CN108474994B - 用于稳定相对外部运行条件的光源 - Google Patents

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Abstract

一种激光装置包括发射具有第一峰值波长的源光束的光源。非线性光学部件用于执行将所述源光束转换成具有第二峰值波长的输出光束的频率转换过程。稳定部件用于最小化构成所述第一峰值波长与所述非线性光学部件中的频率转换过程具有最大值的波长之间的差值的失配误差。所述稳定部件可以包括在所述光源和所述非线性光学部件之间的导热的壳体，以最小化所述光源和所述非线性光学部件之间的温差。所述激光装置可以包括聚焦光学部件，所述聚焦光学部件将所述源光束聚焦为具有大于输出最大输出功率的会聚半角的会聚半角，由此增加了失配误差的可接受范围。

Description

用于稳定相对外部运行条件的光源
技术领域
本发明涉及一种使用来自示例性使用激光光源的光的频率转换的光源装置，以提供一种相对运行条件的变化具有大的可运行范围的深紫外光源装置。
背景技术
有许多传统光学器件的例子，它们利用材料的非线性光学特性将第一频率的光转换成第二频率的光。常见的例子利用非线性光学特性来提供二次谐波产生(SHG)，由此将由激光光源(“泵浦”激光器)发射的具有第一频率的光转换为具有第一频率的两倍的第二频率的光。这个过程通常被称为倍频。倍频光是类激光，这意味着它具有许多类似于激光器发射的光的特性的特征，例如窄波长范围、高光束质量和强线性偏振。发射倍频光的光子器件通常也被称为激光器或倍频激光器。倍频通常用于为激光器提供发射波长，这些波长很难或不可能通过直接激光来实现。
倍频的效率可以对包括倍频非线性光学材料的温度和输入光的波长的条件的变化敏感。这种灵敏度经常需要使用部件来主动稳定在环境温度或其他条件可能变化的情况下配置的倍频激光器中的一个或多个部件的温度。倍频激光器的一个重要类别用于提供远紫外(UV)光(即波长在约200nm和约300nm之间的光)的发射的那些激光器。对于紧凑、高性能和低成本的深紫外光源，特别是对于深紫外光激光器或类激光光源来说，需求量非常大。需求量很高，因为深紫外光可用于细菌和病毒的有效无化学消毒，并且由于深紫外光的特征荧光、吸收或散射而使化学或生物化合物的传感器成为可能。在深紫外波长处没有激光二极管。
存在用于使用激光二极管发射的光的倍频来产生深紫外光的常规装置的示例。Nishimura等人[日本应用物理杂志(JapaneseJournal of Applied Physics)42p5079(2003)]描述了一种对波长为418nm的输入光束进行倍频的系统，其使用体积庞大且复杂的光学谐振器结构以产生209nm的输出波长。Tangtrongbenchasil等人[日本应用物理杂志(JapaneseJournal of Applied Physics)45p6315(2006)]描述了一种对波长为438nm的输入光束进行倍频的系统，其使用另一庞大且复杂设计的温度控制器直接施加到非线性光学部件(β-BaB2O4晶体)使所述部件保持在稳定的温度以产生219nm的波长。Tangtrongbenchasil等人[日本应用物理杂志(JapaneseJournal of Applied Physics)47，p2137(2008)]描述了一种对从激光二极管发射的波长为440nm的输入光束进行倍频的系统，其使用另一庞大且复杂设计，其中激光二极管的温度通过使用热电冷却器(TEC)保持稳定，但其输出的倍频光(波长220nm)具有非常低的光功率(约200nW)。Ruhnke等人[光学快报(OpticsLetters)40，p2127(2015)]描述了一种使用另一庞大、复杂的设计(包括确保非线性光学部件(β-BaB2O4晶体)的稳定温度在50℃的烘箱)对波长为445nm的输入光束进行倍频以产生222.5nm的波长输出的系统。在US8743922B2(Enescu等人，2014年6月3日公布)和US20150177593A1(Smeeton等人，2015年6月25日公布)中公开了使用激光二极管泵浦激光器能够发射深紫外光的倍频激光器的其他特征。
引用文献
专利文献
专利文献1:US8743922B2
专利文献1:US20150177593A1
非专利文献
非专利文献1:Nishimura等人[日本应用物理杂志(JapaneseJournal of AppliedPhysics)42p5079(2003)]
非专利文献2:Tangtrongbenchasil等人[日本应用物理杂志(JapaneseJournalof Applied Physics)45p6315(2006)]
非专利文献3:Tangtrongbenchasil等人[日本应用物理杂志(JapaneseJournalof Applied Physics)47，p2137(2008)]
非专利文献4:Ruhnke等人[光学快报(Optics Letters)40，p2127(2015)]
发明内容
本发明的一个方面是一种激光装置，包括：光源，用于发射具有第一峰值波长的源光束；非线性光学部件，用于执行将至少一部分所述源光束转换成具有不同于第一峰值波长的第二峰值波长的输出光束的频率转换过程；以及稳定部件，用于最小化构成所述源光束的所述第一峰值波长与所述非线性光学部件中的所述频率转换过程具有最大值的波长之间的差值的失配误差；其中所述稳定部件包括容纳所述光源和所述非线性光学部件的壳体。
附图说明
[图1]图1示出了根据本发明的一个方面的示例性的激光装置。
[图2]图2(a)和图2(b)示出了随着激光光源和非线性光学部件的温度变化，Λpeak，ΛPM和α之间的关系，(a)根据本发明的一个方面和(b)不根据本发明的一个方面。
[图3]图3示出了配置激光光源对α的影响，使得源光束的波长对外部运行条件的变化是稳定的。
[图4]图4示出了激光光源、非线性光学部件和散热器相对于热阻之间的关系。
[图5]图5(a)和图5(b)示出了第一比较例的激光光源和非线性光学部件的温度、激光光源的发射波长和非线性光学部件的相位匹配波长，以及波长失配误差，当(a)开启时波长失配误差为零，(b)稳态时波长失配误差为零。
[图6]图6(a)和图6(b)示出了第二比较例的激光光源和非线性光学部件的温度、激光光源的发射波长和非线性光学部件的相位匹配波长，以及波长失配误差，当(a)开启时波长失配误差为零，(b)稳态时波长失配误差为零。
[图7]图7(a)和图7(b)示出了第三比较例的激光光源和非线性光学部件的温度、激光光源的发射波长和非线性光学部件的相位匹配波长，以及波长失配误差，当(a)开启时波长失配误差为零，(b)稳态时波长失配误差为零。
[图8]图8(a)和图8(b)示出了第四比较例的激光光源和非线性光学部件的温度、激光光源的发射波长和非线性光学部件的相位匹配波长，以及波长失配误差，当(a)开启时波长失配误差为零，(b)稳态时波长失配误差为零。
[图9]图9(a)和图9(b)示出了第五比较例的激光光源和非线性光学部件的温度、激光光源的发射波长和非线性光学部件的相位匹配波长，以及波长失配误差，当(a)开启时波长失配误差为零，(b)稳态时波长失配误差为零。
[图10]图10示出了根据本发明实施例的激光装置的输出光束的温度容限和功率与入射到非线性光学部件上的源光束的会聚半角的关系的实验数据。
[图11]图11(a)和图11(b)示出了针对(a)具有大会聚半角的源光束和(b)具有小会聚半角的源光束的可用相位匹配方向的范围。
[图12]图12示出了根据本发明实施例的激光装置的温度容限与入射到非线性光学部件上源光束的会聚半角的关系的实验数据，所述非线性光学部件针对具有用于发射宽谱线宽度的源光束的激光光源的装置和具有用于发射窄谱线宽度的源光束的激光光源的装置。
[图13]图13示出了具有不同波长的源光束的输出光束的位置的实验测量值。
[图14]图14(a)、图14(b)、图14(c)、图14(d)和图14(e)示出了在三种不同运行条件下非线性光学部件传播出的输出光束的示意图以及各种光束稳定光学部件对输出光束方向的影响。
[图15]图15示出了根据本发明的一个方面的示例性激光装置。
[图16]图16为示出了针对不同输入波长Λ的源光束的β-BaB2O4晶体中的第一类相位匹配的θ合适值的表格。
[图17]图17示出了针对β-BaB2O4晶体的最佳相位匹配波长与晶体温度的函数关系，如实验测量的。
[图18]图18示出了根据本发明的一个方面的示例性激光装置，其包括光束折叠光学部件。
[图19]图19示出了根据本发明第二实施例构建的装置的输出光束的功率与环境温度的函数关系，如实验测量的。
[图20]图20示出了根据本发明的一个方面的示例性激光装置，其包括用于加热非线性光学部件的光吸收部件。
[图21]图21示出了根据本发明的一个方面的示例性激光装置，其包括稳定输出光束的位置和/或方向的一个或多个光学部件。
[图22]图22示出了根据本发明的一个方面的示例性激光装置，其包括波长稳定部件。
[图23]图23示出了根据本发明的第二实施例构建的装置的输出光束的功率与环境温度的函数关系，如实验测量的。
具体实施方式
本发明的一个方面提供了用于产生光的装置，例如紫外光，其克服了在先前的常规装置中发现的不切实际。特别地，本发明实施例的装置在宽范围的环境温度条件和/或其他运行条件下是有效的，而不需要对装置进行主动温度控制。
根据本发明的一个方面的装置被示出在图1中。该装置1包括发射源光束3的激光光源2，该源光束3包括一个波长范围且具有入射到非线性光学部件4上的第一峰值波长Λpeak，source。该源光束3可可选地通过一个或多个光学部件10的使用耦合到非线性光学部件中。在非线性光学部件4内，该源光束3经历产生输出光束5的非线性频率转换过程，输出光束5至少一部分具有与源光束3的第一峰值波长不同的第二峰值波长，Λpeak，output≠Λpeak，source。非线性频率转换过程可以是二次谐波产生(SHG)，其中
λpeak，output≈Λpeak，source/2
该输出光束可具有在200nm≤Λpeak，output≤300nm范围内的峰值波长。本公开通篇中，波长是指当在真空中传播时所测量的光的波长，其中折射率等于1。
非线性光学部件中的频率转换过程的效率可取决于若干因素，包括源光束3的波长，非线性光学部件内的源光束的方向(例如相对于所述部件的晶轴，尤其是如果该非线性光学部件包括光学双折射材料)以及非线性光学部件的温度。对于特定配置(例如，非线性光学部件的温度和所述部件内的源光束的方向)，频率转换过程的效率取决于源光束的波长，频率转换过程具有最高效率的该源光束的波长在本文中被称为ΛPM。当源光束3和输出光束5在非线性光学部件内以恒定的相位关系传播时，频率转换过程的效率可以是最高的，该条件通常称为相位匹配条件。
非线性光学部件4优选地被配置为使得对于初始设计运行条件来说，ΛPM≒Λpeak，source。例如，非线性光学部件被配置为使频率转换过程在初始设计运行条件下部分或完全相位匹配。这可通过配置该部件来实现，使得非线性光学部件内的入射源光束3相对于非线性光学部件的晶轴的传播方向满足用于频率转换过程的相位匹配条件。波长失配误差α，在本文中被定义为源光束的峰值波长与非线性光学部件中的非线性频率转换过程具有最大值的波长之间的差值(即α＝Λpeak，source-ΛPM)。随着波长失配误差的绝对值(即|α|)的增加，频率转换过程的效率通常变小。激光装置有效的最大波长失配误差在本文中被定义为可接受的波长失配误差ω。当波长失配误差的绝对值小于或等于可接受的波长失配误差(即|α|≤ω)时，激光装置有效；当波长失配误差的绝对值大于可接受的波长失配误差(即|α|>ω)时，激光装置无效。作为例子，当输出光束5的光功率高于最小可接受功率时，激光装置是有效的。本发明的各方面提供了具有小的波长失配误差和/或大的可接受的波长失配误差的激光装置，因此该激光装置在一宽范围的运行条件下出乎意料地且有利地有效。
使用是激光的源光束产生具有类似激光特性的频率转换的输出光束，包括窄光谱线宽、高光束质量和强线性偏振。这些性质对于某些应用，例如在利用频率转换光的吸收、荧光或散射以用于感测功能的传感器中，是非常理想的，因为类激光的光可以比非类激光的光更好地准直，从而实现更长的路径长度和更高的灵敏度。类激光也可以被聚焦成比非类激光类光更小的光点尺寸，以实现更高的功率密度，并且使更小、更低成本的检测器可被使用在所述传感器中。
输出光束5传播出非线性光学部件4之后，附加的可选光学部件可以作用于输出光束5。例如，一个或多个输出光学部件(其可以包括滤光器6)可以被用来减少与输出光束5重叠的残余光束7的量。残余光束是通过非线性光学部件但不经历频率转换过程的源光束3。一个或多个输出光学部件9可以被用来聚焦、准直或重定向残余光束7或输出光束5。装置1的元件可以被封闭在壳体8内。
(一方面：用于小α的激光光源和非线性部件)
在本发明的一个方面中，即使当装置1的运行条件改变时，激光光源2和非线性光学部件4也用于保持小的波长失配误差。
通过使用激光光源2和非线性光学部件4，波长失配误差可以保持较小，使得源光束3的峰值波长随温度的变化，
Figure GDA0001682001490000081
和频率转换过程的效率最高的波长随温度的变化，
Figure GDA0001682001490000082
具有彼此近似匹配的值(即
Figure GDA0001682001490000083
)。例如，激光装置可以在等于2×Trange的温度范围内工作，当该激光光源和非线性光学部件被配置为使得以下公式被满足时：
Figure GDA0001682001490000091
其中Tj是环境温度(例如装置1被附着在的装置的表面的温度)。在优选的例子中，
Figure GDA0001682001490000092
并且在更优选的示例中，
Figure GDA0001682001490000093
与不满足该标准的装置相比，本发明的这个方面提供了在显著地更宽范围的运行条件下有效的一种装置，用于以下运行条件的变化：
1.环境温度的变化。
2.施加于激光光源2的电流和/或电压的变化。
3.从连续波运行到脉冲运行或反之亦然，或脉冲运行期间脉冲长度和/或占空比的变化。
装置有效的运行条件的范围在本文中被称为可运行范围，并且相对于诸如环境温度的特定运行条件来测量。在这种情况下，可运行范围可以被定义为输出光束5的功率保持在该范围内的输出光束的最大功率的分数(β)以上的环境温度的范围，其中，其他参数(例如施加于激光光源2的电流)不变。例如，β可以大于0.1，优选β大于0.5。β的可接受值取决于装置1的应用。或者，相对于环境温度的可运行范围可以被定义为输出光束的功率超过特定值时的环境温度范围，而其他运行参数保持在目标范围内。例如，被提供给激光光源的电流保持低于最大允许值，使得该装置可以在整个环境温度的工作范围内提供至少具有最小功率的输出光束，而不超过最大允许电流。
如前所述，非线性光学部件被配置为使得对于例如包括环境温度的初始设计运行条件来说，ΛPM≒Λpeak，source。Λpeak，source和ΛPM可能取决于各个部件的温度。因此，ΛPM≒Λpeak，source只能满足该设计运行条件。激光光源2和非线性光学部件4的温度可能远离该设计运行条件的温度由于以下一种或多种原因：
1.部件周围环境温度的变化。环境温度的升高会导致部件温度的升高，而环境温度的降低会导致部件温度的降低。
2.施加于激光光源2的电流和/或电压的变化。施加于激光光源的电将不会被转换为具有100％效率的光。未被转换为光的剩余电转换为热量。除了直接加热激光光源本身外，这些热量可能会从激光光源中消失。例如，该热量可以传递到包含该激光光源的底座或者该激光光源周围的空气。这些热量中的一部分可以经由该激光光源的底座与该非线性光学部件之间的传导、经由该激光光源与该非线性光学部件之间的空气的对流或经由其他手段被传导至非线性光学部件4。这导致非线性光学部件的温度升高。如果施加于激光光源的电流和/或电压降低，则所产生的热量将减少，并且部件的温度将降低。类似地，如果电流和/或电压增加，则所产生的热量将增加并且部件的温度将升高。该变化条件包括装置的开启，其中施加于激光光源的电流从零增加。
3.激光光源的工作模式从连续波到脉冲(或反之)的变化或者脉冲长度和/或脉冲工作的占空比的变化。相对于连续波注入电流，当该装置在脉冲状态下以相同的注入电流运行时，由于施加于激光光源的平均电功率降低，该激光光源产生的热量减少。类似地，对于脉冲长度或占空比的变化，由激光光源产生的热量可能会改变。发热量的减少导致更低的部件温度。
当部件温度远离那些设计运行条件的温度时，Λpeak，source和ΛPM可能不再近似相等(即波长失配误差的绝对值(|α|)变得大于零)。这导致频率转换过程的效率降低，波长失配误差的绝对值越大，通常导致非线性转换效率的减小越大。这导致输出光束5的功率降低。本发明人已经发现，这种行为可能会严重地限制装置1有效的运行条件的范围，并且由此减少装置的实际应用。在第一实施例中，随着上述运行条件1、2和3中的一个或多个被改变，输出光束的功率可以显著变化，使得该装置可能仅被实际用于所述条件的窄范围。该装置的运行模式(以上运行条件3)的限制首次由发明人在此呈现，并且是现有技术中以前未曾认识到的问题。
通过使用激光光源和非线性光学部件，使得
Figure GDA0001682001490000111
其中，Top为装置1运行需要的环境温度，本发明人发现该装置在宽范围的运行条件下是有效的。
另外有利的是激光光源2和非线性光学部件4被配置为使得
Figure GDA0001682001490000112
在最低温度Tmin和最高温度Tmax之间的期望的可运行的环境温度范围内。
图2(a)至(b)中的示意图表示出了本发明的这个方面的优点。图2(a)中的曲线示例性地示出了根据该方面Λpeak，source和ΛPM与温度的关系。在这种情况下ΔΛPM/ΔT和ΔΛpeak，source/ΔT在整个温度范围内各自具有一恒定值。当激光光源2和非线性光学部件4处于相同温度时，装置1被配置为使得对于初始设计条件具有近似等于零的波长失配误差。当激光光源和非线性光学部件具有相似的温度时，在图中所示的整个温度范围内，波长失配误差(α)保持很小。此外，在图2(a)所示的针对激光光源具有温度T2且非线性光学部件具有不同温度T1的示例性运行条件下，波长失配误差保持较小。相比之下，图2(b)中的情节示出了当激光光源和非线性光学部件未根据本发明的该方面进行配置时，Λpeak，source和ΛPM与温度的关系。当任一组件的温度从设计条件变化时，波长失配误差变大。
在常规装置中发现的实现宽可运行范围的常见解决方案是使用主动温度控制，该主动温度控制将激光光源2和非线性光学部件4中的一个或两个维持在恒定温度或目标温度范围内，而不管环境温度如何。这需要添加一个或多个部件到激光光源和/或非线性光学部件。该一个或多个部件基于反馈回路确定激光光源和非线性光学部件的温度并且将热量移入或移出该装置，以最小化所确定的温度与激光光源和非线性光学部件的目标温度之间的差值(例如设计运行条件的温度)。虽然这种方法能够产生具有宽可运行范围(例如关于环境温度或关于脉冲运行的占空比)的装置，但是存在若干缺点：(i)主动温度控制增加了装置的复杂性由于要求额外的部件和控制电路。这种复杂性的增加不可避免地导致制造成本的增加以及装置尺寸的增加。(ii)运行用于主动温度控制的一个或多个部件也会消耗能量，导致最终用户的运行成本增加。(iii)如果连续运行活动温度控制(例如为了最小化能量消耗)是不可接受的，那么在活动温度控制被激活和可能产生输出光束之间存在延迟，而该装置内的部件(组件)达到所需的一个温度或多个温度。本发明的实施例通过提供相对于环境温度的宽工作范围来克服这些缺点。
(一方面：稳定的激光光源波长针对小α)
在本发明的另一方面中，一个或多个可选光学部件可以用于相对于温度变化、施加于激光光源的电流的改变和/或激光光源的工作模式的改变时稳定激光光源2的发射波长。这可以进一步减少由运行条件变化引起的波长失配误差。光学部件减小ΔΛpeak，source/ΔT的幅值到一新值ΔΛ'peak，source/ΔT，使得
|ΔΛ′peak,source/ΔT|<|ΔΛpeak,source/ΔT|，
如图3所示。这在ΔΛ'peak，source/ΔT的值更接近ΔΛPM/ΔT，ΔΛpeak，source/ΔT为ΔΛPM/ΔT的情况下是特别有利的。然后波长失配误差(α)被减小，并且相比没有附加光学部件，该装置在更大的可运行范围(例如相对环境温度)是有效的。这在需要使用激光光源和非线性光学部件4的特定组合的情况下是有利的，但在其中sgn(ΔΛpeak,source/ΔT)≠sgn(ΔΛPM/ΔT)
或
ΔΛpeak,source/ΔT>2·ΔΛPM/ΔT，
任一条件下。
术语“sgn(x)”是指参数x的数学符号(即正或负)。例如，被设计产生特定输出波长Λpeak，output的装置可能意味着激光光源和非线性光学部件的组合
ΔΛpeak,source/ΔT≤2·ΔΛPM/ΔT
遭受成本增加、复杂度增加或根本不存在。
(一方面：具有热接触的壳体针对小α。)
通常，本发明的一个方面是激光装置。在示例性实施例中，激光装置包括用于发射具有第一峰值波长的源光束的光源以及用于执行频率转换过程的非线性光学部件，所述频率转换过程将所述源光束的至少一部分转换为具有不同于第一峰值波长的第二峰值波长。稳定部件用于最小化构成源光束的所述第一峰值波长与所述非线性光学部件中的所述频率转换过程具有最大值的波长之间的差值的失配误差。所述稳定部件可以包括在所述光源和所述非线性光学部件之间导热的壳体，以最小化所述光源和所述非线性光学部件之间的温差。
更具体地参照图1，在本发明的另一方面中，所述激光光源2和所述非线性光学部件4都被附着于壳体8上。所述壳体用于为针对改变的运行条件为装置1提供大的可运行范围。例如，所述壳体用于当环境温度发生变化时、施加于激光光源的电流的改变和/或激光光源的工作模式的改变时，提供有利地小的波长失配误差。在一个示例中，所述壳体具有提供小的波长失配误差的热传导特性。特别地，所述壳体的热传导特性可以用于利用根据本发明的较早方面的条件(具体地说，
Figure GDA0001682001490000141
)，使得所述热传导特性在宽范围的运行条件下在激光光源的温度和非线性光学部件的温度之间提供有利地小的误差。
所述壳体用于在所述激光光源2和所述非线性光学部件4之间提供良好的热接触，使得所述激光光源的温度变化引起所述非线性光学部件的温度变化。当所述激光光源和所述非线性光学部件彼此热接触良好时，激光器工作期间激光光源的温度与非线性光学部件的温度之间的差值小于所述温度差，如果激光光源和非线性光学部件彼此热绝缘。在稳态运行期间和在非稳态运行期间，上述温度差可能较低。另外，在激光光源与非线性光学部件相互热接触良好的情况下，即使环境温度或外部环境的温度梯度发生变化，激光光源的温度与非线性光学部件的温度之差也很小。
壳体8的热特性可以确定激光光源2的温度与非线性光学部件4的温度之间的关系。壳体的热特性可以有利地用于：
1.当装置不处于稳定热状态时，减少装置输出光束的功率的变化，以获得恒定的电注入电流。
2.当装置不处于稳定热状态时，减少维持输出光束的恒定功率所需的电注入电流的变化。
3.减少装置达到稳定热状态所需的时间。
装置不处于稳定热状态的条件包括：
1.在激光光源2开启之后并且在装置1达到稳定的热状态之前，各部件的温度不随时间明显变化。这可以被认为是“预热时间”。
2.当环境温度随时间不恒定时。
例如，壳体8的热特性可以用于使用以下中的一个或多个为激光光源和非线性光学部件之间提供良好的热接触：
1.激光光源与非线性光学部件之间的距离小于100mm，优选地小于50mm，最优选地小于30mm。
2.连接激光光源和非线性光学部件的壳体的材料的导热率至少为10W·m-1·K-1，优选地至少为100W·m-1·K-1。
3.激光光源与非线性光学部件之间的壳体的热容量小于500J·K-1，优选地小于200J·K-1，最优选地小于50J·K-1。
另外，非线性光学部件的热容量小于0.1J·K-1，有利于响应于壳体8的温度变化而快速加热或冷却所述部件。
上述参数的合适值可能取决于激光光源的配置，非线性光学部件以及激光装置的所需的运行范围，如将在本公开后续的示例中被解释的。
当壳体8的热特性用于提供激光光源和非线性光学部件之间良好的热接触时，在装置运行期间所述部件之间的温度差优选地从未超过40℃，并且更优选地从未超过10℃。这些最大温度差确保足够小的波长失配误差以实现所述装置的有效运行。
激光光源2和非线性光学部件4之间的良好的热接触可以通过所述部件之间的绝对热阻值来描述。两个部件之间的绝对热阻在此定义为在所述部件之间的1瓦热流(即K·W-1的单位)观察到的所述部件之间的温度差。如图4所示，所述激光光源与所述非线性光学部件之间的热流主要由所述激光光源与所述非线性光学部件之间的绝对热阻R1,2，所述激光光源和散热器20之间的绝对热阻R1,3以及所述非线性光学部件和所述散热器R2,3之间的绝对热阻R2,3。所述散热器是具有大热质量的主体，使得其温度响应所述激光装置产生的热量而不会显著地改变。例如，散热器可以是激光装置周围的空气，或者是附着于激光装置上的周围的散热片周围的空气。激光光源和其他部件之间的热阻(即，R1,2和R1,3)优选地由激光光源的外部封装所定义。例如，如果激光光源是安装在金属罐封装内的激光二极管，则热阻优选地由金属罐封装所定义。
所述壳体8可以有利地用于提供R1,2，R1,3和R2,3中的一个或多个的值，使得：
i)R1,2较小。这有利于激光光源和非线性光学部件之间的热传导，使得一个部件的温度变化迅速导致另一个部件的温度变化，由此减小波长失配误差。R1，2优选地小于100K·W-1，更优选地小于10K·W-1，最优选地小于1K·W-1。
ii)R1,2<R1,3。这防止来自激光光源的热量优先直接流向散热器，而不加热非线性光学部件，由此减小波长失配误差。
iii)R1,2+R2,3<R1,3。这有助于经由非线性光学部件沿热路径从激光光源到散热器的热量流动，提供从激光光源到非线性光学部件的热量的快速传导，从而减小波长失配误差。
iv)R1,3，R2,3和R3,3都较小。R3,3定义为散热器内的热阻。这有助于激光光源的热量流向非线性光学部件，从而减小波长失配误差。R1,3，R2,3和R3,3优选都小于10K·W-1。
三个对比例证明了本发明的这个方面的优点。图5(a)、图6(a)和图7(a)中的情节示意性地示出了激光光源开启之后的时间段中激光光源2的温度、非线性光学部件4的温度和波长失配误差(α)。
对于第一比较例(图5(a))，激光光源2和非线性光学部件4未附着于壳体8上，并且两个部件之间的热接触可以忽略不计(R1,2较大；例如至少1000K·W-1)。最初，激光光源和非线性光学部件都处于相似的温度，例如环境温度。当激光光源开启并且其温度趋向于在时间tss(laser)达到的稳态值时，激光光源温度增加。此时，激光光源中产生的热能的速率等于散热器20散发的热能的速率。同时，非线性光学部件的温度与其初始值相同。因此，在激光光源开启的时间与装置达到稳定热状态的时间之间的时间段内，波长失配误差变化显著。如果部件安装在实验室激光器的光学工作台上，此示例适用。例如，如果R1,2＝1000K·W-1，R2,3＝R1,3＝10K·W-1，则散热器温度为25℃，在稳定状态下，激光光源温度约为65℃时，非线性光学部件温度约为25℃，导致40℃较大的温差，并导致较大的波长失配误差。
对于第二比较例(图6(a))，激光光源2和非线性光学部件4都附着于壳体8上并且具有良好的热接触，例如在两个壳体之间的热阻(R1,2)约为10K·W-1。当激光光源开启并且其温度趋向于在时间tss(laser)达到的稳态值时，激光光源温度增加。从激光光源到非线性光学部件的热量流导致非线性光学部件的温度升高。由于相对于第一实施例的热阻(R1,2)更小，非线性光学部件的温度升高地更快并且在时间tss(nlc)处达到低于激光光源的稳态温度的稳定状态。在此期间，波长失配误差变化小于第一比较例。例如，如果R1,2＝10K·W-1，R2,3＝R1,3＝10K·W-1，则散热器温度为25℃，在稳定状态下，激光光源温度约为52℃，非线性光学部件温度约为38℃，导致14℃小的温差，因此有利于具有小的波长失配误差。
对于第三比较例(图7(a))，激光光源2和非线性光学部件4都附着于壳体8上并且具有非常好的热接触，例如两个部件之间的壳体的热阻(R1,2)小于1K·W-1。当激光光源开启并且其温度趋向于在时间tss(laser)达到的稳态值时，激光光源温度增加。从激光光源到非线性光学部件的热量流导致非线性光学部件的温度升高。由于相对于第一和第二实施例的小热阻(R1,2)，非线性光学部件的温度非常迅速地上升并且达到稳定状态(在时间tss(nlc))，这与激光光源的稳态温度相似。波长失配误差在这段时间内比第一个比较例小得多。例如，如果R1,2＝1K·W-1，R2,3＝R1,3＝10K·W-1，则散热器温度为25℃，在稳定状态下，激光光源温度约为46℃，非线性光学部件温度约为44℃，导致2℃非常小的温度差，因此有利于具有小的波长失配误差。
在上述第一至第三比较例中，激光光源和非线性光学部件被配置为使得当激光光源关闭时(例如，两个部件在环境温度下)，ΛPM和Λpeak基本相等。或者，激光光源和非线性光学部件可以用于使在tss(nlc)的ΛPM等于在tss(laser)的Λpeak。这减小了稳态运行期间的波长失配误差，但当激光光源开启时导致波长失配误差不为零，如图5(b)，图6(b)和图7(b)所示。这可能导致装置开启后的一段时间，波长失配误差不可接受的大，因此要求装置在可能被使用之前被允许“预热”。可以看出，对于第二和第三比较示例，相较于非线性光学部件被配置为使得当激光光源被开启时α＝0的装置，以这种方式使用非线性光学部件有利于减小|α|的最大值。
具有优化的热性能的壳体8的附加给装置带来了优点，该装置具有当装置不处于稳定状态时具有降低的输出功率变化以及从不稳定状态达到稳定状态花费减少的时间的期望特性。
(一方面：残余激光加热非线性光学部件针对小α)
在本发明的另一个方面中，激光装置被配置为使得穿过非线性光学部件4但不经历频率转换过程(也称为残余光束7)源光束3的部分或全部被用来加热非线性光学部件。当施加于激光光源2的电流改变和/或激光光源的工作模式改变时这可以提供有利的小波长失配误差。第四和第五比较例证明了本发明该方面的优点(参考先前描述的第一、第二和第三比较例进行)。
对于第四比较例(图8(a))，激光光源2和非线性光学部件4都附着于壳体8上，可选地，两个部件(R1,2)之间的壳体的热阻较小，并且壳体被配置为使得残余光束7被用作非线性光学部件的附加热源。残余光束的部分或全部被引导-例如使用一个或多个反射镜-使得它入射在与非线性光学部件热接触的吸收部件上。入射到吸收部件上的残余光束的部分或全部被吸收部件吸收，使得吸收光引起吸收部件的温度升高，反过来这又导致非线性光学部件的温度升高。当激光光源开启并且其温度趋向于在时间tss(laser)达到稳态值时，激光光源温度升高。由吸收部件吸收残余光束引起的吸收部件的加热以及可选地从激光光源到非线性光学部件的热流导致非线性光学部件的温度升高。由于这种加热效应，非线性光学部件的温度迅速上升并达到与激光光源的稳态温度类似的稳定状态(在时间tss(nlc))。波长失配误差在这段时间内比第一个比较例小得多。
入射到吸收部件上的残余光束7的功率可以用于当激光光源开启时提供有利地非线性光学部件的有利的温度变化。例如，引导到吸收部件上的部分残余光束可以用于有利地提供非线性光学部件的有利的温度变化。非线性光学部件与散热器和/或激光光源之间的热阻可以用于提供非线性光学部件的优选的稳态温度。
对于第五比较例(图9(a))，入射到吸收部件上的残余光束7的功率被配置为使得当激光光源2开启时，非线性光学部件4的稳态温度高于激光光源的温度。当激光光源开启并且其温度趋向于在时间tss(laser)达到的稳态值时，激光光源温度增加。吸收部件的加热是由吸收部分吸收残余光束引起的。由于这种加热效应，非线性光学部件的温度快速上升并达到比激光光源的稳态温度高的稳定状态(在时间tss(nlc))。波长失配误差在这段时间内比第一个比较例小得多。如果
Figure GDA0001682001490000201
非线性光学部件的稳态温度高于激光光源的稳态温度，则可能是有利的。
与第一至第三比较示例相同的方式，非线性光学部件可以被配置为使得ΛPM在tss(nlc)等于Λpeak，source在tss(laser)。这对第四和第五比较例的影响在图8(b)和图9(b)中示出。
对于本发明的这个方面，在残余光束7被用作非线性光学部件4的附加热源的情况下，如果非线性光学部件的热容量小于0.1J·K-1尤其有利，有利地促进所述部件响应壳体8的温度变化而快速加热或冷却。
(一方面：激光聚焦针对较大的ω)
在本发明的另一方面中，激光装置1被配置为使得可接受的波长失配误差ω较大，且因此相对于改变运行条件激光装置具有大的可运行范围条件。根据本发明的该方面，激光装置被配置为使得入射到非线性光学部件4上的源光束3具有提供大的可接受波长失配误差的会聚角。在本公开中将聚焦条件描述为入射到非线性光学部件上的激光在空气中的远场会聚半角。为了简洁起见，这也可以被称为会聚半角。
本发明人已经确定，当装置1被配置为使得源光束3的会聚半角不同于提供最大频率转换效率或最大输出功率时，可接受波长失配误差有利地增加功率(即通常被用来提供频率转换的激光装置以提供最大输出功率的会聚半角)。特别是，当会聚半角远大于提供最大频率转换效率的值时，可接受的波长失配误差有利地增加。对于通过双折射相位匹配提供相位匹配的非线性光学频率转换，在非线性光学部件中存在一个方向，对于该非线性光学部件，围绕所述方向的旋转提供输入光的相位匹配波长相对于角度变化的最大变化围绕所述方向旋转。这个方向在本文中被称为相位匹配旋转轴。如果在垂直于非线性光学部件的相位匹配旋转轴的在平面中测量的源光束的会聚半角大于提供该装置的可接受的波长失配误差最大的频率转换效率，那么该装置的可接受的波长失配误差特别有利地增加。图10中的数据说明了这些优点。在实施例1中更详细地解释的这个数据表明，当会聚半角增加远离提供最大频率转换效率的值时，激光装置的可运行范围显著有利地增加。
入射到非线性光学部件上的激光的最佳会聚半角，其用以提供最大化频率转换(例如，SHG)的输出光束的功率的一种装置，可以根据现有技术被计算出来。例如，Freegarde等人的方法[美国光学学会杂志(JournaloftheOpticalSocietyofAmerica)B14,2010(1997)]，或者如美国专利申请号2015/0177593A1中所公开的，可被使用。如果根据本发明的这个方面较大的会聚半角被使用，例如通过减小用于将激光束聚焦到非线性光学部件中的透镜的焦距，则该光束包含通过非线性光学部件的更大方向的分布。这可以起到拓宽能够经历相位匹配频率转换的波长范围的作用，如图11(a)和11(b)所示，与图11(b)相比，图11(a)对应于更宽的波长范围。这样做的效果是降低最大可实现的频率转换效率，但是增加了装置的可接受的波长失配误差，由此降低了运行条件变化的影响并且为激光装置提供了更大的可运行范围。
本发明人已经确定，没有提供大的可接受波长失配误差的本发明的这个方面，装置可能表现出差的可运行范围对于运行条件变化，包括环境温度变化和脉冲运行和连续波运行之间的变化。固态激光光源(例如半导体激光二极管)在从连续波模式运行改变为脉冲模式运行时或反之亦然时，可能在峰值发射波长Λpeak，source中表现出明显的偏移。这导致被优化成以连续波模式运行装置1，如果其以脉冲模式运行，则输出功率出乎意料地差，反之亦然，这是因为当运行模式改变时引入的波长失配误差的增加。在连续运行期间，与脉冲运行相比，更多的热量的产生导致固态激光光源达到更高的温度。另外，在脉冲运行期间，有一段时间激光光源关闭。在此期间，热量从激光光源消散，使其温度在下一个激光脉冲之前返回到环境温度。当期望在连续波和脉冲运行模式下均能够运行的装置时，增加可接受的波长失配误差的本发明的这个方面可以是另外有利的，因为当装置的运行模式改变时较大的可接受波长失配误差给予了输出功率的稳定性的提高。注意，在这种情况下，在激光开启时提高的稳定性是在连续波功率和获得的脉冲功率之间被获得，而不是在整个脉冲周期内的平均功率。对单个装置而不是两个单独装置的需求对制造商(简化制造；降低成本)和终端用户是有利的，特别是对于同时要求连续波和脉冲波的装置的应用(需要一个装置而不是两个；减少支出)。
此外，通过增加可接受的波长失配误差，非线性光学部件4的取向容限在组装期间可以被放宽。这具有简化装置的制造过程的有益效果，从而降低装置的成本。
(一方面：源光束中的广的波长范围针对较大的ω)
在本发明的另一方面中，激光装置1包括用于发射具有宽的光谱线宽的激光的激光光源2。这提供了具有大的可接受波长失配误差ω的激光装置，因此相对于改变运行条件激光装置具有较大的可运行范围。
而对于前述的方面，仅讨论了峰值波长Λpeak，source，现在源光束3的每个波长的强度I(Λ)必须被考虑。源光束的谱线宽度在本文中被定义为上波长和下波长之间的差值，其中下波长被定义为使得具有波长小于下波长的源光束的功率的比例是源光束的总功率的5％，并且上波长被定义为使得具有波长大于上波长的源光束的功率的比例是源光束的总功率的5％。
根据现有技术，优选使用具有较窄的谱线宽度(例如小于0.1nm)的激光，因为这提供了最高的频率转换效率，这是由于频率转换效率与入射到非线性光学部件上的激光的功率的非线性关系。例如，在SHG的情况下，波长为λ1的倍频输出光束的功率与波长为Λ1＝2λ1的输入光的功率的二阶近似成比例。因此，为了获得高功率的输出光束，输入光的功率被分布在非常小的波长范围内是有利的，而不是被分布在较宽波长范围内的相同功率。
然而，本发明人已经确定，结合本发明的其他方面，如果激光光源2用于具有宽的光谱线宽度，则激光装置的可运行范围的有利增加可以被获得，例如，至少0.5nm的谱线宽度，并且优选至少1nm。
使用用于发射窄的谱线宽度的激光光源的装置1的输出功率可能会被Λpeak，source或ΛPM引起的运行条件的小改变强烈影响。然而，使用用于发射宽的谱线宽度的激光光源的装置1的输出功率被发现相对于导致Λpeak，source或ΛPM改变的运行条件而言具有大得多的可运行范围。第一组装置1被制造，每个装置包括发射具有峰值波长Λpeak，source≒442nm的源光束3的激光光源2和包括用于提供源光束的第一类SHG的β-BaB2O4晶体的非线性光学部件4。第一组装置内的三个不同装置具有用于作用于源光束3以使入射在非线性光学部件上的源光束3具有三个不同的会聚半角(在垂直于β-BaB2O4晶体)的透镜，如图12中的横轴所示。在第一组的三个装置中，激光光源2被配置为使得源光束的谱线宽度为0.14nm，在本文中被称为“窄线宽”。第二组的三个装置被制造，与第一组相同，除了激光光源被配置为使得源光束的光谱线宽度大约为1.9nm，在此称为“宽线宽”。图12比较了关于第一组和第二组中的装置的非线性光学部件4的温度的实验测得的可运行范围。相同的源光束汇聚半角的情况下，第二组中的装置(“宽线宽”)具有比第一组中的装置(“窄线宽”)更大的可运行范围。在此，可运行范围已经被定义为非线性光学部件的温度范围，在设计条件下，该装置将输出光束的功率输出超过输出光束的功率的50％(即，β>0.5)，也称为半高全宽(FWHM)。通过配置具有宽的光谱线宽的激光光源，运行条件随着运行条件远离设计条件而输出光束的功率具有较小的下降的装置可以有利地被生产出。
此外，利用激光的宽谱线宽度，通过组合大于最佳值的会聚半角以获得针对单个波长(本发明的前一方面)的最高效率频率转换与激光的宽的谱线宽度的结合，可运行范围的有利增加可以通过比单独应用两个方面中的任一个所预期的频率转换效率的更小的降低被获得。
(一方面：针对输出光束的稳定的方向)
在本发明的另一方面中，一个或多个光束稳定光学部件可选地包括在装置1中，其中光束稳定光学部件作用在离开非线性光学部件4的输出光束5上，使得输出光束的方向和位置中的至少一个随着运行条件的变化而变化相比没有所述光束稳定光学部件时变化较小。
本发明人已经确定，根据本发明的其他方面的装置1的运行期间，运行条件的改变可能导致从非线性光学部件4射出的输出光束5的传播方向的改变。正如本发明的其他方面所实现的，当装置1具有大的可运行范围时，输出光束的传播方向的这种变化变得显著。
包括发射峰值波长Λpeak，source≒449nm的源光束3的激光光源2以及具有用于提供源光束的第一类SHG的β-BaB2O4晶体的非线性光学部件4的装置1被制造。透镜被配置为使得源光束3在入射到非线性光学部件上时在光束的两个平面会聚，并且源光束在β-BaB2O4晶体内形成腰部。输出光束5从非线性光学部件传播出去，输出光束5被过滤以除去残余光束7，然后输出光束5入射到CCD光束分析仪上。CCD光束分析仪记录输出光束5的强度分布。非线性光学部件与CCD光束分析仪之间的距离为8cm左右。图13显示的实验数据示出了当激光光源2用于发射具有447.9nm，448.9nm和449.6nm的峰值波长的源光束时的输出光束5的强度分布(对装置没有其他改变；对于例如非线性光学部件的方向和位置没有改变)。输出光束在水平和垂直方向的中心用白色虚线表示。输出光束中心在CCD处的位移对应于当Λpeak，source变化且具有恒定的ΛPM时从非线性光学部件传播出的输出光束的方向的变化。传播方向对运行条件的这种关系是由于非线性光学部件中沿着不同方向发生非线性光学过程的波长失配误差(由运行条件的变化引起)的变化引起的。例如，如果由激光光源发射的源光束的波长改变，由于运行条件的改变，输出光束的方向可能改变。
这具有先前未引起重视的使输出光束的方向不期望地依赖于该装置的运行条件的影响。现在由于本发明的其他方面提供的激光装置的可运行范围的有利增加这种效果被观察到。输出光束的方向随运行条件的变化对于许多应用是不利的。
一个或多个光束稳定部件可以减少或消除输出光束5的方向变化，这种方向的变化通常如图14(a)所示。示例的光束稳定部件如图14(b)至14(e)所示，并且可以是折射型、衍射型、分散型或反射型。光束稳定部件可以包括沿着输出光束的传播方向测量的与非线性光学部件4的中心相距一定距离的透镜90的任何组合，其近似等于所述透镜的有效焦距，反射或透射衍射光栅91、棱镜92和诸如离轴抛物面镜93之类的反射镜。从非线性光学部件传播出的光束在沿着根据装置1的运行条件而变化的方向上传播。例如，如图14(a)所示，在第一运行条件下，光可以沿着第一方向80传播，在第二运行条件下，光可以沿着第二方向81传播，而在第三运行条件下，光可以沿着第三方向82传播。如图14(b)至图14(e)所示，在光束与光束稳定部件相互作用后，两种不同运行条件下的光传播方向之间的差值减小。图14(a)示出了没有光束稳定部件的情况下输出光束的方向的变化。图14(b)示出了当使用凸透镜90作为光束稳定部件时的输出光束方向的变化。图14(c)示出了当使用反射型衍射光栅91作为光束稳定部件时的输出光束方向的变化。图14(d)示出了当使用棱镜92作为光束稳定部件时的输出光束方向的变化。图14(e)示出了当使用离轴抛物面曲面镜93作为光束稳定部件时输出光束方向的变化。对于图14(b)和图14(e)中的例子，光学部件(透镜或反射镜)的形状根据入射到光学部件上的光的方向提供光的方向上不同的偏转以减少输出光束的最终方向的变化。对于图14(c)和图14(d)中的例子，输出光束的方向与输出光束的波长的关系与光学部件(光栅或棱镜)组合，该光学部件根据光的波长提供光的方向上不同偏转以减小输出光束的最终方向上的变化。
通过在装置中包括光束稳定部件，输出光束与运行条件的不期望的关系被有利地消除。
本发明的各个方面可以有利地组合在一起。具体而言，提供小波长失配误差的方面和提供大的可接受波长失配误差的方面被有利地组合，以提供相对于运行条件具有宽可运行范围的激光装置。
“实施例1”
(具有λpeak，output＝225nm的深紫外激光器)
本发明的第一实施例是发射相对于环境温度和工作模式具有大的可运行范围的深紫外光谱范围内的波长(波长在约200nm和约300nm之间)的类激光的装置1。激光装置1的一示例性实施例的示意图在图15中示出。该激光装置包括发射源光束3的激光光源2和非线性光学部件4。
激光光源2可以是发射峰值波长在约400nm的较低值和约600nm的较高值之间的光的半导体激光器。激光光源优选是包括AlyInxGa1-x-yN半导体材料和AlyInxGa1-x-yN发光层(0≤x≤1；0≤y≤1)的法布里-珀罗激光二极管，这是这个实施例的其余部分。当激光光源的封装温度为25℃时(例如激光二极管的封装温度可以是激光二极管被封装在其内的金属罐的温度，例如标准的5.6mm罐封装)，激光光源发射峰值波长为Λpeak，source≒450nm的源光束3针对等于工作电流J0的注入电流。激光光源可以用于发射近衍射受限光束(如通过M2<2的光束的所有平面中的光束质量表征的)，但是该示例中的激光光源用于发射M2大致等于4和8之间的值的非衍射受限束。该示例中的激光光源被配置为针对-10℃和70℃之间的封装温度峰值波长与封装温度的关系位于-0.02nm·K-1和+0.08nm·K-1之间。优选地，针对-10℃和70℃之间的封装温度该关系在+0.01nm·K-1和+0.06nm·K-1之间。对于本实施例的其余部分，针对-10℃和70℃之间的封装温度该值大约等于+0.04nm·K-1。
非线性光学部件4用于提供由激光光源2发射的源光束3的频率转换。非线性光学部件优选地为用于提供由激光光源发射的光的双折射相位匹配第一类二次谐波发生(SHG)的β-BaB2O4晶体。优选地，β-BaB2O4晶体被排列为使得激光在其进入晶体时传播通过的晶体表面(入射表面)和输出光束在其离开晶体时传播通过的晶体表面(出射表面)都近似垂直于激光束并且激光束在离开晶体的光轴大约63°的角度(θ)处在晶体内部传播，其中激光的主电场垂直于光轴。该结构有利地提供了在大约25℃的晶体温度下在波长为ΛPM≈450nm处的高效率SHG(即，频率转换的输出光束的功率被激光的功率划分的高比率)。对于其他波长的激光，合适的θ值在图16列出。如平行于晶体内光的传播方向所测量的，β-BaB2O4晶体的长度优选地在1mm和20mm之间，更优选地在5mm和15mm之间。对于本实施例的其余部分，β-BaB2O4晶体的长度约为7mm。β-BaB2O4晶体具有在垂直于长度的两个正交方向上测量的宽度和高度，其中宽度和高度不一定相等，优选地在0.2mm和5mm之间，更优选地在约0.5mm和2mm之间，并且最优选地大约1mm。宽度和高度的较小值提供具有有利的小热容量的非线性光学部件。
通过新的实验，本发明人已经确定并首次在此示出，对于使用具有输入激光波长为Λpeak，source≒449nm(θ≈64°)的β-BaB2O4的SHG，针对如上所述且具有长度为7mm的β-BaB2O4晶体，ΛPM与温度的关系近似等于0.025nm·K-1。相关数据如图17所示，其中使用具有可调发射波长的激光器在20℃、30℃和40℃下测量7mm长的β-BaB2O4晶体的ΛPM，并确定产生最高二次谐波功率的激光波长，同时β-BaB2O4晶体内源光束束的方向不变。因此，通过激光光源的使用被配置使得峰值波长与封装温度具有如上所述的关系，可以在宽范围的运行条件(例如环境温度)下提供有利地小的波长失配误差。
再次参考图15，激光光源2发射的源光束3通过使用一个或多个可选的光学部件10被耦合到非线性光学部件4中。优选地，所述一个或多个可选的光学部件用于提供关于运行条件的变化的高效率和大的可运行范围的频率转换过程。光学部件可能影响入射到非线性光学部件上的激光的以下特性中的一个或多个：
1.光束的传播方向。
2.光束的空间位置。
3.聚焦(会聚)束的腰部的空间位置。
4.聚焦(会聚)光束的会聚半角。
例如，准直透镜11、第一柱面透镜12和第二柱面透镜13可以被设置在激光光源和非线性光学部件之间的光路中。由激光光源发射的源光束3入射到准直透镜上，准直透镜将光线收集到光束的至少一个位置中的部分或全部准直光束。合适的镜头的一个例子是焦距在2mm和5mm之间的模制或精密抛光玻璃非球面透镜。在本实施例中，准直透镜是焦距为3mm的模制玻璃非球面透镜。准直激光束入射到第一柱面透镜上，该第一柱面透镜将光聚焦在光束的第一平面中，然后入射到将光聚焦在光束的第二平面中的第二柱面透镜上(其中光束的第二平面是大致垂直于光束的第一平面)，其中第一和第二柱面透镜被配置为使得当光束向非线性光学部件4传播时，光束在光束的第一和第二平面中会聚。优选地，光束在非线性光学部件内在光束的至少一个平面(即光束平面中的最小光束宽度)处会聚到腰部。在替换选择中，单个透镜(例如球面透镜)可被用来替换第一和第二柱面透镜。
对于本示例，垂直于相位匹配轴的平面中源光束3的会聚半角在0.4°-2.7°的范围内，其可以使用焦距在30mm和200mm之间的第一柱面透镜12来提供，并且优选地大约为1.2°。对于本示例，激光在平行于相位匹配轴的平面中的会聚半角在1°-12°的范围内，其可以使用焦距在5mm和75mm之间的第二柱面透镜13来提供，并且优选地大约为6°。激光的主电场近似平行于非线性光学部件的相位匹配轴。
当激光通过非线性光学部件传播时，通过SHG从激光产生波长为λpeak,output＝Λpeak，source/2≒225nm的输出光束。未转换的激光7，在本文中也称为残余光束7(即，任何未被SHG转换的激光)和输出光束5均从非线性光学部件传播出去。残余激光和输出光束可以在空间上重叠。将残余激光的功率降低得比其将输出光束的功率降低得更多的滤光器6可被使用。最优选地，在滤光器之后，离开滤光器的输出光束的功率大于离开滤光器的残余光束的功率并且基本上与离开滤光器的输出光束重合。峰值波长为Λpeak，output的输出光束的功率，当涉及激光装置的输出光束的功率时，其被考虑；输出光束中存在的峰值波长为Λpeak，output的任何残余激光的功率不被包括。该滤光器可以包括对二次谐波光具有大于90％的反射率，更优选大于99％的反射率，并且对残余激光具有小于1％的反射率的分布式布拉格反射器(DBR)的一个或多个反射镜。合适的DBR反射镜可被制造使用在UV熔融二氧化硅基底上的MgF2和LaF3层。该滤光器还可以包括色散元件，例如被布置为空间分离输出光束和残余激光的UV熔融二氧化硅棱镜(例如Pellin-Broca棱镜或等边棱镜)。输出光束5可以使用一个或多个可选的附加光学部件9被积累成一基本准直的光束。合适的光学部件是UV熔融石英球面透镜。一个或多个附加光学部件中的任何一个可以减少具有波长为Λpeak，output的光的反射率的抗反射涂层。
激光光源2、非线性光学部件4以及可选的光学部件6、9、10的可选的一个或多个附着于优选地提供该激光光源与一个或多个非线性光学部件之间的良好的热接触的壳体8上，并且进一步地提供一种小型的激光装置。各种材料适用于该壳体，包括金属和非金属。通过选择合适的一种或多种材料及其形状，壳体用于提供容纳激光光源、非线性光学部件和任何其他光学部件的刚性平台。金属材料由于其机械刚性、导热性和易于制造成合适形状(例如通过机加工或铸造)而特别适合。合适的金属材料例如包括基于上述材料的铝、铜、锌、钢和合金。壳体进一步提供了激光光源附着的第一固定点30。该壳体还提供了非线性光学部件附着的第二固定点31。优选地，激光光源与第一固定点之间、非线性光学部件与第二固定点之间以及第一固定点与第二固定点之间的热阻都较小。第一和第二固定点之间的距离小于200mm，并且优选地小于100mm。优选地，壳体的热特性被配置为使得激光光源和β-BaB2O4晶体之间的温度差(激光二极管的外部封装的温度或激光二极管半导体芯片附着的子安装的温度)在装置工作期间(例如，从开启到稳定热状态)从未超过40℃。更优选地，所述温差从未超过10℃。
对于该示例，壳体为在第一固定点和第二固定点之间的热阻大约等于5K·W-1的连续的铝部件。壳体的占地面积优选地小于200mm×50mm，并且更优选地小于50mm×50mm，其中“占地面积”是指壳体的表面完全适合内部的矩形。
优选地，设置在激光光源2和非线性光学部件4之间的光路上的一个或多个光学部件10用于提供具有有利地大的可运行范围和良好的频率转换效率的激光装置1。根据现有技术中的信息，具有当前示例结构的激光装置相对于环境温度变化的可运行范围预期会非常小。可以使用在桑迪亚国家实验室开发的通常使用的“SNLO”公共领域软件来估计激光装置的容限，以对非线性光学材料中的频率转换过程的效率进行建模。对于用于在25℃下通过SHG将450nm激光转换为225nm输出光束的7mm长的β-BaB2O4晶体，不同温度下的期望输出功率可以使用以下方式中的SNLO的2D-mix-LP函数来计算：在设计温度相位匹配的晶体方向被计算出(例如，使用SNLO的Qmix工具)。然后使用例如在加藤等人[PROC.SPIE75821L(2010)]中找到的公式计算出一定温度范围晶体的折射率，以及基波波长和二次谐波波长之间的相位失配(Δk)被计算出。然后折射率和相位速度失配被用作2D-mix-LP模型的输入。这允许输出功率下降到例如25℃时功率的50％(即β＝0.5)的温度被发现。对于本例中描述的激光光源和非线性光学部件，预期的温度变化容限约为22℃。
然而，对于本实例的装置结构，垂直于β-BaB2O4晶体的相位匹配轴的平面中的源激光的会聚半角对频率转换效率和可运行范围的影响的实验测量如图10所示，并显示出实质意想不到的优势。首先，图10示出了输出光束的功率与会聚半角的关系。很明显，对于较小的会聚半角，输出光束的功率最高，并且对于大约0.6°的会聚半角而言接近最大值；这与现有技术(例如，美国专利申请号2015/0177593A1)的预期一致。然而，其次，图10示出了变频效率下降到其最大值的50％(半高全宽，FWHM)时实验测量的β-BaB2O4温度变化。可以看出，对于根据该示例的激光装置，当输出功率最大化(会聚半角≒0.6°)时，所测量的β-BaB2O4温度容限为约46℃，是SNLO软件预测的两倍以上。
因此，根据本发明的实施例的激光装置具有对于激光光源的温度变化(并且因此激光的波长)以及β-BaB2O4晶体的温度变化，输出光束强度的变化减小的意想不到的且有利的特征。
此外，当在垂直于相位匹配轴的平面中的会聚半角度的测量值的增加远离SHG转换效率提供的最高的会聚半角时，对β-BaB2O4或激光光源的温度的变化的容限有显著的改善。因此，根据本例的在垂直于相位匹配轴的平面中测量的会聚半角大于提供最佳频率转换效率的会聚半角的装置提供了较大的可接受的波长失配的意想不到的优点，并且因而对于温度变化、施加于激光器的注入电流的变化或者激光器的运行模式的变化该激光器具有更大的可运行范围。
对于大约等于1.2°的会聚半角，β-BaB2O4晶体的实验测量温度容限(FWHM)为75.8℃(图10)，这对应于对应的可接受的波长失配误差(ω)为37.9×0.025nm＝0.95nm(使用上述确定的0.025nm·K-1的值；图17)的半最大容限半宽度为0.5×75.8℃＝37.9℃。对于Trange＝30℃的目标可运行范围(例如，0℃至60℃，根据激光光源的许多应用需要)，ω/Trange≒0.03nm·K-1，如在详细描述的第一方面中所使用的。激光光源2被配置为使得峰值波长与温度具有大约+0.04nm·K-1的关系。非线性光学部件与温度具有大约+0.025nm·K-1的关系，
Figure GDA0001682001490000331
从而满足第一方面。
尽管该示例已经针对单个非线性光学部件进行了描述，
但应该理解，多于一个的非线性光学部件可以被使用。例如，布置成提供离散补偿的一对晶体可以被使用。尽管该实例已经针对材料β-BaB2O4进行了描述，但应该理解，其他材料可以被使用。例如，该材料可以是SiO2，Al1Ga1-yN(0.5≤y≤1)，CsLiB6O10，LiB3O5，KBe2BO3F2，Li2B4O7，LiRbB4O7，MgBaF4，Ba1-aB2-b-cO4-SiaAlbGac(0≤a≤0.15；0≤b≤0.10；0≤c≤0.04；a+b+c≠0)。
“实施例2”
(具有光束折叠光学部件的λpeak，output≒223nm的深紫外激光器)现在公开本发明的第二实施例。第二实施例与第一实施例类似，公共的特征可能不再被重复。在第二实施例中，如图18所示，光束折叠光学部件40设置在激光光源2和非线性光学部件4之间的光路上。例如，光束折叠光学部件可以是内角为45°、45°和90°的三角棱镜。该棱镜可以用于使源激光3近似垂直于与90°角相对的面进入棱镜，在棱镜的第二面经历全内反射，在棱镜的第三面经历全内反射，并以与传播方向平行的方向离开棱镜，但方向与入射到棱镜上的激光方向相反(如图18所示)。或者，光束折叠光学部件可以是反射源光束的一个或多个反射镜。
光束折叠光学部件40有利地同时实现激光光源2和非线性光学部件4之间的良好的热接触，并且使用用于提供入射至非线性光学部件上的源光束3的会聚半角的光学部件10，该非线性光学部件可提供激光器的大的可运行范围和高的频率转换效率。特别地，光束折叠光学部件使得激光光源和非线性光学部件彼此更接近，由此减小了两个部件之间的热阻。如前所述，这可以改善关于环境温度变化、施加于激光光源的电流的变化以及激光光源的运行模式的变化的可运行范围，并且可以减少激光装置从非稳态条件到达稳定需要的时间。
激光光源2可以是类似于第一实施例中的法布里-珀罗激光二极管，在25℃的封装温度下发射峰值波长Λpeak≒445.9nm的源光束3(容纳激光二极管的金属罐的温度)针对注入电流J0，其具有波长与封装温度的关系约为+0.04nm·K-1和大约1.7nm的谱线宽度。准直透镜11可以是模制非球面透镜。第一柱面透镜12和第二柱面透镜13用于聚焦源光束，使得源光束在朝向非线性光学部件4传播时在光束的至少一个平面中会聚。第一柱面透镜将源光束聚焦在包含光束的传播方向和垂直于激光的电场矢量的方向的平面中。入射到非线性光学部件上的源光束在该平面中具有大约1.2°的会聚半角。第二柱面透镜将源光束聚焦在垂直于第一柱面透镜的平面中。入射到非线性光学部件上的源光束在该平面中具有大约6°的会聚半角。在该第二实施例中前面描述的三角棱镜40用于“折叠”源光束，并且用于使源光束在穿过第一柱面透镜12之后并且在穿过第二柱面之前穿过光束折叠棱镜透镜13。准直透镜、柱面透镜和与90°角相反的光束折叠棱镜的表面都具有源光束波长的抗反射涂层。非线性光学部件是一个长度为7mm用于第一类SHG的单一β-BaB2O4晶体，类似于第一实施例，但源光束以角度θ＝64.5°远离晶体的光轴在非线性光学部件内部传播。这种配置为源光束提供了有效的SHG。源光束的主电场平行于β-BaB2O4晶体的相位匹配轴，并垂直于β-BaB2O4晶体的光轴。非线性光学部件被配置为使得当激光装置在25℃下运行时二次谐波光的功率最大。对于700mA的激光二极管注入电流，装置在封装温度为25℃时发射的Λpeak，source≒223nm的输出光束的功率为29.8μW。滤光器6被使用以降低与离开非线性光学部件的输出光束5在空间上重叠的残余激光7的功率，如第一实施例中所述。光学部件9，可包括透镜，被设置在滤光器之后以准直输出光束5。
激光光源2、准直透镜11、第一柱面透镜12、光束折射光学部件40、第二柱面透镜13、非线性光学部件4、滤光器6和透镜9全部附着于壳体8上。在本实施例中，壳体由一片铝合金制成，但其他材料也可以被使用，如第一实施例。包含本实施例中所述的各部件的壳体具有66.5mm×50mm的占地面积并且具有包括光学部件的总高度)为12.5mm。壳体配设有一使总包装尺寸达到66.5mmx50mmx15mm的盖子。激光光源与β-BaB2O4晶体之间的距离约为27mm，与不包含光束折叠光学部件的激光装置相比减小了约36mm。
本实施例中所描述的激光装置1在此被证明具有相对于环境温度的变化具有特别大的可运行范围。激光装置在3.3℃和55℃之间的环境温度下恒定的注入电流施加于激光光源的情况下工作。输出光束的功率对环境温度的依赖关系如图19所示。数据显示在整个范围内，输出光束5的功率在初始设计条件(25℃)下仍然高于输出光束的功率的55％。这证明了综合效果(A)激光装置中有利地小的波长失配误差，归因于(i)激光光源2和用于提供Λpeak与温度的关系近似等于ΛPM与温度的关系的非线性光学部件4，以及(ii)用于提供激光光源和非线性光学部件之间的良好的热接触的壳体8；(B)激光装置中有利地大的可接受波长失配误差，归因于(i)用于为源光束3提供远大于最佳频率转换效率的会聚半角的准直透镜11和第一柱面透镜12和第二柱面透镜13，以及(ii)用于发射具有宽谱线宽度的源激光的激光光源。在0℃和50℃之间的环境温度下以恒定的注入电流施加于激光光源运行的第二激光装置的输出光束的功率与环境温度的关系被绘制在图23中。数据显示对于该激光装置在整个范围内对于原始设计条件输出光束5的功率保持高于输出光束的功率的60％。
激光装置1明显不同与，并且有利于，现有技术中可以用于提供深紫外光(波长小于260nm)的激光装置。特别地，激光光源2和非线性光学部件4在紧凑型的壳体8(占地面积＝33cm2)中的组合、在激光光源和非线性光学部件之间提供的良好的热接触、不存在作用在激光光源和非线性光学部件中的至少一个的温度稳定部件以及相对于环境温度激光装置的极大的可运行范围都比现有技术中的任何示例具有新颖性。特别地，激光装置产生的近紫外线输出功率是最近的现有技术Ruhnke等人[光学通讯(Optics Letters)40，p2127(2015)]中描述的系统的两倍(大约30μW与大约16μW相比)，而在更低的激光二极管注入电流(700mA与800mA相比)下运行并且不需要将β-BaB2O4晶体置于烘箱中主动控制温度。根据本发明的实施例的发射深紫外光的具有大的可运行范围的紧凑型激光装置实现了用于感测和消毒的新技术。
图19中的数据表明在低于设计条件温度的温度下，即使当温度降低到设计条件温度以下时，波长失配误差增加，输出光束5的功率出乎意料地增加。因此，对于激光装置的可运行范围的进一步有利的改进，优选地是，非线性光学部件4用于当环境温度高于激光装置1的所要求的可运行温度范围的中间值时，为激光光源2发射的源光束3的波长提供优化的频率转换效率。例如，优选地，在可运行范围在0℃和25℃之间的激光装置中，非线性光学部件用于在25℃时提供最佳的频率转换效率，而不是如自然会出现的中间温度12.5℃。图23中的数据表示一种激光装置非线性光学部件已被配置为使得输出光束的最高功率在预期的可运行范围0℃至50℃的中间指处被获得。
“实施例3”
(利用残余蓝光加热BBO晶体的壳体。)
现在公开本发明的第三实施例。第三实施例与第二实施例类似，公共的特征可能不再被重复。在第三实施例中，如图20所示，装置1包括部分或完全吸收由激光光源2发射的源光束3的波长的光的光吸收部件50。光吸收部件50附着于非线性光学部件4上，或者可替换地其可以被附着于壳体8上靠近或者以其它方式热接触，非线性光学部件。
光吸收部件50可以是施加到非线性光学部件或壳体上的光吸收材料的涂层，例如通过阳极氧化或涂漆施加的金属氧化物层。该部件可以是附着于非线性光学部件4上或壳体8上的单独的部件，例如通过使用螺钉和可选的传热化合物或通过使用粘合剂。合适的传热化合物可以是金属氧化物传热化合物和有机硅传热化合物。合适的粘合剂可以是环氧粘合剂、氰基丙烯酸酯和UV固化粘合剂。粘合剂可以是导热粘合剂。在本实施例中，光吸收部件是与非线性光学部件4物理接触并使用UV固化粘合剂附着于壳体上的阳极氧化铝片。
壳体8可可选地包括增加光吸收部件50与激光光源2之间的热阻的一个或多个部件。壳体可可选地包括增加光吸收部件和散热器之间的热阻的一个或多个部件。该可选地一个或多个部件优选地由导热系数小于10W·m-1·K-1，更优选地小于0.5W·m-1·K-1的材料制成。在本实施例中，壳体包括由导热率约为0.2W·m-1·K-1的ABS塑料构成并且使用UV固化粘合剂附着于铝壳体的部件100上。该ABS部件100设置于非线性光学部件4与激光光源和散热器两者之间，并且是确定光吸收区域和激光光源以及光吸收区域和散热器之间的热阻的主要因素。
传播出非线性光学部件4的残余光束7可通过可选地使用一个或多个附加光学部件51(例如反射镜)而入射在光吸收部件50上。这些可选的附加光学部件可以设置于残余光束7的路径中的以下任何位置处：在非线性光学部件4和滤光器6之间；在滤光器6内；在滤光器6和光吸收部件50之间。例如，三个反射镜可以被设置于残余光束7在滤光器6和光吸收部件50之间的路径中，如图20所示。每个反射镜将基本光束反射90°角，以使光束入射到光吸收部件上。入射在光吸收部分上的一些或全部光被转换成热量，从而增加非线性光学部件的温度。ABS部件100减少从光吸收部件到达激光光源2和散热器的热量。
“实施例4”
(用于减少光束方向和/或位置的变化的部件)
现在公开本发明的第四实施例。第四实施例与第一实施例类似，公共的特征可能不再被重复。在第四实施例中，如图21所示，装置1包括当运行条件改变时减小输出光束5的方向或位置的变化的一个或多个光学部件60。如上所述，根据本公开中的任何其他实施例的装置的运行条件的变化可导致从非线性光学部件传播出去的经频率转换的输出光束(例如，二次谐波光)的方向的改变，例如如果运行条件的任何改变引起由激光光源2发射的源光束3的波长改变。表示这种影响的实验数据被显示在图13中。该数据表明当由激光光源2发射的源光束3的波长被改变时，在位于非线性光学部件大约8cm的距离(沿着输出光束的传播方向测量)的CCD光束分析仪上测量的频率转换的输出光束的位置改变。与波长为449.6nm的源光束的输出光束的方向相比，CCD光束分析仪上光束位置的变化对应于波长为447.9nm的源光束的输出光束的方向的变化大约为0.5°。由激光光源2发射的源光束3的波长可能由于施加于激光光源的电流变化、激光光源的工作模式变化(例如脉冲运行的占空比的改变或脉冲运行与连续运行之间的改变)以及激光光源的温度的变化而改变。本发明人进一步的实验已经确定，当非线性光学部件的温度改变时，输出光束的方向也可以改变。使用与如图13所示的相同的实验装置，激光光源的波长被配置为大约448nm，并且β-BaB2O4晶体(非线性光学部件)的温度被改变。发现从非线性光学部件传播的频率转换(二次谐波)输出光束的方向每β-BaB2O4晶体开尔文温度变化约0.01°。
输出光束方向的变化对于装置的应用可能是显著的缺点。例如，如果来自装置的输出光束被耦合到光学系统中，则输出光束的方向(由装置的运行条件的改变引起)的改变可能导致光学系统不可运行。例如，如果输出光束被用于一种通过使用检测部件测量已传播通过分析物的输出光束的功率来测量输出光束通过分析物传播时的吸收率的光学系统中，来自装置的输出光束的方向的改变可能导致输出光束向远离检测部件的位置传播，并且因此使得该光学系统不可运行或不可靠。
在该第四实施例中，一个或多个光学部件60被使用以减小输出光束的方向与装置的运行条件的关系。一个或多个光学部件60可以包括用于减小输出光束的方向变化的透镜。一透镜位于近似等于所述透镜的有效焦距的距离(从非线性光学部件4的中心沿着输出光束的传播方向测量)可以减小输出光束的方向的变化，如图14(b)所示，其中标记为80、81、82的方向上传播的输出光束在它们传播通过透镜时被偏转，使得在传播通过透镜之后它们的方向优选地近似平行。
在第一实施例中描述的透镜9可以用于提供这种效果(在这种情况下，透镜9为光学部件60的一示例)。尽管输出光束方向的变化被所述透镜减小了，但输出光束的空间位置仍然取决于运行条件。如果光学部件60是具有大约30mm的有效焦距的透镜，则输出光束5的方向变化为0.5°(如图13所示)，其对应于在输出光束5通过约260μm的透镜传播之后的空间位置变化。这种空间位置的变化可以通过包括一个或多个附加的光学部件60作用于输出光束5来被减小。例如，光束缩束器(反向使用的光束扩束器，即，减小输出光束的光斑尺寸)可以被使用，由此输出光束的变化的减小等于光束缩束器的缩小。光束缩束器的一个例子是焦距为f＝30mm的平凸球面透镜，然后是以伽利略配置排列的焦距为f＝-6mm的双凹球面透镜。这导致了×5的缩小，因此减小空间变化的幅值五倍。一个或多个光学部件60可以在滤光器6之前和/或之后沿着输出光束的传播方向被设置。在使用两个或更多个光学部件的情况下，光学部件可以被放置在滤光器之前和之后。该一个或多个附加的光学部件中的任何一个可以是与构成该滤光器的一个或多个光学部件相同的光学部件。
在该第四实施例中减少输出光束的方向变化的光学部件60还可以包括衍射光栅、棱镜和凹面镜(例如具有双曲线形状)中的至少一个以及代替透镜。
“实施例5”
(具有波长稳定部件的激光器。)
现在公开本发明的第五个实施例。第五实施例与第二实施例类似，公共的特征可能不再重复。在第五实施例中，如图22所示，激光装置1包括波长稳定部件70。波长稳定部件70用于在运行条件改变时减小从激光光源2发射的源光束3的波长的变化。
在本实施例中，波长稳定部件是表面衍射光栅，优选地为全息衍射光栅，其表面包括铝层并且每毫米具有3600条线。然而，通过使用每毫米具有不同数量线的光栅、具有不同表面材料层(例如银)或不同光栅类型(例如，直纹衍射光栅或体布拉格光栅)的光栅，类似的性能可以被获得。此外，通过使用分色镜或与将窄范围的波长反射回激光光源2的反射镜组合的带通滤光器，类似的性能可以被获得，在本实施例中是与第一实施例中描述的相同的激光二极管。
表面衍射光栅被布置在“Littrow”外腔二极管激光器配置中。部分或全部残余光束7入射到表面衍射光栅上，并且该光被称为入射光束71。表面衍射光栅被定向为使得入射光束71优选地通过一级衍射进行衍射(尽管更高阶的衍射可以被使用)并且部分衍射光沿着从激光二极管朝向表面衍射光栅发射的光的相同的路径向着激光二极管传播回来，但是朝向相反的方向传播。传播到激光二极管的衍射光使激光二极管优先地发射类似于所述光的波长的波。传播到激光二极管的衍射光的波长取决于表面衍射光栅的取向。对于每毫米具有3600条线的表面衍射光栅，对于450nm的波长的光入射到表面衍射光栅上的角度约为54.1°。传播到激光二极管的衍射光的波长并不强烈依赖于激光二极管的运行条件。因此，衍射光的作用是稳定激光二极管发射的光的波长Λpeak，source以防止由于运行条件的变化而引起的变化，例如，环境温度的变化、施加于激光二极管的电流和/或电压的变化、光二极管的脉冲运行的占空比的变化、激光二极管的脉冲运行与连续运行之间的变化。因此，与不包括波长稳定部件的装置相比，频率转换过程(本实施例中的二次谐波产生)的波长失配误差可以被减小，由此使得装置1比不包括波长稳定部件的装置可以具有更大的可运行范围。此外，由于λpeak,output依赖于Λpeak，source，激光装置1的输出光束5的波长λpeak,output也可以相对于运行条件的变化而稳定。这也可以为激光装置提供更大的可运行范围，例如在对输出光束的波长显著变化不接受的应用中。
在本实施例中，如图22所示，激光二极管发射的光在入射到波长稳定部件70之前入射到非线性光学部件4和滤光器6上，然后传播回激光二极管的衍射光束在到达激光二极管之前也入射到滤光器和非线性光学部件上。一个或多个光学部件72可以被添加，以准直或聚焦残余光束7形成入射在表面衍射光栅上的入射光束71。入射光束71优选地在表面衍射光栅处形成腰部。用于光学部件72的合适的光学部件可以是焦距在5mm和200mm之间，优选地在30mm和150mm之间的球面透镜。或者，合适的系统包括两个柱面透镜，每个柱面透镜具有5mm和200mm之间的焦距，其中第一柱面透镜将光聚焦在第一平面中，并且第二透镜将光聚焦在垂直于第一平面的第二平面中。两个柱面透镜的焦距可能不同。一个或多个光学部件可以与在第一实施例中用于准直输出光束5的一个或多个光学部件9相同，但是情况不一定如此。在本实施例中，光学部件72是球面透镜。如第三实例中所述，来自衍射光栅的入射光束71的部分或全部镜面反射(零阶衍射)可被用来加热非线性光学部件4。在表面衍射光栅中的衍射光中衍射的入射光束71的功率的部分可以在1％至99％的范围内，并且对于本实施例优选地在50％至99％的范围内。
一种根据第五实施例构造的激光装置1。除非另有说明，该装置与第二实施例中描述的装置1相当。表面衍射光栅(每毫米具有3600条线的全息衍射光栅)被用作为波长稳定部件70，并且有效焦距为30mm(对于波长λ＝588nm)的球面透镜被作为光学部件72，如图22所示。表面衍射光栅以一种取向永久地附着于壳体8上，使得入射光束71沿着返回激光二极管的光路被衍射(一级衍射)。在该配置中，由激光二极管发射的光峰值波长Λpeak，source≒447.1nm，并且对于环境温度发射波长的变化大约为0.005nm·K-1。
在本实施例的一替换装置中(图22中未示出)，波长稳定部件70可以被设置在激光光源2和非线性光学部件4之间的光路上。例如，波长稳定部件可以是表面衍射光栅，其被布置成使由激光二极管发射的光被准直透镜11基本上准直，然后入射在所述表面衍射光栅上。在该装置中，入射在表面衍射光栅上的光被衍射作为返回到激光二极管的衍射光的功率的部分(例如一级衍射)可以在1％至99％的范围内，但对于本实施例优选地在5％至20％的范围内。然后入射在表面衍射光栅上的光的镜面反射(零级衍射)与聚焦光学部件(例如第一和第二柱面透镜12、13)相互作用并且进入非线性光学部件4以产生频率转换输出光束5。
因此，本发明的一个方面是一种激光装置。在示例性实施例中，该激光装置包括用于发射具有第一峰值波长的源光束的光源以及用于执行将至少一部分所述源光束转换成具有不同于第一峰值波长的第二峰值波长的输出光束的频率转换过程频率转换过程的非线性光学部件。该激光装置包括稳定部件，该稳定部件用于最小化构成源光束的所述第一峰值波长与所述非线性光学部件中的所述频率转换过程具有最大值的波长之间的差值的失配误差。所述稳定部件包括容纳所述光源和所述非线性光学部件的壳体。所述激光装置可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。
在激光装置的示例性实施例中，所述壳体在所述光源和所述非线性光学部件之间为导热的，以最小化所述光源和所述非线性光学部件之间的温差。
在激光装置的示例性实施例中，所述光源在所述壳体上的附着点和所述非线性光学部件在所述壳体上的附着点之间的距离小于200mm。
在激光装置的示例性实施例中，所述激光光源与所述非线性光学部件之间的所述壳体的材料的导热率至少为10W·m-1·K-1。
在激光装置的示例性实施例中，所述激光光源与所述非线性光学部件之间的所述壳体的热容量小于500J·K-1。
在激光装置的示例性实施例中，所述非线性光学部件的热容量小于0.1J·K-1。
在激光装置的示例性实施例中，所述激光装置还包括位于所述壳体内的散热器。
在激光装置的示例性实施例中，所述输出光束包括具有所述源光束的所述第一峰值波长的残余光束。所述激光装置还包括用于引导所述残余光束作为加热所述非线性光学部件的热源，作为使所述失配误差最小化的一部分的光学部件。
在激光装置的示例性实施例中，所述激光装置还包括与所述非线性光学部件热接触的吸收部件，其中光学部件将所述残余光束引导到所述吸收部件上，并且所述吸收部件吸收所述残余光束。
在激光装置的示例性实施例中，所述激光装置还包括滤光器，所述滤光器从具有所述第二峰值波长的所述输出光束的所述部分空间分离出所述残余光束。
在激光装置的示例性实施例中，所述激光装置还包括聚焦所述源光束的聚焦光学部件。所述聚焦光学部件用于将所述源光束聚焦为具有大于输出最大输出功率的第二会聚半角的第一会聚半角。
在激光装置的示例性实施例中，所述光源用于发射具有至少0.5nm的谱线宽度的源光束。
在激光装置的示例性实施例中，所述激光装置还包括用于稳定所述输出光束的方向和/或位置的光束稳定光学部件。
在激光装置的示例性实施例中，所述光束稳定光学部件包括透镜、衍射光栅、棱镜或反射镜中的至少一个。
在激光装置的示例性实施例中，所述稳定部件包括用于减小所述源光束的所述第一峰值波长的变化的波长稳定部件。
在激光装置的示例性实施例中，所述波长稳定部件包括衍射光栅。
在激光装置的示例性实施例中，所述激光装置具有至少±10℃的可运行范围。
在激光装置的示例性实施例中，所述非线性光学部件为倍频部件，使得所述源光束的第一峰值波长为所述输出光束的第二峰值波长的两倍。
在激光装置的示例性实施例中，所述第一峰值波长在400nm至600nm的范围内，所述第二峰值波长在200nm至300nm的范围内，并且所述光源为激光二极管。
尽管已经参照某个或某些特定的实施例示出和描述了本发明，但是本领域技术人员在阅读和理解本说明书和附图之后，可以想到等同的替换和修改。特别是关于由上述元件(部件、组件、装置、组合物等)实现的各种功能，用于描述这些元件的术语(包括对“装置”的引用)旨在对应，除非另有说明，指示为实现所描述的元件的指定功能(即，功能上等同)的任何元件，即使在结构上不等同于实现本发明的示例性实施例或实施例中的功能的所公开的结构。此外，虽然上文中仅针对若干实施例中的一个或多个描述了本发明的特定特征，但是这样的特征可以与其他实施例的一个或多个其他特征相组合，这对于任意给定的或特定的应用可能是被期望的和有利的。
可选地，该装置也可以被布置为使得本发明的实施例可以仅用于整个装置的部分或子阵列中。可选地，多个不同实施例中的一些或全部可以被用在装置的不同行列或区域中。
(概述)
本发明的一个方面提供了一种用于通过对从激光光源发射的源光束进行频率转换来产生光束装置并且该装置在宽范围的运行条件下有效，而不需要装置的主动温度稳定。本发明的一个方面首次能够制造紧凑且低成本的激光装置，在该种装置之前尚未实现的波段(例如深紫外波段)下。在常规装置中，可以预计的是，频率转换激光的装置，特别是如果输出波长在紫外光谱范围内，将仅在窄范围的运行条件下保持有效地功率输出。这是由于源光束的波长与非线性光学部件以高效率频率转换的波长之间的波长失配误差而出现的。因此，以前需要严格控制运行条件。例如，激光光源和/或非线性光学部件可以被主动控制温度。但是，这增加了整个装置的复杂性和尺寸。本发明的一个方面提供了用于消除对运行条件的这种严格控制的需求，同时仍提供维持有效功率输出的一种装置。
在本发明的一个方面中，通过配置激光光源和非线性光学部件来减少波长失配误差，使得从激光光源发射的源光束的波长和以高效率频率转换的波长对运行条件的改变呈现出类似的改变。
在本发明的一个方面中，激光光源被配置为使得由激光光源发射的源光束的波长相对于外部运行条件的变化而稳定。这减小了在源光束的波长变化明显大于为了运行条件下相同的改变而有效地进行频率变换的波长的情况下的波长失配误差。
在本发明的一个方面中，激光光源和非线性光学部件附着于用于在激光光源和非线性光学部件之间提供良好的热接触的壳体上。当运行条件改变时，这减小了波长失配误差。
在本发明的一个方面中，使用不经历频率转换的源光束来加热非线性光学部件。这可以在施加于激光光源的电流和/或激光光源的运行模式改变时减小波长失配误差。
在本发明的一个方面中，该装置被配置为使得入射在非线性光学部件上的源光束具有提供了大的可接受的波长失配误差，同时仍然允许该装置有效的会聚。特别地，本发明人已经发现，提供有利的大的可接受波长失配误差的会聚角不同于现有技术中教导的用于实现最高效率频率转换的会聚角。在要求装置在一定范围的运行条件下有效的情况下，远离现有技术中教导的会聚角度是有利的。
在本发明的一个方面中，激光光源用于发射具有宽的光谱线宽的光。这增加了可接受的波长失配误差，并因此提供了与使用未配置发射具有宽的光谱线宽的激光的激光光源的装置相比在更宽范围的运行条件下有效的一种装置。
由本发明的方面提供的有利的大的可运行范围引起的意料之外的新问题在于，当运行条件改变时，频率转换的输出光束的方向和/或位置可以改变。因此，在本发明的另一方面中，通过包含一个或多个附加的光学部件来降低方向和/或位置的这种改变。
任何或所有这些方面也可以被组合。本发明的各个方面使得频率转换的光源能够：
(i)在比不使用这些方面的装置在更宽的运行条件范围内保持有效。
(ii)由于运行条件要求的控制放宽(例如不需要主动温度稳定化，因此减少了部件数量和复杂度)而比不使用这些方面的装置成本更低。
(iii)由于上述相同原因(例如主动温度稳定化不被要求，减少部件数量并因此减小装置尺寸)可以比不使用这些方面的装置更紧凑。
本发明的一个方面对于通过使用激光二极管产生源光束的二次谐波产生深紫外光(例如，波长在约200nm和约300nm之间)的装置是特别有利的。对能够发射深紫外光的光源的需求正在增加，并且在许多应用中，能够在宽范围的运行条件下保持有效的能力是非常需要的或基本的。
该非临时申请请求根据35U.S.C.§119在2015年12月18日在美国提交的专利申请号为14/974,184的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
工业应用性
根据本发明实施例的激光装置可被用作深紫外光源。所述光源可被用于荧光传感器或吸收传感器。
符号说明
1.装置
2.激光光源
3.源光束
4.非线性光学部件
5.输出光束
6.滤光器
7.残余光束
8.壳体
9.输出光学部件
10.可选的光学组件
11.准直透镜
12.第一柱面透镜
13.第二柱面透镜
20.散热器
30.第一固定点
31.第二固定点
40.光束折叠光学部件
50.光吸收部件
51.可选的附加光学部件
60.光学部件
70.波长稳定部件
71.入射光束
72.光学部件
80.第一方向的输出光束
81.第二方向的输出光束
82.第三方向的输出光束
90.凸透镜
91.衍射光栅
92.棱镜
93.离轴抛物面镜
100.可选的热阻增加部件

Claims (18)

1.一种激光装置，包括：
光源，用于发射具有第一峰值波长的源光束；
非线性光学部件，用于执行将所述源光束的至少一部分转换为具有不同于第一峰值波长的第二峰值波长的输出光束的频率转换过程；以及
容纳所述光源和所述非线性光学部件的壳体，
其特征在于，所述壳体用于在所述激光光源和所述非线性光学部件之间提供良好的热接触，以非主动温度控制的方式使得所述激光光源的温度变化引起所述非线性光学部件的温度变化来最小化所述光源和所述非线性光学部件之间的温差，从而最小化波长失配误差，所述波长失配误差构成所述源光束的所述第一峰值波长与所述非线性光学部件中的所述频率转换过程具有最大值的波长之间的差值。
2.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于，所述光源在所述壳体上的附着点和所述非线性光学部件在所述壳体上的附着点之间的距离小于200mm。
3.根据权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于，所述光源与所述非线性光学部件之间的所述壳体的材料的导热率至少为10W·m-1·K-1。
4.根据权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于，所述光源与所述非线性光学部件之间的所述壳体的热容量小于500J·K-1。
5.根据权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于，所述非线性光学部件的热容量小于0.1J·K-1。
6.根据权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于，还包括位于所述壳体内的散热器。
7.根据权利要求1或2所述的激光装置，其特征在于，所述输出光束包括具有所述源光束的所述第一峰值波长的残余光束；
所述激光装置还包括光学部件，用于引导所述残余光束作为加热所述非线性光学部件的热源，作为最小化所述波长失配误差的一部分。
8.根据权利要求7所述的激光装置，其特征在于，还包括与所述非线性光学部件热接触的吸收部件，其中光学部件将所述残余光束引导到所述吸收部件上，并且所述吸收部件吸收所述残余光束。
9.根据权利要求7所述的激光装置，其特征在于，还包括滤光器，所述滤光器从具有所述第二峰值波长的所述输出光束的所述部分空间分离出所述残余光束。
10.根据权利要求1、2、8和9中任一项所述的激光装置，其特征在于，还包括聚焦所述源光束的聚焦光学部件；
其中，所述聚焦光学部件用于将所述源光束聚焦为具有大于输出最大输出功率的第二会聚半角的第一会聚半角。
11.根据权利要求1、2、8和9中任一项所述的激光装置，其特征在于，所述光源用于发射具有至少0.5nm的谱线宽度的源光束。
12.根据权利要求1、2、8和9中任一项所述的激光装置，其特征在于，还包括用于稳定所述输出光束的方向和/或位置的光束稳定光学部件。
13.根据权利要求12所述的激光装置，其特征在于，所述光束稳定光学部件包括透镜、衍射光栅、棱镜或反射镜中的至少一个。
14.根据权利要求1、2、8、9和13中任一项所述的激光装置，其特征在于，还包括用于减小所述源光束的所述第一峰值波长的变化来最小化波长失配误差的波长稳定部件。
15.根据权利要求14所述的激光装置，其特征在于，所述波长稳定部件包括衍射光栅。
16.根据权利要求1、2、8、13和15中任一项所述的激光装置，其特征在于，所述激光装置具有至少±10℃的可运行范围。
17.根据权利要求1、2、8、13和15中任一项所述的激光装置，其特征在于，所述非线性光学部件为倍频部件，使得所述源光束的第一峰值波长为所述输出光束的第二峰值波长的两倍。
18.根据权利要求17所述的激光装置，其特征在于，所述第一峰值波长在400nm至600nm的范围内，所述第二峰值波长在200nm至300nm的范围内，并且所述光源为激光二极管。
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