CN102570277A

CN102570277A - 一种大功率全固态紫外激光装置

Info

Publication number: CN102570277A
Application number: CN2012100198672A
Authority: CN
Inventors: 赵剑波; 于海波; 郝大伟
Original assignee: BEIJING CAS BENEFIT FOR ALL OPTOELECTRONICS TECH CO LTD
Current assignee: BEIJING CAS BENEFIT FOR ALL OPTOELECTRONICS TECH CO LTD
Priority date: 2012-01-21
Filing date: 2012-01-21
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明提供一种大功率全固态紫外激光装置，沿光路依次包括：基频激光输出模块、Q开关、二倍频非线性光学晶体、准直聚焦模块、四倍频非线性光学晶体和分光模块，所述基频激光输出模块的激光晶体为Nd:YAG激光晶体，所述基频激光输出模块的通光端面镀有基频光波段增透膜，所述基频光波段为1112至1123nm波段。本发明可输出光束质量优异，功率密度较高的波长约280nm的紫外激光光束；在保证激光器长期稳定性的同时，兼顾了激光器的效率；并且本发明结构紧凑。

Description

一种大功率全固态紫外激光装置

技术领域

本发明涉及全固态激光技术领域，具体地说，本发明涉及一种能输出紫外激光的大功率全固态激光装置。

背景技术

紫外激光具有波长短、光子能量大、分辨率高等特点，广泛应用于激光精细加工、数据存储、光刻、生物医疗以及材料制备等领域。目前，紫外激光器主要有气体紫外激光器和全固态紫外激光器。气体激光器体积大、稳定性差、寿命短以及维护不便，极大地制约了其在实际应用中的发展。全固态紫外激光器则结构紧凑、体积小、性能稳定、转换效率高、寿命长且方便维护，因此受到广泛的重视，成为近年来人们研究的热点。

现阶段市场普遍使用的全固态紫外激光器主要有两类。一类全固态紫外激光器是利用LBO做Nd:YAG激光器输出的1064nm激光的和频晶体，产生355nm紫外激光。这种激光器中，LBO和频晶体的端面需要同时镀制三种对应不同激光波长的增透膜，这导致制作难度大且所镀的膜层的损伤阈值较低，长时间使用或能量较大时会导致所镀的膜层被破坏。因此，这种固态紫外激光器的稳定性和可靠性不足。另一类全固态紫外激光器是利用BBO晶体做Nd:YAG激光器输出的1064nm激光的四倍频，可获得266nm的紫外激光。然而，研究发现BBO晶体在266nm紫外激光辐照下容易产生光折变损伤。例如，若四倍频后输出激光平均功率超过0.3W，BBO晶体就会被破坏。所以，这一类固态紫外激光器的稳定性和可靠性也存在不足。

因此，当前迫切需要一种稳定可靠的大功率全固态紫外激光装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种稳定可靠的大功率全固态紫外激光装置。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种大功率全固态紫外激光装置，沿光路依次包括：基频激光输出模块、Q开关、二倍频非线性光学晶体、准直聚焦模块、四倍频非线性光学晶体和分光模块，所述基频激光输出模块的激光晶体为Nd:YAG激光晶体，所述基频激光输出模块的通光端面镀有基频光波段增透膜，所述基频光波段为1112至1123nm波段。

其中，所述全固态紫外激光装置还包括选频模块，用于从1112、1116和1123nm这三种基频光中选出所需的一种。

其中，所述二倍频非线性光学晶体位于基频光谐振腔内。

其中，所述基频激光输出模块有两个，所述两个基频激光输出模块采用串联结构，所述两个基频激光输出模块之间设置热效应补偿模块。

其中，所述全固态紫外激光装置的光路成“F ”型折叠腔结构，其中基频激光输出模块和Q开关处在“F ”型折叠腔结构的中间横向支路，二倍频非线性光学晶体处在“F ”型折叠腔的下端尾部且纵向放置，准直聚焦模块和四倍频非线性光学晶体处在“F ”型折叠腔的上端横向支路，所述“F ”型折叠腔的中间横向支路的右端设置镀有基频光反射膜的一个基频光腔镜，所述二倍频非线性光学晶体的下端设置同时镀有基频光反射膜和倍频光反射膜的另一个基频光腔镜，所述Q开关与二倍频非线性光学晶体之间设置二向色镜，所述二向色镜反射基频光且透射倍频光，所述二向色镜与准直聚焦模块之间设置倍频光高反镜。

其中，所述二倍频非线性光学晶体是I类相位匹配的KTP、LBO或BBO晶体；或者是II类相位匹配的KTP、LBO或BBO晶体。

其中，所述四倍频非线性光学晶体是I类相位匹配的LBO、BBO、CBO或CLBO晶体；或者是I I类相位匹配的LBO、BBO、CBO或CLBO晶体。

其中，所述选频模块是色散棱镜、光栅或法布里-珀罗标准具。

其中，所述四倍频非线性光学晶体位于基频光谐振腔外。

其中，所述分光模块是分光棱镜或二向色镜。

与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：

1、本发明可输出光束质量优异，功率密度较高的波长约280nm的紫外激光光束。

2、本发明在保证激光器长期稳定性的同时，兼顾了激光器的效率。

3、本发明结构紧凑。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图；

图2为本发明另一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

发明人研究发现：作为基频激光出射源的Nd:YAG激光晶体，其除了最常用的1064、1319和946nm这三条激光谱线之外，该晶体在1.1微米附近的三条谱线(1112、1116和1123nm)也具有较好的激光性能。基于Nd:YAG激光晶体在1.1微米附近的三条谱线，通过选频技术和倍频技术，可以获得稳定的1.1微米谱线的四倍频激光，即278、279和281nm紫外激光输出。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步地叙述。

根据本发明的一个实施例，提供了一种大功率全固态紫外激光装置。图1示出了该激光器的光路结构图，参考图1，该大功率全固态紫外激光装置依次包括基频激光输出模块101、Q开关102、选频模块103、二倍频非线性光学晶体104、准直聚焦模块105、四倍频非线性光学晶体106和分光模块107。所述的基频激光输出模块101包括Nd:YAG激光晶体和用于泵浦激光晶体的半导体激光泵浦源，半导体激光泵浦源分布在Nd:YAG激光晶体的侧面，半导体激光泵浦源发射的泵浦光也是经由Nd:YAG激光晶体侧面进入晶体棒的内部。基频激光输出模块101的Nd:YAG激光晶体通光端面镀有基频光波段的增透膜，本实施例中，基频光波段指1112至1123nm波段。本实施例中，Q开关102用于控制基频光的输出，通过控制Q开关102的通断来改变输出激光的输出频率。所述的Q开关102可以是声光调制Q开关、电光调制Q开关或吸收型被动调制Q开关，其中，Q开关102的晶体的两端也镀有基频光波段的增透膜。本实施例中，选频模块103用于从1112、1116和1123nm这三种基频光中选出所需的一种。这需要该选频模块103能够使所需的那种基频光通过，且能够抑制其余两种基频光。所述的选频模块103可以是色散棱镜、光栅或法布里-珀罗(F-P)标准具(F-P标准具是由两块平面玻璃G1、G2组成，两板的内表面镀以高反射率的银膜或铝膜)中的一种。所述的二倍频非线性光学晶体104是I类相位匹配或者I I类相位匹配的KTP、LBO或BBO晶体中的一种。所述的四倍频非线性光学晶体106是I或者II类相位匹配的LBO、BBO、CBO或CLBO晶体中的一种。所述的分光模块107用于将所要输出的四倍频光束和剩余的二倍频光分离，分光模块107可以采用分光棱镜或二向色镜。

本发明设计的全固态紫外激光装置的工作原理如下：半导体激光器发射的泵浦光经由Nd:YAG激光晶体侧面进入晶体棒的内部，Nd:YAG激光晶体吸收泵浦光后，产生受激荧光辐射，辐射的荧光在由全反镜和输出耦合腔镜组成的谐振腔内来回震荡形成基频光，部分基频谐振光通过输出耦合腔镜，可输出1.1微米波长基频激光，其输出波长主要由1112nm、1116nm和1123nm组成。根据需要可在谐振腔内插入相应的选频器件，获得1112nm、1116nm或者1123nm波长的基频激光振荡。输出的基频光再通过二倍频非线性光学晶体模块获得二倍频激光输出，对应的波长依次为556nm、558nm或561nm，产生的二倍频激光经过准直聚焦模块，光斑被聚焦到合适的大小，然后射入四倍频非线性光学晶体以获得高效的四倍频紫外激光输出，再利用分光模块把剩余的基频激光和二倍频激光滤掉以获得四倍频紫外激光，获得278、279和281nm紫外激光输出。

本领域技术人员易于理解，本发明的大功率全固态紫外激光装置也可以省去所述选频模块，这种情况下，最终输出的是278、279和281nm混合的四倍频紫外光。由于叠加了280nm附近的三种波长的激光能量，此时激光输出功率较大，比较适合用于工业加工，例如精细加工钻孔等领域。

根据上述实施例，本发明提供了一种更加具体的大功率紫外激光器实现方案，图2示出了该激光器实现方案的光路结构，如图2所示，该大功率紫外激光器包括基频激光输出模块201和202、热效应补偿模块203、Q开关204、选频模块205、二倍频非线性光学晶体206、准直聚焦模块207、四倍频非线性光学晶体208、分光模块209、基频光腔镜210和211、二向色镜212、45度二倍频激光高反射镜213。整体光路形成“F”型折叠腔结构。其中，基频激光输出模块201和202、Q开关204处在“F”型折叠腔结构的中间的横向支路且横向放置，二倍频非线性光学晶体206处在“F”型折叠腔结构的下端的尾部且纵向放置，四倍频非线性光学晶体208处在“F”型折叠腔结构的上端的横向支路且横向放置，所述“F”型折叠腔结构的中间横向支路的右端和下端尾部底端设置基频光腔镜210和211，所述Q开关204与二倍频非线性光学晶体206之间设置二向色镜212，所述二向色镜212成45°，二向色镜212反射基频光且透射倍频光，使基频光在基频光腔镜210和211之间形成谐振，倍频光输出到45°倍频光高反镜213，45°倍频光高反镜213设置在所述二向色镜212与准直聚焦模块207之间，用于改变倍频光的光路方向使其转向“F”型折叠腔结构的上端的横向支路。

本实施例中，两个基频激光输出模块201和202串联，二者特征完全相同。在由激光输出模块201和202，基频光腔镜210和211组成的基频激光腔内形成大功率基频激光振荡，并利用插入其光路内部的热效应补偿模块203来补偿晶体内的热致双折射效应以获得高光束质量和高功率的基频激光。其主要包含1112nm、1116nm和1123nm三种波长的谐振光。选频模块205的主要作用是对1112nm、和1116nm谱线引入较大的插入损耗，只允许1123nm波长的基频激光在腔内形成振荡。

本实施例在闭合的激光谐振腔内插入二倍频非线性光学晶体206，产生的基频光通过二倍频非线性光学晶体206产生561nm二倍频激光，二倍频激光再通过二向色镜212被完全输出到腔外。二向色镜212的作用是在45度角入射的情况下，1123nm的基频光被二向色镜全部反射改变光90度传输方向90度，而561nm倍频光却可以全部0度角通过镜片。通过二向色镜212的561nm倍频光再次通过45度二倍频激光高反射镜213将561nm二倍频光输入准直聚焦模块207，二倍频激光经过准直聚焦模块207，光斑被聚焦到合适的大小，然后射入四倍频非线性光学晶体208将561nm二倍频光再次倍频以获得高效率、大功率和稳定的281nm四倍频紫外激光输出，再利用分光模块把剩余的561nm二倍频激光滤掉以获得281nm四倍频紫外激光。所述的两个基频激光输出模块是采用两个参数完全相同的Nd:YAG晶体做为激光晶体的。所述的热效应补偿模块是采用90度旋光晶体，两端镀有1123nm的增透膜。所述的Q开关模块是采用声光调制Q开关，两端镀有1123nm的增透膜。所述的选频模块是采用薄片熔融石英标准具。所述的二倍频非线性光学晶体采用II类相位匹配的LBO晶体，两端镀有1123nm和561nm的增透膜。所述的四倍频非线性光学晶体采用I类相位匹配的LBO晶体，两端镀有561nm和281nm的增透膜。所述的基频光腔镜210靠近谐振腔一侧镀有1123nm的高反膜；基频光腔镜211靠近谐振腔一侧镀有1123nm和561nm的高反膜；二向色镜212靠近谐振腔一侧镀有1123nm的高反膜和561nm的增透膜，相对应的另一侧镀有561nm的增透膜；213内侧镀有45度561nm高反膜。所述的分光模块采用分光棱镜。

本实施例中，二倍频非线性光学晶体206位于基频激光腔内，即二倍频为腔内倍频，这样在保证二倍频时有足够的基频光功率密度，从而最大限度的产生二倍频激光，进而提高了激光器的最终效率。同时，本实施例中，四倍频非线性光学晶体208的通光面上镀制的增透膜只有两层，一层是二倍频光的增透膜，另一层是产生的四倍频光的增透膜，由于镀制的膜层特征较少，使得各个增透膜之间的影响较小，从而在设计和镀制对应的增透膜时，相对比较容易实现对应光的增透效果。

在另一种大功率紫外激光器的实现方案中，通过调制选频模块可获得1112nm基频激光振荡，从而输出278nm的紫外激光束。该实现方案中，所述的热效应补偿模块是采用90度旋光晶体，两端镀有1112nm的增透膜。所述的Q开关模块是采用声光调制Q开关，两端镀有1112nm的增透膜。所述的二倍频非线性光学晶体采用II类相位匹配的LBO晶体，两端镀有1112nm和556nm的增透膜。所述的四倍频非线性光学晶体采用I类相位匹配的LBO晶体，两端镀有556nm和278nm的增透膜。所述的基频光腔镜210靠近谐振腔一侧镀有1112nm的高反膜；基频光腔镜211靠近谐振腔一侧镀有1112nm和556nm的高反膜；二向色镜212靠近谐振腔一侧镀有1112nm的高反膜和556nm的增透膜，相对应的另一侧镀有556nm的增透膜；213内侧镀有45度556nm高反膜。

在又一种大功率紫外激光器的实现方案中，通过调制选频模块可获得1116nm基频激光振荡，从而输出279nm的紫外激光束。该实现方案中，所述的热效应补偿模块是采用90度旋光晶体，两端镀有1116nm的增透膜。所述的Q开关模块是采用声光调制Q开关，两端镀有1116nm的增透膜。所述的二倍频非线性光学晶体采用II类相位匹配的LBO晶体，两端镀有1116nm和558nm的增透膜。所述的四倍频非线性光学晶体采用I类相位匹配的LBO晶体，两端镀有558nm和279nm的增透膜。所述的基频光腔镜210靠近谐振腔一侧镀有1116nm的高反膜；基频光腔镜211靠近谐振腔一侧镀有1116nm和558nm的高反膜；二向色镜212靠近谐振腔一侧镀有1116nm的高反膜和558nm的增透膜，相对应的另一侧镀有558nm的增透膜；213内侧镀有45度558nm高反膜。

综上所述，本发明与现有技术相比有以下优点：

1)波长短，在工业激光加工应用中，波长越短，光子能量越大，能量聚焦的越集中，加工效果越优异，本发明专利中提到的激光器可输出波长约280nm的紫外激光，在光束质量优异的情况下可输出较高密度的激光光束。

2)长期稳定性好，与利用和频技术产生的紫外激光相比，其四倍频晶体的端面磨只需要镀两层增透膜增大了膜层的损伤阈值。

3)结构紧凑------本发明采用“F”型折叠腔结构，将直线型光路进行多次折叠，缩短了整体光路的长度。

4)波长可调，根据需要在基频腔内插入不同的选模模块可以对激光器的输出波长进行选模。

最后，上述的实施例仅用来说明本发明，它不应该理解为是对本发明的保护范围进行任何限制。而且，本领域的技术人员可以明白，在不脱离上述实施例精神和原理下，对上述实施例所进行的各种等效变化、变型以及在文中没有描述的各种改进均在本专利的保护范围之内。

Claims

1.一种大功率全固态紫外激光装置，沿光路依次包括：基频激光输出模块(101、201、202)、Q开关(102、204)、二倍频非线性光学晶体(104、206)、准直聚焦模块(105、207)、四倍频非线性光学晶体(106、208)和分光模块(107、209)，所述基频激光输出模块(101、201、202)的激光晶体为Nd:YAG激光晶体，所述基频激光输出模块(101、201、202)的通光端面镀有基频光波段增透膜，所述基频光波段为1112至1123nm波段。

2.根据权利要求1所述的全固态紫外激光装置，其特征在于，所述全固态紫外激光装置还包括选频模块(103、205)，用于从1112、1116和1123nm这三种基频光中选出所需的一种。

3.根据权利要求1所述的全固态紫外激光装置，其特征在于，所述二倍频非线性光学晶体(104、206)位于基频光谐振腔内。

4.根据权利要求1所述的全固态紫外激光装置，其特征在于，所述基频激光输出模块有两个，所述两个基频激光输出模块(201、202)采用串联结构，所述两个基频激光输出模块(201、202)之间设置热效应补偿模块(203)。

5.根据权利要求1所述的全固态紫外激光装置，其特征在于，所述全固态紫外激光装置的光路成“F”型折叠腔结构，其中基频激光输出模块(201、202)和Q开关(204)处在“F”型折叠腔结构的中间横向支路，二倍频非线性光学晶体(206)处在“F”型折叠腔的下端尾部且纵向放置，准直聚焦模块(207)和四倍频非线性光学晶体(208)处在“F”型折叠腔的上端横向支路，所述“F”型折叠腔的中间横向支路的右端设置镀有基频光反射膜的一个基频光腔镜(210)，所述二倍频非线性光学晶体(206)的下端设置同时镀有基频光反射膜和倍频光反射膜的另一个基频光腔镜(211)，所述Q开关(204)与二倍频非线性光学晶体(206)之间设置二向色镜(212)，所述二向色镜(212)反射基频光且透射倍频光，所述二向色镜(212)与准直聚焦模块(207)之间设置倍频光高反镜(213)。

6.根据权利要求1所述的全固态紫外激光装置，其特征在于，所述二倍频非线性光学晶体(104、206)是I类相位匹配的KTP、LBO或BBO晶体；或者是I I类相位匹配的KTP、LBO或BBO晶体。

7.根据权利要求1所述的全固态紫外激光装置，其特征在于，所述四倍频非线性光学晶体(106、208)是I类相位匹配的LBO、BBO、CBO或CLBO晶体；或者是I I类相位匹配的LBO、BBO、CBO或CLBO晶体。

8.根据权利要求1所述的全固态紫外激光装置，其特征在于，所述四倍频非线性光学晶体(106、208)位于基频光谐振腔外。

9.根据权利要求1所述的全固态紫外激光装置，其特征在于，所述分光模块(107、209)是分光棱镜或二向色镜。

10.根据权利要求2所述的全固态紫外激光装置，其特征在于，所述选频模块(103、205)是色散棱镜、光栅或法布里-珀罗标准具。