CN101764348B - 半导体泵浦紫外激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体泵浦紫外激光器，其包括有两组泵浦耦合聚焦系统及一个谐振腔，该两组泵浦耦合聚焦系统分别位于谐振腔的两端，泵浦耦合聚焦系统发出的泵浦光射入谐振腔内双端面泵浦谐振腔内的激光工作晶体，谐振腔内设有紫外激光输出装置。借由本发明的半导体泵浦紫外激光器，可以达到产生的紫外激光光束质量好、且转换效率高的优点。

Description

半导体泵浦紫外激光器

技术领域

本发明有关一种激光器，特别是指一种转换效率高、光束质量好的高重复频率窄脉宽的半导体泵浦紫外激光器。

背景技术

紫外激光是光谱区域中波长位于450nm以下激光的统称，由于紫外激光波长短，频率高，单光子能量大，可以直接作用于材料的分子键或原子键，从而实现材料的精密冷加工，加工效率高，热影响小。因此紫外激光在各种精密加工如硅片刻划、三维微细加工中有重要的应用。

目前，获得紫外激光的途径有多种，用以产生紫外激光的常见激光器有染料紫外激光器、准分子紫外激光器及固体紫外激光器等。染料及准分子紫外激光器重复频率低，通常在1kHz以下；功率小，通常为mW量级，寿命较短，主要用于医学，精密测量等领域。半导体泵浦的固体紫外激光器是目前工业用紫外激光器发展的主要潮流，具有功耗小，结构小巧紧凑，性能稳定可靠等优点。但是目前半导体泵浦的固体紫外激光器的功率受制于倍频效率和倍频晶体的质量，很难通过单纯增加泵浦功率来提高功率；同时由于紫外激光波长短，单光子能量高，所以激光器光学元件很容易在一段时间的使用后发生不可逆转的损伤，因此现有的半导体泵浦的固体紫外激光器存在有难以产生更大功率紫外激光及激光器使用寿命不长的缺点，且目前所产生的紫外激光往往存在脉冲宽度宽、脉冲拖尾严重、能量转换效率低且光束质量不佳等缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种功率大、寿命长且高性能的高重复频率窄脉宽的半导体泵浦紫外激光器。

为达到上述目的，本发明提供一种半导体泵浦紫外激光器，其包括有两组泵浦耦合聚焦系统及一个谐振腔，该两组泵浦耦合聚焦系统分别位于谐振腔的两端，泵浦耦合聚焦系统发出的泵浦光射入谐振腔内双端面泵浦谐振腔内的激光工作晶体，谐振腔内设有紫外激光输出装置。

泵浦耦合聚焦系统包括有泵浦光源、平凸准直镜、平面折反镜及平凸聚焦镜，泵浦光源位于平凸准直镜的焦点，平凸准直镜位于泵浦光源与平面折反镜之间，平凸准直镜的光轴与平面折反镜的镜面呈45°夹角，平凸聚焦镜的光轴与平面折反镜的镜面呈45°夹角，平凸准直镜的光轴与平凸聚焦镜的光轴垂直。

谐振腔为“U”形或“丌”形平-平腔，谐振腔包括有前端平面镜、后端平面镜、前端斜反镜与后端斜反镜，前端平面镜与后端平面镜分别为谐振腔的前后腔镜，前端平面镜与前端斜反镜组成谐振腔的左臂，前端平面镜与前端斜反镜之间呈45°夹角，后端平面镜与后端斜反镜组成谐振腔的右臂，后端平面镜与后端斜反镜之间呈45°夹角，前端斜反镜的法线与后端斜反镜的法线垂直；前端斜反镜与后端斜反镜之间设有激光工作晶体，谐振腔左臂的前端平面镜与前端斜反镜之间设有二倍频晶体与三倍频晶体，三倍频晶体位于靠近前端平面镜的一侧，谐振腔右臂的后端平面镜与后端斜反镜之间设有Q开关；前端斜反镜位于激光工作晶体与其中一组泵浦耦合聚焦系统中的平凸聚焦镜之间，后端斜反镜位于激光工作晶体与另一组泵浦耦合聚焦系统的平凸聚焦镜之间，且两组泵浦耦合聚焦系统的平凸聚焦镜的焦点均位于激光工作晶体的中心处。

紫外激光输出装置包括有布儒斯特片和用以反射输出紫外激光的紫外反射镜，布儒斯特片位于二倍频晶体与三倍频晶体之间，布儒斯特片的法线与前端平面镜的法线之间形成有一夹角，该夹角为布儒斯特角。

泵浦光源为光纤耦合半导体激光器，该光纤耦合半导体激光器的光纤接头位于平凸准直镜的焦点上。

激光工作晶体为掺钕钒酸钇晶体、掺钕钇铝石榴石晶体、掺钕氟化钇锂晶体、掺钕钒酸钆晶体、掺镱钇铝石榴石晶体或掺铒钇铝石榴石晶体。

二倍频晶体为三硼酸锂晶体、六硼酸锂铯晶体或偏硼酸钡晶体，三倍频晶体为三硼酸锂晶体、六硼酸锂铯晶体或偏硼酸钡晶体。

本发明中采用两组泵浦耦合聚焦系统共同进行双端面泵浦激光工作晶体，同现有技术相比，能获得更大功率的紫外激光。同时由于使用I类相位匹配实现二倍频变换及II类相位匹配实现三倍频变换，避免了谐振腔内插入半波片引起的额外插入损耗，提高了紫外激光的转换效率。本发明具有紫外激光转换效率高、重复频率高且脉冲宽度窄等优点，同时本发明中的泵浦耦合聚焦系统可以做成模块，因此本发明可实现整机结构模块化，具有简单牢靠、环境适应性强及性能稳定的效果。

附图说明

图1为本发明半导体泵浦紫外激光器的光路结构示意图。

具体实施方式

为便于理解本发明的结构特征及能达到的功效，现配合附图及较佳实施例作如下详细说明。

如图1所示，本发明半导体泵浦紫外激光器用于产生紫外激光，其包括有两组泵浦耦合聚焦系统1及一个谐振腔2，该两组泵浦耦合聚焦系统1分别位于谐振腔2的两端，且泵浦耦合聚焦系统1发出的泵浦光射入谐振腔2内，对谐振腔2内的激光工作晶体进行双端面泵浦。该泵浦耦合聚焦系统1包括有泵浦光源10、平凸准直镜11、平面折反镜12及平凸聚焦镜13，其中平凸准直镜11与平凸聚焦镜13为透镜，泵浦光源10位于平凸准直镜11的焦点上，平凸准直镜11位于泵浦光源10与平面折反镜12之间，平凸准直镜11的光轴与平面折反镜12的镜面呈45°夹角，平凸聚焦镜13的光轴与平面折反镜12的镜面也呈45°夹角，且平凸准直镜11的光轴与平凸聚焦镜13的光轴垂直。本发明中的泵浦光源10为光纤耦合半导体激光器，其光纤接头位于平凸准直镜11的焦点上。

本发明中的谐振腔2采用“U”形或“丌”形平-平腔，其包括有前端平面镜20、后端平面镜21、前端斜反镜22与后端斜反镜23，构成法布里珀罗谐振腔，前端平面镜20与后端平面镜21分别为谐振腔2的前后腔镜，前端平面镜20与前端斜反镜22组成谐振腔2的左臂，且前端平面镜20与前端斜反镜22之间呈45°夹角，后端平面镜21与后端斜反镜23组成谐振腔2的右臂，且后端平面镜21与后端斜反镜23之间呈45°夹角，前端斜反镜22的法线与后端斜反镜23的法线垂直。前端平面镜20与后端平面镜21为腔体前后的全反射镜，前端平面镜20镀有对基频光、二次谐波光和三次谐波光全反射的膜层，后端平面镜21镀有对基频光全反射的膜层，前端斜反镜22与后端斜反镜23镀有对基频光高反射、对泵浦光高透射的膜层。前端斜反镜22与后端斜反镜23之间设有激光工作晶体24，谐振腔2左臂的前端平面镜20与前端斜反镜22之间设有倍频晶体，该倍频晶体为二倍频晶体25与三倍频晶体26，其中三倍频晶体26位于靠近前端平面镜20的一侧，且谐振腔2的左臂还设有紫外激光输出装置，该紫外激光输出装置包括有布儒斯特片27和紫外反射镜28，其中布儒斯特片27位于二倍频晶体25与三倍频晶体26之间，且布儒斯特片27的法线与前端平面镜20的法线之间形成有一夹角，该夹角为布儒斯特角。谐振腔2右臂的后端平面镜21与后端斜反镜23之间设有Q开关29，通过调制谐振腔2的品质因数(即调Q)实现激光的脉冲式振荡。前端斜反镜22位于其中一组泵浦耦合聚焦系统1中的平凸聚焦镜13与激光工作晶体24之间，后端斜反镜23位于另一组泵浦耦合聚焦系统1的平凸聚焦镜13与激光工作晶体24之间，且两组泵浦耦合聚焦系统1的平凸聚焦镜13的焦点均位于激光工作晶体24的中心处。

由于光纤耦合半导体激光器的光纤接头位于平凸准直镜11的焦点上，光纤耦合半导体激光器发出的发散的泵浦光经过平凸准直镜11后被准直为平行光，经过平面折反镜12反射后平行进入平凸聚焦镜13，两组泵浦耦合聚焦系统1的泵浦光分别透过前端斜反镜22与后端斜反镜23从激光工作晶体24的两个端面入射并聚焦在激光工作晶体24的中心处，双端面泵浦激光工作晶体24，并产生波长为1064nm的红外基频光，通过Q开关29调Q，实现高重复频率窄脉宽的1064nm红外基频光脉冲式振荡。通过前端斜反镜22与后端斜反镜23及后端平面镜21的反射，基频光第一次通过二倍频晶体25，基频光为线偏振光，偏振方向为S方向(即偏振矢量的振动方向垂直于入射面)，在二倍频晶体25内一部分基频光经过倍频作用转换成波长为532nm的激光，匹配方式为I类相位匹配(即o光+o光＝e光的匹配方式)，此处o光与e光的定义为，光束入射到各向异性晶体中时，分解为两束光并沿不同方向折射，其中一束遵守折射定律的光称为o光(Ordinary Ray)或寻常光，o光的偏振方向与光轴和传播矢量形成的平面垂直，另一束不遵守折射定律的光称为e光(Extraordinary Ray)或非常光，e光的偏振方向位于光轴和传播矢量形成的平面内，532nm激光为线偏振光，偏振方向为P方向(即偏振矢量的振动方向平行于入射面)，通过二倍频晶体25的532nm激光和剩余未发生倍频效应的1064nm基频光透过布儒斯特片27进入三倍频晶体26，在三倍频晶体26内发生和频效应，产生波长为355nm的紫外激光，匹配方式为II类相位匹配(即o光+e光＝o光的匹配方式)，355nm紫外激光为线偏振光，偏振方向为S方向(即偏振矢量的振动方向垂直于入射面)，355nm紫外激光与532nm激光及未发生倍频效应的1064nm基频光被前端平面镜20反射回三倍频晶体26，其中532nm激光与1064nm基频光再次发生和频效应，产生355nm紫外激光，剩余的532nm激光与1064nm基频光透过布儒斯特片27反射回激光工作晶体24中，继续进行受激辐射放大。由于紫外激光比532nm激光与1064nm基频光的波长短，在布儒斯特片27中的折射率大，因此透过布儒斯特片27的折射角更大，有效的将紫外激光同532nm激光与1064nm基频光分离，紫外激光透过布儒斯特片27后射在紫外反射镜27，由紫外反射镜27反射后输出。

本发明中的激光工作晶体24采用对泵浦光有较高的吸收系数和较大的受激发射截面的掺钕钒酸钇(Nd:YVO₄)晶体，其掺杂浓度小于0.5at％；本发明中的激光工作晶体24还可以采用掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体、掺钕氟化钇锂(Nd:YLF)晶体、掺钕钒酸钆(Nd:GdVO₄)晶体、掺镱钇铝石榴石(Yb:YAG)晶体或掺铒钇铝石榴石(Er:YAG)晶体。本发明的二倍频晶体25采用I类临界相位匹配(即o光+o光＝e光的匹配方式)的三硼酸锂(LBO)晶体，工作温度为室温，其相位匹配角为90°，方位角为11.4°，本发明的二倍频晶体25还可采用六硼酸锂铯(CLBO)或偏硼酸钡(BBO)等非线性晶体；本发明的三倍频晶体26采用II类临界相位匹配(即o光+e光＝o光的匹配方式)的三硼酸锂(LBO)晶体，工作温度为室温，其相位匹配角为42°，方位角为90°，本发明的三倍频晶体26还可采用六硼酸锂铯(CLBO)或偏硼酸钡(BBO)等非线性晶体。本发明的泵浦光源10(即光纤耦合半导体激光器)、激光工作晶体24、Q开关29及二倍频晶体25和三倍频晶体26均采用高控温精度水冷循环系统进行制冷，控温精度为±0.05℃，水循环系统为全封闭式回路。

由于本发明中采用两组泵浦耦合聚焦系统共同进行双端面泵浦激光工作晶体，同现有技术相比，能获得更大功率的紫外激光。同时由于使用I类相位匹配实现二倍频变换及II类相位匹配实现三倍频变换，避免了谐振腔内插入半波片引起的额外插入损耗，提高了紫外激光的转换效率。本发明具有转换效率高、重复频率高且脉冲宽度窄等优点，同时本发明中的泵浦耦合聚焦系统可以做成模块，因此本发明整机结构简单牢靠，环境适应性强，性能稳定，适用于先进工业加工中的精密加工领域。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种半导体泵浦紫外激光器，其特征在于，其包括有两组泵浦耦合聚焦系统及一个谐振腔，所述两组泵浦耦合聚焦系统分别位于所述谐振腔的两端，所述泵浦耦合聚焦系统发出的泵浦光射入所述谐振腔内双端面泵浦所述谐振腔内的激光工作晶体，所述谐振腔内设有紫外激光输出装置；

所述泵浦耦合聚焦系统包括有泵浦光源、平凸准直镜、平面折反镜及平凸聚焦镜，所述泵浦光源位于所述平凸准直镜的焦点，所述平凸准直镜位于所述泵浦光源与所述平面折反镜之间，所述平凸准直镜的光轴与所述平面折反镜的镜面呈45°夹角，所述平凸聚焦镜的光轴与所述平面折反镜的镜面呈45°夹角，所述平凸准直镜的光轴与所述平凸聚焦镜的光轴垂直；

所述谐振腔为“U”形或“丌”形平-平腔，所述谐振腔包括有前端平面镜、后端平面镜、前端斜反镜与后端斜反镜，所述前端平面镜与所述后端平面镜分别为所述谐振腔的前后腔镜，所述前端平面镜与所述前端斜反镜组成所述谐振腔的左臂，所述前端平面镜与所述前端斜反镜之间呈45°夹角，所述后端平面镜与所述后端斜反镜组成所述谐振腔的右臂，所述后端平面镜与所述后端斜反镜之间呈45°夹角，所述前端斜反镜的法线与所述后端斜反镜的法线垂直；所述前端斜反镜与所述后端斜反镜之间设有所述激光工作晶体，所述谐振腔左臂的前端平面镜与前端斜反镜之间设有二倍频晶体与三倍频晶体，所述三倍频晶体位于靠近所述前端平面镜的一侧，所述谐振腔右臂的后端平面镜与后端斜反镜之间设有Q开关；所述前端斜反镜位于所述激光工作晶体与所述其中一组泵浦耦合聚焦系统中的平凸聚焦镜之间，所述后端斜反镜位于所述激光工作晶体与所述另一组泵浦耦合聚焦系统的平凸聚焦镜之间，且所述两组泵浦耦合聚焦系统的平凸聚焦镜的焦点均位于所述激光工作晶体的中心处；所述前端平面镜镀有对基频光、二次谐波光和三次谐波光全反射的膜层，所述后端平面镜镀有对基频光全反射的膜层，所述前端斜反镜与所述后端斜反镜镀有对基频光高反射、对泵浦光高透射的膜层；

所述紫外激光输出装置包括有布儒斯特片和用以反射输出紫外激光的紫外反射镜，所述布儒斯特片位于所述二倍频晶体与所述三倍频晶体之间，所述布儒斯特片的法线与所述前端平面镜的法线之间形成有一夹角，该夹角为布儒斯特角；紫外激光透过所述布儒斯特片后射在所述紫外反射镜，由紫外反射镜反射后输出，剩余的基频光与二次谐波光透过所述布儒斯特片后反射回激光工作晶体中，继续进行受激辐射放大。

2.如权利要求1所述的半导体泵浦紫外激光器，其特征在于，所述激光工作晶体为掺钕钒酸钇晶体、掺钕钇铝石榴石晶体、掺钕氟化钇锂晶体、掺钕钒酸钆晶体、掺镱钇铝石榴石晶体或掺铒钇铝石榴石晶体。

3.如权利要求1所述的半导体泵浦紫外激光器，其特征在于，所述二倍频晶体为三硼酸锂晶体、六硼酸锂铯晶体或偏硼酸钡晶体，所述三倍频晶体为三硼酸锂晶体、六硼酸锂铯晶体或偏硼酸钡晶体。

Images