CN101567515B - 一种提高深紫外激光器稳定性的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的提高深紫外激光器稳定性的装置，包括一深紫外非线性变频晶体夹在两块直角棱镜中间，通过金属外壳使三者紧密结合组成深紫外非线性变频晶体器件；其中在金属外壳的顶面与底面分别设置散热装置，散热装置和非线性变频晶体器件的金属外壳之间有一层导热介质，通过螺钉或粘合剂把深紫外非线性变频晶体器件的金属外壳与所述的散热装置紧密固定在一起；致冷器位于散热器和金属外壳之间并通过导热介质和二者紧密接触，致冷器与温度控制仪电连接。采用温度控制技术使深紫外非线性变频晶体控制在某一设定温度以保持相位匹配，有效的解决了深紫外非线性变频激光器的热不稳定性问题，是使深紫外非线性变频激光器更加实用化。
Description
技术领域
本发明涉及一种稳定激光器输出的装置，特别涉及到提高波长200nm以下的深紫外激光器输出稳定性的装置。
背景技术
目前紫外激光器，特别是波长200nm以下的深紫外激光器，在物理、化学、材料、信息、生命、资源、地质等学科领域均有重大的应用价值，并将促进交叉学科多领域新发展，一些重大科研装备急需开发，如：深紫外激光光电子能谱仪系列，包括角分辨、自旋分辩、光子能量可调、时间/空间分辨等；深紫外激光光谱仪系列，包括拉曼光谱、荧光光谱、隧道电子谱仪等；深紫外激光显微镜系列，包括光电子显微镜、荧光显微镜、表面成像显微镜、近场光学显微镜等；深紫外激光光化学反应仪；深紫外激光干涉仪；深紫外激光(光刻)直写机；纳米光刻(193nm)深紫外激光校准系统，；另外还有多方面需求方向，如：深紫外气溶胶质谱，DNA、RNA、蛋白质分子深紫外激光操控，生物样品检测和超微结构加工修饰，深紫外激光流式细胞检测，深紫外激光诱导的外源基因定向导入，深紫外激光原位微区微量地质样品分析等。这些应用都需要深紫外激光器特别是波长200nm以下的深紫外激光器作为研究工具，但目前这类激光器输出稳定性比较差，难以做到实用化。
深紫外激光器输出功率稳定性差，难以实用化。其影响因素比较多，如入射激光的稳定性，机械结构的稳定性，非线性深紫外变频晶体热致相位失配等。其中深紫外变频晶体热致相位失配对输出功率的影响非常大，但针对深紫外变频晶体热致相位失配导致的不稳定性目前还没有比较实用的方案。
本发明针对紫外特别是波长200nm以下的深紫外激光器，提出了采用对深紫外变频晶体冷却或者控温的方法提高其输出稳定性，使其更加实用化，有利于推动其应用。
发明内容
本发明的目的在于，针对深紫外变频晶体热致相位失配导致了深紫外激光器输出不稳定性的缺陷，从而提供一种采用对深紫外变频晶体进行冷却或者控温的方式，来实现其输出波长200nm以下的深紫外激光器输出的稳定性的、可实用化的稳定装置。
本发明的目的是这样实现的：本发明提出的提高深紫外激光器输出稳定性的装置，包括深紫外非线性变频晶体；其特征在于，还包括深紫外非线性变频晶体器件、散热装置、冷却介质和温度控制仪；所述的深紫外非线性变频晶体器件由所述的深紫外非线性变频晶体夹在两块直角棱镜的中间，通过一金属外壳使三者紧密结合在一起组成；其中直角棱镜是按非线性变频晶体的匹配角切割，即入射光垂直于直角棱镜的直角端面入射，入射到深紫外非线性变频晶体上时满足相位匹配条件；在所述的金属外壳的顶面与底面分别设置一散热装置，所述的散热装置和非线性变频晶体器件之间有一层导热介质，通过螺钉或粘合剂把深紫外非线性变频晶体器件与所述的散热装置紧密固定在一起；致冷器与温度控制仪电连接；所述温度控制仪用于使所述深紫外变频晶体的工作温度保持不变。
在上述的技术方案中，所述的直角棱镜材料为石英或氟化钙。
在上述的技术方案中，所述深紫外非线性变频晶体包括氟硼酸铍钾(KBBF)、氟硼酸铍铷(RBBF)、氟硼酸铍铯(CBBF)、硼酸钙镧(LCB)、磷酸硼(BPO)、硼铍酸锶(SBBO)、硼酸铯锂(CLBO)、硼酸铝钾(KABO)、硼酸铯(CBO)、三硼酸锂(LBO)、硼酸铍氧钡(TBO)、三硼酸钙氧钇(YCOB)、硼酸钙氧釓(GdCOB)、五硼酸钾(KB5)、β相偏硼酸钡晶体(BBO)、磷酸二氢钾(KDP)或硼酸铝氧钡(BABO)晶体
在上述的技术方案中，所述的金属外壳为金属铝、金属铜或不锈钢材料制作。
在上述的技术方案中，所述的散热装置为散热器，所述的散热器为风冷的金属散热片，或者带水冷的金属热沉，或者为热管散热器，所述的散热片或热沉内部留有空隙，所述的空隙作为所述的冷却介质的通道；其中散热器为风冷的金属散热片，或者带水冷的金属热沉，或者为热管散热器。
在上述的技术方案中，所述的散热装置由散热器和致冷器组成，散热器和致冷器与金属外壳通过螺钉或者粘合剂连接，致冷器位于散热器和金属外壳之间，致冷与散热器，以及散热器和金属外壳之间有一层导热介质。 所述的致冷器为TEC(Thermoelectric Cooler，热电致冷器)致冷器。
在上述的技术方案中，所述的带风冷的金属散热片或者带水冷的金属热沉为金属铜或金属铝的材料制作。
在上述的技术方案中，所述的导热介质为导热硅胶或者导热硅脂或铟片。
在上述的技术方案中，所述的冷却介质为氮气、氦气或水；所述的冷却介质直接作用到深紫外非线性变频晶体上或作用到散热装置上。
所述的冷却介质直接作用到深紫外非线性变频晶体器件上或作用到和其紧密接触的散热装置上。
本发明的装置是采用冷却介质直接对非线性变频晶体进行冷却或通过TEC致冷器对其控温，使其温度稳定在某一数值，进而达到减弱或消除非线性变频晶体因生热导致的相位失配，而保证激光器输出的稳定性。
本发明的优点在于：由于深紫外非线性变频晶体在变频过程中产生的热量不能及时带走，造成晶体内热量的积累，导致相位失配，使输出功率降低。本发明提供一种采用对非线性变频晶体进行冷却，冷却介质直接或间接作用到深紫外非线性变频晶体器件上，或作用到和其紧密接触的散热器件上，散热器件可以是直接气冷的散热片，也可以是带水冷的热沉，还可以是热管散热器；或者是带有TEC致冷器的气冷散热片或带有TEC致冷器的水冷热沉，还可以是带有TEC致冷器的热管散热器。由于对深紫外变频晶体进行冷却或者温度控制，以保持其相位匹配，有效的解决深紫外非线性变频激光器的热不稳定性问题。该装置使深紫外非线性变频激光器更加实用化。
附图说明
附图1为本发明的提高深紫外激光器稳定性的装置的实施例1结构示意图
附图2为本发明的提高深紫外激光器稳定性的装置的实施例2结构示意图
附图3为本发明的提高深紫外激光器稳定性的装置的实施例3结构示意图
附图4为本发明的提高深紫外激光器稳定性的装置的实施例4结构示意图
附图5为本发明的提高深紫外激光器稳定性的装置的实施例5结构示意图
附图6为本发明的提高深紫外激光器稳定性的装置的实施例6结构示意图
图面说明如下：
1-入射光 2-散热器 3-致冷器
4-金属外壳 5-第一直角棱镜 6-第二直角棱镜
7-深紫外非线性变频晶体 8-冷却介质 9-温度控制仪
具体实施方式
以下，结合附图和实施例来对本发明的装置进行详细地说明
实施例1
参考图1，制作一台提高深紫外激光器稳定性的装置。
本实施例制作的一台用于提高177.3nm的深紫外激光器输出稳定性的装置，使用的深紫外非线性变频晶体7为一块KBBF晶体；第一直角棱镜5可以采用一块直角石英棱镜，(或氟化钙棱镜)，第二直角棱镜6采用一块氟化钙直角棱镜，两直角棱镜均是按非线性变频晶体的匹配角68.6。切割，即大的锐角为68.6。；第一直角棱镜5与第二直角棱镜6斜面相对，中间夹住一块KBBF深紫外非线性变频晶体7成为一体，三者通过一个铝或者铜材料制作的金属外壳4紧密结合在一起组成深紫外变频晶体器件；其中入射端为石英直角棱镜的直角端面，出射端为氟化钙直角棱镜的直角端面。金属外壳4的上下表面分别设置一个散热装置，该散热装置由散热器2和致冷器3组成，散热器2为铜散热片或者铝散热片，致冷器3为市场上买来的TEC致冷器，散热装置通过螺钉固定到金属外壳4上，致冷器3位于金属外壳4和散热器2之间，金属外壳4与致冷器3之间以及致冷器3和散热器2之间涂有一层导热介质，例如导热硅胶或导热硅脂，以保证良好导热。TEC致冷器与市场上买来的温度控制仪9电连接，TEC致冷器的工作状态由温度控制仪9来控制，当KBBF深紫外变频晶体器件吸收了部分355nm的入射光后会产生热量使其温度升高，当测量的温度高于温度控制仪9的设定温度时，温度控制仪9输出正向电流，使TEC致冷器对 其制冷，把产生的热量转移到铜散热片或者铝散热片上，具有一定流速的冷却介质(氮气或氦气)8沿垂直散热片或沿散热片肋的方向吹到铜散热片或者铝散热片上对其降温，同时还可以直接对KBBF晶体吹氮气或氦气，使KBBF深紫外变频晶体器件降温；反之，温度控制仪9输出反向电流，TEC致冷器对其加热，从而可使KBBF深紫外变频晶体器件保持在设定温度，保持其相位匹配，从而提高输出的177.3nm的深紫外激光的稳定性。参考图1，该装置将波长为355nm的入射光1，经过KBBF深紫外变频晶体器件倍频后，可获得高稳定性的177.3nm深紫外激光输出。
实施例2
本实施例的装置为提高175～210nm的深紫外调谐激光器输出稳定性的装置。参考图2，其结构与实施例1的区别如下：波长为350～420nm的紫外可调谐入射光1，经过KBBF深紫外变频晶体器件倍频后可获得高稳定性的175～210nm深紫外可调谐激光输出，所用的KBBF深紫外变频晶体器件结构和实施例1中结构相同。铝外壳的上面与下面分别设置的散热装置由散热器2和致冷器3组成，致冷器3为TEC致冷器，散热器2为一个水冷热沉，水冷热沉和TEC致冷器通过螺钉固定到铝外壳上，TEC致冷器位于铝外壳和水冷热沉之间，铝外壳与TEC致冷器之间以及水冷热沉与TEC致冷器之间有一层厚度为100μm的薄铟片作为导热介质，以保证良好导热。当KBBF深紫外变频晶体器件吸收了部分入射光后会产生热量使其温度升高，当温度高于设定温度时，和TEC致冷器连接的温度控制仪9输出正向电流，使TEC致冷器对其制冷，把产生的热量转移到水冷热沉上，具有一定流速冷却介质8(水)把热量带走，而当外界温度变低时，温度控制仪9输出反向电流，使TEC反向工作，可对KBBF深紫外变频晶体器件加热，使其不因外界温度的变化而变化，即TEC致冷器可以保持KBBF深紫外变频晶体器件的工作温度不变，从而可以保持其相位匹配，提高输出的175～210nm深紫外调谐激光的稳定性。
实施例3
按图3所示，制作一台提高深紫外激光器稳定性装置，波长为355nm的入射光1，经过RBBF深紫外变频晶体器件(所用的RBBF深紫外变频晶体器件结构和实施例1中结构相同，只是使用的深紫外非线性变频晶体 7为一块RBBF晶体。)获得倍频177.3nm的深紫外激光输出。金属外壳4由铜材料制作，铜外壳的上面与下面分别设置的散热装置由散热器2和致冷器3组成，散热器2为热管散热器，致冷器3为TEC致冷器，致冷器位于铜外壳和热管散热器之间，TEC致冷器的冷面和铜外壳接触，热面和热管散热器接触，三者通过螺钉紧密固定在一起，并且两两之间涂有导热硅脂以保持良好导热。RBBF深紫外变频晶体器件由于吸收355nm的入射光发热升温，当温度超过设定温度时，和TEC致冷器连接的温度控制仪9输出正向电流，使TEC致冷器把RBBF深紫外变频晶体器件产生的热量转移到热管散热器上，热管散热器的冷端和激光器的外壳紧密接触，从而把热量散掉，实现对RBBF深紫外变频晶体器件的降温，反之，对其升温，以保持其相位匹配，从而提高输出的177.3nm深紫外激光的稳定性。
实施例4
参考图4，制作一台提高深紫外激光器稳定性的装置，波长为355nm的入射光1，经过RBBF深紫外变频晶体器件(所用的RBBF深紫外变频晶体器件结构和实施例1中结构相同，只是使用的深紫外非线性变频晶体7为一块RBBF晶体)。金属外壳4为铜材料制做，在其上下表面分别设置一个散热装置，该散热装置为散热器2，散热器2为铜散热片，散热器2通过螺钉固定到铜外壳上，铜外壳和铜散热片之间涂有一层导热介质，例如导热硅胶或导热硅脂，以保证良好导热。当KBBF深紫外变频晶体器件吸收了部分355nm的入射光后会产生热量使其温度升高，产生的热量传导到铜散热片上，具有一定流速的冷却介质8(如氮气或氦气)沿垂直散热片或沿散热片肋的方向吹到铜散热片或者铝散热片上对其降温，同时还可以直接对KBBF晶体吹氮气或氦气，使KBBF深紫外变频晶体器件降温，从而可使KBBF深紫外变频晶体器件温度不变，保持其相位匹配，从而提高输出的177.3nm的深紫外激光的稳定性。
实施例5
本实施例的装置为提高175～185nm的深紫外调谐激光器输出稳定性的装置。参考图5，其结构与实施例1的区别如下：波长为350～370nm的紫外可调谐入射光1，经过KBBF深紫外变频晶体器件倍频后可获得高稳定性的175～185nm深紫外可调谐激光输出，所用的KBBF深紫外变频晶 体器件结构和实施例1中结构相同。金属外壳4为铝外壳，铝外壳的上面与下面分别设置的散热装置为散热器2，散热器2为一个水冷热沉，水冷热沉通过螺钉固定到铝外壳上，铝外壳与水冷热沉之间有一层厚度为100μm的薄铟片作为导热介质，以保证良好导热。当KBBF深紫外变频晶体器件吸收了部分入射光后会产生热量使其温度升高，产生的热量传导到水冷热沉上，具有一定流速冷却介质8(水)把热量带走，同时还可以直接对KBBF晶体吹氮气或氦气，，实现对深紫外变频晶体器件的冷却，从而可以保持其相位匹配，提高输出的175～185nm深紫外调谐激光的稳定性。
实施例6
按图6所示，制作一台提高深紫外激光器稳定性装置，波长为355nm的入射光1，经过KBBF深紫外变频晶体器件(所用的KBBF深紫外变频晶体器件结构和实施例1中结构相同)获得倍频177.3nm的深紫外激光输出。金属外壳4由铜材料制作，铜外壳的上面与下面分别设置的散热装置为散热器2，散热器2为热管散热器，两者通过螺钉紧密固定在一起，并且两者之间涂有导热硅脂以保持良好导热。KBBF深紫外变频晶体器件由于吸收355nm的入射光发热升温，产生的热量传导到热管散热器上，热管散热器和激光器的外壳紧密接触，从而把热量散掉，同时还可以直接对KBBF晶体吹氮气或氦气，实现对KBBF深紫外变频晶体器件的冷却，以保持其相位匹配，从而提高输出的177.3nm深紫外激光的稳定性。
Claims (10)
1.一种提高深紫外激光器输出稳定性的装置，包括深紫外非线性变频晶体；其特征在于，还包括深紫外非线性变频晶体器件、散热装置、冷却介质和温度控制仪；所述的深紫外非线性变频晶体器件由所述的深紫外非线性变频晶体夹在两块直角棱镜的中间，通过一金属外壳使三者紧密结合在一起组成；其中直角棱镜是按非线性变频晶体的匹配角切割，即入射光垂直于直角棱镜的直角端面入射，入射到深紫外非线性变频晶体上时满足相位匹配条件；在所述的金属外壳的顶面与底面分别设置一散热装置，所述的散热装置和非线性变频晶体器件之间有一层导热介质，通过螺钉或粘合剂把深紫外非线性变频晶体器件与所述的散热装置紧密固定在一起；所述的散热装置由散热器和致冷器组成，所述的致冷器与温度控制仪电连接；所述温度控制仪用于使所述深紫外变频晶体的工作温度保持不变。
2.按权利要求1所述的提高深紫外激光器输出稳定性的装置，其特征在于：所述的直角棱镜材料为石英或氟化钙。
3.按权利要求1所述的提高深紫外激光器输出稳定性的装置，其特征在于：所述深紫外非线性变频晶体包括氟硼酸铍钾、氟硼酸铍铷、氟硼酸铍铯、硼酸钙镧、磷酸硼、硼铍酸锶、硼酸铯锂、硼酸铝钾、硼酸铯、三硼酸锂、硼酸铍氧钡、三硼酸钙氧钇、硼酸钙氧釓、五硼酸钾、β相偏硼酸钡晶体、磷酸二氢钾或硼酸铝氧钡晶体。
4.按权利要求1所述的提高深紫外激光器输出稳定性的装置，其特征在于：所述的金属外壳为金属铝、金属铜或不锈钢材料制作。
5.按权利要求1所述的提高深紫外激光器输出稳定性的装置，其特征在于：所述的散热器为风冷的金属散热片，或者带水冷的金属热沉，或者为热管散热器；所述的风冷的金属散热片或带水冷的金属热沉内部留有空隙，所述的空隙作为所述的冷却介质的通道。
6.按权利要求5所述的提高深紫外激光器输出稳定性的装置，其特征在于：所述的风冷的金属散热片或带水冷的金属热沉，由金属铜或金属铝材料制作。
7.按权利要求1所述的提高深紫外激光器输出稳定性的装置，其特征在于：所述的散热器和所述的致冷器与所述的金属外壳通过螺钉或者粘合剂连接，所述的致冷器位于所述的散热器和所述的金属外壳之间，该致冷与散热器，以及散热器和金属外壳之间有一层导热介质。
8.按权利要求1所述的提高深紫外激光器输出稳定性的装置，其特征在于：所述的致冷器为热电致冷器，并且该热电致冷器和温度控制仪电连接。
9.按权利要求1所述的提高深紫外激光器输出稳定性的装置，其特征在于：所述的导热介质为导热硅胶或者导热硅脂或铟片。
10.按权利要求1或5所述的提高深紫外激光器输出稳定性的装置，其特征在于：所述的冷却介质为氮气、氦气或水。
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