专利摘要

本实用新型公开了一种纳秒脉冲激光变频模块，包括非线性晶体、谐振腔和温控系统：所述非线性晶体为周期极化的铌酸锂或者其他具有非线性效应的晶体，所述谐振腔由平平腔、平凹腔、凹凹腔或直接在非线性晶体端面镀膜形成，所述温控系统可以是控温的器件也可以是风冷、水冷或热沉等冷却系统。通过将非线性晶体、谐振腔和温控系统集成为一个模块，使用者可以很方便地用它来改变已有的纳秒脉冲激光器的频率，从而获得特定频率的激光输出，特别的，还可以通过改变设定温度来实现输出激光的波长调谐。

权利要求

1.一种纳秒脉冲激光变频装置，其特征在于：包括非线性晶体(2)、谐振腔(1)和温控系统(3)；所述非线性晶体为长方体形；所述温控系统(3)用于检测和控制非线性晶体的温度；所述非线性晶体(2)和温控系统(3)设置于谐振腔(1)的腔体内，使得谐振腔(1)的前腔镜和后腔镜的中心与非线性晶体前后两个端面的中心共线，前腔镜和后腔镜的平面与非线性晶体前后两个端面平行。

2.根据权利要求1所述的纳秒脉冲激光变频装置，其特征在于：所述非线性晶体为周期极化的铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、掺镁铌酸锂晶体或磷酸钛氧钾晶体。

3.根据权利要求1所述的纳秒脉冲激光变频装置，其特征在于：所述谐振腔为由两个平镜构成的平平腔、由一个平镜一个凹镜构成的平凹腔、或者由两个凹镜构成的凹凹腔系统。

4.根据权利要求3所述的纳秒脉冲激光变频装置，其特征在于：所述前腔镜、后腔镜和非线性晶体都镀了高透膜。

5.根据权利要求1所述的纳秒脉冲激光变频装置，其特征在于：所述谐振腔为直接在非线性晶体端面镀膜形成的谐振腔。

6.根据权利要求1所述的纳秒脉冲激光变频装置，其特征在于：所述的温控系统为控制非线性晶体获得恒定温度的装置，或者是风冷、水冷或者热沉。

7.根据权利要求1所述的纳秒脉冲激光变频装置，其特征在于：泵浦源采用端泵激光打标机，泵浦激光为纳秒脉冲激光，且泵浦激光为近似基膜高斯光束或者平顶光束。

8.根据权利要求1所述的纳秒脉冲激光变频装置，其特征在于：所述纳秒脉冲激光变频装置通过外壳固定为一体式装置，装置的入射口和出射口中心处各设计一个十字标，入射口和出射口的中心与非线性晶体前后两端面的中心共线。

9.根据权利要求1所述的纳秒脉冲激光变频装置，其特征在于：所述温控系统(3)包括包裹于非线性晶体左右两侧的铜块(5)，用于检测和控制非线性晶体温度的PDE板和加热棒，设置于铜块下部的陶瓷垫片，与包裹于非线性晶体外部通过陶瓷垫片支撑非线性晶体且与非线性晶体间隔的一圈陶瓷(6)。

说明书

技术领域

本实用新型涉及激光技术和非线性频率变换领域，采用和频或差频技术，特别是光参量振荡技术。

背景技术

20世纪60年代激光技术实用新型以后，人们在实验中观察到很多非线性效应，非线性光学应运而生。其中一个重要分支是光学频率转换，它是拓展激光频谱的一个有效手段。通过和频、倍频及高次谐波产生等频率上转换技术，可以将输出激光波长向紫外、深紫外方向拓展；通过差频、光参量放大、光参量振荡等频率下转换技术，可以将输出激光波长向近红外、中红外及远红外方向拓展。

光参量振荡器(OPO，Optical Parametric Oscillator)最早在1962年提出，到20世纪80年代，随着基于双折射位相匹配(BPM)的晶体的出现，及半导体泵浦的全固态激光技术的发展，OPO技术有了很大的突破。特别的，到20世纪90年代，基于准位相匹配(QPM)技术的光学超晶格材料的出现(如周期极化的铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、掺镁铌酸锂晶体等)，将OPO技术又向前推进了一步。

光参量振荡器在产生激光输出时具有很多优势：波长调谐范围广、不受泵浦光波长约束；可使用多种非线性晶体，调谐方式多样，包括温度调谐、周期调谐等；结构紧凑、可全固化，系统稳定性强等。

目前，特定波长的激光器如1064nm的全固态激光器或光纤激光器已经商业化，可是其他波长如中红外波段(3～5um，此波段的激光在大气中传输时损耗较低，是十分重要的大气红外窗口)的激光器很少，而且要实现波长调谐特别困难。

实用新型内容

本实用新型可以改变现有纳秒脉冲激光的波长，将波长转变到使用者需要的波长，并且在一定的波段范围内波长可以连续调节；本实用新型可以对全固态、光纤、半导体纳秒脉冲激光器等实现频率转换；本实用新型是一个模块，集成了非线性晶体、谐振腔和控温系统，使用起来较为简单，解决了OPO技术调节困难的问题；本实用新型使用非线性效应很强的晶体，光光转换效率高、损伤阈值也较高，可以获得功率为瓦级以上的变频激光输出。

本实用新型的技术方案：一种纳秒脉冲激光变频装置，包括非线性晶体、谐振腔和温控系统；所述非线性晶体为长方体形；所述温控系统，用于检测和控制非线性晶体的温度；所述非线性晶体和温控系统设置于谐振腔的腔体内，使得谐振腔的前腔镜和后腔镜的中心与非线性晶体前后两个端面的中心共线，前腔镜和后腔镜的平面与非线性晶体前后两个端面平行。

进一步的，所述非线性晶体为周期极化的铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、掺镁铌酸锂晶体或磷酸钛氧钾晶体。当激光经过它们时会发生频率转换，大多基于QPM原理实现，用人工设计周期和温度的办法，可以将波长转换到我们需要的波长。而且这些晶体的非线性效应强，光损伤阈值较高，能够用来获得高功率变频激光输出。如果要获得更大范围的波长调谐，我们可以更换非线性晶体，更换成不同周期的非线性晶体，这样的方式是相对简单的实现波长调谐的方式。本实用新型更换非线性晶体和腔镜比较容易，如果出现非线性晶体损坏(非线性晶体处容易损坏)的情况，维修成本也会相对较低。

进一步的，所述谐振腔为由两个平镜构成的平平腔、由一个平镜一个凹镜构成的平凹腔、或者由两个凹镜构成的凹凹腔系统。用来放大激光频率转换效果，提升转换效率。

进一步的，所述前腔镜、后腔镜和非线性晶体都镀了高透膜。

进一步的，所述谐振腔为直接在非线性晶体端面镀膜形成的谐振腔。

进一步的，所述的温控系统为控制非线性晶体获得恒定温度的装置，或者是风冷、水冷或者热沉。能够对非线性晶体进行控温，由于非线性晶体的折射率与它的温度有关，所以改变晶体温度可以改变它的折射率，进而改变变频激光波长。所以通过改变设定温度来改变输出变频激光的波长，是一种相对简单的实现激光波长调谐的方式。

进一步的，泵浦源采用光纤激光打标机，泵浦激光为纳秒脉冲激光，且泵浦激光为近似基膜高斯光束或者平顶光束。采用端泵的泵浦方式，即频率转换后获得的激光与泵浦激光方向一致(不考虑发散可认为重合)。并且要求非线性晶体的两个通光的端面与泵浦激光方向垂直，泵浦激光穿过非线性晶体两个通光端面的中心。泵浦激光，在使用的时候需要先进行聚焦，聚焦中心在非线性晶体内距前端面约1/3的部位，聚焦光斑大小为100～200微米。

进一步的，所述纳秒脉冲激光变频装置通过外壳固定为一体式装置，装置的入射口和出射口中心处各设计一个十字标，入射口和出射口的中心与非线性晶体前后两端面的中心共线。工作先调节此一体式装置的姿态，让泵浦光从入射口十字标的中心射入，从出射口十字标的中心射出，完成粗调。

进一步的，所述温控系统包括包裹于非线性晶体左右两侧的铜块，用于检测和控制非线性晶体温度的PDE板和加热棒，设置于铜块下部的陶瓷垫片，与包裹于非线性晶体外部通过陶瓷垫片支撑非线性晶体且与非线性晶体间隔的一圈陶瓷。这样除了下部，铜块和陶瓷包裹层是不接触了，可以更好的控温。

这个装置是一个整体，使用者在使用的时候，先在低功率下让激光方向与非线性晶体端面垂直，并且让激光通过非线性晶体两个通光端面的中心，这样就调好了；然后提高泵浦功率，当内部增益大于损耗时，就可以获得变频后的激光输出。本实用新型可以大大降低使用者的调节难度。

有益效果：本实用新型为纳秒脉冲激光变频模块，将非线性晶体、谐振腔和温控系统整合成一个模块，使用者可以在不知道具体原理的情况下方便地使用，获得稳定的、高功率、波长可调谐的变频激光输出。用本项实用新型，可以轻松地将现有的纳秒脉冲激光器变频到中红外波段，它的兼容性很高，可实现对现有的纳秒脉冲全固态、光纤、半导体激光器的光频率转换，而且可以实现一定范围的波长调谐(中红外波段调谐范围大约为300nm)。除此，稳定性好、损伤阈值高、转换效率高、可以获得瓦级以上的变频激光输出。

附图说明

图1为本实用新型纳秒脉冲激光变频装置的原理图；

图2为纳秒脉冲激光变频装置内部示意图；

图3纳秒脉冲激光变频模块调节的详细说明；

图4波长随控制温度的变化关系；

图5通过光纤输入的纳秒脉冲激光变频装置。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

(一)纳秒脉冲激光变频装置(平凹腔系统)

一种纳秒脉冲激光变频装置如图1、2所示，1处为镜架，里面装半英寸的镜片，前腔镜为平镜，材料为氟化钙，镀膜参数为HT1064nm，HR1450～1750nm，HT2700～4000nm，后腔镜为凹镜，曲率R为-100mm，材料也为氟化钙，镀膜参数与前腔镜一致；2处为PPMgO:LN(氧化镁掺杂的周期性极化铌酸锂)，极化周期为29.4um，长50mm，宽4mm，高2mm，通光端面为4mm*2mm，端面镀膜，参数为HT1064nm，HT1450～1550nm，HT3600～3900nm；3处为控温系统，其中5为铜块，下面有PDE板和加热棒，用于检测和控制温度，控温精度为0.01摄氏度，铜块下部有小的陶瓷垫片，6为一圈陶瓷包裹，这样除了下部，铜块和陶瓷包裹层是不接触了，可以更好的控温；4处为PDE板和加热棒的控制线，在外部和控制器连接，实现温度控制。

后腔镜凹面的中心与非线性晶体两个端面的中心要共线，后腔镜的平面与晶体的端面要平行，与前腔镜的平面也要平行。

选择比较成熟的1064nm光纤激光器作为泵源，它在工业上已经有很成熟的应用——激光打标机，最高输出功率为50W。因为打标机的光斑都较大，聚焦比较困难，所以先进行缩束，然后用偏振片选择使竖直偏振的激光透过，再聚焦，束腰处是直径约为120um的近圆形光斑。激光经过小孔后再打进纳秒脉冲激光变频模块，聚焦位置在非线性晶体内距离前端面约1/3处，然后看反射点打在小孔的什么位置处。由于腔镜和非线性晶体都镀了高透膜，反射光强度很弱，所以不用担心反射光会损坏泵源激光器。调节纳秒脉冲激光变频模块的俯仰、倾斜等姿态，使得反射点全部反向经过小孔中心，说明泵浦激光已经经过非线性晶体两个端面的中心和后腔镜凹面的中心，并且和晶体端面垂直，详细说明看图3((a)调整好时反射光全部反向通过小孔；(b)泵浦激光与晶体端面不垂直时，反射光不能反向通过小孔；(c)泵浦激光不经过后腔镜凹面的中心时，有反射点不通过小孔)。然后再增加泵浦功率，当增益大于损耗时，就可以获得频率转换后的激光输出。

为了方便调节，在此装置的入射口和出射口出设计了一个十字标，入射口和出射口的口径为5mm，入射口和出射口的中心与非线性晶体端面的中心共线。先调节此装置的姿态，让泵浦激光从入射口十字标的中心射入，从出射口十字标的中心射出，完成粗调；然后再观察小孔上的反射点，调节此模块的姿态，使所有反射点都反向穿过小孔，完成细调。

经实验证明，用此装置可获得功率超过1W的3.8um波段的变频激光输出，并且通过改变温度实现了波长可调谐的激光输出，输出变频激光波长(Wavelength)随温度(Temp)的变化关系(signal)如图4所示。换用其他周期的PPMgO:LN和腔镜系统，在1500～5000nm波段，都能够得到较高功率的波长可调谐的变频激光输出(idler)。除此，换用全固态的纳秒脉冲激光器作为泵浦源，也可以获得相似的实验结果。

(二)纳秒脉冲激光变频装置(晶体端面镀膜)

另一种纳秒脉冲激光变频装置，包含非线性晶体，材料为PPMgO:LN，极化周期为29.4um，长50mm，宽4mm，高2mm，通光端面为4mm*2mm，端面镀膜，参数为HT1064nm，HR1450～1550nm，HT3600～3900nm；晶体端面镀了对信号光的高反膜——HR1450～1550nm，以此构成了谐振腔；还要有温控系统。这种类型的纳秒脉冲变频模块，由于腔长缩短，损耗减小，泵浦阈值要比(一)中的模块低一些，相应的转换效率会高些。但是这种类型的装置通过非线性晶体的端面镀膜来对信号光进行多次反射，它的损伤阈值也会相对低一下。其他方面，此种类型的纳秒脉冲激光变频模块也具有(一)中装置的其他特征，如可以通过控制温度实现变频激光的波长调谐等等。

(三)通过光纤输入的纳秒脉冲激光变频装置

如图5所示，将纳秒脉冲激光变频装置与激光整形和聚焦系统整合在一起，构成虚线框内的一个大模块，然后用光纤引出来。使用者在使用的时候，只需要将泵浦激光很好的耦合入光纤(注意光纤的数值孔径，保证泵浦激光在光纤内损耗较少)，不需要再进行其他操作就完成了调节，使用起来会更加方便。

而在设计的时候，激光整形和聚焦系统需要根据光纤的直径和光纤输出激光发散角做一个匹配，使聚焦光斑在晶体靠前端面约1/3的位置，光斑大小为100～200微米，而且从光纤输出的激光方向与非线性晶体的端面垂直，激光穿过非线性晶体两个端面的中心，也穿过后腔镜凹面的中心。相当于将之前(一)中提到的调节环节放在了设计和组装环节，使用者不用再进行调节，使用起来会更加的方便。

特别的，如果这根光纤不仅是传导泵浦光的光纤，而且还是掺杂增益介质的增益光纤，这样从增益光纤内获得激光，直接进入到激光整形和聚焦系统，然后泵浦纳秒脉冲激光变频模块，获得我们所需要的变频激光。这样就相当于是一台光纤激光泵浦的波长连续可调的纳秒激光器。

一种纳秒脉冲激光变频模块专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。