要求優(yōu)先權(quán)

本申請要求于2014年9月19日遞交的共同轉(zhuǎn)讓的美國非臨時(shí)專利申請no.14/491,909的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容以引用的方式并入于此。

本公開的多個(gè)方面總體上涉及非線性光學(xué)系統(tǒng)，且更具體地，涉及非線性光學(xué)晶體的安裝。

背景技術(shù)：

光學(xué)系統(tǒng)通常需要透鏡、棱鏡、反射鏡和其他光學(xué)部件的精確和剛性對準(zhǔn)。適當(dāng)?shù)膶?zhǔn)在激光系統(tǒng)中尤其重要，其中光學(xué)部件的未對準(zhǔn)可能降低性能。此外，涉及晶體的倍頻和其他非線性過程通常需要將晶體精確對準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)最佳轉(zhuǎn)換效率，來滿足嚴(yán)格的光束性能要求。

因此，穩(wěn)定的對準(zhǔn)對于腔內(nèi)和腔外非線性晶體諧振器配置尤其關(guān)鍵，其中晶體可以駐留或不駐留在諧振器內(nèi)。

當(dāng)激光系統(tǒng)受到振動時(shí)，對準(zhǔn)問題顯著惡化。由于光學(xué)部件可以以不同速率隨溫度的變化而膨脹和收縮，因此溫度循環(huán)也存在問題。為了最小化對準(zhǔn)問題，通常使用專門的光學(xué)安裝座來固定光學(xué)部件。

在波長轉(zhuǎn)換激光系統(tǒng)中，激光輻射在諸如非線性光學(xué)晶體之類的一些非線性介質(zhì)中經(jīng)歷非線性光學(xué)過程。非線性光學(xué)過程將激光輻射的一部分轉(zhuǎn)換為不同波長。通常通過(1)晶軸上的精確切割，(2)晶體的精確安裝，(3)控制晶體的溫度來調(diào)節(jié)非線性晶體的相位匹配。晶體通常安裝在專門設(shè)計(jì)的爐中，且通過調(diào)節(jié)爐的溫度來調(diào)節(jié)晶體的溫度。在美國專利no.8,422,119中公開了波長轉(zhuǎn)換激光系統(tǒng)的示例，該專利通過引用并入本文。非線性晶體的示例包括但不限于：鈮酸鋰(linbo3)、三硼酸鋰(lbo)、β-硼酸鋇(bbo)、硼酸銫鋰(clbo)、鉭酸鋰、化學(xué)計(jì)量的鉭酸鋰(slt)磷酸鈦氧鉀(ktiopo4，也稱為ktp)、二氫砷酸銨(ada)、磷酸二氫銨(adp)、三氟化銫(csb3o5或cbo)、氘化二氫砷酸銨(dada)、氘化磷酸二氫銨(dadp)、氘化精氨酸磷酸(dlap)、銣二氘磷酸鹽(rbd2po4或drdp)、硼酸鉀鋁(kabo)、二氫砷酸鉀(kda)、磷酸二氫鉀(kdp)、氘化磷酸二氫鉀(kd2po4或dkdp)、li2b4o7(lb4)或甲酸鋰一水合物(lfm)及其同構(gòu)體、周期極化材料，例如周期極化的鈮酸鋰(ppln)、周期極化的鉭酸鋰和周期極化的化學(xué)計(jì)量的鉭酸鋰(ppslt)。

三硼酸鋰lib3o5或lbo是有趣且有用的非線性光學(xué)晶體的示例。lbo在許多方面是獨(dú)特的，特別是其較寬的透明度范圍、中等高的非線性耦合、較高的損傷閾值以及良好的化學(xué)和機(jī)械性質(zhì)。lbo晶體還可通過使用i型或ii型相互作用來對nd：yag和nd：ylf激光器的二次諧波生成(shg)和三次諧波生成(thg)進(jìn)行相位匹配。對于室溫下的shg，可以達(dá)到i型相位匹配，并且i型相位匹配在從551nm至約3000nm的寬波長范圍內(nèi)在主xy和xz平面中具有最大的有效shg系數(shù)。lbo的透射范圍從0.21μm至2.3μm。lbo對于1.0-1.3μm、i型shg允許溫度可控的非臨界相位匹配(ncpm)，并且對于0.8-1.1μm的ii型shg也提供室溫非臨界相位匹配(ncpm)。由于lbo具有合理的角接受帶寬，從而降低了對源激光器的光束質(zhì)量要求，lbo還是理想的非線性光學(xué)材料。

對于脈沖型nd：yag激光器，使用lbo觀察到大于70％的shg轉(zhuǎn)換效率，對于連續(xù)波(cw)nd：yag激光器，使用lbo觀察到30％的轉(zhuǎn)換效率。使用lbo觀察到脈沖nd：yag激光器的thg轉(zhuǎn)換效率超過60%。lbo還是優(yōu)異的用于具有較寬可調(diào)諧波長范圍和較高輸出功率的光參量振蕩器(opo)或光參量放大器(opa)的非線性光學(xué)(nlo)晶體。因此，對于許多應(yīng)用，lbo是期望的非線性光學(xué)晶體。

然而，lbo是一種難以操作的材料。lbo是吸濕的且是昂貴的。在光學(xué)系統(tǒng)中，lbo晶體需要是清潔、穩(wěn)定的，例如，完全靜止。通常，為了臨界相位匹配，必須將晶體的溫度控制在0.1℃以內(nèi)。非臨界相位匹配具有更寬松的溫度容限。此外，由于lbo的異常的各向異性熱膨脹，晶體的安裝是至關(guān)重要的。具體地，lbo對于其x、y和z晶軸分別具有10.8×10^-5/k、-8.8×10^-5/k和3.4×10^-5/k的熱膨脹系數(shù)。光學(xué)考慮決定晶體的切割，即相位匹配。例如，對于lbo，二次諧波生成(shg)切割比三次諧波生成(thg)切割更容易實(shí)現(xiàn)。同樣，shg的安裝系統(tǒng)比thg的更容易。

lbo的性質(zhì)使其特別難以安裝在爐中。在過去，激光系統(tǒng)已經(jīng)使用膠或夾緊機(jī)構(gòu)(例如，彈簧負(fù)載)來將lbo晶體固定到用于shg或thg的爐。其他系統(tǒng)使用金閃光和焊料來安裝lbo晶體。為了避免由于各向異性熱膨脹而對晶體造成損壞，可以使用一小點(diǎn)膠將lbo(5mm-15mm長)晶體安裝到爐中。為了減少應(yīng)變，然后通常在室溫附近固化膠。然而，單點(diǎn)膠可能不足以牢固且穩(wěn)定地保持lbo晶體同時(shí)保護(hù)該晶體免于碎裂或破裂。另一個(gè)問題是，熱各向異性lbo通常被膠合到熱各向同性金屬。lbo和金屬之間的熱膨脹系數(shù)(cte)的不匹配導(dǎo)致熱膨脹的差異，這常常破壞lbo晶體。此外，涉及諸如膠或焊料的粘合劑和/或機(jī)械夾持的方法具有顯著的缺點(diǎn)，例如晶體碎裂和破裂或機(jī)械不穩(wěn)定性。

對于基于激光器的晶體保持存在許多現(xiàn)有設(shè)計(jì)。在美國專利no.8,305,680中公開了用于基于激光器的系統(tǒng)的晶體保持裝置的示例，其全部內(nèi)容通過引用并入本文。然而，沒有具體的設(shè)計(jì)成功地滿足這種組件的所有理想要求，包括但不限于：清潔度、復(fù)雜性、組裝/循環(huán)時(shí)間以及再可加工性。

關(guān)于當(dāng)前設(shè)計(jì)的一個(gè)問題是清潔度，特別是在存在附著粘合劑的情況下。由于各種原因，一些設(shè)計(jì)使用膠將晶體固定在適當(dāng)位置，而不是機(jī)械保持方法(參見圖3a)。問題是這種粘合劑在暴露于雜散光或散射光時(shí)具有脫氣或降解的可能性。這種脫氣/降解污染了激光光學(xué)器件，潛在地降低了系統(tǒng)壽命。通常認(rèn)識到，去除粘合劑降低了脫氣的可能性。因此，盡管粘合劑很好地用于固定晶體，但是對于整體激光壽命不是理想的。

復(fù)雜性是定義成功的晶體外殼設(shè)計(jì)的另一類別。復(fù)雜的設(shè)計(jì)由于成本、bom控制和封裝尺寸而處于不利地位。盡管對小晶體外殼進(jìn)行工程化，但是各種部件具有顯著的材料成本和管理成本。通常，包含較少部件的組件成本較低。圖2c示出了被認(rèn)為是行業(yè)公認(rèn)的晶體外殼(16個(gè)部件)的固有復(fù)雜性。最后，由于這些外殼的尺寸小，具有較多部件的設(shè)計(jì)傾向于具有許多小的部件，這對于受過訓(xùn)練的技術(shù)人員來說是非常難以處理的。

與晶體外殼相關(guān)的最重要的區(qū)域之一是組裝/循環(huán)時(shí)間。組裝時(shí)間是技術(shù)人員構(gòu)建組裝所需的實(shí)際時(shí)間量。循環(huán)時(shí)間是組裝時(shí)間加上在將組件準(zhǔn)備投入生產(chǎn)之前的任何額外時(shí)間。例如，膠合設(shè)計(jì)(如圖3a所示)的一個(gè)缺點(diǎn)是循環(huán)時(shí)間。雖然實(shí)際組裝時(shí)間小于30分鐘，但是循環(huán)時(shí)間至少為18個(gè)小時(shí)，所述循環(huán)時(shí)間包括在可以使用該組件之前等待膠固化的時(shí)間。相反，復(fù)雜的組件(例如，如圖2a-2c所示)需要大量的組裝時(shí)間(30-60分鐘)。雖然涉及額外的循環(huán)時(shí)間(如膠設(shè)計(jì))，但所需的組裝時(shí)間量是相當(dāng)大的。最后，延長組裝時(shí)間和循環(huán)時(shí)間具有損壞敏感光學(xué)晶體的較大風(fēng)險(xiǎn)。

成功設(shè)計(jì)面臨的另一個(gè)問題是再加工的能力。膠設(shè)計(jì)的一個(gè)主要缺點(diǎn)是一旦組裝就不能重新加工。這意味著如果需要修復(fù)，則晶體以及鋁基片不能被回收。對于諸如行業(yè)公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜設(shè)計(jì)(例如，圖2a-2c)，在激光頭內(nèi)重新加工這種組件存在危險(xiǎn)。很容易掉落這些小部件，從而僅為了晶體替換，需要將整個(gè)組件從激光器中移除。這是一個(gè)冗長的過程，增加了大量的時(shí)間和精力，相反如果使用理想的外殼設(shè)計(jì)則可以避免。

在本上下文中呈現(xiàn)本發(fā)明的實(shí)施例。

附圖說明

圖1是波長轉(zhuǎn)換激光系統(tǒng)的示意圖。

圖2a是行業(yè)公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的晶體外殼的三維視圖，示出了利用機(jī)械保持方法的晶體安裝。

圖2b是圖2a的晶體安裝件的視圖，其中重疊部分被制成透明的。

圖2c是圖2a的晶體安裝件的分解圖。

圖3a是行業(yè)公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的晶體外殼的三維視圖，示出了利用粘合劑保持方法的晶體安裝。

圖3b是圖3a的晶體安裝件的分解圖。

圖4a-4b描繪了根據(jù)本公開的一個(gè)方面的晶體安裝裝置。

圖5a描繪了根據(jù)本公開的一個(gè)方面的備選彈簧夾的俯視圖。

圖5b示出了在圖4a-4b的晶體安裝裝置中使用的彈簧夾的三維視圖。

圖6是根據(jù)本公開的多個(gè)方面的彈性彈簧夾的側(cè)視圖。

圖7是彈性彈簧夾的反向側(cè)視圖。

具體實(shí)施方式

雖然為了說明的目的，以下詳細(xì)描述包含許多具體細(xì)節(jié)，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，對以下細(xì)節(jié)的許多變化和改變在本發(fā)明的范圍內(nèi)。因此，下面描述的本發(fā)明的示例性實(shí)施例在不損失所要求保護(hù)的發(fā)明的一般性并且沒有對其進(jìn)行限制的情況下被闡述。

術(shù)語表：

如本文所用，以下術(shù)語具有以下含義：

分束器是指能夠?qū)⒐馐殖蓛蓚€(gè)或更多個(gè)部分的光學(xué)設(shè)備。

腔體或光學(xué)諧振腔是指由光可以沿其往復(fù)或循環(huán)的兩個(gè)或更多個(gè)反射面限定的光路。與光路相交的對象被稱為在腔內(nèi)。

連續(xù)波(cw)激光器是指連續(xù)地發(fā)射輻射而不是如在脈沖型激光器中那樣用短突發(fā)發(fā)射輻射的激光器。

二極管激光器是指被設(shè)計(jì)為使用受激發(fā)射(stimulatedemission)來生成相干光輸出的發(fā)光二極管。二極管激光器也被稱為激光二極管或半導(dǎo)體激光器。

二極管泵浦激光器是指具有被二極管激光器泵浦的增益介質(zhì)的激光器。

增益是指通過放大器從一點(diǎn)向另一點(diǎn)發(fā)送的信號的強(qiáng)度、功率或脈沖能量的增加。術(shù)語“不飽和增益”是指通過放大器的小信號的增加，其不會顯著改變放大器中的反轉(zhuǎn)能級。如本文所使用的，增益和不飽和增益將可互換使用。

增益介質(zhì)是指如以下針對激光器描述的能夠產(chǎn)生光學(xué)增益的材料。

石榴石是指特定種類的氧化物晶體，包括例如釔鋁石榴石(yag)、釓鎵石榴石(ggg)、釓鈧鎵石榴石(gsgg)、釔鈧鎵石榴石(ysgg)等。

紅外輻射是指由約700納米(nm)和約100,000nm之間的真空波長表征的電磁輻射。

激光器是通過輻射的受激發(fā)射進(jìn)行的光放大的簡稱。激光器是包含可激射材料的腔。這是任何材料-晶體、玻璃、液體、半導(dǎo)體、染料或氣體，其原子能夠通過泵浦(例如，通過光或電學(xué)放電)而被激發(fā)到業(yè)穩(wěn)態(tài)。當(dāng)材料返回到基態(tài)時(shí)，該材料從亞穩(wěn)態(tài)發(fā)射光。由于存在通過光子而刺激光發(fā)射，這使得發(fā)射的光子與刺激光子具有相同的相位和方向。光(在本文中稱為受激輻射)在腔內(nèi)振蕩，其中一部分從腔射出以形成輸出光束。

橫向方向：如本文所用，術(shù)語“側(cè)向”或“橫向”描述與使本文公開的彈簧夾的偏置張緊區(qū)域和圓形彎曲區(qū)域行進(jìn)在其上的軸垂直的軸。橫向方向垂直于安裝光學(xué)晶體的方向和光穿過光學(xué)晶體的方向。

光：如本文所用，術(shù)語“光”一般是指從紅外線到紫外線的頻率范圍內(nèi)的電磁輻射，大致對應(yīng)于從約1納米(10-9米)到約100微米的真空波長的范圍。

縱向方向：如本文所用，術(shù)語“縱向”描述使本文公開的彈簧夾的偏置張緊區(qū)域和圓形彎曲區(qū)域行進(jìn)在其上的軸；縱向方向垂直于側(cè)向/橫向方向?？v向方向平行于安裝光學(xué)晶體的方向和光穿過光學(xué)晶體的方向。

非線性效應(yīng)是指可以通常僅用近單色、定向光束的光(例如，通過激光器產(chǎn)生的光)觀看的一類光學(xué)現(xiàn)象。高次諧波生成(例如，二次、三次和四次諧波生成)、光學(xué)參量振蕩、和頻生成、差頻生成、光學(xué)參量放大和受激拉曼效應(yīng)是非線性效應(yīng)的示例。

非線性光學(xué)波長轉(zhuǎn)換過程是非線性的光學(xué)過程，其中通過非線性介質(zhì)的具有給定真空波長λ0的輸入光以產(chǎn)生具有與輸入光不同的真空波長的輸出光的方式與該介質(zhì)和/或通過該介質(zhì)的其他光相互作用。。由于波長和頻率與光的真空速度相關(guān)，非線性波長轉(zhuǎn)換等同于非線性頻率轉(zhuǎn)換。兩術(shù)語可以互換地使用。非線性光波長轉(zhuǎn)換包括：

例如二次諧波生成(shg)、三次諧波生成(thg)、四次諧波生成(fhg)等的高次諧波生成(hhg)，其中兩個(gè)或更多個(gè)輸入光光子以產(chǎn)生頻率為nf0的輸出光光子的方式相互作用，其中n是相互作用的光子數(shù)。例如，在shg中，n＝2。

和頻生成(sfg)，其中頻率為f1的輸入光光子以與頻率為f2的另一輸入光光子相互作用，使得產(chǎn)生頻率為f1+f2的輸出光光子。

差頻生成(dfg)，其中頻率為f1的輸入光光子與頻率為f2的另一輸入光光子相互作用，使得產(chǎn)生頻率為f1-f2的輸出光光子。

非線性晶體的示例包括但不限于：鈮酸鋰(linbo3)、三硼酸鋰(lbo)、β-硼酸鋇(bbo)、硼酸銫鋰(clbo)、鉭酸鋰、化學(xué)計(jì)量的鉭酸鋰(slt)磷酸鈦氧鉀(ktiopo4，也稱為ktp)、二氫砷酸銨(ada)、磷酸二氫銨(adp)、三氟化銫(csb3o5或cbo)、氘化二氫砷酸銨(dada)、氘化磷酸二氫銨(dadp)、氘化精氨酸磷酸(dlap)、銣二氘磷酸鹽(rbd2po4或drdp)、硼酸鋁鉀(kabo)、二氫砷酸鉀(kda)、磷酸二氫鉀(kdp)、氘代磷酸二氫鉀(kd2po4或dkdp)、li2b4o7(lb4)或甲酸鋰一水合物(lfm)及其同構(gòu)體、周期極化材料，例如周期極化的鈮酸鋰(ppln)、周期極化的鉭酸鋰和周期極化的化學(xué)計(jì)量的鉭酸鋰(ppslt)等。還可以通過在光纖中制造微結(jié)構(gòu)來誘導(dǎo)光纖對光輻射的非線性響應(yīng)。

光學(xué)放大器是指放大輸入光信號的功率的裝置。光學(xué)放大器類似于激光器，因?yàn)樗褂糜杀闷州椛潋?qū)動的增益介質(zhì)。放大器通常缺乏反饋(即，腔)，使得其具有增益但不振蕩。如本文所用，光功率放大器通常是指在將放大的光束傳輸?shù)侥繕?biāo)或波長轉(zhuǎn)換器之前的最后一個(gè)光學(xué)放大器。在本文中，在輻射源和功率放大器之間的放大器級通常被稱為前置放大器。

相位匹配是指在多波非線性光學(xué)過程中使用的技術(shù)，以增強(qiáng)能夠在波之間進(jìn)行能量的相干傳遞的距離。例如，當(dāng)k1+k2＝k3時(shí)三波過程相位匹配，其中ki是參與過程中的第i個(gè)波的波矢量。在倍頻時(shí)，例如，該過程在基波和二次諧波相位速度相匹配時(shí)是最高效的。典型地，通過對非線性材料中光學(xué)波長、偏振狀態(tài)和傳播方向的仔細(xì)選擇，實(shí)現(xiàn)相位匹配條件。

脈沖能量是指脈沖中的能量的量?？梢酝ㄟ^在脈沖周期上對瞬時(shí)脈沖功率進(jìn)行積分來計(jì)算脈沖能量。

脈沖周期(t)是指具有兩個(gè)或更多個(gè)脈沖的脈沖序列中的連續(xù)脈沖的等效點(diǎn)之間的時(shí)間。

脈沖重復(fù)頻率(prf)是指每單位時(shí)間的脈沖的重復(fù)率。prf與周期t逆相關(guān)，例如，prf＝i/t。

q是指諧振器(腔)的品質(zhì)因數(shù)，定義為(2π)×(存儲在諧振器中的平均能量)/(每個(gè)循環(huán)消耗的能量)。光諧振器表面的反射率越高且吸收損失越低，則q越高且來自期望模式的能量損失越少。

q開關(guān)是指用于快速改變光諧振器的q的設(shè)備。

q開關(guān)激光器是如下激光器：指在激光腔中使用q開關(guān)以防止激光作用，直到在激光介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)高水平反轉(zhuǎn)(光學(xué)增益和能量存儲)為止。當(dāng)開關(guān)例如使用聲光或電光調(diào)制器或可飽和吸收器快速增大腔的q時(shí)，產(chǎn)生巨脈沖。

準(zhǔn)cw是指以足夠高的重復(fù)率生成一連串脈沖，以看起來連續(xù)。

準(zhǔn)相位匹配(qpm)材料：在準(zhǔn)相位匹配材料中，通過周期性地改變材料的非線性系數(shù)的符號對基波和高次諧波輻射進(jìn)行相位匹配。符號變化的周期(kqpm)的周期將附加項(xiàng)添加到相位匹配方程，使得kqpm+k1+k2＝k3。在qpm材料中，基波和高次諧波可以具有相同的偏振，通常提高效率。準(zhǔn)相位匹配材料的示例包括周期極化鉭酸鋰(pplt)、周期極化鈮酸鋰(ppln)、周期極化化學(xué)計(jì)量鉭酸鋰(ppslt)、周期極化磷酸氧鈦鉀(ppktp)或周期極化微結(jié)構(gòu)玻璃纖維。

紫外(uv)輻射是指具備以下特征的電磁輻射：真空波長比可見區(qū)域的波長短，但比軟x射線的波長長。紫外輻射可以再劃分為以下波長范圍：近uv，從約380nm至約200nm；遠(yuǎn)uv或真空uv(fuv或vuv)，從約200nm至約10nm；以及極uv(euv或xuv)，從約1nm至約31nm。

真空波長：電磁輻射的波長通常是傳播波的介質(zhì)的函數(shù)。真空波長是如果給定頻率的電磁輻射通過真空傳播則該輻射將具有的波長，且表示為真空中的光速除以頻率。

束腰：如高斯光學(xué)一樣，光束的束腰w是指光束在其最小點(diǎn)處的半徑；即，在焦點(diǎn)處。光束的半徑被定義為光束的中心與強(qiáng)度降到中心值的1/e2的點(diǎn)之間的距離。當(dāng)光束不是圓形時(shí)，通常說兩個(gè)束腰或束腰半徑wx和wy，通過將光束擬合成橢圓高斯并沿著長軸和短軸提取1/e2距離來獲得所述束腰或束腰半徑。沿著特定方向(例如，沿著x軸)的光束的直徑或?qū)挾仁鞘闹档膬杀叮褐睆剑?w。

在本文中，如在專利文獻(xiàn)中常見的那樣，術(shù)語“一”和“一個(gè)”用于包括一個(gè)或多于一個(gè)。在本文中，除非另有指示，否則術(shù)語“或”用于表示非排他性的“或”，使得“a或b”包括“a但不是b”、“b但不是a”以及“a和b”。因此，以下詳細(xì)描述不應(yīng)被視為限制意義，本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求來限定。

介紹

為了說明本公開的各方面的上下文，圖1描繪了波長轉(zhuǎn)換激光系統(tǒng)10的示例。具體地，系統(tǒng)10通常包括種子源12、一個(gè)或更多個(gè)光學(xué)放大器14、16和波長轉(zhuǎn)換器100。種子源12產(chǎn)生種子輻射11，其由光學(xué)放大器14、16放大以產(chǎn)生放大輸出，該放大輸出用作波長轉(zhuǎn)換器的輸入輻射101。波長轉(zhuǎn)換器100對該放大輸出的至少一部分進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換，以產(chǎn)生波長轉(zhuǎn)換輸出111。輸入101的一部分101’還可以從波長轉(zhuǎn)換器100出射。

光學(xué)放大器可以包括一個(gè)或更多個(gè)放大器單元14、16。例如，可選的前置放大器14可以串聯(lián)地光耦合在種子源12和功率放大器16之間。前置放大器14可以放大種子輻射12，從而產(chǎn)生中間信號15，該中間信號15由功率放大器16放大以產(chǎn)生形成輸入光束101的放大輸出。放大器14、16光耦合到輸出光纖18。輸入光束101從光纖18的端面射出。

作為示例，放大器14、16中的一個(gè)或更多個(gè)可以是包括耦合到泵浦源13、17的光學(xué)光纖的光纖放大器。光學(xué)光纖通常可以包括包層和摻雜纖芯。光纖的纖芯的直徑可以是例如約6微米。光纖可以是偏振保持光纖或單偏振光纖。放大器16之一的一部分可以形成輸出光纖18。要放大的輸入輻射(例如，種子輻射11或中間輻射15)耦合到該纖芯。來自泵浦源13、17(例如，二極管激光器)的泵浦輻射也通常耦合到該纖芯，但是可以可替代地耦合到包層。光纖纖芯中的摻雜劑原子，例如諸如鐿(yb)、鉺(er)、釹(nd)、鈥(ho)、釤(sm)和銩(tm)等稀土元素或它們中的兩種或更多種的組合，吸收來自泵浦輻射的能量。所吸收的能量放大在光纖纖芯中的輸入輻射的能量。輸入輻射激發(fā)從摻雜劑原子發(fā)射輻射。受激輻射具有與輸入輻射相同的頻率和相位。結(jié)果是放大輸出具有與輸入輻射相同的頻率和相位但具有更大的光強(qiáng)度。

控制器20可以可操作地耦合到種子源12和/或泵浦源13、17?？刂破?0可以執(zhí)行適用于控制種子輻射11的功率或由泵浦源13、17提供的泵浦輻射的硬件或軟件邏輯。通過控制來自種子源的種子輻射11和/或來自泵浦源13和17的泵浦輻射的功率，控制器20控制提供給波長轉(zhuǎn)換器100的輸入光束101的光功率。

波長轉(zhuǎn)換器100可以包括第一非線性光學(xué)晶體102和第二非線性光學(xué)晶體104、中繼透鏡110、112和透鏡114。具體地，第一非線性晶體102可以是shg晶體，其根據(jù)晶體和輸入輻射101之間的非線性相互作用產(chǎn)生shg輸出103。透鏡114可以放置在距shg晶體102的距離d處。透鏡114可以被配置為將圓形輸入光束101成像到shg晶體102內(nèi)的橢圓束腰，以至少部分地補(bǔ)償由于shg晶體的折射率的各向異性而導(dǎo)致的走離。球形透鏡116a、116b可以被配置為將shg輸出103與輸入輻射101的未轉(zhuǎn)換部分一起耦合到thg晶體104。thg晶體通過shg輸出103和未轉(zhuǎn)換的輸入輻射之間的和頻相互作用來產(chǎn)生三次諧波輻射。三次諧波輻射從thg晶體出射作為波長轉(zhuǎn)換輸出111。一些剩余輸入輻射101’也可以從thg晶體104出射。thg晶體可以包括將波長轉(zhuǎn)換輸出111與剩余輸入輻射101’分離的布魯斯特切割端面106。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整透鏡114的焦距和位置，有可能產(chǎn)生具有期望截面形狀的波長轉(zhuǎn)換輸出111的光束。

根據(jù)本公開的多個(gè)方面，第一和第二非線性光學(xué)晶體102、104中的一個(gè)或兩個(gè)經(jīng)由本發(fā)明的彈簧夾晶體安裝件105來固定。每個(gè)晶體102、104可以固定在單獨(dú)的晶體安裝件中，或者兩個(gè)晶體可以固定在相同的安裝件中。此外，盡管所示的系統(tǒng)使用兩個(gè)非線性光學(xué)晶體，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本公開的各方面可適于使用單個(gè)非線性光學(xué)晶體或三個(gè)或更多個(gè)非線性光學(xué)晶體。示例性而非限制性地，一個(gè)或更多個(gè)非線性光學(xué)晶體102、104可以是臨界相位匹配的三硼酸鋰(lbo)晶體。備選晶體包括鈮酸鋰(linbo3)和β硼酸鋇(bbo)等。在這樣的溫度臨界系統(tǒng)中，溫度的實(shí)質(zhì)波動或梯度是不可接受的。為了實(shí)現(xiàn)臨界相位匹配，期望將晶體保持在最佳的溫度。為了優(yōu)化lbo中的非線性光學(xué)轉(zhuǎn)換效率，例如，期望的溫度范圍在5-45℃之間，所需的精度為+/-0.1℃?？梢酝ㄟ^將每個(gè)晶體封裝在溫度受控的外殼107(例如，爐(或單獨(dú)的爐))中，來獲得溫度控制。可以使用單獨(dú)的外殼來允許對單獨(dú)晶體的獨(dú)立溫度控制。熱外殼可以由例如鋁的金屬板制成，并且可以包括加熱元件、冷卻元件(例如，peltier冷卻元件)和溫度傳感器(例如，熱電偶)。這些部件可以在反饋回路中耦合到控制器20。

根據(jù)本公開的各方面，晶體安裝件105具有在圖4a至圖7中詳細(xì)示出的并且如下所述的彈簧夾設(shè)計(jì)。所公開的設(shè)計(jì)不僅將晶體保持在用于定位目的的角部中，而且還利用彈簧夾301和晶體205之間的面接觸，以提供用于將熱傳導(dǎo)到晶體或從晶體傳導(dǎo)熱的路徑。為了理解圖4至圖7所示的晶體安裝件的彈簧夾設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，了解以前設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是有用的。

圖2a是行業(yè)公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的晶體外殼的三維視圖，示出了利用機(jī)械保持方法的晶體安裝。

圖2b-2c分別是將重疊部分制成透明的圖2a的晶體安裝件的視圖以及圖2a的晶體安裝件的分解圖。由于使用16個(gè)不同的部分來構(gòu)建晶體外殼，并且晶體外殼可以在任何地方花費(fèi)30-60分鐘來組裝，這些圖涉及行業(yè)公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的一般復(fù)雜性。

圖3a是行業(yè)公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的晶體外殼的三維視圖，示出了利用粘合劑保持方法的晶體安裝。圖3b是圖3a的晶體安裝件的分解圖。這些圖用于說明描述粘合劑保持方法的現(xiàn)有技術(shù)需要高達(dá)18小時(shí)的“循環(huán)時(shí)間”(組裝時(shí)間加上在將組件準(zhǔn)備投入生產(chǎn)之前的任何額外的時(shí)間)。雖然圖3a-3b中的裝置比圖2a-2c中所示的機(jī)械保持方法需要更少的組裝時(shí)間，例如，與針對機(jī)械保持方法的30-60分鐘相比，針對粘合劑保持裝置少于約30分鐘，粘合劑保持方法需要高達(dá)18小時(shí)的循環(huán)時(shí)間，所述循環(huán)時(shí)間包括在可以使用組件之前等待膠固化的時(shí)間。另外，如本文所述，延長的組裝時(shí)間和循環(huán)時(shí)間(例如在當(dāng)前行業(yè)公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)中使用的那些)具有損壞敏感光學(xué)晶體的較大風(fēng)險(xiǎn)。

彈簧夾晶體安裝件

圖4a-4b描繪了根據(jù)本公開的一個(gè)方面的晶體安裝裝置200。該裝置通常包括：沿縱向方向延伸的基件202，其具有相對于彼此成一角度以形成角部201的第一縱向延伸壁204和第二縱向延伸壁206；以及單個(gè)彈性偏置彈簧夾301，用于將光學(xué)晶體205固定到基件。根據(jù)本公開的一些方面，晶體205可以被認(rèn)為是由基件202和彈簧夾301的組合保持的工件。根據(jù)本公開的其他方面，可以將由基件202和彈簧夾301保持晶體205的組合認(rèn)為是較大裝置(例如，圖1的系統(tǒng)100的子組件)。

在所示示例中，縱向延伸的晶體205包括沿縱向方向延伸的四個(gè)面。四個(gè)面中的第一面垂直于四個(gè)面中的第二面。四個(gè)面中的第三面垂直于四個(gè)面中的第四面。第一面平行于第三面，第二面平行于第四面。作為示例而非限制，晶體205可以是橫截面尺寸為2.5mm×2.5mm和縱向尺寸為15mm的硼酸鋰(lbo)的單晶。如上所述，可以使用其他晶體材料和幾何形狀。

主體202包括對角面，該對角面具有在第二壁206和狹槽208之間的第一部分203以及在成角度的唇狀體210的頂點(diǎn)和第一壁204之間的第二部分207。在圖4a-4b所示的示例中，對角面相對于第一壁204和第二壁206成45°的角度。主體202可以由適當(dāng)?shù)哪陀貌牧现瞥?，其中所述適當(dāng)?shù)哪陀貌牧显谏叩臏囟认驴膳c晶體205的操作相兼容。適當(dāng)材料的示例包括6061t6鋁。備選物包括銅、不銹鋼、碳化硅、鈦、鉬、鎢、鉭、因瓦合金、科瓦合金、陶瓷、氮化鋁、其他導(dǎo)熱適度剛性材料、金剛石。主體202的材料可以是電鍍的(例如，w/ni、au、cu)或未電鍍的。

圖5a-5b示出了彈簧夾301的其他細(xì)節(jié)。彈簧夾301由彈性材料制成，其中所述彈性材料在升高的溫度下可與晶體的操作相兼容。適當(dāng)材料的示例包括不銹鋼，例如300系列不銹鋼，例如304不銹鋼。備選材料包括但不限于諸如鈹-銅(becu)的其他金屬、足夠彈性的聚合物，例如聚丙烯、ultem、delrin、聚碳酸酯、abs。其他材料包括玻璃纖維、碳纖維、復(fù)合材料、石墨烯等。彈簧夾在縱向方向上的總長度為l。在一個(gè)非限制性示例中，彈簧夾由厚度為0.010英寸(0.254mm)的304不銹鋼板制成。在該示例中，總長度l為10mm。長度l可以小于晶體的總長度。在一些應(yīng)用中，可能期望總長度l等于或大于晶體205的長度。此外，在一些實(shí)施方式中，彈簧夾301可以包括開口321，當(dāng)夾具將晶體固定到主體202時(shí)，開口321允許觀察晶體205的各部分。這種開口對于觀察晶體205的座置和居中特別有用。在其他實(shí)施方式中，較厚的材料可以用于增加沿彈簧夾301的熱傳導(dǎo)性。

彈簧夾301包括圓形第一彎曲區(qū)域312，其中所述第一彎曲區(qū)域312被張緊抵靠在晶體的第一面以按壓晶體的第三面與基件202的角部201的第一壁204相接觸。彈簧夾的圓形第二彎曲區(qū)域314被張緊抵靠在晶體的第二面，以按壓晶體的第四面與角部201的第二壁206相接觸。第一和第二彎曲區(qū)域通過曲率與第一和第二彎曲區(qū)域的曲率相反的偏置區(qū)域320而接合。在圖4a-4c描繪的示例中，第一彎曲區(qū)域312施加水平力fh，該水平力fh將晶體205推靠在垂直的第一壁204上，而第二彎曲區(qū)域施加垂直力fv，該垂直力fv將晶體205推靠在水平的第二壁206上。通過彎曲區(qū)域312、314施加在晶體205上的凈力fnet對角地指向基件202的角部201。

為了張緊第一和第二彎曲區(qū)域，彈簧夾301可以包括從第一彎曲區(qū)域312延伸并且終止于第一鉤狀部311的第一葉狀部分310以及從第二彎曲區(qū)域314延伸并且終止于第二鉤狀部316的第二葉狀部分315。第一葉狀部分310和鉤狀部311形成“l(fā)”形，其配合到基部內(nèi)的槽中。第二葉狀部分315和鉤狀部316形成“j”形，其配合在基部202的成角度的唇狀體210上方。

為了將晶體205固定到主體部分202，將晶體縱向放置在基件的第一壁和第二壁之間的角部處，其中晶體的角部位于兩個(gè)面之間。第一鉤狀部311插入槽208中，并且第二鉤狀部316鉤在成角度的唇狀體212上方。彈簧夾中的張力將第一和第二彎曲區(qū)域312、314壓向晶體205的第一面和第二面，從而將晶體推向角部201。第一葉狀體310壓靠主體202的第一對角面203，第二葉狀體315壓靠第二對角面部分207。為了移除彈簧夾301，例如通過用平頭螺絲刀或類似工具撬動第二鉤狀部316松開，第二鉤狀部316從成角度的唇狀體212脫開。雖然僅示出了單個(gè)彈簧，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，裝置200可以修改為包括兩個(gè)或更多個(gè)彈簧夾以固定較長的晶體。類似地，可以用一個(gè)或更多個(gè)彈簧夾將兩個(gè)或更多個(gè)晶體固定到同一主體。作為示例而非限制，可以使用本文所述類型的一個(gè)或更多個(gè)主體和彈簧夾組件來聯(lián)合地固定多個(gè)晶體。這種布置可以用于例如在高達(dá)約300℃的溫度下的非臨界相位匹配。

為了優(yōu)化彈簧夾的操作，理解其某些尺寸的重要性是有用的。圖6描繪了彈性彈簧夾210的側(cè)視圖。圖6中所示的關(guān)鍵尺寸包括第一彎曲區(qū)域312的曲率半徑r1、第二彎曲區(qū)域314的曲率半徑r2和偏置區(qū)域320的曲率半徑r3。由于每個(gè)彎曲區(qū)域(盡管主要是第一彎曲區(qū)域312和第二彎曲區(qū)域314)施加的彎曲力而導(dǎo)致彈簧夾中的張力。彈簧夾中的張力通常隨著相應(yīng)曲率半徑的增大而減小。其他重要尺寸包括第一葉狀部分310的長度l1和第二葉狀部分的長度l2。長度l1、l2還嚴(yán)重影響由彈簧施加在晶體205上的力。通常，較長的長度l1、l2傾向于減小晶體上的力。這是懸臂梁“彈簧等價(jià)物”的函數(shù)(即，梁上的垂直方向上的固定位移y將隨著梁長度增加而產(chǎn)生較小的力，反之亦然)。對于這種特定設(shè)計(jì)，長度l1、l2、半徑r1、r2和角度θ1對產(chǎn)生在晶體上的力具有最大的控制。彈簧夾的材料的厚度也是確定產(chǎn)生在晶體上的力的主要因素。此外，第一鉤狀部311的長度l3可以設(shè)計(jì)成使得該鉤狀部適當(dāng)?shù)嘏浜显诓?08中，并且第二鉤狀部316的長度l4可以設(shè)計(jì)成使得該鉤狀部適當(dāng)?shù)嘏浜显诔山嵌鹊拇綘铙w210上方。如圖7所示，其他臨界尺寸分別包括第一彎曲區(qū)域312、第二彎曲區(qū)域314和偏置區(qū)域320的彎曲角度θ1、θ1和θ3。可以選擇這些角度，使得第一和第二葉狀部分310、315相對于彼此處于微小的角度。

除了上述關(guān)鍵的功能要求之外，所公開的設(shè)計(jì)在組裝時(shí)間和循環(huán)時(shí)間方面顯著改進(jìn)。與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(圖2a-2c，30分鐘組裝時(shí)間，0循環(huán)時(shí)間)和膠合版本(圖3a-3b，30分鐘組裝時(shí)間，20小時(shí)循環(huán)時(shí)間)相比，所公開的設(shè)計(jì)需要小于1分鐘的組裝時(shí)間?？偨M裝/循環(huán)時(shí)間相對于其他設(shè)計(jì)＜5％！

此外，所公開的設(shè)計(jì)還是可重復(fù)加工的，花費(fèi)不到1分鐘來去除彈簧夾。在再加工操作期間沒有可丟失的小部件，且沒有產(chǎn)生顆粒的螺釘(摩擦)部件。

最后，所公開的設(shè)計(jì)僅使用2個(gè)部分，并且它們比膠合設(shè)計(jì)(圖3a-3b)便宜。彈簧夾被設(shè)計(jì)用于批量生產(chǎn)，從而進(jìn)一步降低成本。

在上述實(shí)現(xiàn)方式上存在多種可能的變化。例如，盡管本文描述的示例假設(shè)具有正方形截面的晶體，但是本公開的各方面包括不是這種情況的實(shí)施方式?？梢葬槍Σ煌木w截面(例如，非正方形的矩形截面)修改主體202和彈簧夾301的設(shè)計(jì)。例如，彎曲區(qū)域312、314將具有不同的曲率半徑，以便獲得施加在晶體上的用于將晶體推向角部201的凈力。在測試彈簧夾301的設(shè)計(jì)期間，可以將測力計(jì)放置在晶體的側(cè)面上，以確定由夾具施加在晶體上的力。還可以調(diào)整彈簧權(quán)利要求的彎曲區(qū)域中的彎曲，增加彎曲區(qū)域和晶體之間的接觸面積。

盡管所示的示例描繪了使用在兩個(gè)不同的晶面上施加力的單個(gè)夾具以將晶體推入容器的角部中，但是本公開的各方面不限于這樣的實(shí)施方式。在替代實(shí)施方式中，所描述的單個(gè)夾具的功能可以通過兩個(gè)單獨(dú)的夾具來實(shí)現(xiàn)，其中每個(gè)夾具推動晶體的不同表面以產(chǎn)生將晶體推動到角部中的凈力。

此外，盡管上述示例示出了用于固定截面為正方形或矩形的晶體的裝置，但是本公開的各方面不限于這樣的實(shí)施方式。在備選實(shí)施方式中，圓柱形晶體可以安裝在容器的角部或v形槽中并旋轉(zhuǎn)到正確的偏振。在圓柱形晶體的情況下，單個(gè)彎曲片簧可以將晶體固定到v形槽或角部。在其他備選實(shí)施方式中，多面晶體可以具有與結(jié)晶軸正交的一些暴露面，且適當(dāng)構(gòu)造的彈簧夾可以在兩個(gè)或更多個(gè)這樣的面上施加力，以產(chǎn)生將晶體推靠到角部或v形槽的力。

雖然以上是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的完整描述，但是可以使用各種替代、修改和等同物。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)參考所附權(quán)利要求及其等同物的全部范圍來確定。任何特征(無論是否優(yōu)選)可以與任何其他特征(無論是否優(yōu)選)組合。所附權(quán)利要求不應(yīng)被解釋為包括裝置加功能限制，除非在給定權(quán)利要求中使用短語“用于......的裝置”來明確地?cái)⑹鲞@種限制。權(quán)利要求中未明確陳述用于執(zhí)行指定功能的“裝置”的任何元件不應(yīng)被解釋為如35usc§112(f)中所規(guī)定的“裝置”或“步驟”條款。特別地，在本文的權(quán)利要求中“步驟”的使用不旨在援引35usc§112(f)的規(guī)定。