CN102570311A - 可调谐窄带紫外激光发生装置及其发生方法 - Google Patents

Abstract

可调谐窄带紫外激光发生装置及其发生方法，属于激光技术领域。它解决了现有可调谐窄带紫外激光光源大范围调谐能力不足，并且获得方式成本高的问题。它包括第一二极管激光器，它还包括光栅、光栅调整架、光栅控制器、第一反射镜、锯齿波发生器、第二二极管激光器、第二反射镜、二向色镜、透镜组、BBO晶体、凸透镜、三角棱镜和光阑，本发明利用两个二极管激光器，通过和频生成可调谐窄带紫外激光，由于半导体激光器的发射带宽小于10MHz，保证了和频后生成的紫外激光的带宽小于0.01pm。本发明适用于产生可调谐窄带紫外激光。

Description

可调谐窄带紫外激光发生装置及其发生方法

技术领域

本发明涉及一种可调谐窄带紫外激光发生装置及其发生方法，属于激光技术领域。

背景技术

当前紫外光源的获取方式主要分为两种：一种是直接获取的准分子紫外激光，另一种是间接获取的非线性频率转换激光，后者中用于非线性频率转换的激光光源类型主要有染料激光器、晶体介质激光器、半导体激光器和光学参量振荡器等。准分子紫外激光以及大部分的非线性频率转换激光光源都是脉冲式输出，物理学基本定律之一的海森堡不确定关系决定了其激光带宽大于1pm。而在原子吸收应用中，大部分的原子在紫外区的吸收谱线宽度小于5pm，为了获得高分辨率的光谱，所需的紫外光源的带宽要小于0.1pm，并且连续可调谐范围要大于10pm。在非线性频率转换激光光源中，由半导体二极管激光器经过四倍频，或者三倍频，或者二倍频可以获得窄带紫外光源，二极管激光器的优势是可调谐性好、体积小、能耗小、成本低，但倍频的方法导致连续调谐范围大幅缩小。目前已有由二极管激光器经过和频获得的一定范围内的可调谐窄带紫外激光光源，但其大范围调谐能力不足，导致在构建激光系统时对二极管激光器的中心波长准确度要求高，需要精确到pm的量级，大大提高了获得可调谐窄带紫外激光光源的复杂度和成本。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有可调谐窄带紫外激光光源大范围调谐能力不足，并且获得方式成本高的问题，提供一种可调谐窄带紫外激光发生装置及其发生方法。

本发明所述可调谐窄带紫外激光发生装置，它包括第一二极管激光器，它还包括光栅、光栅调整架、光栅控制器、第一反射镜、锯齿波发生器、第二二极管激光器、第二反射镜、二向色镜、透镜组、BBO晶体、凸透镜、三角棱镜和光阑，

光栅设置在光栅调整架上，光栅调整架的姿态由光栅控制器控制，

第一二极管激光器发出的激光束入射至光栅，光栅的反射光束经第一反射镜反射后入射至二向色镜的正面，

锯齿波发生器的电压信号输出端连接第二二极管激光器的电压信号输入端，第二二极管激光器发出的激光束经第二反射镜反射后入射至二向色镜的反面，

二向色镜正面入射光束的透射光束与二向色镜反面入射光束的反射光束重叠共线后入射至透镜组，透镜组的透射光束入射至BBO晶体，经该BBO晶体透射的激光束经过凸透镜准直后入射至三角棱镜，经三角棱镜折射的光束垂直入射至光阑的中心孔。

第一二极管激光器的激光源为法布里柏罗型单横模、多纵模激光二极管，其发射光束的中心波长为370nm～470nm。

第二二极管激光器的激光源为分布式反馈型或分布布拉格反射型单纵模激光二极管，其发射光束的中心波长为635nm～1550nm。

透镜组由依次排列的第一凸透镜、凹透镜和第二凸透镜组成，该第一凸透镜、凹透镜和第二凸透镜的光轴共线，第一凸透镜的焦距绝对值为f1，凹透镜的焦距绝对值为f2，第一凸透镜和凹透镜的中心距离b为：b＝f1-f2；

入射至透镜组的平行光束首先入射至第一凸透镜，并经第一凸透镜汇聚至凹透镜，经该凹透镜透射后形成的平行光束入射至第二凸透镜，经该第二凸透镜聚焦后获得的汇聚光束作为透镜组的透射光束入射至BBO晶体。

所述BBO晶体的光入射面的中心位于第二凸透镜的焦点处。

所述光阑的中心孔的中心与经三角棱镜折射获得的紫外光束的光斑中心重合。

所述光阑的中心孔的内径为3mm～5mm，光阑侧壁的径向厚度为r，光栅的刻线间距为d，并且2d＜r＜4d。

所述第一二极管激光器发出的激光束入射至光栅的入射角为θ，10°＜θ＜80°。

本发明所述基于上述可调谐窄带紫外激光发生装置的可调谐窄带紫外激光发生方法，

使第一二极管激光器发出的宽带多纵模激光束以入射角θ入射至刻线间距为d的光栅，10°＜θ＜80°，2d＜r＜4d，r为光阑侧壁的径向厚度，通过光栅控制器调整光栅调整架的姿态，使波长为λ₁的单纵模激光在模式竞争中胜出，通过光栅的零级衍射输出，其中λ₁＝2d sinθ；

使锯齿波发生器输出NHz的锯齿波电压信号，0＜N＜10⁵，第二二极管激光器的电流控制单元将接收到的锯齿波电压信号转换成锯齿波电流信号，进而控制其激光源输出以λ₂为中心波长、做周期性调谐变化的激光束，

使BBO晶体位于透镜组的汇聚焦面上，入射至BBO晶体的两束激光束在BBO晶体内部通过非线性和频过程生成中心波长为λ_UV、波长调谐频率为NHz的紫外激光束，λ_UV＝λ₁λ₂/(λ₁+λ₂)，该紫外激光束经凸透镜透射后入射至三角棱镜，并在该三角棱镜的色散作用下，分成波长分别为λ₁、λ₂和λ_UV的三束激光光束，并沿不同方向传播，设置在波长为λ_UV的紫外激光的传播方向上的光阑对入射光进行过滤，进而获得紫外激光。

所述透镜组由依次排列的第一凸透镜、凹透镜和第二凸透镜组成，BBO晶体位于第二凸透镜的焦点处。

本发明的优点是：本发明利用两个低成本、小型化的可调谐窄带半导体二极管激光器，通过和频生成可调谐窄带紫外激光，由于半导体激光器的发射带宽小于10MHz，保证了和频后生成的紫外激光的带宽小于0.01pm。两个半导体激光器采用不同的方式分别调谐控制，一台通过构造Littrow式反馈光路实现宽范围调谐，调谐范围可达5nm，另一台通过改变注入电流实现小范围快速调谐，可以在1kHz的调谐速度下实现20pm的连续调谐，这样的紫外激光光源既保证了大范围的光谱覆盖区域，又保证了小范围快速光谱分析的需求。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图；

图2为经过透镜组的光束传播示意图；

图3为激光束在三角棱镜内的传播路线以及光阑尺寸和位置示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述可调谐窄带紫外激光发生装置，它包括第一二极管激光器1，它还包括光栅2、光栅调整架3、光栅控制器4、第一反射镜5、锯齿波发生器6、第二二极管激光器7、第二反射镜8、二向色镜9、透镜组10、BBO晶体11、凸透镜12、三角棱镜13和光阑14，

光栅2设置在光栅调整架3上，光栅调整架3的姿态由光栅控制器4控制，

第一二极管激光器1发出的激光束入射至光栅2，光栅2的反射光束经第一反射镜5反射后入射至二向色镜9的正面，

锯齿波发生器6的电压信号输出端连接第二二极管激光器7的电压信号输入端，第二二极管激光器7发出的激光束经第二反射镜8反射后入射至二向色镜9的反面，

二向色镜9正面入射光束的透射光束与二向色镜9反面入射光束的反射光束重叠共线后入射至透镜组10，透镜组10的透射光束入射至BBO晶体11，经该BBO晶体11透射的激光束经过凸透镜12准直后入射至三角棱镜13，经三角棱镜13折射的光束垂直入射至光阑14的中心孔。

本实施方式中从BBO晶体11发出的激光经过凸透镜12准直后由三角棱镜13和光阑14分离出紫外激光。

具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步说明，第一二极管激光器1的激光源为法布里柏罗型单横模、多纵模激光二极管，其发射光束的中心波长为370nm～470nm。

具体实施方式三：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，第二二极管激光器7的激光源为分布式反馈型或分布布拉格反射型单纵模激光二极管，其发射光束的中心波长为635nm～1550nm。

具体实施方式四：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二或三的进一步说明，透镜组10由依次排列的第一凸透镜10-1、凹透镜10-2和第二凸透镜10-3组成，该第一凸透镜10-1、凹透镜10-2和第二凸透镜10-3的光轴共线，第一凸透镜10-1的焦距绝对值为f1，凹透镜10-2的焦距绝对值为f2，第一凸透镜10-1和凹透镜10-2的中心距离b为：b＝f1-f2；

入射至透镜组10的平行光束首先入射至第一凸透镜10-1，并经第一凸透镜10-1汇聚至凹透镜10-2，经该凹透镜10-2透射后形成的平行光束入射至第二凸透镜10-3，经该第二凸透镜10-3聚焦后获得的汇聚光束作为透镜组10的透射光束入射至BBO晶体11。

具体实施方式五：本实施方式为对实施方式四的进一步说明，所述BBO晶体11的光入射面的中心位于第二凸透镜10-3的焦点处。

具体实施方式六：本实施方式为对实施方式一、二、三、四或五的进一步说明，所述光阑14的中心孔的中心与经三角棱镜13折射获得的紫外光束的光斑中心重合。

具体实施方式七：下面结合图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五或六的进一步说明，所述光阑14的中心孔的内径为3mm～5mm，光阑14侧壁的径向厚度为r，光栅2的刻线间距为d，并且2d＜r＜4d。

具体实施方式八：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二、三、四、五、六或七的进一步说明，所述第一二极管激光器1发出的激光束入射至光栅2的入射角为θ，10°＜θ＜80°。

具体实施方式九：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式为基于上述任一实施方式所述可调谐窄带紫外激光发生装置的可调谐窄带紫外激光发生方法，使第一二极管激光器1发出的宽带多纵模激光束以入射角θ入射至刻线间距为d的光栅2，10°＜θ＜80°，2d＜r＜4d，r为光阑14侧壁的径向厚度，通过光栅控制器4调整光栅调整架3的姿态，使波长为λ₁的单纵模激光在模式竞争中胜出，通过光栅2的零级衍射输出，其中λ₁＝2d sinθ；

使锯齿波发生器6输出NHz的锯齿波电压信号，0＜N＜10⁵，第二二极管激光器7的电流控制单元将接收到的锯齿波电压信号转换成锯齿波电流信号，进而控制其激光源输出以λ₂为中心波长、做周期性调谐变化的激光束，

使BBO晶体11位于透镜组10的汇聚焦面上，入射至BBO晶体11的两束激光束在BBO晶体11内部通过非线性和频过程生成中心波长为λ_UV、波长调谐频率为NHz的紫外激光束，λ_UV＝λ₁λ₂/(λ₁+λ₂)，该紫外激光束经凸透镜12透射后入射至三角棱镜13，并在该三角棱镜13的色散作用下，分成波长分别为λ₁、λ₂和λ_UV的三束激光光束，并沿不同方向传播，设置在波长为λ_UV的紫外激光的传播方向上的光阑14对入射光进行过滤，进而获得紫外激光。

工作原理：第一二极管激光器1发出的宽带多纵模激光以入射角θ入射至刻线间距为d的光栅2，光栅2与第一二极管激光器1增益介质端面构造成Littrow式光学反馈腔，光栅2将一级衍射光反馈回第一二极管激光器1内部的谐振腔，使得波长为λ₁＝2d sinθ的单纵模激光在模式竞争中胜出，通过光栅2的零级衍射输出。由于光栅2的刻线间距d是固定的，因此最终的激光波长λ₁仅取决于第一二极管激光器1发出的激光入射至光栅2的入射角度θ，在保持第一二极管激光器1发出的激光光束方向不变的情况下，通过改变光栅2的角度即可方便的调谐最终的输出激光波长λ₁。光栅2的角度通过光栅调整架3来调整，光栅调整架3含有电动步进装置，它由光栅控制器4输出的信号来控制。通过调整光栅2角度来调谐输出波长的同时，零级输出光的角度同时也发生改变，将第一反射镜5与光栅2平行设置，当光束经第一反射镜5反射后，第一反射镜5输出的激光束的角度则不再受光栅2角度变化的影响。

锯齿波发生器6输出NHz锯齿波电压信号至第二二极管激光器7，通过第二二极管激光器7的电流控制单元转化成锯齿电流信号，使第二二极管激光器7的激光输出以λ₂为中心波长做周期性调谐变化，由于第二二极管激光器7输出光束的波长对电流的响应可以达到GHz，因此激光的输出波长将做到与锯齿波同频率NHz的快速调谐。第二二极管激光器7输出的激光由第二反射镜8反射后入射至二向色镜9，再被二向色镜9反射后与透过该二向色镜9的由第一二极管激光器1发出的激光重叠共线后入射至透镜组10，透镜组10将激光光斑半径缩小后汇聚至BBO晶体11，BBO晶体11置于透镜组10的汇聚焦面上。两束激光在BBO晶体11中通过非线性和频过程生成中心波长为λ_UV，λ_UV＝λ₁λ₂/(λ₁+λ₂)、波长调谐频率为NHz的紫外激光。波长分别为λ₁、λ₂和λ_UV的三束激光，经过凸透镜12准直后入射至三角棱镜13，在三角棱镜13的色散作用下，三个波长的激光光束沿不同方向传播，在它们的传播方向上放置光阑14，其中心位置位于紫外光光束的传播方向上，将所需的紫外光过滤出来。

最终获得的紫外激光的谱线宽度取决于入射至BBO晶体11的波长分别为λ₁和λ₂的两束激光的谱线宽度的卷积，由于该两束激光的带宽均小于10MHz，对应生成的紫外谱线宽度小于0.01pm。紫外激光的波长调谐由慢速粗调谐和快速细调谐共同完成。粗调谐是通过改变光栅2的角度从而改变λ₁实现的，二极管激光器的增益曲线跨度大于10nm，因此λ₁的调谐范围大于10nm，对应的紫外光的调谐范围大于5nm。细调谐是通过快速调谐第二二极管激光器7的注入电流实现的，其连续输出波长调谐范围大于50pm，对应的紫外波长调谐范围大于20pm。

具体实施方式十：本实施方式为对实施方式九的进一步说明，所述透镜组10由依次排列的第一凸透镜10-1、凹透镜10-2和第二凸透镜10-3组成，BBO晶体11位于第二凸透镜10-3的焦点处。

所述透镜组10是按如下过程工作的：平行的激光光束入射至第一凸透镜10-1后汇聚至凹透镜10-2，经过凹透镜10-2后再次变为平行光，后入射至第二凸透镜10-3，经第二凸透镜10-3汇聚到该第二凸透镜10-3的焦点处，即汇聚至BBO晶体11处。

Claims (10)

1.一种可调谐窄带紫外激光发生装置，它包括第一二极管激光器(1)，其特征在于：它还包括光栅(2)、光栅调整架(3)、光栅控制器(4)、第一反射镜(5)、锯齿波发生器(6)、第二二极管激光器(7)、第二反射镜(8)、二向色镜(9)、透镜组(10)、BBO晶体(11)、凸透镜(12)、三角棱镜(13)和光阑(14)，

光栅(2)设置在光栅调整架(3)上，光栅调整架(3)的姿态由光栅控制器(4)控制，

第一二极管激光器(1)发出的激光束入射至光栅(2)，光栅(2)的反射光束经第一反射镜(5)反射后入射至二向色镜(9)的正面，

锯齿波发生器(6)的电压信号输出端连接第二二极管激光器(7)的电压信号输入端，第二二极管激光器(7)发出的激光束经第二反射镜(8)反射后入射至二向色镜(9)的反面，

二向色镜(9)正面入射光束的透射光束与二向色镜(9)反面入射光束的反射光束重叠共线后入射至透镜组(10)，透镜组(10)的透射光束入射至BBO晶体(11)，经该BBO晶体(11)透射的激光束经过凸透镜(12)准直后入射至三角棱镜(13)，经三角棱镜(13)折射的光束垂直入射至光阑(14)的中心孔。

2.根据权利要求1所述的可调谐窄带紫外激光发生装置，其特征在于：第一二极管激光器(1)的激光源为法布里柏罗型单横模、多纵模激光二极管，其发射光束的中心波长为370nm～470nm。

3.根据权利要求1或2所述的可调谐窄带紫外激光发生装置，其特征在于：第二二极管激光器(7)的激光源为分布式反馈型或分布布拉格反射型单纵模激光二极管，其发射光束的中心波长为635nm～1550nm。

4.根据权利要求3所述的可调谐窄带紫外激光发生装置，其特征在于：透镜组(10)由依次排列的第一凸透镜(10-1)、凹透镜(10-2)和第二凸透镜(10-3)组成，该第一凸透镜(10-1)、凹透镜(10-2)和第二凸透镜(10-3)的光轴共线，第一凸透镜(10-1)的焦距绝对值为f1，凹透镜(10-2)的焦距绝对值为f2，第一凸透镜(10-1)和凹透镜(10-2)的中心距离b为：b＝f1-f2；

入射至透镜组(10)的平行光束首先入射至第一凸透镜(10-1)，并经第一凸透镜(10-1)汇聚至凹透镜(10-2)，经该凹透镜(10-2)透射后形成的平行光束入射至第二凸透镜(10-3)，经该第二凸透镜(10-3)聚焦后获得的汇聚光束作为透镜组(10)的透射光束入射至BBO晶体(11)。

5.根据权利要求4所述的可调谐窄带紫外激光发生装置，其特征在于：所述BBO晶体(11)的光入射面的中心位于第二凸透镜(10-3)的焦点处。

6.根据权利要求5所述的可调谐窄带紫外激光发生装置，其特征在于：所述光阑(14)的中心孔的中心与经三角棱镜(13)折射获得的紫外光束的光斑中心重合。

7.根据权利要求6所述的可调谐窄带紫外激光发生装置，其特征在于：所述光阑(14)的中心孔的内径为3mm～5mm，光阑(14)侧壁的径向厚度为r，光栅(2)的刻线间距为d，并且2d＜r＜4d。

8.根据权利要求7所述的可调谐窄带紫外激光发生装置，其特征在于：所述第一二极管激光器(1)发出的激光束入射至光栅(2)的入射角为θ，10°＜θ＜80°。

9.一种基于权利要求1所述可调谐窄带紫外激光发生装置的可调谐窄带紫外激光发生方法，其特征在于：

使第一二极管激光器(1)发出的宽带多纵模激光束以入射角θ入射至刻线间距为d的光栅(2)，10°＜θ＜80°，2d＜r＜4d，r为光阑(14)侧壁的径向厚度，通过光栅控制器(4)调整光栅调整架(3)的姿态，使波长为λ₁的单纵模激光在模式竞争中胜出，通过光栅(2)的零级衍射输出，其中λ₁＝2d sinθ；

使锯齿波发生器(6)输出NHz的锯齿波电压信号，0＜N＜10⁵，第二二极管激光器(7)的电流控制单元将接收到的锯齿波电压信号转换成锯齿波电流信号，进而控制其激光源输出以λ₂为中心波长、做周期性调谐变化的激光束，

使BBO晶体(11)位于透镜组(10)的汇聚焦面上，入射至BBO晶体(11)的两束激光束在BBO晶体(11)内部通过非线性和频过程生成中心波长为λ_UV、波长调谐频率为NHz的紫外激光束，λ_UV＝λ₁λ₂/(λ₁+λ₂)，该紫外激光束经凸透镜(12)透射后入射至三角棱镜(13)，并在该三角棱镜(13)的色散作用下，分成波长分别为λ₁、λ₂和λ_UV的三束激光光束，并沿不同方向传播，设置在波长为λ_UV的紫外激光的传播方向上的光阑(14)对入射光进行过滤，进而获得紫外激光。

10.根据权利要求9所述的可调谐窄带紫外激光发生方法，其特征在于：所述透镜组(10)由依次排列的第一凸透镜(10-1)、凹透镜(10-2)和第二凸透镜(10-3)组成，BBO晶体(11)位于第二凸透镜(10-3)的焦点处。

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