CN107317218A - 一种短波长深紫外激光输出装置 - Google Patents

一种短波长深紫外激光输出装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种短波长深紫外激光输出装置，包括依次设置的第一基频源、倍频晶体、KBBF‑PCD器件、旋光器、高反镜和第二基频源；所述第一基频源，用于产生第一基频光；所述倍频晶体，通过非线性过程产生倍频光输出；所述KBBF‑PCD器件，用于输出4倍频光；所述旋光器，用于使所述4倍频光的偏振方向旋转45度后输出；所述高反镜，用于将旋转45度的所述4倍频光按照原光路返回至旋光器，偏振方向再旋转45度后，返回所述KBBF‑PCD器件中；所述第二基频源，用于产生第二基频光并与再次进入KBBF‑PCD器件的4倍频光进行和频，产生短波长深紫外激光输出。本发明利用单块KBBF‑PCD器件实现短波长深紫外激光输出；所需基频源要求低，体积小，造价低，稳定性高。

Description

一种短波长深紫外激光输出装置
技术领域
本发明涉及激光输出技术领域，更具体地，涉及一种短波长深紫外激光输出的装置。
背景技术
激光作为二十世纪最伟大的发明之一，已普遍应用于科学研究、工业、国防、医疗等领域，并带动了非线性光学、激光光谱学、量子光学、光通信、激光显示等诸多学科的兴起和发展。在特殊波长方面，短波长深紫外(DUV)波段一般介于40nm到200nm之间，由于其波长短、光子能量大，其在物理、化学、材料、生物、信息、资环等领域均有重要应用价值。
短波长深紫外激光产生方法主要包括同步辐射，气体放电，准分子激光器，自由电子激光器和全固态激光器。同步辐射和气体放电均属于非相干光源。同步辐射在1～200nm宽波段的应用中扮演了主要角色，但是缺点在于能量分辨率低(1～5meV)，光子流通量较小(1010～1012photon/s)，体积庞大，需巨额成本，由于是非相干光源，同步辐射光束聚焦性能不佳，导致光子流密度不高，约1012～1014photon/(s·cm2)。气体放电光源优点是连续运转，简单而体积小，但通常仅能利用几种气体产生特定波长的DUV光源，例如He产生58.5nm DUV光，波长单一，与同步辐射一样，它也具有非相干光的缺点，能量分辨率低(～1.2meV)，光子流通量小(<1014photon/s)。作为广泛应用的相干光源之一，准分子激光器自二十世纪七十年代发明以来，发挥了重要作用，特别是在光刻方面，DUV准分子激光器有ArF(193nm)及F2(157nm)两种。但是，准分子激光器波长调谐范围窄，气体有毒、一次充气寿命有限，基于横向气体放电运转，其光束质量较差，高光束质量、高功率运转的调控技术很复杂，难以满足各种科研装备对深紫外光源实用化与精密化的要求。DUV自由电子激光器是一种输出特性很好的新一代激光源，是同步辐射向相干输出发展的必然结果，其巨大优势在于可调范围很宽(可短至X光)且功率大，缺点是体积大、造价高，且目前技术尚不够成熟。和频(SFM)方法可通常用非线性光学(NLO)晶体产生DUV激光，但是SMF系统需要两个不同波长的激光器实现严格的时间同步、空间和偏振匹配，难于实现精密化、实用化。上述DUV光源的局限性阻碍了其广泛应用，特别是对于实用化、精密化要求高的前沿科学仪器及相关科研工作。通过半导体二极管(LD)泵浦固体激光(DPL)倍频(SHG)方法获得的DUV光源(本文以下DUV-DPL均指此类)展示了巨大的应用优势，是较理想的精密化、实用化相干光源。
由于之前没有用于直接倍频获得DUV激光的非线性光学晶体，主要通过在KB5、LBO、BBO、LB4、CLBO、CBO等非线性光学晶体中实现和频。然而这些非线性光学晶体均存在自身的缺点，如KB5、LB4晶体的非线性系数较小，BBO晶体在极低的温度下才能产生DUV激光，CLBO晶体易于潮解，LBO晶体和CBO晶体也均存在潮解性问题。特别地，和频技术系统需要两台不同波长的激光器实现严格的时间同步、空间和偏振匹配，而且设备复杂难以实现精密化和实用化。
倍频技术则可以克服和频技术的不足，直接倍频获得的DUV-DPL具有结构简单、稳定性好、寿命长等优点，是唯一能精密化、实用化的深紫外激光源。1993年陈创天研究组发现KBe2BO3F2(KBBF)晶体具有优良的深紫外光学非线性特性。通过对其结构研究和光学性能测定，发现KBBF晶体短波吸收限可短至150nm，具有适中的双折射率，可以通过直接倍频实现DUV激光输出，其倍频短波限理论值为161nm，并且KBBF晶体损伤阈值大、不易潮解。然而，KBBF晶体具有严重的z向层状生长特性，且难以长厚(通常约1～3mm)，从而导致无法按相位匹配方向切割，仅能采用大面入射。大面入射的KBBF晶体，通过调整基频光入射角度来实现相位匹配，仅可实现470nm以上基频激光的二次谐波输出。为解决这一问题，许祖彦研究组和陈创天研究组共同发明了棱镜耦合技术(PCT)，并基于此技术制作了KBBF棱镜耦合器件(KBBF-PCD)。
目前技术方案是采用单台钛宝石的基频源，利用LBO等晶体倍频产生2ω光，再利用第一块KBBF-PCD器件产生4ω激光，之后再利用第二块KBBF-PCD器件实现和频，产生4ω+ω＝5ω激光。
该方案的缺点，一是需要利用两块KBBF-PCD器件，而KBBF晶体生长困难，器件制备成本非常高，二是单台基频源需求功率达10W以上，该指标激光源技术难度大。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的短波长深紫外激光输出装置。
根据本发明的一个方面，提供一种短波长深紫外激光输出装置，包括依次设置的第一基频源、倍频晶体、KBBF-PCD器件、旋光器、高反镜和第二基频源；
所述第一基频源，用于产生第一基频光；
所述倍频晶体，用于通过非线性过程产生倍频光输出；
所述KBBF-PCD器件，用于输出4倍频光；
所述旋光器，用于接收所述4倍频激光，并使所述4倍频光的偏振方向旋转45度后输出；
所述高反镜，用于将旋转45度的所述4倍频光按照原光路返回至旋光器，偏振反向再旋转45度后返回至所述KBBF-PCD器件中，以实现与所述第二基频源产生的第二基频光和频；
所述第二基频源，用于产生第二基频光并与再次进入KBBF-PCD器件的4倍频光进行和频，产生短波长深紫外激光输出。
具体的，所述第一基频源和所述第二基频源为钛宝石基频源，可调谐范围为750nm～850nm。
进一步，所述第二基频源还用于：调节所产生的第二基频光ω2的波长，使所述第二基频光的波长与所述4倍频光的波长匹配，从而实现和频。
具体的，所述倍频晶体为LBO、BBO和KTP中的任意一种。
具体的，所述旋光器为1/4波片或45度法拉第旋光器。
进一步，所述装置还包括真空腔，所述KBBF-PCD器件、旋光器和高反镜设置于所述真空腔内。
进一步，所述装置还包括同步控制器，所述同步控制器用于控制所述第一基频源和所述第二基频源的同步关系。
本发明实施例提出一种短波长深紫外激光输出装置，利用两个基频源，仅采用一块KBBF-PCD器件进行和频及倍频，可实现短波长深紫外激光输出(<160nm)；整个装置具有体积小，造价低，稳定性高等特点。
附图说明
图1为本发明实施例短波长深紫外激光输出装置光路示意图；
图2为本发明实施例四次谐波的相位匹配角示意图；
图3为本发明实施例五次谐波的相位匹配角示意图；
图4为本发明实施例两台钛宝石激光器波长关系示意图；
图5为本发明实施例所述装置实现的5倍频与第一基频源输出光关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，一种短波长深紫外激光输出装置，其特征在于，包括依次设置的第一基频源、倍频晶体、KBBF-PCD器件、旋光器、高反镜和第二基频源；
所述第一基频源，用于产生第一基频光ω1；
所述倍频晶体，用于通过非线性过程产生倍频光2ω1输出；
所述KBBF-PCD器件，用于输出4倍频光4ω1；
所述旋光器，用于接收所述4倍频激光4ω1，并使所述4倍频光4ω1的偏振方向旋转45度后输出；
所述高反镜，用于将旋转45度的所述4倍频光4ω1按照原光路返回至旋光器，偏振方向再旋转45度后返回所述KBBF-PCD器件中，以实现与所述第二基频源产生的第二基频光ω2和频；
所述第二基频源，用于产生第二基频光ω2并与再次进入
KBBF-PCD器件的4倍频光进行和频，产生短波长深紫外激光输出。
图2为本发明实施例四次谐波4ω的相位匹配角示意图，图3为本发明实施例五次谐波5ω的相位匹配角示意图，根据相位匹配条件可算得4ω和5ω相位匹配角度相近，因此本发明实施例采用一块KBBF-PCD器件实现两级变频过程，从而实现短波长深紫外激光的输出。具体是，利用两个基频源，采用一块KBBF-PCD器件进行对两个基频源的输出光进行和频，获得短波长深紫外激光，其中短波长深紫外激光的波长小于160nm。目前短波长深紫外激光输出装置需要利用两块KBBF-PCD器件，由于KBBF晶体生长困难，器件制备成本非常高，由于本装置采样的KBBP-PCD器件仅为一种，使器件制备成本大大降低；并且由于采用了两个基频源，将单台基频源需求功率降低为原来的一半，使激光源技术难度降低；同时整个装置具有体积小，造价低，稳定性高等特点。
具体的，所述第一基频源和所述第二基频源为钛宝石基频源，可调谐范围为750nm～850nm。本发明实施例选用两台钛宝石基频源，单台钛宝石基频源的需求功率为5W，大大的降低了使激光源技术的难度。
进一步，所述第二基频源还用于：调节所产生的第二基频光ω2的波长，使所述第二基频光ω2的波长与所述4倍频光4ω1的波长匹配，从而实现和频。本发明实施例通过调节第二基频源的输出光波长，即第二基频光ω2的波长，使得使所述第二基频光ω2的波长与所述4倍频光4ω1的波长匹配，通过KBBF-PCD器件的非线性光学效应实现和频。具体的，在钛宝石激光器内部设计可实现波长调谐元件即可实现输出波长的调节，例如在钛宝石激光器内部设置三棱镜和/或输出耦合镜，通过调节角度三棱镜和/或输出耦合镜进行波长调谐，从而调节钛宝石激光器的输出光波长。
具体的，所述倍频晶体为LBO、BBO和KTP中的任意一种。
具体的，所述旋光器为1/4波片或45度法拉第旋光器。
请参考图1，所述短波长深紫外激光输出装置还包括：采用KBBF族晶体作为KBBF-PCD器件的非线性光学晶体，所述KBBF族晶体的两个表面分别胶合有耦合棱镜。所述两块耦合棱镜可以分别为MgF2棱镜(MgF2prism)和CaF2棱镜(CaF2prism)，优选的，所述两块耦合棱镜均为CaF2棱镜(CaF2prism)。
如图1所示，所述短波长深紫外激光输出装置还包括真空腔，所述KBBF-PCD器件、旋光器和高反镜设置于所述真空腔内，可以保护装置不受外界环境的干扰，稳定的工作。
进一步，所述短波长深紫外激光输出装置还包括同步控制器，所述同步控制器用于控制所述第一基频源和所述第二基频源的同步关系。
本发明实施例所述短波长深紫外激光输出装置的工作过程如下：
首先第一台钛宝石基频源激光发出ω1光，经LBO或BBO或KTP晶体倍频后产生2ω1光，再利用一块KBBF-PCD器件产生4ω1激光，在KBBF-PCD器件的输出光路上设置1/4波片或法拉第45°旋光器，再在旋光器之后设置高反镜，使4ω1偏振方向旋转45°后按原光路返回旋光器，偏振方向再旋转45度后返回KBBF-PCD器件中；第二台钛宝石激光设置在高反镜后，输出ω2光，ω2光入射进KBBF-PCD器件。根据同一块KBBF-PCD实现和频时所需的第二台钛宝石激光器的波长与第一台钛宝石激光波长的关系，调节第二台钛宝石激光波长，使其与该角度为4ω1波长匹配，实现和频，请参考图4本发明实施例两台钛宝石激光器波长关系图。通过以上调节过程，本发明实施例所述装置可以实现5倍频，图5为本发明实施例所述装置实现的5倍频5ω1与第一基频源输出光ω1关系示意图。
本发明实施例提供了一种单块器件实现短波长深紫外激光输出的装置，所述装置可仅采用一块KBBF-PCD器件即可实现短波长深紫外激光输出(<160nm)，同时整个装置具有体积小，造价低，稳定性高等特点，具有良好的有益效果。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种短波长深紫外激光输出装置，其特征在于，包括依次设置的第一基频源、倍频晶体、KBBF-PCD器件、旋光器、高反镜和第二基频源；
所述第一基频源，用于产生第一基频光；
所述倍频晶体，用于通过非线性过程产生倍频光输出；
所述KBBF-PCD器件，用于输出4倍频光；
所述旋光器，用于接收所述4倍频激光，并使所述4倍频光的偏振方向旋转45度后输出；
所述高反镜，用于将旋转45度的所述4倍频光按照原光路返回至旋光器，偏振方向再旋转45度后返回至所述KBBF-PCD器件中，以实现与所述第二基频源产生的第二基频光和频；
所述第二基频源，用于产生第二基频光并与再次进入KBBF-PCD器件的4倍频光进行和频，产生短波长深紫外激光输出。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一基频源和所述第二基频源为钛宝石基频源，可调谐范围为750nm～850nm。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二基频源还用于：调节所产生的第二基频光的波长，使所述第二基频光的波长与所述4倍频光的波长匹配，以实现和频。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述倍频晶体为LBO、BBO和KTP中的任意一种。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋光器为1/4波片或45度法拉第旋光器。
6.如权利要求1-5的任一项所述的装置，其特征在于，还包括真空腔，所述KBBF-PCD器件、旋光器和高反镜设置于所述真空腔内。
7.如权利要求1-5的任一项所述的装置，其特征在于，还包括同步控制器，所述同步控制器用于控制所述第一基频源和所述第二基频源的同步关系。
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