CN104143759A - 一种波长为343nm的全固态脉冲紫外激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波长为343nm的全固态脉冲紫外激光器，它由半导体激光泵源、耦合光学系统、激光输入镜、掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体、调Q开关、激光输出镜、三倍频晶体、二倍频晶体和端面激光全反镜组成。半导体激光泵源、耦合光学系统、激光输入镜、掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体、调Q开关、激光输出镜、三倍频晶体、二倍频晶体和端面激光全反镜在空间上顺次排列，激光输出镜与系统通光光轴成一定角度放置。通过脉冲驱动波长为940nm的半导体激光器，激光器将发出波长343nm的紫外脉冲激光。本发明主要用以解决质谱仪所使用的气体紫外脉冲激光器光束质量差、脉冲稳定性低、激光器工作寿命短、仪器维护成本高的问题。

Description

一种波长为343nm的全固态脉冲紫外激光器

技术领域

本发明涉及脉冲型紫外固体激光器，尤其涉及一种一种波长为343nm的全固态脉冲紫外激光器。

背景技术

作为一种高端的分析仪器，质谱仪在生物医学和材料分析领域具有极为重要的应用价值。基于激光解析离子源的质谱仪主要采用短波长的紫外脉冲激光器作为离子解析用激光源。

目前用于人体疾病预防检测的蛋白质飞行质谱仪的生产和研究常采用波长为337nm的氮气激光器作为解析激光源。在蛋白质飞行质谱仪的使用过程中，各大医院及研究院所的使用者发现使用氮气激光器的过程中不可避免的会发生氮气泄露，由此造成氮气激光器的输出功率逐渐降低，因此，该激光器的使用寿命仅仅约为3年左右。当氮气激光器不能达到使用的功率要求以后，就不得不对激光器进行充氮，这极大的影响了该仪器的实际使用。此外，氮气激光的光束质量相对较差，难以聚焦到一个很小的体积，使得质谱仪的分辨率进一步提高比较困难。

由于气体紫外激光器存在使用稳定性、光束质量、寿命等不足，使得全固态紫外激光器成为紫外激光器件研究的主流。研究、生产波长接近337nm、具有良好光学质量和长期光学稳定性的新型全固态紫外激光器对于高性能质谱仪的研制和生产具有重要价值。此外，为了使全固态脉冲紫外激光器能够顺利地在质谱仪生产中得到应用，全固态紫外脉冲激光器的性价比也是值得考虑的重要参数。

为了获得一个波长接近340nm，同时满足低重频、大能量和窄脉宽的紫外激光输出要求，一般采用的技术路线是将1微米波段的红外脉冲激光器三倍频，或者通过将1.3微米波段的红外脉冲激光四倍频。例如，利用非线性光学频率变换技术和非线性光学晶体，对Nd:YLF激光器产生的近红外1047nm波长激光进行三倍频，可以产生三次谐波的波长为349nm的紫外激光，取代目前常用的氮气激光。再例如，通过研制波长为1342nm的Nd:YVO4脉冲激光，再利用四倍频手段可以获得波长为336nm的高重频脉冲紫外激光。

但是，上述的技术手段中，利用Nd:YLF激光器产生的近红外1047nm波长激光进行三倍频获得的紫外脉冲激光波长为349nm，与337nm的氮气激光相距较远，其实际应用效果值得进一步研究；采用Nd:YVO4激光器四倍频的系统虽然可以得到波长为336nm的紫外脉冲激光，其波长与337nm相近，但激光系统本质上更适合于输出高重频、低脉冲能量的紫外激光，对于低重频、高脉冲能量的紫外激光器制作不合适。

发明内容

本发明的目的是克服其他脉冲型全固态紫外激光器的不足，提供一种波长为343nm的全固态脉冲紫外激光器。该激光器具有结构简单、紧凑，系统激光性能稳定，制作成本较低的特点。由于其工作波长接近340nm，单脉冲能量大于100μJ，可望成为新一代高性能质谱仪的理想激光解析源。

一种波长为343nm的全固态脉冲紫外激光器由半导体激光泵源1、耦合光学系统2、激光输入镜3、掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体4、调Q开关5、激光输出镜6、三倍频晶体7、二倍频晶体8和端面激光全反镜9组成。半导体激光泵源1、耦合光学系统2、激光输入镜3、掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体4、调Q开关5、激光输出镜6、三倍频晶体7、二倍频晶体8和端面激光全反镜9在空间上顺次排列，半导体激光泵源1、耦合光学系统2、激光输入镜3、掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体4、调Q开关5、三倍频晶体7、二倍频晶体8和端面激光全反镜9的通光光轴相互对准，激光输出镜6与系统通光光轴成一定角度放置(典型为45度)。所述的半导体激光泵源1是一种波长在940nm附近的半导体激光器，所述的激光输入镜3是一种在波长930-950nm高透、在波长1020-1040nm全反的双色激光反射镜；所述的掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体4中Yb离子掺杂浓度在3％-20％之间；所述的调Q开关5是一种主动调Q的电光开关或声光开关，也可以是一种四价铬离子掺杂的钇铝石榴石晶体，该晶体两侧镀有对1030nm波段的防反膜；所述的激光输出镜6是一种对1030nm高透、对343nm高反的双色激光反射镜；所述的三倍频晶体7是一种切割角度满足515nm和1030nm激光和频时相位匹配关系的三硼酸锂(LBO)晶体，晶体的两侧镀有对1030nm增透、对515nm和343nm高透的激光防反膜；所述的二倍频晶体8是一种切割角度满足1030nm激光倍频时相位匹配关系的三硼酸锂晶体(LBO)或磷酸钛氧钾(KTP)晶体，晶体的两侧镀有对1030nm增透、对515nm和343nm高透的激光防反膜；所述端面激光全反镜9是一种对1030nm、和515nm波长激光反射率均大于99％的激光高反镜。

另一种波长为343nm的全固态脉冲紫外激光器由半导体激光泵源1、耦合光学系统2、激光输入镜3、掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体4、调Q开关5、激光输出镜6、三倍频晶体7、二倍频晶体8和端面激光反射锥10组成。半导体激光泵源1、耦合光学系统2、激光输入镜3、掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体4、调Q开关5、激光输出镜6、三倍频晶体7、二倍频晶体8和端面激光反射锥10在空间上顺次排列，半导体激光泵源1、耦合光学系统2、激光输入镜3、掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体4、调Q开关5、三倍频晶体7、二倍频晶体8和端面激光反射锥10的通光光轴相互对准，激光输出镜6与系统通光光轴成一定角度放置(典型为45度)。所述的半导体激光泵源1是一种波长在940nm附近的半导体激光器，所述的激光输入镜3是一种在波长930-950nm高透、在波长1020-1040nm全反的双色激光反射镜；所述的掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体4中Yb离子掺杂浓度在3％-20％之间；所述的调Q开关5是一种主动调Q的电光开关或声光开关，也可以是一种四价铬离子掺杂的钇铝石榴石晶体，该晶体两侧镀有对1030nm波段的防反膜；所述的激光输出镜6是一种对1030nm高透、对343nm高反的双色激光反射镜；所述的三倍频晶体7是一种切割角度满足515nm和1030nm激光和频时相位匹配关系的三硼酸锂(LBO)晶体，晶体的两侧镀有对1030nm增透、对515nm和343nm高透的激光防反膜；所述的二倍频晶体8是一种切割角度满足1030nm激光倍频时相位匹配关系的三硼酸锂晶体(LBO)或磷酸钛氧钾(KTP)晶体，晶体的两侧镀有对1030nm增透、对515nm和343nm高透的激光防反膜；所述端面激光反射锥10是一种表面镀有对1030nm和515nm波长激光防反膜、三个锥面互成90度的定向反射锥体。

本发明主要用以解决质谱仪所使用的气体紫外脉冲激光器光束质量差、脉冲稳定性低、激光器工作寿命短、仪器维护成本高的问题，同时也用于解决一般低重频、高能量全固态脉冲紫外激光器激光波长偏离较大、长期稳定性低的问题，获得一种结构紧凑、成本较低、波长接近340nm、具有很好长期稳定性的新型全固态脉冲紫外激光器。掺镱的钇铝石榴石晶体在940nm附近具有较宽的吸收峰，而该波段的半导体激光工作效率高，较宽的吸收峰又使得半导体激光器的工作波长要求降低，因此对半导体激光器的工作温度没有严格的控温要求，对于提高紫外脉冲激光器的单脉冲稳定性，提升质谱仪的参数分析性能均具有重要意义。根据本发明技术研制的紫外脉冲激光器具有良好的激光特性和长期工作稳定性，性价比高，光束质量好，可望在各类质谱仪中代替传统的氮气激光器。

附图说明

图1是一种波长为343nm的全固态脉冲紫外激光器的结构示意图，其端面反射镜为常规的平面或球面激光全反镜；

图2是另一种波长为343nm的全固态脉冲紫外激光器的结构示意图，其端面反射镜为角锥反射镜；

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式：

如图1所示，一种波长为343nm的全固态脉冲紫外激光器由半导体激光泵源1、耦合光学系统2、激光输入镜3、掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体4、调Q开关5、激光输出镜6、三倍频晶体7、二倍频晶体8和端面激光全反镜9组成。半导体激光泵源1、耦合光学系统2、激光输入镜3、掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体4、调Q开关5、激光输出镜6、三倍频晶体7、二倍频晶体8和端面激光全反镜9在空间上顺次排列，半导体激光泵源1、耦合光学系统2、激光输入镜3、掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体4、调Q开关5、三倍频晶体7、二倍频晶体8和端面激光全反镜9的通光光轴相互对准，激光输出镜6与系统通光光轴成一定角度放置(典型为45度)。所述的半导体激光泵源1是一种波长在940nm附近的半导体激光器，所述的激光输入镜3是一种在波长930-950nm高透、在波长1020-1040nm全反的双色激光反射镜；所述的掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体4中Yb离子掺杂浓度在3％-20％之间；所述的调Q开关5是一种主动调Q的电光开关或声光开关，也可以是一种四价铬离子掺杂的钇铝石榴石晶体，该晶体两侧镀有对1030nm波段的防反膜；所述的激光输出镜6是一种对1030nm高透、对343nm高反的双色激光反射镜；所述的三倍频晶体7是一种切割角度满足515nm和1030nm激光和频时相位匹配关系的三硼酸锂(LBO)晶体，晶体的两侧镀有对1030nm增透、对515nm和343nm高透的激光防反膜；所述的二倍频晶体8是一种切割角度满足1030nm激光倍频时相位匹配关系的三硼酸锂晶体(LBO)或磷酸钛氧钾(KTP)晶体，晶体的两侧镀有对1030nm增透、对515nm和343nm高透的激光防反膜；所述端面激光全反镜9是一种对1030nm、和515nm波长激光反射率均大于99％的激光高反镜。激光器工作时，半导体激光泵源1发出940nm的泵浦激光，经过耦合光学系统2和激光输入镜3后入射到掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体4之上，在调Q开关5打开时，由激光输入镜4和端面激光全反镜9所组成的激光谐振腔内，开始产生1030nm波长的脉冲激光振荡，当1030nm的脉冲激光由左向右，经过二倍频晶体8之后，产生515nm的倍频光；所产生的515nm的倍频光与未转换的部分1030nm激光一起经由端面激光全反镜9反射，并再次通过倍频晶体8，此时515nm的激光再次增强；经过倍频晶体8之后，515nm激光和1030nm激光共同经过三倍频激光晶体7，产生343nm的和频激光；343nm的和频激光自右向左经过激光输出镜6时，经反射后按与光轴成90度方向转折输出。

如图2所示，另一种波长为343nm的全固态脉冲紫外激光器由半导体激光泵源1、耦合光学系统2、激光输入镜3、掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体4、调Q开关5、激光输出镜6、三倍频晶体7、二倍频晶体8和端面激光反射锥10组成。半导体激光泵源1、耦合光学系统2、激光输入镜3、掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体4、调Q开关5、激光输出镜6、三倍频晶体7、二倍频晶体8和端面激光反射锥10在空间上顺次排列，半导体激光泵源1、耦合光学系统2、激光输入镜3、掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体4、调Q开关5、三倍频晶体7、二倍频晶体8和端面激光反射锥10的通光光轴相互对准，激光输出镜6与系统通光光轴成一定角度放置(典型为45度)。所述的半导体激光泵源1是一种波长在940nm附近的半导体激光器，所述的激光输入镜3是一种在波长930-950nm高透、在波长1020-1040nm全反的双色激光反射镜；所述的掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体4中Yb离子掺杂浓度在3％-20％之间；所述的调Q开关5是一种主动调Q的电光开关或声光开关，也可以是一种四价铬离子掺杂的钇铝石榴石晶体，该晶体两侧镀有对1030nm波段的防反膜；所述的激光输出镜6是一种对1030nm高透、对343nm高反的双色激光反射镜；所述的三倍频晶体7是一种切割角度满足515nm和1030nm激光和频时相位匹配关系的三硼酸锂(LBO)晶体，晶体的两侧镀有对1030nm增透、对515nm和343nm高透的激光防反膜；所述的二倍频晶体8是一种切割角度满足1030nm激光倍频时相位匹配关系的三硼酸锂晶体(LBO)或磷酸钛氧钾(KTP)晶体，晶体的两侧镀有对1030nm增透、对515nm和343nm高透的激光防反膜；所述端面激光全反镜9是一种对1030nm、和515nm波长激光反射率均大于99％的激光高反镜。激光器工作时，半导体激光泵源1发出940nm的泵浦激光，经过耦合光学系统2和激光输入镜3后入射到掺镱的钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体4之上，在调Q开关5打开时，由激光输入镜4和端面激光反射锥10所组成的激光谐振腔内，开始产生1030nm波长的脉冲激光振荡，当1030nm的脉冲激光由左向右，经过二倍频晶体8之后，产生515nm的倍频光；所产生的515nm的倍频光与未转换的部分1030nm激光一起经由端面激光反射锥10反射，并再次通过倍频晶体8，此时515nm的激光再次增强；经过倍频晶体8之后，515nm激光和1030nm激光共同经过三倍频激光晶体7，产生343nm的和频激光；343nm的和频激光自右向左经过激光输出镜6时，经反射后按与光轴成90度方向转折输出。端面激光反射锥10的采用，使得整个激光系统具有更好长期稳定性。

本发明主要用以解决质谱仪所使用的气体紫外脉冲激光器光束质量差、脉冲稳定性低、激光器工作寿命短、仪器维护成本高的问题，同时也用于解决一般低重频、高能量全固态脉冲紫外激光器激光波长偏离较大、长期稳定性低的问题，获得一种结构紧凑、成本较低、波长接近340nm、具有很好长期稳定性的新型全固态脉冲紫外激光器。掺镱的钇铝石榴石晶体在940nm附近具有较宽的吸收峰，而该波段的半导体激光工作效率高，较宽的吸收峰又使得半导体激光器的工作波长要求降低，因此对半导体激光器的工作温度没有严格的控温要求，对于提高紫外脉冲激光器的单脉冲稳定性，提升质谱仪的参数分析性能均具有重要意义。根据本发明技术研制的紫外脉冲激光器具有良好的激光特性和长期工作稳定性，性价比高，光束质量好，可望在各类质谱仪中代替传统的氮气激光器。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种波长为343nm的全固态脉冲紫外激光器由半导体激光泵源1、耦合光学系统2、激光输入镜3、掺镱的钇铝石榴石Yb:YAG激光晶体4、调Q开关5、激光输出镜6、三倍频晶体7、二倍频晶体8和端面激光全反镜9组成。半导体激光泵源1、耦合光学系统2、激光输入镜3、掺镱的钇铝石榴石Yb:YAG激光晶体4、调Q开关5、激光输出镜6、三倍频晶体7、二倍频晶体8和端面激光全反镜9在空间上顺次排列，半导体激光泵源1、耦合光学系统2、激光输入镜3、掺镱的钇铝石榴石Yb:YAG激光晶体4、调Q开关5、三倍频晶体7、二倍频晶体8和端面激光全反镜9的通光光轴相互对准，激光输出镜6与系统通光光轴成一定角度放置。

2.另一种波长为343nm的全固态脉冲紫外激光器由半导体激光泵源1、耦合光学系统2、激光输入镜3、掺镱的钇铝石榴石Yb:YAG激光晶体4、调Q开关5、激光输出镜6、三倍频晶体7、二倍频晶体8和端面激光反射锥10组成；半导体激光泵源1、耦合光学系统2、激光输入镜3、掺镱的钇铝石榴石Yb:YAG激光晶体4、调Q开关5、激光输出镜6、三倍频晶体7、二倍频晶体8和端面激光反射锥10在空间上顺次排列，半导体激光泵源1、耦合光学系统2、激光输入镜3、掺镱的钇铝石榴石Yb:YAG激光晶体4、调Q开关5、三倍频晶体7、二倍频晶体8和端面激光反射锥10的通光光轴相互对准，激光输出镜6与系统通光光轴成一定角度放置。

3.根据权利要求1或2中，所述的半导体激光泵源1是一种波长在940nm附近的半导体激光器；所述的激光输入镜3是一种在波长930-950nm高透、在波长1020-1040nm全反的双色激光反射镜。

4.根据权利要求1或2所述的掺镱的钇铝石榴石Yb:YAG激光晶体4中Yb离子掺杂浓度在3％-20％之间。

5.根据权利要求1或2所述的调Q开关5是一种主动调Q的电光开关或声光开关，也可以是一种四价铬离子掺杂的钇铝石榴石晶体，该晶体两侧镀有对1030nm波段的防反膜。

6.根据权利要求1或2所述的激光输出镜6是一种对1030nm高透、对343nm高反的双色激光反射镜。

7.根据权利要求1或2所述的三倍频晶体7是一种切割角度满足515nm和1030nm激光和频时相位匹配关系的三硼酸锂LBO晶体，晶体的两侧镀有对1030nm增透、对515nm和343nm高透的激光防反膜。

8.根据权利要求1或2所述的二倍频晶体8是一种切割角度满足1030nm激光倍频时相位匹配关系的三硼酸锂晶体LBO或磷酸钛氧钾KTP晶体，晶体的两侧镀有对1030nm增透、对515nm和343nm高透的激光防反膜。

9.根据权利要求1所述的端面激光全反镜9是一种对1030nm和515nm波长激光反射率均大于99％的激光高反镜。

10.根据权利要求2所述的端面激光反射锥10是一种表面镀有对1030nm和515nm波长激光防反膜、三个锥面互成90度的定向反射锥体。