CN102088160B

CN102088160B - 一种带有倍频装置的倍频激光器

Info

Publication number: CN102088160B
Application number: CN2010106107023A
Authority: CN
Inventors: 许祖彦; 胡章贵; 杨峰; 岳银超; 王佳诺; 彭钦军
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2010-04-20
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2030-12-17
Also published as: CN102088160A

Abstract

本发明提供一种带有倍频装置的倍频激光器，包括基频激光器、光束整形聚焦部件和倍频装置；基频激光器输出光后方顺序设置光束整形聚焦部件、倍频装置和分光器件；倍频装置由非相位匹配方向切割非线性光学晶体、匹配液体、盛装匹配液的腔体和液体温控循环装置组成；匹配液体用来耦合基频激光进入非线性晶体实现倍频相位匹配，并沿晶体通光面以层流态恒温流动冷却晶体；腔体用来盛装匹配液，固定晶体及实现晶体精确角度调谐；温控循环装置用以控制匹配液温度及循环流动匹配液；利用该倍频装置，制备出具有腔外倍频和腔内倍频结构的高效率、高平均功率、高光束质量倍频激光器。

Description

一种带有倍频装置的倍频激光器

技术领域

本发明涉及一种激光器，特别涉及一种带有倍频装置的倍频激光器。

背景技术

使用非线性光学晶体将常用激光波长倍频可以大大扩展激光的波长范围，且由于倍频系统简单、可靠，目前已经发展为一种实用的技术。获得高功率、高光束质量的倍频激光输出已成为研究热点之一，具有重要的应用价值。如：高功率绿光激光器在医学、通讯、遥感等方面都有重要的应用，利用非线性光学晶体将Nd:YAG激光倍频，是获得这种激光源的主要途径。目前主要使用的非线性光学倍频晶体有LBO、KTP、BBO…等。但当产生高功率倍频激光时，需要对上述非线性光学晶体进行有效的冷却，加之这些非线性光学晶体有潮解性，所以限制了高功率倍频激光的产生。2002年，胡章贵等生长出了一种新型的负单轴非线性光学晶体BaAlBO₃F₂(以下简称BABF)，见文献1：Z.G.Hu，M.Yoshimura，K.Muramatsu，Y.Mori and T.Sasaki，“A newnonlinear optical crystal BaAlBO₃F₂(BABF)，”Jpn.J.Appl.Phys，41，1131-1133(2002)。该BABF晶体具有较大非线性光学系数、不潮解、机械性能好、易于生长等优点。BABF晶体在获得高功率倍频光输出方面极具潜力，如文献2：Yong Zhou，Yinchao Yue，et al，“Nonlinear optical properties of BaAlBO₃F₂ crystal，”Optical Express，17，(2009)，20034-20038所介绍。生长出来BABF晶体结构如图1所示，其光轴垂直于生长解理面，光轴方向具有层状结构，使用相位匹配方向切割的BABF晶体，基频光光斑及倍频光光斑受到层状结构的影响，得到的倍频光光斑呈条纹状，光束质量差，如图2所示，难以应用。鉴于其层状结构特性，因此不能按相位匹配方向切割晶体用于谐波产生。

高功率深紫外激光(尤其200nm以下)在光刻、科学研究、材料加工等诸多领域具有重大应用价值。KBBF晶体直接倍频是目前唯一可有效产生实用化与精密化深紫外激光的手段。KBBF晶体为负单轴晶体，不潮解，但其具有严重的层状结构特性，不能按相位匹配方向切割直接使用于深紫外谐波产生。生长出来的KBBF晶体结构同BABF晶体结构相同，如图1所示。虽然KBBF-PCT(棱镜耦合)技术成功实现了深紫外谐波产生，但是在产生高功率深紫外倍频激光时，KBBF-PCT器件由于其特殊结构，导致热效应严重，严重限制了高功率深紫外倍频激光的产生。

发明内容

本发明的目的在于：

克服具有层状结构的非线性光学晶体不能按相位匹配方向切割使用于谐波产生的缺陷，并且解决高功率泵浦情形下，晶体热效应严重的问题；为了获得高光束质量、高平均功率倍频激光，从而提出一种采用非相位匹配切割的非线性光学晶体，并利用晶体不潮解的特点，将其浸泡在恒温流动的匹配液体中制成倍频装置，基频激光在匹配液中从晶体生长解理面入射实现相位匹配，倍频激光同样从晶体生长解理面出射，以实现高光束质量激光输出的倍频激光器。该倍频激光器避开了非线性光学晶体层状面对光束的影响(利用此方法得到的BABF晶体倍频光光斑如图3所示，不再为条纹状，光斑质量得到了极大改善，可以满足应用需求)；通过温控循环装置使得匹配液恒温流动冷却非线性光学晶体，晶体热效应降到了最低，实现高平均功率、高稳定性倍频激光输出。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供一种带有倍频装置的倍频激光器，包括基频激光器、光束整形聚焦部件，其特征在于，还包括一倍频装置；其中，所述的倍频装置由非线性光学晶体、匹配液体、浸泡非线性光学晶体的腔体及温控循环装置组成；在所述的基频激光器输出光后方顺序设置光束整形聚焦部件及倍频装置实现腔外倍频；亦可将倍频装置设置于基频激光器谐振腔内实现腔内倍频；

其中，所述的非线性光学晶体固定于所述腔体中心并可绕腔体垂向中心轴旋转，并浸泡于所述匹配液体中；所述的非线性光学晶体为单轴晶体，未按激光倍频相位匹配方向切割，不潮解，其光轴方向具有层状结构，且光轴垂直于晶体生长解理面；所述的生长解理面经光学抛光后作为激光通光面，所述通光面垂直于水平面；通光面为长方形，长方形的长边平行于所述晶体的最佳倍频方向，并呈水平状态；

所述腔体侧壁上对称地设置与所述非线性光学晶体通光面中心等高的入射光学窗口及出射光学窗口；

所述腔体侧壁上还对称地设置匹配液体进口和匹配液体出口；

所述的温控循环装置装于连通所述匹配液体进口和匹配液体出口的连接管道上，以控制所述匹配液体的温度在0到35度之间，并使所述匹配液体沿着所述非线性光学晶体的通光面呈层流形式的流动态；

基频激光水平入射通过入射光学窗口进入匹配液体，在非线性光学晶体的通光面经匹配液体耦合进入非线性光学晶体，旋转非线性光学晶体以实现倍频相位匹配；产生的倍频激光，未转换的基频激光通过匹配液体从出射光学窗口耦合射出。

在上述的技术方案中，所述的基频激光器为全固态Nd:YAG、Nd:YVO₄激光器，全固态连续、纳秒、皮秒、飞秒钛宝石激光器或者它们的二倍频激光器。

在上述的技术方案中，所述的非线性光学晶体为KBBF晶体、BABF晶体、RBBF晶体、SBBO晶体、CBBF晶体或NBBF晶体。

在上述的技术方案中，所述的匹配液体为具有良好光学性能且折射率接近非线性光学晶体折射率的液体，包括水，优选去离子水；还包括CCl₄、CS₂、甲醇、乙醇、丙醇、苯、三氯甲烷、乙醚、甘油、松节油、橄榄油或高折射率透光液体。

在上述的技术方案中，所述的温控循环装置为可控温的水冷机或可控温水泵。

在上述的技术方案中，所述的腔内倍频包括一由激光腔镜和输出耦合镜组成的谐振腔，在所述的谐振腔内顺序设置泵浦源与激光增益介质部件、光调制器件和倍频装置。

本发明具有如下的优点：

本发明的带有倍频装置的倍频激光器，基于液体耦合实现激光倍频，解决了层状结构的非线性光学晶体不能按相位匹配方向切割使用于谐波产生的问题，并可以产生高稳定性，高平均功率倍频激光输出。

匹配液体的作用在于：

1.匹配液体可以大大扩展所使用非线性光学晶体倍频的相位匹配范围。当基频激光从空气中直接耦合进晶体，对于BABF晶体，当基频激光波长小于930nm时由于全反射，基频光便无法耦合进BABF晶体而实现I类相位匹配，通过选用具有合适折射率的液体作为匹配液，可以大大扩展BABF晶体的I类相位匹配的基频光波长范围，如对于水-晶体耦合，可将BABF晶体I类相位匹配的基频光波长扩展至670nm；对于KBBF晶体，水耦合可以将KBBF晶体I类相位匹配的基频光截止波长从470nm扩展至～330nm。

2.匹配液体恒温循环冷却非线性光学晶体，或者流动冷却晶体，使得晶体一直维持在最佳温度条件下；特别是在高功率泵浦激光情形下，晶体可以得到充分、有效的冷却。从而产生高效、高平均功率、高稳定性倍频激光输出。

通过本发明，可以实现基于某些优秀非线性光学晶体的腔外倍频和腔内倍频结构的高稳定性、高平均功率、高光束质量倍频激光器。

附图说明

图1为本发明所使用的倍频装置中非线性光学晶体(BABF)结构示意图；

图2为使用相位匹配方向切割的BABF晶体得到的倍频光532nm光斑；

图3为基于本发明得到的BABF晶体中倍频光532nm光斑；

图4a为本发明使用的倍频装置中浸泡非线性光学晶体的腔体结构示意图；

图4b为图4a的浸泡非线性光学晶体的腔体立体示意图；

图4c为本发明所使用的倍频装置中浸泡非线性光学晶体的腔体中容器上盖和角度调节机构的关系示意图；

图5为本发明使用的倍频装置组成示意图；

图6为本发明实施例的一种腔外倍频的带有倍频装置的倍频激光器结构的示意图；

图7为本发明的另一个实施例中腔内倍频的带有倍频装置的倍频激光器结构的示意图；

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做详细地说明

实施例1

参考图6，制作一本发明的带有倍频装置的腔外倍频结构的倍频激光器。

首先参考图5，本实施例使用的倍频装置由一块非线性光学晶体13，匹配液体5、浸泡非线性光学晶体的腔体及液体循环控温系统15组成；其中，非线性光学晶体13为解理面抛光的块状KBBF晶体，解理面为通光面，尺寸25×10mm²，长边平行于KBBF最佳倍频方向；光轴垂直于解理面，晶体沿光轴方向厚度为3mm；匹配液体5为高纯去离子水；液体循环和控温系统15为控温范围5-35℃，控温精度0.1℃的高精度水冷机。

本实施例的浸泡非线性光学晶体的腔体(参考图4a、图4b和图4c)由一带有上盖2的圆筒容器1、一固定非线性光学晶体用的不锈钢固定架6、一用于调节非线性光学晶体角度的调节部件组成；在圆筒容器1内充入非线性光学晶体的匹配液5，非线性光学晶体13安装在固定架6上并浸泡在匹配液5中。上盖2由一块不锈钢板做成上下表面带有凸起(如轴承形)的圆形板，从上盖2上表面凸出部分的顶部至上盖2下表面的凸起向下打一通孔，位于上表面凸起部分的通孔的上部设有内螺纹，通孔底部直径比上部直径小，上盖2下表面的凸起的外径与圆筒容器的内径相等。并在下表面的凸起内所打通孔的底部内壁作出一圈凸台25，凸台25直径为12mm，以便将第二密封圈27放置在凸台25上。上盖2下表面的凸起插入圆筒容器上口内，并在上盖2下表面与圆筒容器上口之间设有第一密封圈3，上盖2固定在圆筒容器上口，通过第一密封圈3实现水路密封。

用于调节非线性光学晶体角度的调节部件由一活动支杆4、一连接杆7、一螺帽23和一螺旋微调器8组成；其中，活动支杆4为一根不锈钢杆，该活动支杆4的直径为10mm，长度为27mm，并在活动支杆4上做出一凸环26。采用市场上购买的真空密封圈做第二密封圈27和第三密封圈28。第二密封圈27放置在通孔中的凸台25上，一垫环24、第三密封圈28顺序放置在第二密封圈27上；活动支杆4底端穿过上盖2的通孔，并穿过第三密封圈28、垫环24和第二密封圈27插入圆筒容器1内，该活动支杆上的凸环26压装在第三密封圈28上。活动支杆4的直径与上盖2中的通孔相配合，一与活动支杆4上部相配合的螺帽23套入活动支杆4，并且螺帽23的外螺纹和通孔上口的内螺纹螺合固定成一体，实现通孔的水路密封。活动支杆4顶端穿出上盖2的顶面，活动支杆4顶端与一连接杆7固定，螺旋微调器8的头垂直顶在连接杆7的末端侧壁上，并且与连接杆7的末端侧壁垂直固定，通过旋转螺旋微调器推动连接杆，连接杆带动活动支杆做圆周转动，达到微调非线性光学晶体的固定架在容器中的角度，以实现非线性光学晶体的角度相位匹配。

所述的固定架为一带有用于夹紧非线性光学晶体的夹具的框架，或带有凹槽可通过软胶(703或704硅胶)将非线性光学晶体粘接固定的框架，该固定架竖直固定在所述的活动支杆底端，非线性光学晶体安放在固定架上，且晶体光轴垂直于活动支杆，这是本专业技术人员可以实施的。

在圆筒容器1相对的两个侧壁上，同轴线分别安装一个入射光窗口9和出射光窗口10，入射光窗口9和出射光窗口10处于同一高度。并在该圆筒容器1的侧壁上分别开有供匹配液体进和出的进水口11和出水口12，设置几个进水口11和出水口12可以根据实验需求，例如分别为1、2、3都可以。进水口11和出水口12中心轴线平行于圆筒容器1中的非线性光学晶体的解离面方向。该进水口11和出水口12分别通过管道14与外部的液体循环和控温系统15相连，液体流量大小及温度可调，使得匹配液以层流形式流过晶体表面并有效冷却非线性光学晶体；圆筒容器1内的匹配液通过连接于进水口、出水口的管道14流动或循环(见图5)，这些都是本专业技术人员可以实施的。本实施例制作的浸泡非线性光学晶体的腔体用来固定KBBF晶体，保证精确的相位匹配、并保证液体以层流形式沿着晶体通光面流动及将倍频激光耦合出。

参考图6，本实施例基频激光器16采用全固态飞秒钛宝石倍频激光器，其输出波长从374nm至470nm连续可调(去离子水的截止波长为～187nm，当基频光波长低于374nm已无意义)；对于374nm-470nm的基频波长，KBBF晶体I类匹配倍频相位匹配角为58.5°-43.6°，相应的基频激光在水中的入射角为71.4°-50.0°，通过调节KBBF晶体在水中的角度就可实现精确的角度相位匹配。现以387nm激光作为基频激光来进行说明，其他波长基频光的倍频相位匹配可以通过调节晶体的角度实现。浸泡非线性光学晶体13的腔体的圆筒容器1内充满高纯去离子水；入射光窗口9为采用镀增透膜的SiO₂窗口，出射光窗口10为采用未镀增透膜的深紫外SiO₂窗口。387nm基频激光由基频激光源16出射后首先通过光束整形聚焦部件17正入射进入射光窗口9，然后进入高纯去离子水中，在水中大约以66.5°的入射角进入KBBF晶体，进入KBBF晶体后同晶体光轴的夹角大约为55.6°(此角度为387nmI类KBBF晶体倍频匹配角)，通过旋转外部的螺旋测微器8可以微调KBBF晶体角度，以达到最佳相位匹配角，从而产生高效率、高平均功率倍频193nm激光输出。水温由液体控温循环系统15精确控制在20℃，以保证对KBBF晶体在高功率泵浦情形下进行有效冷却，水流量控制在4L/min，水沿着KBBF晶体通光面以层流方式流动。产生的193nm倍频光与未转换的387nm基频激光通过水及出射深紫外SiO₂窗口10耦合出来，最后通过置于所述基频激光器16输出光光路上，位于倍频装置18之后的分光镜(或者棱镜)19分离出193nm倍频激光。

本实施例中，采用水耦合，不仅解决了KBBF晶体由于层状结构不能按相位匹配方向切割用于深紫外谐波产生的问题；同时，KBBF晶体完全浸泡在恒温流动的水中，可以得到有效、充分的冷却，相对于目前使用的KBBF-PCT器件，晶体的热效应影响降到了最低，从而可以获得高效率、高平均功率、高光束质量深紫外倍频激光(187-230nm)输出。特别是高平均功率、高光束质量全固态193nm激光的获得，对大规模集成电路光刻具有重大的应用价值。

实施例2

参考图6，制作一本发明的带有倍频装置的腔外倍频结构的倍频激光器，所用倍频装置18同实施例1相同，只是KBBF晶体尺寸改为20×10×3.5mm³。

本实施例中采用的基频激光器16为全固态高功率、高光束质量纳秒532nm绿光激光器；

对于波长532nm的基频激光，KBBF晶体I类倍频相位匹配角为36.6°，相应的基频激光在水中的入射角为41.5°，通过调节晶体在水中的角度就可实现。如图6所示，基频激光器16发出的532nm基频激光首先通过光束整形聚焦部件17正入射进倍频装置18的入射SiO₂窗口9及高纯去离子水中，在水中大约以41.5°的入射角进入KBBF晶体，这样进入KBBF晶体后同晶体光轴的夹角大约为36.6°，再通过旋转外部的螺旋测微器8可以微调KBBF晶体角度，以达到最佳相位匹配角，从而产生高效率、高功率倍频266nm激光输出。水温由液体控温循环系统15精确控制在20℃，以保证对KBBF晶体在高功率泵浦情形下进行有效冷却，水流量控制在5L/min，水沿着KBBF晶体通光面以层流方式流动。产生的266nm倍频光与未转换的532nm基频激光通过水及出射SiO₂窗口10耦合出来，最后通过分光镜(棱镜)19分离出266nm倍频激光。

在本实施例中，KBBF晶体完全浸泡于水中，相比于目前使用的KBBF-PCT器件，KBBF晶体可以得到充分、有效的冷却，从而能够获得高稳定性、高平均功率、高光束质量紫外266nm激光输出。

实施例3

本实施例中所采用的倍频装置如图4a、图4b和图4c所示，除非线性光学晶体换为BABF晶体外，其余均与实施例1相同。

本实施例中采用的基频激光器16为调Q型百瓦级准连续全固态Nd:YAG激光器，脉宽50ns，重复频率10kHz。非线性光学晶体13为一块BABF晶体，解理面光学抛光处理后作为通光面，尺寸25×10mm²，长边平行于BABF最佳倍频方向；光轴垂直于解理面，晶体沿光轴方向厚度为5.99mm。按照图6，基频激光器16发射的1064nm激光通过光束整形聚焦系统17入射进倍频装置18，参考图4a、图4b和图4c，倍频装置18的入射光窗口9及出射光窗口10均采用未镀增透膜的SiO₂窗口，将晶体架子6调整到与水平方向成46.7度角的位置，这样水平方向正入射进入射光窗口9的1064nm基频光在高纯去离子水中将以43.3度的入射角射向BABF晶体13的通光面，从而使得耦合进BABF晶体的1064nm激光同BABF晶体光轴的夹角在34.2(倍频相位匹配角)度附近，通过旋转外部的螺旋测微器8可以微调BABF晶体角度，以达到最佳相位匹配，从而产生高效率、高功率532nm绿光输出。水温由液体控温循环系统15精确控制在20℃，以保证对BABF晶体在高功率泵浦情形下进行有效冷却，水流量控制在5L/min，水沿着BABF晶体通光面以层流方式流动。产生的532nm倍频激光及未转换的1064nm基频激光通过去离子水及出射光窗口10耦合出浸泡非线性光学晶体的腔体18，再经过分光镜或者棱镜19分离出532nm倍频激光。

在本实施例中，BABF晶体在高功率泵浦下可以得到充分有效冷却，热效应影响降到了最低，有望获得几十瓦至上百瓦的高稳定绿光输出，且由于本发明避开了BABF层状结构对光斑的影响，倍频光输出光束质量得到极大改善，如图3所示。

实施例4

参考图7，制作一本发明的带有倍频装置的腔内倍频结构的倍频激光器，其中倍频装置18同实施例3中倍频装置相同。

参考图7，此倍频激光器包括激光腔镜21、输出耦合镜21`、泵浦源及激光增益介质部件20、Q开关22(光调制器件)、倍频装置18，依次顺序设置。其中，泵浦源采用808nm半导体激光器阵列，激光增益介质为Nd:YAG激光晶体，泵浦源侧面泵浦激光晶体(也可采用端面泵浦结构)；激光腔镜21同输出耦合镜21`构成谐振腔，激光腔镜21对1064nm及532nm双高反，输出耦合镜21`对1064nm高反，同时对532nm高透；Q开关22用来产生重复频率10kHz的ns脉冲输出；倍频装置18同实施例3中倍频装置相同。如图7所示，依次设置各元件，其中倍频装置中非线性光学晶体设置于谐振腔内1064nm激光的束腰位置(这些都是业内普通技术人员可以实施的)，以提供高的峰值功率密度，构成腔内倍频结构激光器。

基频1064nm激光在谐振腔内形成振荡，正入射进倍频装置18，进行频率转换，其中倍频装置18中非线性光学晶体为通光面抛光的20×10×12mm³BABF晶体，入射光窗口9和出射光窗口10均采用对1064nm增透的SiO₂窗口，以降低腔内损耗；532nm激光产生同实施例3相同，产生的532nm激光最后经对532nm高透的输出耦合镜21`输出。

本实施例中，BABF晶体可以得到充分有效冷却，热效应影响降到了最低，有望获得高效率、高功率倍频光输出，且由于本发明避开了BABF层状结构对光斑的影响，将获得高光束质量倍频光输出，同时由于采用了腔内倍频结构，倍频转换效率可以大大提高，实现一种高效、高功率、高光束质量532nm绿光激光器。

实施例5

参考图6，制作一本发明的带有倍频装置的倍频激光器，采用腔外倍频结构，其结构与实施例1结构相同。本实施例的倍频装置也与实施例1结构相同，只是非线性光学晶体13使用RBBF晶体、SBBO晶体、CBBF晶体或NBBF晶体，匹配液使用高折射率透光液体、CCl₄、CS₂、甲醇、乙醇、丙醇、苯、三氯甲烷、乙醚、甘油、松节油、橄榄油等。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变型，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种带有倍频装置的倍频激光器，包括：基频激光器和光束整形聚焦部件；其特征在于，还包括一倍频装置；所述光束整形聚焦部件和倍频装置依次顺序设置在所述的基频激光器光输出端的后方；所述的光束整形聚焦部件及所述倍频装置用以实现腔外倍频；

所述的倍频装置包括一非线性光学晶体，匹配液体、一盛装匹配液体的腔体和用以控制所述匹配液体的温度及循环流动的温控循环装置；

所述的非线性光学晶体固定于所述腔体中心并可绕腔体垂向中心轴旋转，并浸泡于所述匹配液体中；所述的非线性光学晶体为单轴晶体，未按激光倍频相位匹配方向切割，不潮解，其光轴方向具有层状结构，且光轴垂直于晶体生长解理面；所述的生长解理面经光学抛光后作为激光通光面，所述通光面垂直于水平面；通光面为长方形，长方形的长边平行于所述晶体的最佳倍频方向，并呈水平状态；

所述的温控循环装置装于连通所述匹配液体进口和匹配液体出口的连接管道上，以控制所述匹配液体的温度在5到35度之间，并使所述匹配液体沿着所述非线性光学晶体的通光面呈层流形式的流动态；

基频激光水平入射通过入射光学窗口进入匹配液体，在非线性光学晶体的通光面经匹配液体耦合进入非线性光学晶体，旋转非线性光学晶体以实现倍频相位匹配；产生的倍频激光，未转换的基频激光通过匹配液体从出射光学窗口耦合射出；再由分光器件分离得到倍频激光；

所述的非线性光学晶体为KBBF晶体或BABF晶体；

所述的匹配液体为去离子水。

2.按权利要求1所述的带有倍频装置的倍频激光器，其特征在于：所述的基频激光器是全固态Nd：YAG激光器、Nd：YVO₄激光器，全固态连续、纳秒、皮秒、飞秒钛宝石激光器或者它们的二倍频激光器。

3.按权利要求1所述的带有倍频装置的倍频激光器，其特征在于：所述的温控循环装置为可控温的水冷机或可控温水泵。