CN103107480A - 进行材料精细加工的266nm全固态紫外激光器 - Google Patents

Abstract

本发明的进行材料精细加工的266nm全固态紫外激光器，激光谐振腔、双声光Q开关、两个LD侧面泵浦模块、90°旋光晶体、二倍频晶体、凸透镜组、四倍频晶体、二向色镜组、柱面镜和控制系统，激光器在泵浦下进行腔内二倍频的情况下可产生高功率、高重频的532nm绿激光运转，进而经腔外四倍频方法，可以产生266nm的准连续紫外激光输出。本发明所要解决的技术问题是提供一种进行材料精细加工的266nm全固态紫外激光器，更好的满足实际应用的需求。

Description

进行材料精细加工的266nm全固态紫外激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种进行材料精细加工的266nm全固态紫外激光器。

背景技术

激光加工是激光产业的重要应用，与常规的机械加工相比，激光加工更精密、更准确、更迅速。这种技术是利用激光束与物质相互作用的特性对包括金属与非金属的各种材料进行加工，涉及到了焊接、切割、打标、打孔、热处理、成形等多种加工工艺。激光独一无二的特性使之成为材料精细加工的理想工具，目前广泛应用于微电子、微机械和微光学加工三大领域。

近年来，随着小型电子产品和微电子元器件需求量的日益增长，对于加工材料的精密处理日渐成为激光在工业应用中发展最快的领域之一。

脉冲紫外激光器主要应用于：紫外固化、激光划线、激光打标、激光微加工、晶圆检测、光谱、氧化物去除、激光剥线。

266nm紫外激光与波长较长的激光比较，在微加工方面，266nm紫外激光有着独有的优点。红外和可见光波段的激光加工材料过程基本是“热”加工过程，即靠聚焦使能量集中材料待加工部分加热来熔化或汽化材料来进行微加工。可是这种方式加热导致四周热响应部分严重的损坏，这会严重影响到加工的效果与质量。紫外激光加工是属于“冷”加工，即可以直接破坏物质原子的化学键，将物质分离成原子的过程，对周围的区域破坏性很小。紫外激光“冷”加工特性，使266nm紫外激光器成为加工薄橡胶和塑料等非常脆弱物质首选。由于衍射现象，激光的波长与会聚光斑的最小直径成正比，266nm激光波长更短，意味着空间分辨率越高，可以获得更小的聚焦光斑，这使得266nm激光可以加工极其微小的部件。不但如此，由于许多玻璃和非线性晶体材料对于紫外激光（300nm以下）吸收作用都非常强，但是这种吸收效果是近红外以及可见光波段的激光达不到的，这使得紫外激光器可以应用得更广。在一些加工精度要求严格的微加工，例如集成电子线路板钻微孔，微孔直径小于100μm要求精度达微米量级，这就需要精细加工能力的紫外激光器进行加工。266nm紫外激光器广泛应用的微加工领域还有薄膜和薄片材料中产生微小通道、进行精密切割以及对接、印刷电路基板的微加工等方面。

紫外激光器由于其波长更短、能量更集中、分辨率更高等优点而在许多领域具有长波长激光器不能替代的优势。在特殊材料加工上，紫外激光相对于红外激光，加工边沿更光滑、效率更高。对于用红外透过率较高的材料加工的红外器件来说，紫外激光在加工中也具有明显的优势。例如在工业领域，266nm紫外激光刻印有效避免了红外激光的严重破坏性，使加工物件保持完美，并且可以对可见光和红外激光吸收效果比较弱的某些晶体和玻璃进行加工。功率在0.2～10W、重复频率在15～100kHz的266nm调Q激光器可应用于立体光刻、硅片打标、硅片切割等领域；功率在0.5～2W、重复频率在15～100kHz的266nm调Q激光器可应用于钻探、打标、检测、晶片加工等领域；而功率在0.2～4W的266nm调Q激光器在印刷电路板（PCB）直接雕刻、印刷、FBG的产生、箔切削等领域有广泛的应用等。

因此，当下需要迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创新的提出一种有效的措施，以满足实际应用的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种进行材料精细加工的266nm全固态紫外激光器，更好的满足实际应用的需求。

为了解决上述问题，本发明公开了一种进行材料精细加工的266nm全固态紫外激光器，包括：激光谐振腔（1）、第一声光Q开关（2a）、第二声光Q开关（2b）、第一LD侧面泵浦模块（3a）、第二LD侧面泵浦模块（3b）、90°旋光晶体（4）、二倍频晶体（5）、凸透镜组（6）、四倍频晶体（7）、二向色镜组（8）、柱面镜（9）和控制系统（10），其中，所述第一声光Q开关（2a）和第二声光Q开关（2b）分别在第一LD侧面泵浦模块（3a）和第二LD侧面泵浦模块（3b）两侧正交放置，第一声光Q开关（2a）、第二声光Q开关（2b）、第一LD侧面泵浦模块（3a）、第二LD侧面泵浦模块（3b）和90°旋光晶体（4）位于所述激光谐振腔（1）内，且对称放置，二倍频晶体（5）位于激光谐振腔（1）内紧邻输出端镜放置，所述凸透镜组（6）、四倍频晶体（7）、二向色镜组（8）和柱面镜（9）在激光谐振腔（1）外依次按照光路输出方向共线放置，所述控制系统（10）与所述第一声光Q开关（2a）、第二声光Q开关（2b）、第一LD侧面泵浦模块（3a）和第二LD侧面泵浦模块（3b）连接，激光器在泵浦下进行腔内二倍频时产生高功率、高重频的532nm绿激光运转，进而经腔外四倍频方法，可以产生266nm的准连续紫外激光输出。

进一步地，所述第一LD侧面泵浦模块（3a）、第二LD侧面泵浦模块（3b）和采用两个相同的808nmLD侧面泵浦模块，两个相同的Nd:YAG晶体棒作为激光增益介质，通过串接方式连接实现对应波长为1064nm的基频光振荡。

进一步地，所采用的居中放置在第一LD侧面泵浦模块和第二LD侧面泵浦模块之间，实现热致双折射补偿的90°旋光晶体（4），采用两个正透镜组成的4f系统和90°旋光晶体共同进行热致双折射效应补偿。

进一步地，所述二倍频晶体（5）是指用于1064nm基频光进行波长倍频用的非线性光学晶体，包括KTP和LBO的非线性光学晶体。

进一步地，所述凸透镜组（6）由第一凸透镜（6a）和第二凸透镜（6b）组成望远镜结构。

进一步地，所述四倍频晶体（7）是用于532nm基频光进行波长倍频用的非线性光学晶体，包括BBO和CLBO的非线性光学晶体。

进一步地，所述二向色镜组（8）包括第一二向色镜（8a）和第二二向色镜（8b），均以45°放置。

进一步地，所述控制系统（10）包括双Q开关同步控制器件和两个泵浦模块控制器件。

进一步地，所述谐振腔采用平-平直腔结构。

附图说明

图1本发明的一种进行材料精细加工的266nm全固态紫外激光器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1，本发明提供一种的进行材料精细加工的266nm全固态紫外激光器，包括：激光谐振腔（1）、第一声光Q开关（2a）、第二声光Q开关（2b）、第一LD侧面泵浦模块（3a）、第二LD侧面泵浦模块（3b）、90°旋光晶体（4）、二倍频晶体（5）、凸透镜组（6）、四倍频晶体（7）、二向色镜组（8）、柱面镜（9）和控制系统（10），其中，所述第一声光Q开关（2a）和第二声光Q开关（2b）分别在第一LD侧面泵浦模块（3a）和第二LD侧面泵浦模块（3b）两侧正交放置，第一声光Q开关（2a）、第二声光Q开关（2b）、第一LD侧面泵浦模块（3a）、第二LD侧面泵浦模块（3b）和90°旋光晶体（4）位于所述激光谐振腔（1）内，且对称放置，二倍频晶体（5）位于激光谐振腔（1）内紧邻输出端镜放置，所述凸透镜组（6）、四倍频晶体（7）、二向色镜组（8）和柱面镜（9）在激光谐振腔（1）外依次按照光路输出方向共线放置，所述控制系统（10）与所述第一声光Q开关（2a）、第二声光Q开关（2b）、第一LD侧面泵浦模块（3a）和第二LD侧面泵浦模块（3b）连接，激光器在泵浦下进行腔内二倍频时产生高功率、高重频的532nm绿激光运转，进而经腔外四倍频方法，可以产生266nm的准连续紫外激光输出。

其中，所述第一LD侧面泵浦模块（3a）、第二LD侧面泵浦模块（3b）和采用两个相同的808nmLD侧面泵浦模块，两个相同的Nd:YAG晶体棒作为激光增益介质，通过串接方式连接实现对应波长为1064nm的基频光振荡。

所采用的居中放置在第一LD侧面泵浦模块和第二LD侧面泵浦模块之间，实现热致双折射补偿的90°旋光晶体（4），采用两个正透镜组成的4f系统和90°旋光晶体共同进行热致双折射效应补偿。

所述二倍频晶体（5）是指用于1064nm基频光进行波长倍频用的非线性光学晶体，包括KTP和LBO的非线性光学晶体，可以角度调谐或温度调谐，从而实现从基频光到532nm倍频激光的输出。二倍频晶体放置在谐振腔内。

所述凸透镜组（6）由第一凸透镜（6a）和第二凸透镜（6b）组成望远镜结构，通过在四倍频晶体内部获得较小的束腰半径和较长的腰身，从而获得较高的倍频效率。

所述四倍频晶体（7）是用于532nm基频光进行波长倍频用的非线性光学晶体，包括BBO和CLBO的非线性光学晶体，通过角度调谐，从而实现从532nm二倍频激光到266nm四倍频紫外激光的输出。亦可采用其他1064nm四倍频非线性光学晶体。

所述二向色镜组（8）包括第一二向色镜（8a）和第二二向色镜（8b），均以45°放置，两次反射滤掉532nm激光，从而得到较纯净的266nm激光输出。此外也可采用棱镜分光方法得到纯净的266nm激光输出。

柱面镜（9）通过在一个方向上压缩紫外光斑进行光束整形，使原本椭圆的紫外光斑最终输出为近似圆形以达到材料精细加工的使用要求。

所述控制系统（10）包括双Q开关同步控制器件和两个泵浦模块控制器件。

所述谐振腔采用平-平直腔结构。

根据加工种类和需求通过调制两个声光Q开关的重复频率实现选择和设定，调制频率在1～25KHz连续可调；继而通过同步控制两个泵浦模块的工作电流实现266nm准连续紫外激光输出平均功率的调整和设定，平均功率在0～3.74W之间可调。

本发明的266nm全固态紫外激光器是采用平-平直腔结构和双Nd:YAG晶体棒串接加90°旋光晶体补偿热致双折射的方法，双声光调Q方式，通过KTP、LBO晶体进行腔内二倍频的情况下实现高功率、高重频的532nm绿激光运转，并进而通过使用BBO、CLBO晶体进行腔外四倍频方法，实现从532nm绿激光到266nm准连续紫外激光的输出。在LD抽运总功率为480W时，266nm紫外光输出平均功率达3.74W。重复频率为10kHz，对应脉冲宽度为120ns。从绿光到紫外的转换效率为6.4%，光光转换效率为0.78%。

本发明的高功率、高重频的532nm的绿光激光器的激光增益介质为Nd:YAG晶体。采用两个相同的808nmLD侧面泵浦模块，两个相同的Nd:YAG晶体棒作为激光增益介质，对应的输出波长为1064nm，倍频光输出波长对应为532nm。

本发明的高功率、高重频的532nm的绿光激光器实现倍频光输出时，由激光谐振腔全反镜、声光Q开关1、LD侧面泵浦模块1、90°旋光晶体、LD侧面泵浦模块2、声光Q开关2、二倍频晶体、激光谐振腔输出端镜组成。激光谐振腔的膜系具有合理设计，使激光器在泵浦模块泵浦下同时实现1064nm基频光谐振和532nm倍频光输出。双声光Q开关分别在两个泵浦模块两侧正交放置，通过声光调Q方式实现高功率、高重频的激光运转。90°旋光晶体居中放置在两个LD侧面泵浦模块之间，实现热致双折射的补偿。二倍频晶体是指用于1064nm基频光进行波长倍频用的光学晶体，包括KTP、LBO的非线性光学晶体，可以角度调谐或温度调谐，从而实现从基频光到532nm倍频激光的输出。二倍频晶体放置在谐振腔内。

本发明的266nm准连续紫外激光输出，通过使用BBO、CLBO晶体进行腔外四倍频方法，实现从532nm绿激光到266nm准连续紫外激光的输出。包括凸透镜1、凸透镜2、四倍频晶体、二向色镜1、二向色镜2、柱面镜。凸透镜1和凸透镜2组成望远镜结构，通过在四倍频晶体内部获得较小的束腰半径和较长的腰身，从而获得较高的倍频效率。四倍频晶体是指用于532nm基频光进行波长倍频用的光学晶体，包括BBO、CLBO的非线性光学晶体，通过角度调谐，从而实现从532nm二倍频激光到266nm四倍频紫外激光的输出。二向色镜1和二向色镜2均以45°放置，两次反射滤掉532nm激光，从而得到较纯净的266nm激光输出。柱面镜通过在一个方向上压缩紫外光斑进行光束整形，使原本椭圆的紫外光斑最终输出为近似圆形以达到材料精细加工的使用要求。

采用两个相同的808nmLD侧面泵浦模块，两个相同的Nd:YAG晶体棒作为激光增益介质，实现对应波长为1064nm的基频光振荡；通过使用KTP、LBO晶体进行腔内二倍频方式，实现高功率、高重频的532nm绿激光输出；进而通过使用BBO、CLBO晶体进行腔外四倍频方式，实现从532nm绿激光到266nm的准连续紫外激光输出；通过使用柱面镜实现激光光束整形；通过系统调制控制，可以使该系统实现材料精细加工。具体内容如下：

1）用平-平直腔结构和双Nd:YAG晶体棒串接加90°旋光晶体补偿热致双折射的方法，双声光调Q方式，实现对应波长为1064nm的准连续基频光输出。每个泵浦模块最大工作电流为25A，最高泵浦功率为240W；Nd:YAG晶体棒尺寸为Φ3mm×65mm，Nd离子掺杂浓度为0.6at.%；两个声光Q开关正交放置在两个抽运模块两侧，调制频率为1～25KHz连续可调。

2）二倍频晶体贴近输出镜放置，通过相位匹配，基频光通过KTP、LBO晶体进行腔内二倍频实现高功率、高重频的532nm绿激光输出。

3）凸透镜1和凸透镜2组成望远镜结构，532nm绿激光经过此结构，可在四倍频晶体内部获得较小的束腰半径和较长的腰身，从而获得较高的倍频效率；通过角度调谐四倍频晶体包括BBO、CLBO的非线性光学晶体，从而实现从532nm二倍频激光到266nm准连续紫外激光输出；二向色镜1和二向色镜2均以45°放置，两次反射滤掉532nm激光，从而得到较纯净的266nm激光输出。

4）通过使用在266nm紫外激光后方放置的柱面镜，可以实现在一个方向上压缩紫外光斑进行光束整形，使原本椭圆的紫外光斑最终输出为近似圆形以达到材料精细加工的使用要求。

5）根据加工种类和需求通过调制两个声光Q开关的重复频率实现选择和设定，调制频率在1～25KHz连续可调；继而通过同步控制两个泵浦模块的工作电流实现266nm准连续紫外激光输出平均功率的调整和设定，平均功率在0～3.74W之间可调。

以上对本发明所提供的进行材料精细加工的266nm全固态紫外激光器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种进行材料精细加工的266nm全固态紫外激光器，包括：激光谐振腔（1）、第一声光Q开关（2a）、第二声光Q开关（2b）、第一LD侧面泵浦模块（3a）、第二LD侧面泵浦模块（3b）、90°旋光晶体（4）、二倍频晶体（5）、凸透镜组（6）、四倍频晶体（7）、二向色镜组（8）、柱面镜（9）和控制系统（10），其中，所述第一声光Q开关（2a）和第二声光Q开关（2b）分别在第一LD侧面泵浦模块（3a）和第二LD侧面泵浦模块（3b）两侧正交放置，第一声光Q开关（2a）、第二声光Q开关（2b）、第一LD侧面泵浦模块（3a）、第二LD侧面泵浦模块（3b）和90°旋光晶体（4）位于所述激光谐振腔（1）内，且对称放置，二倍频晶体（5）位于激光谐振腔（1）内紧邻输出端镜放置，所述凸透镜组（6）、四倍频晶体（7）、二向色镜组（8）和柱面镜（9）在激光谐振腔（1）外依次按照光路输出方向共线放置，所述控制系统（10）与所述第一声光Q开关（2a）、第二声光Q开关（2b）、第一LD侧面泵浦模块（3a）和第二LD侧面泵浦模块（3b）连接。

2.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述第一LD侧面泵浦模块（3a）、第二LD侧面泵浦模块（3b）和采用两个相同的808nmLD侧面泵浦模块，两个相同的Nd:YAG晶体棒作为激光增益介质，通过串接方式连接实现对应波长为1064nm的基频光振荡。

3.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所采用的居中放置在第一LD侧面泵浦模块和第二LD侧面泵浦模块之间，实现热致双折射补偿的90°旋光晶体（4），采用两个正透镜组成的4f系统和90°旋光晶体共同进行热致双折射效应补偿。

4.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述二倍频晶体（5）是指用于1064nm基频光进行波长倍频用的非线性光学晶体，包括KTP和LBO的非线性光学晶体。

5.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述凸透镜组（6）由第一凸透镜（6a）和第二凸透镜（6b）组成望远镜结构。

6.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述四倍频晶体（7）是用于532nm基频光进行波长倍频用的非线性光学晶体，包括BBO和CLBO的非线性光学晶体。

7.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述二向色镜组（8）包括第一二向色镜（8a）和第二二向色镜（8b），均以45°放置。

8.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述控制系统（10）包括双声光Q开关同步控制器件和两个泵浦模块控制器件。

9.如权利要求1所述的激光器，其特征在于，所述谐振腔采用平-平直腔结构。

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