，再经倍频晶体9倍频后入射至双色镜10，基频光功率计12测得双色镜10透射的基频光功率，倍频绿光功率计测得双色镜10反射的倍频绿光功率；
5)根据基频光功率和倍频绿光功率，获得倍频效率；
6)通过监测倍频效率转动第二半波片6，将第二半波片6角度调整为最佳角度，使得进入倍频晶体9的飞秒激光偏振方向为倍频晶体9要求的最佳偏振方向；
7)通过双透镜调节机构调整凸透镜7和凹透镜8之间的距离，改变飞秒激光在倍频晶体9上聚焦光斑大小，实现控制进入倍频晶体9的峰值功率密度，保证高效率倍频的同时，防止过高的峰值功率密度造成晶体损伤；
8)通过对倍频晶体9的俯仰角和偏摆角的精密调整，实现飞秒激光和倍频晶体9最优化的倍频匹配角度(激光垂直入射倍频晶体9)以及倍频晶体9上的峰值功率密度调整；
9)第二半波片6、凸透镜7和凹透镜8位置调整完成后，该倍频装置(去掉功率计)对不同注入功率的飞秒激光均可实现>50％的高效率倍频。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。