CN103094829A - 腔外四倍频紫外激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种腔外四倍频激光器。本技术利用红外激光作为光源，输出的红外激光作为基波聚焦后入射到二倍频非线性晶体上产生二次谐波，产生的二次谐波入射到四倍频非线性晶体上产生四次谐波，未转换为四次谐波的剩余二次谐波在正弯月形透镜一和平凹输出镜内同偏振态、往返经过四倍频非线性光学晶体，产生累积的四次谐波输出。本激光器四次谐波转换效率高、光束稳定、光束质量优良。
Description
技术领域
本发明属于激光领域，特别涉及一种腔外四倍频紫外激光器。
背景技术
由于紫外激光具有高分辩和材料强吸收等特点，近些年在国际上迅速发展。波长为355nm的Nd:YVO4Nd:YAG激光加工机已主导了精细加工，特别是多层、高密度印刷电路板的精密打孔设备市场，在特种材料加工、集成电路分析等应用上，也显示出巨大优势。然而波长更短的四次谐波紫外激光（如266nm）相对于三次谐波（如355nm）的紫外激光器具有更加明显的优势，如具有高的光子能量，更加优良的材料吸收特性和更好的聚焦能力等，因此开发四次谐波(如266nm)紫外激光器日益得到各国重视。
常用的四次谐波紫外激光的产生方法主要是腔外进行的。如专利US 6249371。利用一台红外激光器作为光源，发射的红外激光作为基波入射到二倍频非线性晶体上产生倍频光，此倍频光经聚焦后入射到四倍频非线性晶体上产生四倍频激光输出。二次谐波和四次谐波不会对红外激光器产生影响，因此这种方法产生的四次谐波输出较稳定，易于调试。然而这种腔外倍频是单程行为，倍频光一次性经过四倍频晶体，未转换为四次谐波的倍频光全部被浪费掉，而且由于聚焦后的倍频光的功率密度很大，易破坏四倍频非线性晶体。
为了充分利用二次谐波功率，公开号为CN 100421316C号专利采用一个二次谐波反射子腔。然而，二次谐波在反射子腔内来回往返时，其光斑半径和发散角会随着二次谐波往返传输而变大，导致二次谐波每次经过四倍频非线性晶体时产生的四次谐波的光斑半径和发散角亦不断变大，因此累积输出的四次谐 波的光束质量会随着二次谐波往返次数的增加而恶化。
为实现充分利用二次谐波功率同时又保证四次谐波光束质量，公开号为US668393B2号专利采用一个凹面镀有二次谐波高反膜的平凹镜片，该镜片与另一光学镜片构成一个优化的二次谐波反射子腔，该平凹镜片的凹面曲率半径设计为等于二次谐波传输至此镜片凹面所在位置时的等相位面曲率半径。这样，二次谐波在这个优化的反射子腔内往返传输时，其光斑和发散角不随二次谐波的往返而变化，因此剩余二次谐波每次经过四倍频非线性晶体时产生的四次谐波的光斑和发散角是相同的，这样累积输出的四次谐波的光束质量相比于公开号CN100421316C号专利，有很大改善。然而与腔外四倍频相比，采用该技术获得四次谐波的输出稳定性依然相对较差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，设计一种腔外四倍频激光器，利用二次谐波多次经过四倍频非线性晶体，达到充分利用二次谐波功率，二次谐波的光斑分布和发散角不随二次谐波往返而变化，同时改善四次谐波光束输出稳定性和光束质量的目的。
本发明相对于现有技术所具有的创新是：本发明一种腔外四倍频激光器中，正弯月形透镜一2的凹面2-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面曲率半径分别设计成等于红外激光器1发射的基波依次传输至正弯月形透镜一2的凹面2-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面所在位置时基波的等相位面曲率半径，这种设计确保了剩余二次谐波在正弯月透镜一2和平凹输出镜6内同偏振态、往返经过四倍频非线性晶体5时，其光斑半径和发散角不随二次谐波的往返而变大，实现二次谐波光斑半径和发散角可控，因 此剩余二次谐波每次经过四倍频非线性晶体5时产生的四次谐波和发散角亦相同，这样累积输出的四次谐波光束质量不会随着二次谐波的往返而恶化。另外，腔外倍频避免了二次谐波和四次谐波对基波谐振腔的影响，四次谐波稳定性相对较高。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明四次谐波激光器的实施方案一（结合附图1）：
光路上依次放置红外激光器1、正弯月形透镜一2、二倍频非线性晶体3、正弯月形透镜二4、四倍频非线性晶体5和平凹输出镜6；
红外激光器1发射的激光为连续或脉冲或准连续红外激光；
二倍频非线性晶体3为LBO或KTP或PPLN或BIBO晶体；四倍频非线性晶体5为BBO或CLBO或YAB晶体；
正弯月形透镜一2的凸面2-1镀基波增透膜；正弯月形透镜一2的凹面2-2镀二次谐波高反和基波高透膜；正弯月形透镜二4的凸面4-1镀二次谐波高透膜；正弯月形透镜二4的凹面4-2镀四次谐波高反和二次谐波高透膜；平凹输出镜6的凹面镀四次谐波高透和二次谐波高反膜；平凹输出镜6平面镀四次谐波高透膜系；
正弯月形透镜一2的凹面2-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面的曲率半径分别设计成等于红外激光器发射的红外基波依次传输至正弯月形透镜一2的凹面4-2、正弯月形透镜二4的凹面和平凹输出镜6的凹面所在位置时红外基波的等相位面曲率半径；
红外激光器1发射的基波经正弯月形透镜一2聚焦后入射到二倍频非线性晶体3上，产生二次谐波，二次谐波经正弯月形透镜二4聚焦后入射到四倍频 非线性晶体5上产生四次谐波，剩余的二次谐波经平凹输出镜6的凹面反射后，在正弯月形透镜一2和平凹输出镜6内同偏振态、多次往返经过四倍频非线性晶体5，产生累积的四次谐波输出。
由于正弯月形透镜一2的凹面2-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面的曲率半径分别设计成等于红外激光器1发射的红外基波依次传输至正弯月形透镜一2的凹面2-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面所在位置时红外基波的等相位面曲率半径。根据高斯光学光束传输原理和非线性光学原理可知，正弯月形透镜一2的凹面2-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面的曲率半径亦分别等于剩余二次谐波传输至正弯月形透镜一2的凹面4-2、正弯月形透镜二4的凹面和平凹输出镜6的凹面所在位置时剩余二次谐波的等相位面曲率半径。因此，经平凹输出镜6反射后的剩余二次谐波在正弯月透镜一2和平凹输出镜6内同偏振态、往返经过四倍频非线性晶体5时，其光斑粉不和发散角不随二次谐波的往返而变化，实现二次谐波光斑半径和发散角可控，故剩余二次谐波每次经过四倍频非线性光学晶体5时产生的四次谐波光斑半径和发散角亦相同，这样累积输出的四次谐波光束质量不会随着二次谐波的往返而恶化。因此这样的设计既能充分利用二次谐波功率，又可改善四次谐波光束质量。
本发明四次谐波激光器的实施方案二（结合附图2）：
光路上依次放置红外激光器1、透镜7、同心球面镜8、二倍频非线性晶体3、正弯月形透镜二4、四倍频非线性晶体5和平凹输出镜6；
红外激光器1发射的激光为连续或脉冲或准连续红外激光；
同心球面镜8的厚度试具体实际情况而定；
二倍频非线性晶体3为LBO或KTP或PPLN或BIBO晶体；四倍频非线性晶体5为BBO或CLBO或YAB晶体；
透镜7镀有基波高透膜系；同心球面镜8的凸面8-1和凹面8-2分别镀有基波高透和二次谐波高反、基波高透膜系；正弯月形透镜二4的凸面4-1和凹面4-2分别镀有二次谐波高透和四次谐波高反、二次谐波高透膜系；平凹输出镜6的凹面和平面分别镀有四次谐波高透和二次谐波高反和四次谐波高透膜系；
同心球面镜8的凹面8-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面的曲率半径分别设计成等于红外激光器发射的红外基波依次传输至同心球面镜8的凹面8-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面所在位置时红外基波的等相位面曲率半径；
红外激光器1发射的基波经透镜7聚焦后入射到二倍频非线性晶体3上，产生二次谐波，二次谐波经正弯月透镜二4聚焦后入射到四倍频非线性晶体5上产生四次谐波，剩余二次谐波经平凹输出镜6的凹面反射后，在同心球面镜8和平凹输出镜6内同偏振态、多次往返经过四倍频非线性晶体5，产生累积的四次谐波输出。
由于同心球面镜8的凹面8-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面的曲率半径分别设计成等于红外激光器发射的红外基波依次传输至同心球面镜8的凹面8-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面所在位置时红外基波的等相位面曲率半径。根据高斯光学光束传输原理和非线性光学原理可知，同心球面镜8的凹面8-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面的曲率半径亦分别等于剩余二次谐波传输至同心球面镜8的凹面8-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面所在位置时剩余二 次谐波的等相位面曲率半径。因此，经平凹输出镜6反射后的剩余二次谐波在同心球面镜8和平凹输出镜6内同偏振态、往返经过四倍频非线性晶体5时，其光斑半径分布和发散角不随二次谐波往返而变化，实现二次谐波光斑半径和发散角可控，因此剩余二次谐波每次经过四倍频非线性晶体5时产生的四次谐波光斑半径和发散角亦相同，这样累积输出的四次谐波光束质量不会随着二次谐波的往返而恶化，因此达到充分利用二次谐波功率，又改善四次谐波光束质量的目的。
附图说明
图1为本发明一种腔外四倍频激光器结构示意图：1，红外激光器；2，正弯月形透镜一；3，二倍频非线性晶体；4，正弯月形透镜二；5，四倍频非线性晶体；6，平凹输出镜。
图2为本发明一种腔外四倍频激光器结构示意图：1，红外激光器； 3，二倍频非线性晶体；4，正弯月形透镜二；5，四倍频非线性晶体；6，平凹输出镜 ；7，透镜；8，同心球面镜。
具体实施方式
实施例1
按照图1，制作一台腔外四倍频激光器。光路上依次放置红外激光器1、正弯月形透镜一2、二倍频非线性晶体3、正弯月形透镜二4、四倍频非线性晶体5和平凹输出镜6；红外激光器1发射的激光为准连续红外激光，波长为1064nm；二倍频非线性晶体3为LBO晶体；四倍频非线性晶体5为BBO晶体；
正弯月形透镜一2的凸面2-1镀基波1064nm高反膜；正弯月形透镜一2的凹面2-2分别镀有二次谐波532nm高反和基波1064nm高透膜；正弯月形透镜二 4的凸面4-1镀532nm高透膜；正弯月形透镜二4的凹面4-2镀四次谐波266nm高反和532nm高透膜；平凹输出镜6的凹面镀266nm高透和532nm高反膜；平凹输出镜6的平面镀266nm高透膜；
正弯月形透镜一2的凹面2-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面的曲率半径分别设计成等于红外激光器发射的1064nm基波依次传输至正弯月形透镜一2的凹面4-2、正弯月形透镜二4的凹面和平凹输出镜6的凹面所在位置时其等相位面曲率半径。
红外激光器1发射的1064nm基波经正弯月形透镜一2聚焦后入射到LBO晶体3上，产生绿光，绿光经正弯月形透镜二4聚焦后入射到BBO5上产生深紫外激光，剩余的绿光经平凹输出镜6的凹面反射后，在正弯月形透镜一2和平凹输出镜6内同偏振态、多次往返经过BBO晶体5，产生累积的深紫外激光输出。
由于正弯月形透镜一2的凹面2-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面的曲率半径分别设计成等于红外激光器1发射的1064nm基波依次传输至正弯月形透镜一2的凹面2-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面所在位置时其等相位面曲率半径。根据高斯光学光束传输原理和非线性光学原理可知，正弯月形透镜一2的凹面2-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面的曲率半径亦分别等于剩余二次谐波传输至正弯月形透镜一2的凹面4-2、正弯月形透镜二4的凹面和平凹输出镜6的凹面所在位置时剩余二次谐波的等相位面曲率半径。因此，经平凹输出镜6反射后的剩余二次谐波在正弯月透镜一2和平凹输出镜6内同偏振态、往返经过BBO晶体5时，其光斑半径和发散角不随二次谐波的往返而变化，实现二次谐波光斑半径和发散角可控，因此剩余二次谐波每次经过BBO晶体5产生的四次谐波光斑半径和 发散角亦相同，这样累积输出的四次谐波光束质量不会随着二次谐波的往返而恶化，因此达到充分利用二次谐波功率，又改善四次谐波光束质量的目的。
实施例2
按照图2，制作一台腔外四倍频激光器。光路上依次放置红外激光器1、透镜7、同心球面镜8、二倍频非线性晶体3、正弯月形透镜二4、四倍频非线性晶体5和平凹输出镜6；红外激光器1发射的激光为准连续1064nm激光；二倍频非线性晶体3为LBO晶体；四倍频非线性晶体5为BBO晶体；
透镜7镀有基波1064nm高透膜系；同心球面镜8的凸面8-1镀基波1064nm高透膜；同心球面镜8的凹面8-2镀二次谐波532nm高反和1064nm高透膜系；正弯月形透镜二4的凸面4-1镀532nm高透膜；正弯月形透镜二4的凹面4-2镀四次谐波266nm高反和532nm高透膜；平凹输出镜6的凹面镀266nm高透和532nm高反膜；平凹输出镜6的平面镀266nm高透膜；
同心球面镜8的凹面8-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面的曲率半径分别设计成等于红外激光器发射的红外基波依次传输至同心球面镜8的凹面8-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面所在位置时红外基波的等相位面曲率半径；
红外激光器1发射的1064nm基波经透镜7聚焦后入射到LBO3上，产生二次谐波，二次谐波经正弯月透镜二4聚焦后入射到BBO晶体5上产生四次谐波，剩余二次谐波经平凹输出镜6的凹面反射后，在同心球面镜8和平凹输出镜6内同偏振态、多次往返经过四倍频非线性晶体5，产生累积的四次谐波输出。
由于同心球面镜8的凹面8-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面的曲率半径分别设计成等于红外激光器发射的基波依次传输至同心球 面镜8的凹面8-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面所在位置时基波的等相位面曲率半径。根据高斯光学光束传输原理和非线性光学原理可知，同心球面镜8的凹面8-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面的曲率半径亦分别等于剩余二次谐波传输至同心球面镜8的凹面8-2、正弯月形透镜二4的凹面4-2和平凹输出镜6的凹面所在位置时剩余二次谐波的等相位面曲率半径。因此，经平凹输出镜6反射后的剩余二次谐波在同心球面镜8和平凹输出镜6内同偏振态、往返经过四倍频非线性晶体5时，其光斑半径和发散角不随二次谐波的往返而变化，实现二次谐波光斑半径和发散角可控，因此剩余二次谐波每次经过BBO晶体5时产生的四次谐波光斑半径和发散角亦相同，这样累积输出的四次谐波光束质量不会随着二次谐波的往返而恶化，因此达到充分利用二次谐波功率，又改善四次谐波光束质量的目的。
实施例3
按照图1（或图2），制作一台腔外四倍频激光器。与实施例1、2不同的是红外激光器1发射的基波为连续基波，得到的腔外四倍频激光器。
实施例4
按照图1（或图2），制作一台腔外四倍频激光器。与实施例1、2、3不同的是红外激光器1发射的基波为脉冲基波，得到的腔外四倍频激光器。
实施例5
按照图1（或图2），制作一台腔外四倍频激光器。与实施例1、2、3、4不同的是二倍频非线性晶体3为KTP或BIBO或PPLN晶体，得到的腔外四倍频激光器。
实施例6
按照图1（或图2），制作一台腔外四倍频激光器。与实施例1、2、3、4、5不同的是四倍频非线性晶体5为YAB或CLBO晶体，得到的腔外四倍频激光器。
Claims (4)
1.一种腔外四倍频激光器，包括红外激光器（1）、正弯月形透镜一（2）、二倍频非线性晶体（3）、正弯月形透镜二（4）、四倍频非线性晶体（5）和平凹输出镜（6），其特征在于：所述的正弯月形透镜一（2）的凹面（2-2）、正弯月形透镜二（4）的凹面（4-2）和平凹输出镜（6）的凹面的曲率半径分别设计成等于所述红外激光器发射的红外基波依次传输至正弯月形透镜一（2）的凹面（2-2）、正弯月形透镜（4）的凹面（4-2）和平凹输出镜（6）的凹面所在位置时红外基波的等相位面曲率半径；所述红外激光器（1）发射的红外激光经过二倍频非线性晶体（3）后产生二次谐波，产生的二次谐波经过四倍频非线性晶体（5）后产生四次谐波，未转换为四次谐波的二次谐波在正弯月透镜一（2）和平凹输出镜（6）内同偏振态、多次往返经过四倍频非线性晶体（5），产生累积的四次谐波。
2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述正弯月形透镜一（2）可用透镜（7）和同心球面镜（8）代替。
3.如权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述红外激光器（1）发射的激光为连续或脉冲或准连续红外激光。
4.如权利要求1所述的激光器，其特征在于：所述二倍频非线性晶体（3）为LBO或KTP或PPLN或BIBO晶体，所述四倍频非线性晶体（5）为BBO或CLBO或YAB晶体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130508 |