可扩展温度适应范围的组合KTP倍频器件
阅读：204发布：2020-05-11
专利汇可以提供可扩展温度适应范围的组合KTP倍频器件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种可扩展 温度 适应范围的组合KTP 倍频器 件，包括可扩展温度适应范围为两晶体各自半峰值温度宽度之和的组合KTP倍频器件；所述组合KTP倍频器件由两 块 最佳 相位 匹配温度相差ΔT的KTP晶体串接而成；两所述KTP晶体其KZ面相互垂直，且基频光偏振方向与KTP晶体其KZ面均成45° 角 ；两块所述KTP晶体通过调节装置 串联 ；所述调节装置由两个用于安装单块KTP晶体的单晶体调节机构和连接件组成，且两个单晶体调节机构通过连接件连接固定；本实用新型的可扩展温度适应范围的组合KTP倍频器件，能有效扩展KTP倍频器件温度适应范围，相比于两KTP晶体KZ面平行情况，倍频转换 稳定性 好。(ESM)同样的 发明 创造已同日 申请 发明 专利，下面是可扩展温度适应范围的组合KTP倍频器件专利的具体信息内容。
1.一种可扩展温度适应范围的组合KTP倍频器件，其特征在于：包括可扩展温度适应范围为两晶体各自半峰值温度宽度ΔT之和的组合KTP倍频器件；所述组合KTP倍频器件由两块最佳相位匹配温度相差ΔT的KTP晶体串接而成；两所述KTP晶体其KZ面相互垂直，且基频光偏振方向与KTP晶体其KZ面均成45°角；两块所述KTP晶体通过调节装置串联；所述调节装置由两个用于安装单块KTP晶体的单晶体调节机构和连接件组成，且两个单晶体调节机构通过连接件连接固定；单个所述单晶体调节机构包括球形晶体座、内球面圆柱外壳和球形晶体座调节装置；单块所述KTP晶体固定安装于球形晶体座中心处；所述球形晶体座置于内球面圆柱外壳中央，且通过球面晶体座锁紧螺固定于内球面圆柱外壳中；所述球形晶体座调节装置由调平销固定螺钉、调平销和调平螺钉组成；所述调平销通过调平销固定螺钉固定于内球面圆柱外壳上；所述调平螺钉穿过调平销且与球面晶体座连接。
3.根据权利要求1所述的可扩展温度适应范围的组合KTP倍频器件，其特征在于：所述球面晶体座中央开设有用于安装KTP晶体的晶体固定孔；所述球面晶体座前侧开设有四个用于安装调平螺钉的调平槽。
5.根据权利要求1所述的可扩展温度适应范围的组合KTP倍频器件，其特征在于：单块所述KTP晶体通过黏胶固定于球形晶体座中。
8.根据权利要求1所述的可扩展温度适应范围的组合KTP倍频器件，其特征在于：两所述KTP晶体其KZ面相互垂直，且波长为1.064μm的线偏振基频光偏振方向和两块所述KTP晶体其KZ面均成45°角。
技术领域
本实用新型涉及一种可扩展温度适应范围的组合KTP倍频器件，属于非线性光学技术领域。
背景技术
绿激光在工业生产、生物医疗以及军事等领域有广泛、重要的应用，例如激光加工、高压线路维护等野外作业、激光治疗、美容和激光致眩等；随着高质量KTP晶体生长技术的成熟，使KTP倍频绿光激光器日渐成熟；目前，KTP倍频激光器已成为获取绿激光的主要途径。倍频器件是倍频激光器的关键器件，波长1.064μm基频激光沿相位匹配方向通过KTP晶体利用倍频效应可将其转换为波长0.53μm的绿激光；通常KTP倍频器件的切割角为
保证常温下该方向晶体的非线性系数最大，倍频转换效率最高。
当倍频绿光激光器用于野外等环境作业时，要求其适用温度范围要大；对于KTP倍频器件，当温度变化时，晶体折射率也随之变化，产生倍频相位失配，使倍频转换效率随温度变化降低；由于常温下切割的KTP倍频晶体在高、低温下其倍频转换效率急剧降低，甚至不能发射绿激光；因此，用于野外作业等条件下的激光器要采取温控措施。但采用温控装置，存在如下缺点：①控温需要预热或散热时间；②电池供电时，消耗有限电能；③温控装置会增加激光器的体积、重量；④对于较大功率激光器，温控难度也较大；因此，亟待设计大温度适应范围的倍频器件。中国专利申请号：200710098586.X公开了一种可扩展环境温度适应范围的非线性光学晶体激光倍频器，包括第一非线性光学晶体和第二非线性光学晶体，两块非线性光学晶体是两块材料相同的非线性光学晶体，它们以不同的切割角度切割，第一非线性光学晶体和第二非线性光学晶体的入射端面和出射端面都镀有基频光波长λ
1和倍频光波长λ
2的增透膜，第一非线性光学晶体的出射端面和第二非线性光学晶体的入射端面相贴排列放置；该激光倍频器补偿了环境温度的变化对非线性光学晶体倍频转换效率的影响，扩展了非线性光学晶体在倍频过程中对于环境温度的适应范围，为非线性光学晶体的应用提供了一种重要途径；上述技术方案中的倍频器件是将两KZ面平行的KTP晶体进行串联，但在上述技术方案的实施例中仅给出了半峰值温度宽度，均没有给出半峰值温度宽度内倍频光脉冲能量(或倍频转换效率)随温度的变化情况；另外现有技术中也有两切割角相同、KZ面垂直的两KTP晶体串接倍频的设计方案，但该方案是在单块晶体半峰值温度宽度范围内提高倍频转换效率，不能扩展倍频器件的温度适应范围；因此，为了解决以上问题，本实用新型设计了一种可扩展温度适应范围的组合KTP倍频器件，其扩展器件温度适应范围，且在整个温度适应范围内倍频转换效率保持在单块晶体的最大倍频转换效率附近。
实用新型内容
本实用新型的可扩展温度适应范围的组合KTP倍频器件，包括可扩展温度适应范围为两晶体各自半峰值温度宽度ΔT之和的组合KTP倍频器件；所述组合KTP倍频器件由两块最佳相位匹配温度相差ΔT的KTP晶体串接而成；两所述KTP晶体其KZ面相互垂直，且基频光偏振方向与KTP晶体其KZ面均成45°角；两块所述KTP晶体通过调节装置串联；所述调节装置由两个用于安装单块KTP晶体的单晶体调节机构和连接件组成，且两个单晶体调节机构通过连接件连接固定；单个所述单晶体调节机构包括球形晶体座、内球面圆柱外壳和球形晶体座调节装置；单块所述KTP晶体固定安装于球形晶体座中心处；所述球形晶体座置于内球面圆柱外壳中央，且通过球面晶体座锁紧螺固定于内球面圆柱外壳中；所述球形晶体座调节装置由调平销固定螺钉、调平销和调平螺钉组成；所述调平销通过调平销固定螺钉固定于内球面圆柱外壳上；所述调平螺钉穿过调平销且与球面晶体座连接，单块KTP晶体与单晶体调节机构安装时，先将单块KTP晶体用紧定螺钉或黏胶固定在球形晶体座中心处的晶体固定孔中；然后将球形晶体座置于内球面圆柱外壳中，再由球形晶体座紧定螺固定在内球面圆柱外壳中；接着将内球面圆柱外壳的上壳体和下壳体用连接螺栓连接在一起；再用调平销固定螺钉将调平销固定在内球面圆柱外壳上，调平螺钉安装在调平销上，通过调节4个调平螺钉可调节球形晶体座在内球面圆柱外壳中的倾斜程度；将单个单晶体调节机构组装后，再由连接件将两个单晶体调节机构连接在一起构成组合KTP倍频器件。
进一步地，两块所述KTP晶体其表面相互平行，且两块所述KTP晶体其通光孔相互对准。
进一步地，所述球面晶体座中央开设有用于安装KTP晶体的晶体固定孔；所述球面晶体座前侧开设有四个用于安装调平螺钉的调平槽。
进一步地，单块所述KTP晶体通过紧定螺钉固定于球形晶体座中。
作为优选的实施方案，单块所述KTP晶体通过黏胶固定于球形晶体座中。
作为优选的实施方案，所述内球面圆柱外壳由上壳体和下壳体组成，且上壳体和下壳体通过连接螺栓连接固定。
进一步地，每一所述KTP晶体其两端面均镀有波长为1.064μm和0.532μm的增透膜。
进一步地，两所述KTP晶体其KZ面相互垂直，且波长为1.064μm的线偏振基频光偏振方向和两块所述KTP晶体其KZ面均成45°角，基频光依次通过两块KTP晶体倍频，使基频光在两块KTP晶体各自的温度范围内均满足倍频相位匹配条件；前一块KTP晶体产生的倍频光在后一KTP晶体中不满足倍频相位匹配条件，不与后一KTP晶体中的基频光耦合产生逆转换，这样由温度变化引起的两KTP晶体相位失配量对倍频的影响相互补偿，使温度为T时总倍频转换效率是两晶体各自的倍频转换效率之和；使组合KTP倍频器件在约2ΔT温度范围内倍频转换效率保持在单块KTP晶体的最佳倍频转换效率，有效扩展其温度适应范围到2ΔT且倍频转换效率稳定；单块所述KTP晶体其半峰值温度宽度为ΔT，且其倍频采用Ⅱ类相位匹配，沿相位匹配方向入射的基频光偏振方向与KTP晶体的KZ面成45°角,进入KTP晶体的基频光分解为o光和e光，且o光和e光的振幅相等，对应的相位匹配条件为：
本实用新型的可扩展温度适应范围的组合KTP倍频器件其安装和调整方法如下：
第一步，将安装好单块KTP晶体的单晶体调节机构用连接件链接在一起，并使两块KTP晶体的通光孔相互对准；通过调整球形晶体座调节装置调节前、后两KTP晶体，使得这两块KTP晶体的表面互相平行；
第二步，将组装后的组合KTP倍频器件安装在温控箱中，调整组合KTP倍频器件使基频光偏振方向与KTP晶体的KZ面成45°角，垂直入射；保持基频光脉冲能量不变，测量组合KTP倍频器件倍频转换效率随温度变化曲线，应在2ΔT范围基本保持不变；否则，微调前后两KTP晶体，使组合KTP倍频器件的温度曲线满足要求。
本实用新型与现有技术相比较，本实用新型的可扩展温度适应范围的组合KTP倍频器件，通过两块KTP晶体相位匹配设计实现倍频过程中由温度变化引起的KTP晶体相位失配量对倍频转换效率的影响相互补偿，使组合KTP倍频器件的温度适应范围扩展到2ΔT且倍频转换效率稳定。
图1是本实用新型的组合KTP倍频器件整体结构示意图。
图2是本实用新型的单晶体调节机构和连接件安装结构示意图。
图3是本实用新型的单晶体调节机构结构示意图。
图4是本实用新型的球形晶体座结构示意图。
图5是本实用新型的单块KTP晶体中基频光分解示意图。
图6是本实用新型的两块KTP晶体串联时KTP晶体中基频光分解示意图。
图7是本实用新型的实施例1倍频光脉冲能量随温度变化曲线图。
图9是本实用新型的KZ面平行的两KTP晶体归一化倍频转换效率随晶体间距和温度变化曲线图。
图10是本实用新型的KZ面平行的两KTP晶体间距13cm时(等同于间距为0cm时)，归一化倍频转换效率随温度变化曲线图。
图11是本实用新型的KZ面平行的两KTP晶体不同间距级联时倍频光脉冲能量随温度变化曲线图；
其中，图(a)为单块KTP晶体KTP1倍频光脉冲能量随温度变化曲线图；图(b)为单块KTP晶体KTP2倍频光脉冲能量随温度变化曲线图；图(c)为两块KTP晶体间距为13cm时倍频光脉冲能量随温度变化曲线图；图(d)为两块KTP晶体间距为9.8cm时倍频光脉冲能量随温度变化曲线图；图(e)为两块KTP晶体间距为6.5cm时倍频光脉冲能量随温度变化曲线图；图(f)为两块KTP晶体间距为3.3cm时倍频光脉冲能量随温度变化曲线图。
附图中各部件标注为：1-KTP晶体，2-单晶体调节机构，21-球形晶体座，22-内球面圆柱外壳，221-上壳体，222-下壳体，223-连接螺栓，23-球形晶体座调节装置，231-调平销固定螺钉，232-调平销，233-调平螺钉，24-球面晶体座锁紧螺，3-连接件，4-晶体固定孔，5-调平槽，6-紧定螺钉，KTP1-前KTP晶体，KTP2-后KTP晶体。
具体实施方式
如图1至图6所示的可扩展温度适应范围的组合KTP倍频器件，包括可扩展温度适应范围为两晶体各自半峰值温度宽度ΔT之和的组合KTP倍频器件；所述组合KTP倍频器件由两块最佳相位匹配温度相差ΔT的KTP晶体1串接而成；两所述KTP晶体1其KZ面相互垂直，且基频光偏振方向与KTP晶体1其KZ面均成45°角；两块所述KTP晶体1通过调节装置串联；所述调节装置由两个用于安装单块KTP晶体的单晶体调节机构2和连接件3组成，且两个单晶体调节机构2通过连接件3连接固定；单个所述单晶体调节机构2包括球形晶体座21、内球面圆柱外壳22和球形晶体座调节装置23；单块所述KTP晶体1固定安装于球形晶体座21中心处；所述球形晶体座21置于内球面圆柱外壳22中央，且通过球面晶体座锁紧螺24固定于内球面圆柱外壳22中；所述球形晶体座调节装置23由调平销固定螺钉231、调平销232和调平螺钉233组成；所述调平销232通过调平销固定螺钉231固定于内球面圆柱外壳22上；所述调平螺钉233穿过调平销232且与球面晶体座21连接。
两块所述KTP晶体1其表面相互平行，且两块所述KTP晶体1其通光孔相互对准。
所述球面晶体座21中央开设有用于安装KTP晶体的晶体固定孔4；所述球面晶体座21前侧开设有四个用于安装调平螺钉的调平槽5。
单块所述KTP晶体1通过紧定螺钉6或黏胶固定于球形晶体座21中。
所述内球面圆柱外壳22由上壳体221和下壳体222组成，且上壳体221和下壳体222通过连接螺栓223连接固定。
每一所述KTP晶体1其两端面均镀有波长为1.064μm和0.532μm的增透膜。
两所述KTP晶体1其KZ面相互垂直，且波长为1.064μm的线偏振基频光偏振方向和两块所述KTP晶体1其KZ面均成45°角；单块所述KTP晶体1其半峰值温度宽度为ΔT，且其倍频采用Ⅱ类相位匹配，沿相位匹配方向入射的基频光偏振方向与KTP晶体1的KZ面成45°角，进入KTP晶体的基频光分解为o光和e光，且o光和e光的振幅相等，对应的相位匹配条件为：
式中n为折射率，T
i为第i块晶体的最佳相位匹配温度，ω为基频光角频率，2ω为倍频光角频率，
是第i块晶体在T
i温度下相位匹配角。
本实用新型的可扩展温度适应范围的组合KTP倍频器件其安装和调整方法如下：
第一步，将安装好单块KTP晶体1的单晶体调节机构2用连接件3链接在一起，并使两块KTP晶体1的通光孔相互对准；通过调整球形晶体座调节装置23调节前、后两KTP晶体KTP1、KTP2，使前KTP晶体KTP1和后KTP晶体KTP2这两块KTP晶体的表面互相平行；具体地，单块KTP晶体1与单晶体调节机构2安装时，先将单块KTP晶体1用紧定螺钉6或黏胶固定在球形晶体座21中心处的晶体固定孔4中；然后将球形晶体座21置于内球面圆柱外壳22中，再由球形晶体座紧定螺24固定在内球面圆柱外壳22中；接着将内球面圆柱外壳22的上壳体221和下壳体222用连接螺栓223连接在一起；再用调平销固定螺钉231将调平销232固定在内球面圆柱外壳22上，调平螺钉233安装在调平销232上，通过调节4个调平螺钉233可调节球形晶体座21在内球面圆柱外壳22中的倾斜程度；将单个单晶体调节机构2组装后，再由连接件3将两个单晶体调节机构连接在一起构成组合KTP倍频器件；
第二步，将组装后的组合KTP倍频器件安装在温控箱中，调整组合KTP倍频器件使基频光偏振方向与KTP晶体的KZ面成45°角，垂直入射；保持基频光脉冲能量不变，测量组合KTP倍频器件倍频转换效率随温度变化曲线，应在2ΔT范围基本保持不变；否则，微调前后两KTP晶体，使组合KTP倍频器件的温度曲线满足要求。
实施例1：
本实用新型的可扩展温度适应范围的组合KTP倍频器件，采用长度6mm、ΔT约为30℃的两块KTP晶体构成的组合KTP倍频器件，当基频光脉冲能量100mJ时,倍频光脉冲能量温度变化曲线如图7所示，约60℃温度范围内，倍频转换效率基本保持在50％左右，倍频转换非常稳定。
实施例2：
下面是本实用新型和对比文件中国专利申请号：200710098586.X比较，提供的相应数据：
如图8所示，当两KTP晶体的KZ面平行时，倍频转换效率η由公式(2)、(3)计算得到：
式中，Δκ
1、Δκ
2两晶体中相位失配量，l晶体长度，L晶体间距，Δκ
a空气中相位失配量；
取两KTP晶体长度为6cm，切割角度(90°,23.4°)和(90°,22.4°)进行仿真和实验，结果如图9至图11所示，由于KZ面平行的两KTP晶体级联，总倍频光是两KTP晶体产生倍频光的相干叠加，尽管其半峰值温度宽度增加了，但倍频光脉冲能量(或倍频转换效率)随温度变化其变化很大，稳定性差。
上述实施例，仅是本实用新型的较佳实施方式，故凡依本实用新型专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本实用新型专利申请范围内。
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