CN104348073A - 可调谐窄线宽深紫外激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可调谐窄线宽深紫外激光器，包括用于一个输出泵浦激光的泵浦激光器；第一分束镜，用于将泵浦激光分成第一泵浦激光和第二泵浦激光；脉冲式可调谐窄线宽振荡器，包括第一钛宝石晶体，第一泵浦激光入射到脉冲式可调谐窄线宽振荡器中并输出波长780nm-820nm的可调谐种子激光，可调谐种子激光比泵浦激光延时100-150ns；多通放大器，包括第二钛宝石晶体，第二泵浦激光入射到第二钛宝石晶体，多通放大器用于将入射到多通放大器的可调谐种子激光进行功率放大输出可调谐的基频激光；频率变换器，用于将可调谐的基频激光进行4倍频得到波长为195nm-205nm的可调谐深紫外激光。本发明的泵浦激光器数量少，成本低，并且能够用于多种应用场合。

Description

可调谐窄线宽深紫外激光器

技术领域

本发明涉及激光器，特别是涉及一种可调谐窄线宽深紫外激光器。

背景技术

窄线宽激光通常是指输出激光的光谱线宽小于1纳米（nm），甚至到皮米（pm）、飞米（fm）量级的激光。随着激光技术的发展，窄线宽激光器在精密光谱学，大气光学，激光遥感，激光冷却原子等领域有着广泛的应用。特别是窄线宽可调谐深紫外激光，其在等离子体诊断、原子固体物理、激光同位素分离等前沿基础科学研究中成为不可或缺的有效工具之一。例如在一些放射性元素的激光同位素分离时，关键点正是需要光谱线宽在飞米量级的深紫外激光从众多的同位素原子跃迁谱线中电离出所需的同位素成分；另外，当需要分离不同同位素时，需要波长可调谐的激光。

在20世纪70年代，窄线宽可调谐的染料激光迅速发展并得到了广泛的应用，其采用的腔型，压缩线宽的方法为以后全固态窄线宽激光器的发展奠定了基础。1972年，T.W.Hansch使用光栅做端镜并在腔内加入扩束系统和标准具获得了线宽为0.4pm的输出；到了20世纪80年代，随着钛宝石等宽发射光谱固体增益介质大量出现，窄线宽染料激光器的腔型及线宽压缩技术被应用到固体激光器中。Michael Hemmer等人使用体布拉格光栅做输出镜获得线宽10pm的可调谐连续输出。

但是目前为止，脉冲式窄线宽可调谐深紫外激光装置大多系统复杂，庞大，采用多个泵浦激光源，成本高，并且多数系统设计为单波长运转，无法推广并同时满足多种应用。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种解决上述技术问题的可调谐窄线宽深紫外激光器。

为了实现上述目的，本发明的一个实施例提供了一种可调谐窄线宽深紫外激光器，包括：

一个泵浦激光器，用于提供泵浦激光；

第一分束镜，用于将所述泵浦激光分成第一泵浦激光和第二泵浦激光；

脉冲式可调谐窄线宽振荡器，包括第一钛宝石晶体，所述第一泵浦激光入射到所述脉冲式可调谐窄线宽振荡器中并输出波长780nm-820nm的可调谐种子激光，所述可调谐种子激光比所述泵浦激光延时100-150ns；

多通放大器，包括第二钛宝石晶体，所述第二泵浦激光入射到所述第二钛宝石晶体，所述多通放大器用于将入射到多通放大器的可调谐种子激光进行功率放大，输出可调谐基频激光；

频率变换器，用于将所述可调谐基频激光进行4倍频得到波长为195nm-205nm的可调谐深紫外激光。

优选的，所述脉冲式可调谐窄线宽振荡器的增益腔长为120mm-300mm。

优选的，所述脉冲式可调谐窄线宽振荡器的增益腔长为160mm。

优选的，所述泵浦激光的脉冲宽度为200ns。

优选的，所述多通放大器包括形成对称“Z”型共焦结构的第一凹面全反射镜、第二凹面全反射镜、四个全反射镜、第一平面全反射镜和第二平面全反射镜，第二钛宝石晶体位于所述第一凹面全反射镜和所述第二凹面全反射镜对光线的汇聚焦点处，所述第一平面全反射镜位于所述第二钛宝石晶体和所述第一凹面全反射镜的光路之间，所述第二平面全反射镜位于所述第二钛宝石晶体和所述第二凹面全反射镜的光路之间。更优选的，四个全反射镜为四个45°全反射镜。

优选的，所述四个全反射镜为四个全反射棱镜。更优选的，四个全反射棱镜为四个45°全反射棱镜。

优选的，所述多通放大器为四通放大器。

优选的，所述第一分束镜将所述泵浦激光的20%反射成第一泵浦激光，并将所述泵浦激光的80%透射成第二泵浦激光。

优选的，所述频率变换器包括：二倍频器，用于将第一部分所述可调谐的基频激光二倍频得到可调谐的二倍频激光；双色镜，用于将剩余的可调谐的基频激光和所述可调谐的二倍频激光分束在两个不同的光路中；第二分束镜，用于将所述剩余的可调谐的基频激光分成具有第二部分的可调谐的基频激光和第三部分的可调谐的基频激光；半波片，用于将所述第二部分的可调谐的基频激光的线偏振态旋转90°；第一光路合束装置，用于将所述可调谐的二倍频激光和所述线偏振态旋转90°的可调谐的基频激光汇合到相同的光路中；三倍频器，用于将所述可调谐的二倍频激光和所述线偏振态旋转90°的可调谐的基频激光和频得到可调谐的三倍频激光；第二光路合束装置，用于将所述可调谐的三倍频激光和第三部分的可调谐的基频激光汇合到相同的光路中；四倍频器，用于将所述可调谐的三倍频激光和第三部分的可调谐的基频激光和频得到可调谐的四倍频激光。

优选的，所述第一钛宝石晶体按照布鲁斯特角切割，吸收系数为6.66，所述第二钛宝石晶体按照布鲁斯特角切割，吸收系数是4.3。

优选的，脉冲式可调谐窄线宽振荡器为littman结构脉冲式可调谐窄线宽振荡器。

本发明采用一个泵浦激光器就可以得到高功率可调谐窄线宽深紫外激光。节省了泵浦源的数量以及同步控制电路，从而降低了成本。

多通放大器中的第一平面全反射镜和第二平面全反射镜可以有效地减少多通放大器的物理长度，使得激光器装置小型化。

本发明的频率变换器将没有转化为二倍频的基频激光有效利用到三倍频和四倍频过程，提高了输出的四倍频激光的功率。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是根据本发明第一个实施例的可调谐窄线宽深紫外激光器的结构示意图。

图2是本发明第一个实施例的可调谐窄线宽深紫外激光器的四通放大器输出激光的脉冲宽度。

图3是本发明第一个实施例的可调谐窄线宽深紫外激光器的四通放大器输出激光的光谱线宽干涉条纹图。

图4是本发明第一个实施例的可调谐窄线宽深紫外激光器的输出的深紫外激光的功率调谐曲线图。

图5是本发明第一个实施例的可调谐窄线宽深紫外激光器的频率变换器输出典型激光的中心波长示意图。

图6是根据本发明第二个实施例的可调谐窄线宽深紫外激光器的结构示意图。

图7是根据本发明第三个实施例的可调谐窄线宽深紫外激光器的结构示意图。

图8是根据本发明第四个实施例的可调谐窄线宽深紫外激光器中的六通放大器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。

为了清楚示出本发明实施例中的激光的光路，在附图中仅用线条表示激光的光路，并未示出激光的光束直径。

图1是根据本发明第一个实施例的可调谐窄线宽深紫外激光器的结构示意图。如图1所述，包括泵浦激光器1、脉冲式可调谐窄线宽振荡器2、四通放大器3、频率变换器77和分束镜5。泵浦激光器1发射的泵浦激光通过凹透镜30和凸透镜31扩束准直后入射到分束镜5，分束镜5将一部分泵浦激光透射并将另一部分泵浦激光反射。经过分束镜5透射的泵浦激光依次经过平面反射镜46、平面反射镜47后方向发生了180°改变，经过凸透镜32聚焦后入射到四通放大器3中的钛宝石晶体9中，并使得钛宝石晶体9位于凸透镜32的焦点处。在本实施例中，通过平面反射镜46和平面反射镜47对泵浦激光的方向进行180°改变，可以使得泵浦激光器1发射的泵浦激光的光路发生180°折叠，从而有效的减小整个激光器的长度，有利于使得整个激光器紧凑。经过分束镜5反射的另一部分泵浦激光入射到平面反射镜6，经过平面全反射镜6反射到凸透镜33，经过凸透镜33聚焦后入射到脉冲式可调谐窄线宽振荡器2中的钛宝石晶体48。脉冲式可调谐窄线宽振荡器2中具有钛宝石晶体48、平面全反射镜73、光栅74、平面全反射镜76和耦合输出镜75，其中平面全反射双色镜73、光栅74和平面全反射镜76构成了色散腔，平面双色全反射镜73、光栅74和耦合输出镜75构成了增益腔。通过调节脉冲式可调谐窄线宽振荡器2的增益腔长在120mm-160mm之间，同时调节入射到钛宝石晶体48的泵浦激光的强度功率密度使得脉冲式可调谐窄线宽振荡器2输出的可调谐种子激光比泵浦激光延时100-150ns，另外通过调整平面全反射镜76水平方向的倾角调谐中心波长，输出波长为780-820nm的可调谐种子激光，从而输出波长在780-820nm范围并延时100-150ns的可调谐种子激光。输出的可调谐种子激光经平面全反射镜7反射，依次经过凹透镜34和凸透镜35扩束准直后再次入射到平面全反射镜8，经平面全反射镜8反射到四通放大器3的钛宝石晶体9中。

四通放大器3包括凹面全反射镜10、凹面全反射镜15、平面全反射镜13、平面全反射镜14、钛宝石晶体9以及全反射棱镜11、全反射棱镜12、全反射棱镜16、全反射棱镜17和全反射棱镜18。四通放大器3形成一个对称的“Z”型共焦结构，即钛宝石晶体9位于凹面全反射镜10和凹面全反射镜15对激光的汇聚焦点处，在本实施例中，为了减少四通放大器3的长度，在凹面全反射镜10和钛宝石晶体9的光路之间设置有平面全反射镜13，平面全反射镜13用于将从凹面全反射镜10入射过来的激光反射并汇聚到钛宝石晶体9中，并用于将从钛宝石晶体9中入射的激光反射到凹面全反射镜10上，从而平面全反射镜13对凹面全反射镜10和钛宝石晶体9之间的激光进行折叠，减小了激光器的长度。同样平面全反射镜14和平面全反射镜13的作用相同，在此不再赘述。平面全反射镜14和平面全反射镜13相对于钛宝石晶体9对称设置在钛宝石晶体9的两侧。并且凹面全反射镜10位于钛宝石晶体9的一侧（图1所示是上侧），凹面全反射镜15位于钛宝石晶体9的另一侧（图1所示是下侧）。从而凹面全反射镜15、平面全反射镜14、平面全反射镜13和凹面全反射镜10之间的光路折叠呈“Z”型。全反射棱镜11和全反射棱镜12位于和凹面全反射镜10的同侧，用于将凹面全反射镜10入射过来的激光反射到凹面全反射镜10上。全反射镜16和全反射镜17位于和凹面全反射镜15的同侧，用于将凹面全反射镜15入射过来的激光反射到凹面全反射镜15上。在其他的实施例中，全反射棱镜11、全反射棱镜12、全反射镜16和全反射镜17也可以用平面全反射镜代替。

从平面全反射镜8反射的可调谐种子激光先入射到凹面全反射镜15上，经过凹面全反射镜15反射到平面全反射镜14上，平面全反射镜14将可调谐种子激光反射到钛宝石晶体9中进行功率放大，之后入射到平面全反射镜13上，平面全反射镜13将一次放大的可调谐激光反射到凹面全反射镜10上，经过凹面全反射镜10的反射到全反射棱镜12，经过全反射棱镜12反射到全反射棱镜11，经过全反射棱镜11反射到凹面全反射镜10，再依次经凹面全反射镜10、平面全反射镜13、钛宝石晶体9、平面全反射镜14和凹面全反射镜15反射到全反射棱镜17，经过全反射棱镜17反射到全反射棱镜16，并依次经凹面全反射镜15、平面全反射镜14、钛宝石晶体9、平面全反射镜13和凹面全反射镜10反射到全反射棱镜12，经全反射棱镜12反射到全反射棱镜11，再次经过凹面全反射镜10、平面全反射镜13、钛宝石晶体9、平面全反射镜14、凹面全反射镜15反射，最后经过全反射棱镜18将激光反射出来。激光在四通放大器3中来回共四次经过钛宝石晶体9，即进行了4程放大，从而输出功率放大后的可调谐基频激光。

从四通放大器3出射的可调谐基频激光入射到半波片49和格兰棱镜50，通过旋转半波片49可以连续的改变从格兰棱镜50输出的可调谐的基频激光的功率，从而改变最终输出的可调谐深紫外激光的功率。从格兰棱镜50出射的可调谐基频激光依次经过凸透镜51和平面反射镜52后入射到LBO晶体36中倍频得到可调谐二倍频激光，没有完全转化成可调谐二倍频激光的可调谐基频激光和二倍频激光入射到双色镜37，双色镜37用于透射可调谐基频激光并反射可调谐二倍频激光。可调谐基频激光经过双色镜37透射到平面反射镜53，并依次经过凸透镜54入射到分束镜39，分束镜39透射85%的可调谐基频激光并反射15%的可调谐基频激光，经过分束镜39透射的基频激光依次经过半波片55、平面反射镜56和凸透镜57入射到双色镜41并通过双色镜41透射到BBO晶体42，其中平面反射镜53和平面反射镜56用于过滤可调谐基频激光中的可调谐二倍频激光，且半波片54用于将可调谐基频激光的线偏振态旋转90°。经过双色镜37反射的可调谐二倍频激光依次经过凸透镜58、平面反射镜59和平面反射镜60后入射到双色镜41并经过双色镜41反射到BBO晶体42，其中平面反射镜59和平面反射镜60用于过滤可调谐二倍频激光中的可调谐基频激光，BBO晶体42将位于同一光路上的可调谐基频激光和可调谐二倍频激光进行和频得到可调谐三倍频激光。可调谐三倍频激光依次经过平面反射镜61、平面反射镜62、平面反射镜63、平面反射镜64、平面反射镜65和凸透镜66入射到双色镜44上并经双色镜44反射到BBO晶体45上，其中平面反射镜61、平面反射镜62、平面反射镜63、平面反射镜64、平面反射镜65用于过滤可调谐三倍频激光中的可调谐二倍频激光和可调谐基频激光。另一方面，经过分束镜39反射后的基频激光依次经过平面反射镜67和平面反射镜68以及凸透镜69入射到双色镜44上并经双色镜44透射到BBO晶体45上，BBO晶体45将位于同一光路上的可调谐三倍频激光和可调谐基频激光进行和频得到可调谐四倍频激光，最后通过平面反射镜70、平面反射镜71和平面反射镜72将可调谐四倍频激光反射出来，其中平面反射镜70、平面反射镜71和平面反射镜72用于将输出的可调谐四倍频激光中的可调谐三倍频激光和可调谐基频激光成分过滤干净。

下面将本实施例中光学器件的具体参数列举如下，泵浦激光器1选用Potonics Industrial公司的DM-527-30型号激光器，输出激光的中心波长为527nm，重复频率为1kHz，标称最大功率为30W，脉冲宽度为200ns。凹透镜30直径为一英寸，焦距为-150mm，对527nm激光透过率大于99.5%；凸透镜31直径为一英寸，焦距为250mm，对527nm激光透过率大于99.5%；分束镜5的直径为一英寸，对527nm激光反射率为20%，透过率为80%；平面反射镜6、平面反射镜46和平面反射镜47直径为一英寸，对527nm激光反射率大于99.5%；凸透镜33直径为一英寸，焦距为250mm，对527nm激光透过率大于99.5%；凸透镜32直径为一英寸，焦距为600mm，对527nm激光透过率大于99.5%。脉冲式可调谐窄线宽振荡器2采用基于littman结构的钛宝石窄线宽振荡器，钛宝石晶体48尺寸为4mm×4mm×4mm，布儒斯特角切割，吸收系数为6.66，其荧光上能级寿命为3.2μs；平面双色射镜73的直径为一英寸，对527nm激光透过率大于95%，对750nm-850nm范围内激光反射率大于99%；光栅74选用optomatrix的商用全息光栅，表面增镀按掠入射优化的保护金膜，刻线密度为1800线/mm，有效使用面积为46mm×10mm，典型单程衍射效率为24%；平面全反射镜76有效面积为50mm×12.5mm，对750nm-850nm范围内激光反射率大于99.5%；耦合输出镜75直径为一英寸，对750nm-850nm范围内激光反射率小于70%；色散腔长约为60mm，增益腔长约为160mm；可以通过色散腔提供的窄线宽脉冲自动注入到增益腔，因此在保证激光脉冲维持亚pm量级线宽的同时，可以提高振荡器的输出功率，输出的种子激光的重复频率为1kHz，线宽小于0.4pm，脉宽约为14ns，波长为800nm，功率大于500mW，近场光斑直径为1.5mm。凹透镜34直径为一英寸，焦距为-150mm，对750nm-850nm范围内激光透过率大于99%；凸透镜35直径为一英寸，焦距为200mm，对750nm-850nm范围内激光透过率大于99%；平面反射镜7和平面反射镜8直径为一英寸，对750nm-850nm范围内激光反射率大于99.5%。种子激光经过凹透镜34和凸透镜35扩束准直后的光斑直径为4mm。四通放大器3中的每通之间的间隔大于3米能够有效控制种子激光脉宽的展宽，钛宝石晶体9尺寸为7mm×7mm×10mm，吸收系数为4.3；凹面全反射镜10和凹面全反射镜15的直径一英寸，曲率半径为2000mm，对750nm850nm范围内激光反射率大于99.5%；平面全反射镜13和平面全反射镜14的直径一英寸，对750nm-850nm范围内激光反射率大于99.5%；全反射棱镜11、全反射棱镜12、全反射棱镜16、全反射棱镜17有效面积为13.5mm×10mm，对750nm-850nm范围内激光反射率大于99.5%。经过四通放大器3后出射的激光的重复频率为1kHz，线宽小于0.4pm，脉宽约为20ns，功率大于5W，近场光斑直径为4mm。

半波片49直径为一英寸，对750nm-850nm范围内激光透过率大于99%；格兰棱镜50的有效口径为10mm×10mm，对750nm～850nm范围内激光透过率大于99%。凸透镜51直径为1英寸，焦距为600mm，对750nm-850nm范围内激光透过率大于99.5%；平面反射镜52直径为一英寸，对750nm-850nm范围内激光反射率大于99.5%；LBO晶体36尺寸为8mm×8mm×14mm，切割角度为θ=90°，选用Ⅰ类相位匹配方式；双色镜37直径为一英寸，对750nm-850nm范围内激光透过率大于95%且对390nm-410nm范围内激光反射率大于99%；凸透镜58直径为1英寸，焦距为400mm，对390nm-410nm范围内激光透过率大于99%；平面反射镜59和平面反射镜60直径为一英寸，对390nm-410nm范围内激光反射率大于99.5%；平面反射镜53和平面反射镜56直径为一英寸，对750nm-850nm范围内激光反射率大于99.5%；凸透镜54直径为1英寸，焦距为400mm，对750nm-850nm范围内激光透过率大于99%；分束镜39的直径为1英寸，对750nm～850nm范围内激光反射率为15%，透过率为85%；半波片55直径为1英寸，对750nm-850nm范围内激光透过率大于95%；凸透镜57直径为1英寸，焦距为600mm，对750nm-850nm范围内激光透过率大于99%；双色镜41直径为1英寸，对750nm-850nm范围内激光透过率大于95%且对390nm-410nm范围内激光反射率大于99.5%；BBO晶体42尺寸为8mm×8mm×14mm，切割角度为θ=44.3°，采用Ⅰ类相位匹配方式；平面反射镜61-65直径为1英寸，对260nm-273nm范围内激光反射率大于99.5%；凸透镜66直径为1英寸，焦距为300mm，对260nm-273nm范围内激光透过率大于99%；平面反射镜67和平面反射镜68直径为1英寸，对750nm-850nm范围内激光反射率大于99.5%；凸透镜69直径为1英寸，焦距为400mm，对750nm-850nm范围内激光透过率大于99%；双色镜44直径为1英寸，对750nm-850nm范围内激光透过率大于95%且对260nm-273nm范围内激光反射率大于99%；BBO晶体45尺寸为7mm×7mm×12mm，切割角度为θ=64.8°，采用Ⅰ类相位匹配方式；平面反射镜70-72的直径为1英寸，对195nm-205nm范围内激光反射率大于99%；当基频激光功率为5W时，输出的四倍频的深紫外激光重复频率为1kHz，线宽小于1.6pm，脉宽约为20ns，典型功率值为60mW。

本发明利用脉冲式可调谐窄线宽振荡器，可以通过调整平面全反射镜76的水平方向的倾角调谐中心波长，获得调谐范围在780nm-820nm的窄线宽脉冲激光输出；然后将输出的激光注入到共焦的四通放大器，将功率从500mW提升到5W；再将放大后的基频激光注入到频率变换器，获得调谐范围为195nm～205nm的深紫外窄线宽脉冲激光。

在其他的实施例中，本领域的技术人员可知，当基频激光的中心波长调谐时，LBO晶体36的俯仰角度，BBO晶体42的左右倾斜角度，BBO晶体45的俯仰角度依次对应调整，保证最优的非线性相位匹配角进而保证最大频率变换效率。

图2是本发明第一个实施例的可调谐窄线宽深紫外激光器的四通放大器输出激光的脉冲宽度图。图2的右上角的插图是脉冲式可调谐窄线宽振荡器输出的种子激光的脉冲宽度，约为14ns（FMHW），其对应的空间宽度为4.2米。因此当种子激光脉冲在四通放大器中传播时，放大器每一通之间的传输距离最好大于4.2米，才能减少第i通的脉冲与第i-1通的脉冲在晶体中的重叠，进而减弱脉冲在多通放大过程中的展宽（其中i=2，3，4）。考虑到整套系统的空间限制及稳定性，四通放大器中的每一通之间的传输距离设计为3米，如图2所示，经过四通放大器后输出的基频激光的脉冲宽度展宽为20ns（FMHW）。这主要是由于激光脉冲在多通放大器中传播时，第i通的脉冲前沿与第i-1通的脉冲后沿重合，因此，脉冲前沿获得更高的增益，进而在放大过程中前沿的相对幅度增大较多，所以脉冲略有展宽。

图3是本发明第一个实施例的可调谐窄线宽深紫外激光器的四通放大器输出激光的光谱线宽干涉条纹图。四通放大器输出的基频激光经过两级干涉仪的干涉条纹明暗间隙非常清楚，即相干性非常好，也就是输出激光为单纵模。测试结果也表明光谱线宽小于0.4pm，同时输出800.00717nm的基频激光。

图4本发明第一个实施例的可调谐窄线宽深紫外激光器的输出的深紫外激光的功率调谐曲线图。深紫外激光的调谐功率先随着其波长的增加而增加，之后随着其波长的增加而大致呈减小趋势。深紫外激光的调谐功率在其波长为200nm附近时达到最高的80mW，在其波长为195nm时大于20mW，在205nm时大于40mW。

图5是本发明第一个实施例的可调谐窄线宽深紫外激光器的频率变换器输出激光的中心波长示意图。由于该波长是光谱仪测量，仅证明该装置可以获得195nm-205nm范围的深紫外激光，并不代表准确的线宽。

在泵浦激光同时作为四通放大器3的泵浦源的情况下，正好满足同步放大条件用于将可调谐种子激光放大。从而使得脉冲式可调谐窄线宽振荡器2和四通放大器3可以共用泵浦激光器1，因此，在获得同样功率量级的可调谐窄线宽深紫外激光输出的同时，至少节省了一个泵浦源和同步控制电路。

图6是根据本发明第二个实施例的可调谐窄线宽深紫外激光器的结构示意图。其与图1基本相同，区别在于经过分束镜5透射的泵浦激光入射到凸透镜32，并经凸透镜32聚焦后入射到四通放大器3中的钛宝石晶体9中，并使得钛宝石晶体9位于凸透镜32的焦点处。从四通放大器3出射的波长在780nm-820nm范围内的可调谐基频激光入射到切割角度为θ=90°，的LBO晶体36中，倍频得到390nm-410nm范围内的可调谐二倍频激光，由于可调谐基频激光并没有完全转化为可调谐二倍频激光，因此从LBO晶体36出射的激光中含有可调谐基频激光和可调谐二倍频激光。之后入射到双色镜37，双色分光镜37将没有完全倍频的780nm-820nm的基频激光透射到平面分束镜39，将倍频后390nm-410nm范围内的激光反射到反射镜38，平面分束镜39将70-90%的波长为780nm-820nm的基频激光透射到平面全反射镜40，将10-30%的波长为780nm-820nm的基频激光反射到半波片55上，从而使得可调谐基频激光的线偏振态旋转90°，满足三倍频所需的偏振态。从半波片55出射的基频激光入射到双色镜41上并从双色镜41透射到切割角度为θ=44.3°，的BBO晶体42上，另外，390nm-410nm范围内的二倍频激光经反射镜38、双色镜41反射后到与线偏振态旋转90°的基频激光在同一光路中，经过和频后产生波长为260nm-273nm范围内的三倍频激光，260nm-273nm范围内的三倍频激光经过反射镜43和双色镜44的反射后入射到切割角度为θ=64.8°，的BBO晶体45上，另一方面，平面全反射镜40将波长为780nm-820nm的基频激光透过双色镜44入射与三倍频激光相同的光路中，经过和频后产生波长为195nm-205nm范围内的四倍频激光。

图7是根据本发明第三个实施例的可调谐窄线宽深紫外激光器的结构示意图。其与图1基本相同，区别在于泵浦激光器1发射泵浦激光入射到分束镜5上，分束镜5将一部分泵浦激光透射并将另一部分泵浦激光反射。其中透射的泵浦激光入射到钛宝石晶体9上给四通放大器3提供泵浦源，经分束镜5反射的泵浦激光入射到平面全反射镜6上，并经平面全反射镜6反射后入射到脉冲式可调谐窄线宽振荡器2的钛宝石晶体48中。从脉冲式可调谐窄线宽振荡器2中输出的可调谐种子激光经过平面全反射镜7和8对光线的反射作用，将可调谐种子激光入射到四通放大器3中。

另外，本实施例的频率变换器4和图1所示的频率变换器77的区别在于，在频率变换器77基础上减少了平面反射镜59、平面反射镜60、平面反射镜62-65以及平面反射镜70-72。

在其它的实施例中，可以将分束镜5透射的一部分泵浦激光直接入射到钛宝石晶体48中，并将分束镜5反射的一部分泵浦激光经过另一个反射镜后入射到钛宝石晶体9中。

图8是根据本发明第四个实施例的可调谐窄线宽深紫外激光器中的六通放大器的结构示意图。其与图1的四通放大器基本相同，区别在于当需要放大的可调谐激光在第四次经过钛宝石晶体9放大后入射到平面全反射镜24，经过平面全反射镜24反射到凹面全反射镜25，从凹面全反射镜25反射的光线直接入射到全反射棱镜27上，经全反射棱镜27反射到全反射棱镜26，并依此经过凹面全反射镜25、平面全反射镜24、钛宝石晶体9、平面全反射镜23、凹面全反射镜20、全反射棱镜22、全反射棱镜21反射后，再次经过凹面全反射镜20、平面全反射镜23、钛宝石晶体9、平面全反射镜24、凹面全反射镜25反射，最后在凹面全反射镜25的光路上设置有全反射棱镜28，从而将放大后的可调谐激光反射出来。

本领域的技术人员在本发明的四通放大器和六通放大器的基础上，还可以得到其它多通放大器，例如还可以得到三通放大器、五通放大器等，这里并不对此作出限制。在实际的实施例中，可以根据泵浦激光器发射的激光的功率和脉冲式可调谐窄线宽振荡器所需的激光的功率来选择合适的分束镜以及需要的多通放大器。从而使得从多通放大器出射的可调谐基频激光的功率最大。本领域的技术人员还可以将第一个实施例中的频率变换器77用于第二个实施例或第三个实施例中，当然，也可以将第三个实施例的频率变换器4用于第一个实施例或第二个实施例中。本领域的技术人员更可以将可调谐的基频激光经过二倍频器和四倍频器进行两次倍频得到所需的四倍频深紫外激光，即先将可调谐的基频激光经过二倍频器得到可调谐的二倍频激光，将可调谐的二倍频激光分成两束激光，再将这两束激光入射到四倍频器中和频得到可调谐的四倍频激光。

本发明的可调谐窄线宽深紫外激光器采用一个泵浦激光器，通过分束镜同时给多通放大器和脉冲式可调谐窄线宽振荡器提供泵浦光源，通过调整脉冲式可调谐窄线宽振荡器的增益腔的腔长和入射到可调谐窄线宽振荡器的泵浦激光的强度密度，从而使得脉冲式可调谐窄线宽振荡器输出的可调谐种子激光比泵浦激光延时100-150ns，从而实现了多通放大器中的同步，能够输出功率放大的可调谐基频激光。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (11)

1.一种可调谐窄线宽深紫外激光器，包括：

一个泵浦激光器，用于提供泵浦激光；

第一分束镜，用于将所述泵浦激光分成第一泵浦激光和第二泵浦激光；

脉冲式可调谐窄线宽振荡器，包括第一钛宝石晶体，所述第一泵浦激光入射到所述脉冲式可调谐窄线宽振荡器中并输出波长780nm-820nm的可调谐种子激光，所述可调谐种子激光比所述泵浦激光延时100-150ns；

多通放大器，包括第二钛宝石晶体，所述第二泵浦激光入射到所述第二钛宝石晶体，所述多通放大器用于将入射到多通放大器的可调谐种子激光进行功率放大输出可调谐基频激光；

频率变换器，用于将所述可调谐基频激光进行4倍频得到波长为195nm-205nm的可调谐深紫外激光。

2.根据权利要求1所述的可调谐窄线宽深紫外激光器，其特征在于，所述脉冲式可调谐窄线宽振荡器的增益腔长为120mm-300mm。

3.根据权利要求2所述的可调谐窄线宽深紫外激光器，其特征在于，所述脉冲式可调谐窄线宽振荡器的增益腔长为160mm。

4.根据权利要求1所述的可调谐窄线宽深紫外激光器，其特征在于，所述泵浦激光的脉冲宽度为200ns。

5.根据权利要求1至4任一项所述的可调谐窄线宽深紫外激光器，其特征在于，所述多通放大器包括形成对称“Z”型共焦结构的第一凹面全反射镜、第二凹面全反射镜、四个全反射镜、第一平面全反射镜和第二平面全反射镜，第二钛宝石晶体位于所述第一凹面全反射镜和所述第二凹面全反射镜对光线的汇聚焦点处，所述第一平面全反射镜位于所述第二钛宝石晶体和所述第一凹面全反射镜的光路之间，所述第二平面全反射镜位于所述第二钛宝石晶体和所述第二凹面全反射镜的光路之间。

6.根据权利要求5所述的可调谐窄线宽深紫外激光器，其特征在于，所述四个全反射镜为四个全反射棱镜。

7.根据权利要求5所述的可调谐窄线宽深紫外激光器，其特征在于，所述多通放大器为四通放大器。

8.根据权利要求7所述的可调谐窄线宽深紫外激光器，其特征在于，所述第一分束镜将所述泵浦激光的20%反射成第一泵浦激光，并将所述泵浦激光的80%透射成第二泵浦激光。

9.根据权利要求1至4任一项所述的可调谐窄线宽深紫外激光器，其特征在于，所述频率变换器包括：

二倍频器，用于将第一部分所述可调谐的基频激光二倍频得到可调谐的二倍频激光；

双色镜，用于将剩余的可调谐的基频激光和所述可调谐的二倍频激光分束在两个不同的光路中；

第二分束镜，用于将所述剩余的可调谐的基频激光分成具有第二部分的可调谐的基频激光和第三部分的可调谐的基频激光；

半波片，用于将所述第二部分的可调谐的基频激光的线偏振态旋转90°；

第一光路合束装置，用于将所述可调谐的二倍频激光和所述线偏振态旋转90°的可调谐的基频激光汇合到相同的光路中；

三倍频器，用于将所述可调谐的二倍频激光和所述线偏振态旋转90°的可调谐的基频激光和频得到可调谐的三倍频激光；

第二光路合束装置，用于将所述可调谐的三倍频激光和第三部分的可调谐的基频激光汇合到相同的光路中；

四倍频器，用于将所述可调谐的三倍频激光和第三部分的可调谐的基频激光和频得到可调谐的四倍频激光。

10.根据权利要求1至4任一项所述的可调谐窄线宽深紫外激光器，其特征在于，所述第一钛宝石晶体按照布鲁斯特角切割，吸收系数为6.66，所述第二钛宝石晶体按照布鲁斯特角切割，吸收系数是4.3。

11.根据权利要求1至4任一项所述的可调谐窄线宽深紫外激光器，其特征在于，所述脉冲式可调谐窄线宽振荡器为littman结构脉冲式可调谐窄线宽振荡器。