用于激光应用的晶体安装制造技术

光学晶体可以安装到配置为容纳晶体的安装块。安装块上的基部利用形成角部的两个壁和单个偏置弹簧夹来固定晶体。弹簧夹沿大致正交于两个壁的两个不同方向施加力。弹簧夹基于对称的几何形状，其在两个方向上施加几乎相同的力施加。弹簧还具有圆形的弯曲区域，所述弯曲区域接触晶体以减少点负载或应力梯级的存在。沿着晶体的接触长度得到最大化，从而允许适当的力分布，并且足够的表面接触以具有静态保持能力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于激光应用的晶体安装要求优先权本申请要求于2014年9月19日递交的共同转让的美国非临时专利申请No.14/491,909的优先权，其全部内容以引用的方式并入于此。
本公开的多个方面总体上涉及非线性光学系统，且更具体地，涉及非线性光学晶体的安装。
技术介绍
光学系统通常需要透镜、棱镜、反射镜和其他光学部件的精确和刚性对准。适当的对准在激光系统中尤其重要，其中光学部件的未对准可能降低性能。此外，涉及晶体的倍频和其他非线性过程通常需要将晶体精确对准，以实现最佳转换效率，来满足严格的光束性能要求。因此，稳定的对准对于腔内和腔外非线性晶体谐振器配置尤其关键，其中晶体可以驻留或不驻留在谐振器内。当激光系统受到振动时，对准问题显著恶化。由于光学部件可以以不同速率随温度的变化而膨胀和收缩，因此温度循环也存在问题。为了最小化对准问题，通常使用专门的光学安装座来固定光学部件。在波长转换激光系统中，激光辐射在诸如非线性光学晶体之类的一些非线性介质中经历非线性光学过程。非线性光学过程将激光辐射的一部分转换为不同波长。通常通过(1)晶轴上的精确切割，(2)晶体的精确安装，(3)控制晶体的温度来调节非线性晶体的相位匹配。晶体通常安装在专门设计的炉中，且通过调节炉的温度来调节晶体的温度。在美国专利NO.8,422,119中公开了波长转换激光系统的示例，该专利通过引用并入本文。非线性晶体的示例包括但不限于：铌酸锂(LiNbO3)、三硼酸锂(LBO)、β-硼酸钡(BBO)、硼酸铯锂(CLBO)、钽酸锂、化学计量的钽酸锂(SLT)磷酸钛氧钾(KTiOPO4，也称为KTP)、二氢砷酸铵(ADA)、磷酸二氢铵(ADP)、三氟化铯(CsB3O5或CBO)、氘化二氢砷酸铵(DADA)、氘化磷酸二氢铵(DADP)、氘化精氨酸磷酸(DLAP)、铷二氘磷酸盐(RbD2PO4或DRDP)、硼酸钾铝(KABO)、二氢砷酸钾(KDA)、磷酸二氢钾(KDP)、氘化磷酸二氢钾(KD2PO4或DKDP)、Li2B4O7(LB4)或甲酸锂一水合物(LFM)及其同构体、周期极化材料，例如周期极化的铌酸锂(PPLN)、周期极化的钽酸锂和周期极化的化学计量的钽酸锂(PPSLT)。三硼酸锂LiB3O5或LBO是有趣且有用的非线性光学晶体的示例。LBO在许多方面是独特的，特别是其较宽的透明度范围、中等高的非线性耦合、较高的损伤阈值以及良好的化学和机械性质。LBO晶体还可通过使用I型或II型相互作用来对Nd：YAG和Nd：YLF激光器的二次谐波生成(SHG)和三次谐波生成(THG)进行相位匹配。对于室温下的SHG，可以达到I型相位匹配，并且I型相位匹配在从551nm至约3000nm的宽波长范围内在主XY和XZ平面中具有最大的有效SHG系数。LBO的透射范围从0.21μm至2.3μm。LBO对于1.0-1.3μm、I型SHG允许温度可控的非临界相位匹配(NCPM)，并且对于0.8-1.1μm的II型SHG也提供室温非临界相位匹配(NCPM)。由于LBO具有合理的角接受带宽，从而降低了对源激光器的光束质量要求，LBO还是理想的非线性光学材料。对于脉冲型Nd：YAG激光器，使用LBO观察到大于70％的SHG转换效率，对于连续波(cw)Nd：YAG激光器，使用LBO观察到30％的转换效率。使用LBO观察到脉冲Nd：YAG激光器的THG转换效率超过60%。LBO还是优异的用于具有较宽可调谐波长范围和较高输出功率的光参量振荡器(OPO)或光参量放大器(OPA)的非线性光学(NLO)晶体。因此，对于许多应用，LBO是期望的非线性光学晶体。然而，LBO是一种难以操作的材料。LBO是吸湿的且是昂贵的。在光学系统中，LBO晶体需要是清洁、稳定的，例如，完全静止。通常，为了临界相位匹配，必须将晶体的温度控制在0.1℃以内。非临界相位匹配具有更宽松的温度容限。此外，由于LBO的异常的各向异性热膨胀，晶体的安装是至关重要的。具体地，LBO对于其x、y和z晶轴分别具有10.8×10-5/K、-8.8×10-5/K和3.4×10-5/K的热膨胀系数。光学考虑决定晶体的切割，即相位匹配。例如，对于LBO，二次谐波生成(SHG)切割比三次谐波生成(THG)切割更容易实现。同样，SHG的安装系统比THG的更容易。LBO的性质使其特别难以安装在炉中。在过去，激光系统已经使用胶或夹紧机构(例如，弹簧负载)来将LBO晶体固定到用于SHG或THG的炉。其他系统使用金闪光和焊料来安装LBO晶体。为了避免由于各向异性热膨胀而对晶体造成损坏，可以使用一小点胶将LBO(5mm-15mm长)晶体安装到炉中。为了减少应变，然后通常在室温附近固化胶。然而，单点胶可能不足以牢固且稳定地保持LBO晶体同时保护该晶体免于碎裂或破裂。另一个问题是，热各向异性LBO通常被胶合到热各向同性金属。LBO和金属之间的热膨胀系数(CTE)的不匹配导致热膨胀的差异，这常常破坏LBO晶体。此外，涉及诸如胶或焊料的粘合剂和/或机械夹持的方法具有显著的缺点，例如晶体碎裂和破裂或机械不稳定性。对于基于激光器的晶体保持存在许多现有设计。在美国专利No.8,305,680中公开了用于基于激光器的系统的晶体保持装置的示例，其全部内容通过引用并入本文。然而，没有具体的设计成功地满足这种组件的所有理想要求，包括但不限于：清洁度、复杂性、组装/循环时间以及再可加工性。关于当前设计的一个问题是清洁度，特别是在存在附着粘合剂的情况下。由于各种原因，一些设计使用胶将晶体固定在适当位置，而不是机械保持方法(参见图3A)。问题是这种粘合剂在暴露于杂散光或散射光时具有脱气或降解的可能性。这种脱气/降解污染了激光光学器件，潜在地降低了系统寿命。通常认识到，去除粘合剂降低了脱气的可能性。因此，尽管粘合剂很好地用于固定晶体，但是对于整体激光寿命不是理想的。复杂性是定义成功的晶体外壳设计的另一类别。复杂的设计由于成本、BOM控制和封装尺寸而处于不利地位。尽管对小晶体外壳进行工程化，但是各种部件具有显著的材料成本和管理成本。通常，包含较少部件的组件成本较低。图2C示出了被认为是行业公认的晶体外壳(16个部件)的固有复杂性。最后，由于这些外壳的尺寸小，具有较多部件的设计倾向于具有许多小的部件，这对于受过训练的技术人员来说是非常难以处理的。与晶体外壳相关的最重要的区域之一是组装/循环时间。组装时间是技术人员构建组装所需的实际时间量。循环时间是组装时间加上在将组件准备投入生产之前的任何额外时间。例如，胶合设计(如图3A所示)的一个缺点是循环时间。虽然实际组装时间小于30分钟，但是循环时间至少为18个小时，所述循环时间包括在可以使用该组件之前等待胶固化的时间。相反，复杂的组件(例如，如图2A-2C所示)需要大量的组装时间(30-60分钟)。虽然涉及额外的循环时间(如胶设计)，但所需的组装时间量是相当大的。最后，延长组装时间和循环时间具有损坏敏感光学晶体的较大风险。成功设计面临的另一个问题是再加工的能力。胶设计的一个主要缺点是一旦组装就不能重新加工。这意味着如果需要修复，则晶体以及铝基片不能被回收。对于诸如行业公认标准的复杂设计(例如，图2A-2C)，在激光头内重新加工这种组件存在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，包括：a)主体，包括：容器，用于容纳晶体，所述容器沿纵向方向延伸，所述容器包括沿所述纵向方向延伸的第一壁和沿所述纵向方向延伸的第二壁，所述第一壁和所述第二壁基本上彼此垂直，以形成沿所述纵向方向延伸的角部区域；b)一个或多个弹簧夹，能够固定到所述主体，所述一个或多个弹簧夹被配置为在晶体的两个不同面上施加力以将所述晶体推入所述容器的角部。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.19 US 14/491,9091.一种装置，包括：a)主体，包括：容器，用于容纳晶体，所述容器沿纵向方向延伸，所述容器包括沿所述纵向方向延伸的第一壁和沿所述纵向方向延伸的第二壁，所述第一壁和所述第二壁基本上彼此垂直，以形成沿所述纵向方向延伸的角部区域；b)一个或多个弹簧夹，能够固定到所述主体，所述一个或多个弹簧夹被配置为在晶体的两个不同面上施加力以将所述晶体推入所述容器的角部。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个弹簧夹包括两个或更多个弹簧夹。3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个弹簧夹包括单个弹簧夹。4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述单个弹簧夹包括：沿所述纵向方向延伸的圆形的第一弯曲区域；沿所述纵向方向延伸的圆形的第二弯曲区域；将所述第一弯曲区域连接至所述第二弯曲区域的偏置区域。5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述单个弹簧夹被配置为通过沿正交方向在晶体上施加几乎相等的力以将晶体推向所述角部区域，来将晶体固定到所述主体。6.根据权利要求2所述的装置，还包括布置在所述容器中的纵向延伸的晶体。7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述纵向延伸的晶体包括四个面，所述四个面中的每一个沿所述纵向方向延伸，所述四个面中的第一面垂直于所述四个面中的第二面，所述四个面中的第三面垂直于所述四个面中的第四面，所述第一面平行于所述第三面，且所述第二面平行于所述第四面；将所述弹簧夹的圆形的第一弯曲区域张紧抵靠在所述晶体的第一面，以按压所述晶体的与所述第一壁相接触的第三面；将所述弹簧夹的圆形的第二弯曲区域张紧抵靠在所述晶体的第二面，以按压所述晶体的与所述第二壁相接触的第四面。8.根据权利要求7所述的装置，其中沿与所述第一壁基本正交的方向将所述圆形的第一弯曲区域张紧抵靠在所述晶体的第一面；以及其中沿与所述第二壁基本正交的方向将所述圆形的第二弯曲区域张紧抵靠在所述晶体的第二面。9.根据权利要求7所述的装置，所述纵向延伸的晶体在与所述纵向方向横切的横向平面中具有矩形截面。10.根据权利要求3所述的装置，其中，所述单个弹簧夹还包括：第一叶状区域，与所述圆形的第一弯曲区域相连，所述第一叶状区域远离所述圆形的第一弯曲区域横向地延伸；第二叶状区域，与所述圆形的第二弯曲区域相连，所述第二叶状区域远离所述圆形的第二弯曲区域横向地延伸。11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述第一叶状区域终止于第一钩状部，其中所述第一钩状部被配置为容纳在所述主体内的槽中。12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述第二叶状区域终止于第二钩状部，其中所述第二钩状部被配置为固定在所述主体的唇状部上方。13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述容器布置在所述唇状部和所述槽之间。14.一种波长转换激光系统，包括：激光器系统，被配置为发射激光束；一组一个或多个非线性光学晶体；光学器件，被配置为将所述激光束耦合到所述一...

【专利技术属性】
技术研发人员：丹尼尔·斯万贝克，马克·拜尔，曼纽尔·马蒂内，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：美国,US