CN101291038A - 紫外输出光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于谐波固体紫外激光器的紫外输出光学系统，该紫外输出光学系统包括激光腔折叠平面镜和至少一个或多个紫外输出平面镜，该紫外输出平面镜为多层介质薄膜多波长反射透射平面镜。本发明紫外输出光学系统在有效的过滤混杂在紫外输出光束中的基波和二次谐波光成分的同时，大幅度的提高了紫外输出光的透过率，具有结构紧凑、体积小的优点。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种紫外输出光学系统，尤其是指一种用于谐波固体紫外激光器的采用多层介质薄膜多波长反射透射平面镜组合的紫外输出光学系统。
【背景技术】
谐波固体紫外激光器是采用基波的非线性高次谐波产生的方法以得到紫外光波段输出激光的固体激光器。固体紫外激光器在材料精细加工、生物医学等领域有着不可替代的广泛应用。
由于高次谐波产生的方法，基波、二次谐波和高次谐波的紫外光束通常都有重合的光路，即使高次谐波晶体置于谐振腔外时，由于对基波的高反膜不可能做到对基波的100％反射，而腔内基波功率又相当高，所以在高次谐波光束中仍含有相当比例的基波成分。这些混合在紫外输出光束中的基波及二次谐波必须从最终的紫外输出光束中清除出去，以保证紫外激光的应用不受混杂在其中的基波及二次谐波功率的影响，保证材料加工的精细度。
从下述实验数据可见，请参阅图1，在未采用本发明的紫外输出光学系统前，紫外输出激光从平面镜M5反射输出后，混有基波与二次谐波，总功率为5.66W，经石英棱镜分光后，三个波长的总功率为4.32W，其中1064nm0.99w；532nm 0.29w；355nm紫外光为3.04w。基波及二次谐波光功率占总输出功率的30％。
如果使用紫外带通滤光片，如采用上海有色光学玻璃厂的ZWB1(相当于德国Schott的UG11)，对紫外355nm的透过率约80％，由于对红外1064nm仍有百分之几的透过，故需用2块ZWB1，这样，紫外的透光率仅为60％左右。况且，对于输出功率为瓦级的固体紫外激光器，滤光片经瓦级激光功率照射后由于发热很快碎裂。所以一般都用三棱镜分光。如西北大学专利CN2805154Y(2006年8月9日)就用此方法把532nm从紫外355nm中分离出去，请参阅图2。如前面实验数据分析这种方法对紫外光的透过率约为76％，并且，在空间上需要较长的距离才可把不同波长的光束分离。
因此，提供一种紫外输出功率高，输出紫外光纯度高，空间占用少的用于谐波固体紫外激光器的紫外输出光学系统实为必要。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种紫外输出功率高，输出紫外光纯度高，空间占用少的紫外输出光学系统。
为实现本发明目的，提供如下技术方案：
提供一种用于谐波固体紫外激光器的紫外输出光学系统，该紫外输出光学系统包括激光腔折叠平面镜和至少一个紫外输出平面镜，该紫外输出平面镜为多层介质薄膜多波长反射透射平面镜。
根据不同应用，对于基波、二次谐波的过虑要求不同，可相应采用一个紫外输出平面镜，或者采用两个或三个紫外输出平面镜组合。以激光腔折叠平面镜作为激光器输出镜，输出的激光经所述一个或两个或三个紫外输出平面镜，有效的过滤混杂在紫外输出光束中的基波和二次谐波光成分，大幅度的提高了紫外输出光的透过率，而且该紫外输出光学系统结构紧凑、体积小。实验证明本发明所述的紫外输出光学系统适用于功率从毫瓦到高达5～7瓦的固体紫外激光器。
采用本发明所述的紫外输出光学系统的谐波固体紫外激光器，其包括泵浦源、泵浦光学传输系统、激光工作晶体、二次谐波晶体、高次谐波晶体、激光谐振腔、调Q器件和紫外输出光学系统，该紫外输出光学系统包括激光腔折叠平面镜和至少一个紫外输出平面镜，该紫外输出平面镜为多层介质薄膜多波长反射透射平面镜。
该激光谐振腔是由激光谐振腔平面反射腔镜和平凹反射腔镜、折叠腔平面镜组成。该调Q器件和二次谐波晶体置于该激光谐振腔内。该二次谐波晶体也位于激光谐振腔内。
该泵浦源是二极管泵浦，采用光纤耦合二极管列阵通过泵浦光学传输系统及折叠腔平面镜对激光工作晶体进行双端面泵浦。该泵浦光学传输系统为侧面泵浦或端面泵浦。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明所述的紫外输出光学系统在有效的过滤混杂在紫外输出光束中的基波和二次谐波光成分的同时，大幅度的提高了紫外输出光的透过率，具有结构紧凑、体积小的优点。实验证明本发明所述的紫外输出光学系统适用于功率从毫瓦到高达5～7瓦的固体紫外激光器。
【附图说明】
图1是未经紫外输出光学系统的紫外输出光束中三个波长光功率分配图；
图2是现有用棱镜分光把532nm波长光分离出去得到355nm波长光图示；
图3是本发明谐波固体紫外激光器的紫外输出光学系统光路原理图；
图4是本发明实施实例二的光路原理图及实验结果之一；
图5是本发明实施实例二的光路原理图及实验结果之二。
【具体实施方式】
下面结合实施实例对本发明所公开的多层介质膜多波长反射透射平面镜组合紫外输出光学系统的工作原理作进一步的详细说明。实施实例一为腔内倍频、腔外四倍频266nm固体紫外激光器，其光路原理图见图3。实施实例二为腔内倍频及混频355nm固体紫外激光器，其光路原理见附图4。
本发明是提供一种用于谐波固体紫外激光器的，不用棱镜分光而只用多层介质薄膜多波长反射透射平面镜组合的紫外输出光学系统，该紫外输出光学系统包括激光腔折叠平面镜和两个紫外输出平面镜，该紫外输出平面镜为多层介质薄膜多波长反射透射平面镜，其结构如图3所示的平面反射透射镜6，9，10。
实施实例一中的谐波固体紫外激光器由泵浦光学系统15，16，13，14，17，18，3，5、折叠激光谐振腔1，2，3，4，5，6，12，7、腔内倍频晶体12、腔外四倍频装置8，11，6，7和紫外输出光学系统6，9，10组成。泵浦光学系统由泵浦半导体二极管列阵15，16经与光纤13，14耦合后由光纤输出端，通过泵浦光学传输系统17，18并经过折叠激光谐振腔的折叠平面镜3，4，将808nm的泵浦光功率聚焦到激光工作晶体4中形成粒子数反转。
基波激光由激光工作晶体4中粒子数反转形成的自发和受激辐射经由谐振腔平面镜7和平凹镜1，在折叠激光谐振腔光路1-2-3-4-5-6-12-7中来回反复振荡形成共振。腔内基波功率作用在腔内二倍频晶体12中产生二次谐波，二次谐波在折叠激光谐振腔和腔外四倍频装置的光路7-12-6-11-8之间来回反复作用于腔外四倍频晶体11上，提高了二次谐波的利用率。所产生的四次谐波266nm紫外激光向平面镜8及6双向行进，经平面镜8反射后，由平面镜6输出。
从平面镜6射向紫外输出光学系统中平面镜9的紫外激光中，混有从平面折叠腔镜5反射向平面折叠腔6时透射漏出的基波1064nm近红外及从平面镜8经过四倍频晶体11后由平面折叠镜6反射出的部分二次谐波532nm的绿光。这二部分光是由于平面镜6的两个面不是百分之百的反射1064nm和透射532nm，平面镜6的镀膜数据：二面分别镀膜，斜入射，S1：1064nm高反、532nm高透，以及S2：266nm高反、532nm高透；该紫外输出平面镜9，10二面分别镀膜，斜入射，S1：1064nm和532nm高透，266nm高反，以及S2：1064nm和532nm抗反。近红外1064nm有0.3％的透过，绿光532nm有5％的反射。混有1064nm基波和532nm二次谐波的紫外266nm输出光从平面折叠镜6经平面镜9-10两次反射过滤后，由平面镜10输出高纯度的266nm紫外激光。
激光谐振腔镜镀有下述膜层：激光谐振腔平凹反射腔镜1，凹面：正入射，1064nm高反；折叠腔平面镜3，5，斜入射，S1：1064nm高反，808nm高透；S2：808nm抗反。激光谐振腔平面反射腔镜7，单面，正入射，1064nm和532nm高反。
平面反射镜8，单面镀有：正入射，532nm和266nm高反；二次谐波532nm绿光在平面镜7，8之间来回反射多次通过四倍频晶体11，从而提高了与二次谐波的利用效率。
实施例二，见图4，其中基波谐振腔镜为M1和M2，基波振荡与腔内二次谐波产生机构简化成图4中的一个方框，LBO为置于激光谐振腔内的三次谐波晶体。在实施实例二中由腔内混频产生355nm的紫外激光。多层介质薄膜多波长反射透射平面镜组合紫外输出光学系统中三块平面镜M5的镀膜设计要求：斜入射，S1：1064nm和532nm抗反，S2：1064nm和532nm高透，355nm高反.这样的配置经过三面镜子后，1064nm只有0.0008％通过，532nm只有0.13％通过，而紫外355nm有大于97％的透过率，见下面的计算：
(99％)3＝97％ 紫外355nm透过率 (以355nm反射率99％计)
(2％)3＝0.0008％ 1064nm透过率 (以1064nm透射率98％计)
(5％)3＝0.125％ 532nm透过率 (以1064nm透射率95％计)
从附图4、5的实验数据看，当把功率计放在远处只测分离出的355nm紫外光功率时，功率计读数为2.5W，见图5。如果把功率计放在靠近棱镜输出面处，见图4，使三种波长的光都射入功率计，功率计的读数仍为2.5W，由此可见，通过三面镜子后，远红外1064nm(基波)和绿光532nm(二次谐波)的功率已下降到可以忽略的程度，从而得到了纯度很高的355nm紫外输出光。整个紫外输出光学系统对紫外光的损耗小于3％。
本发明所公开的多层介质薄膜多波长反射透射平面镜组合紫外输出光学系统能有效的过滤混在输出紫外激光束中基波及二次谐波成分，而整个紫外输出光学系统对紫外光的透过率可高达97％。实验证明，该系统可在功率高达7W的355nm紫外输出功率下正常运作。
以上所述仅为本发明的较佳实施实例，本发明的保护范围并不局限于此，本领域中的技术人员任何基于本发明技术方案上非实质性变更均包括在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1、一种用于谐波固体紫外激光器的紫外输出光学系统，其特征在于，该紫外输出光学系统包括激光腔折叠平面镜(6)和至少一个或多个紫外输出平面镜(9、10)，该紫外输出平面镜为多层介质薄膜多波长反射透射平面镜。
2、如权利要求1所述的紫外输出光学系统，其特征在于，该折叠平面镜(6)二面分别镀膜，斜入射，S1：1064nm高反、532nm高透，以及S2：266nm高反、532nm高透；该紫外输出平面镜(9、10)二面分别镀膜，斜入射，S1：1064nm和532nm高透，266nm高反，以及S2：1064nm和532nm抗反。
3、一种采用如权利要求1或2所述的紫外输出光学系统的谐波固体紫外激光器，其包括泵浦源、泵浦光学传输系统、激光工作晶体、二次谐波晶体、高次谐波晶体、激光谐振腔、调Q器件和紫外输出光学系统，其特征在于，该紫外输出光学系统包括激光腔折叠平面镜和至少一个紫外输出平面镜，该紫外输出平面镜为多层介质薄膜多波长反射透射平面镜。
4、如权利要求3所述的谐波固体紫外激光器，其特征在于，该激光谐振腔是由激光谐振腔平面反射腔镜和平凹反射腔镜、折叠腔平面镜组成。
5、如权利要求4所述的谐波固体紫外激光器，其特征在于，该调Q器件和二次谐波晶体置于该激光谐振腔内。
6、如权利要求3所述的谐波固体紫外激光器，其特征在于，该泵浦源是二极管泵浦，采用光纤(13，14)耦合二极管列阵(15，16)通过泵浦光学传输系统(17，18)及折叠腔平面镜(3，5)对激光工作晶体(4)进行双端面泵浦。
7、如权利要求3或6所述的谐波固体紫外激光器，其特征在于，该泵浦光学传输系统为侧面泵浦或端面泵浦。
8、如权利要求3所述的谐波固体紫外激光器，其特征在于，该二次谐波晶体(12)位于激光谐振腔内。
9、如权利要求3所述的谐波固体紫外激光器，其特征在于，该折叠平面镜(6)二面分别镀膜，斜入射，S1：1064nm高反、532nm高透，以及S2：266nm高反、532nm高透；该紫外输出平面镜(9、10)二面分别镀膜，斜入射，S1：1064nm和532nm高透，266nm高反，以及S2：1064nm和532nm抗反。
10、如权利要求3所述的谐波固体紫外激光器，其特征在于，该激光谐振腔镜镀有下述膜层：激光谐振腔的平凹反射腔镜(1)，凹面：正入射，1064nm高反；折叠腔平面镜(3，5)，斜入射，S1：1064nm高反，808nm高透；S2：808nm抗反；平面反射腔镜(7)，单面，正入射，1064nm & 532nm高反。
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