CN108604039B - 用于非线性频率转换装置的波长分离元件 - Google Patents

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Abstract

一种波长分离元件被提供用于在NLFC装置中将转换光束从基础光束分离，其中转换光束具有与基础光束的波长不同的波长。所述波长分离元件包括第一镜面和与第一镜面相对的第二镜面。相对于对基础光束的反射率，所述第一和第二镜面可具有对转换光束的高反射率，并且第一和第二镜面被配置为使得基础光束和转换光束在第一镜面和第二镜面之间经历多次反射以将转换光束与基础光束分离。基础光束和转换光束在第一和第二镜面上经历至少三次反射，和/或在第一镜面或第二镜面之一上经历至少两次反射。

Description

用于非线性频率转换装置的波长分离元件
技术领域
本发明涉及用于与倍频激光器一起使用的波长分离元件。
背景技术
非线性频率转换(NLFC)是一种广泛使用的光学技术，用于使用激光装置产生特定的波长。在一种NLFC装置中，具有基础波长的光束进入将具有基础波长的一部分光转换为具有另一波长的光的NLFC组件。这种技术最常见的变化是使用具有基础波长的光束进行倍频，从而产生具有一半的基础波长的转换光束，这个过程被称为二次谐波产生(SHG)。然而，NLFC过程不会转变基础光束的所有光子，导致转换光束与离开所述NLFC组件的基础光束的空间上的重叠。
许多应用只需要转换光束，因此离开元件的基础光束必须被去除。在200nm和270nm之间的紫外(UV)辐射的特定波长范围内，在现有技术中存在不同的方法通过放置一元件在该NLFC组件后的一个光束路径的某个点处來去除NLFC装置中的基础光束。
美国第7,110,426号专利、Rudolph[2006年9月19日公告，美国陆军研究合同W911NF-09-1-0102)以及Nishimura等[日本应用物理杂志42，5079，(2003)]公开了具有多层涂层的干涉滤波器，其对基础光束具有高反射率并透射一部分的转换光束。所述滤波器必须由UV透明材料制成，例如昂贵的紫外熔融石英。此外，这些干涉滤波器的性能对于UV波长不是很高。特别地，滤波器的传输效率可以低至90％(其中滤波器的传输效率被定义为穿过滤波器传输的转换光束的功率除以入射到滤波器上的转换光束的功率)，所以转换光束的输出功率有不利的损失。此外，滤波器的抑制效率可以很低(其中抑制效率被定义为入射到滤波器的基础光束的功率除以穿过滤波器传输的基础光束的功率的比值)，所以还需要附加的光束分离元件来进一步降低基础光束的功率。
Tangtronbenchasil等[日本应用物理杂志45，6315，(2006)] 和Ruhnke等[光学期刊40，2127，(2015)]公开了使用棱镜来分离光束。棱镜的使用使得激光装置体积庞大而沉重，因为需要穿过棱镜的长的光束路径来确保基础光束和转换光束之间的良好分离。UV 透射率的要求使得棱镜昂贵并且不适合于低成本设备。
倍频装置可以根据基础和转换光束的偏振特性进行分类。在“I型”装置中，离开组件的线性偏振转换光束具有与线性偏振基础光束正交的偏振。通过使用布鲁斯特镜面反射，可以利用偏振90 度角的变化来分离基础和转换光束，如美国第8,559,471号专利(毛，2013年10月15日公告)所述。对于转换光束具有高反射率并透射大部分基础光束的反射镜在Tangtrongbenchasil等[日本应用物理杂志47,2137，(2008)]描述的装置中以布儒斯特角定向。在美国第 8,743,922B号专利(Smeeton等，2014年1月3日公告)及美国第 2015/0177593A1公开号专利(Smeeton等，2015年6月25日公开) 中公开了能够发射深紫外光的倍频激光器的其它特征。
发明内容
本发明提供了用于非线性频率转换(NLFC)装置中的示例性使用的波长分离元件。与现有技术中的技术不同，本发明满足了所提供的高性能的波长分离的低成本、紧凑元件的要求；特别是转换光束的高传输效率和/或基础光束的高抑制效率。
在NLFC装置中，由光源发出的基础光束通过NLFC组件传播且通过NLFC工艺部分地转换为具有与所述基础光束的波长不同的波长的转换光束。离开所述NLFC部件的转换光束和基础光束可能彼此接近或者部分或全部空间重叠，导致转换光束的光束纯度差，这在大多数应用中是不可接受的。本发明提供了用于降低基础光束的功率的手段，导致更纯净的转换光束。
在本发明的一个方面，实现了紧凑格式的波长分离元件，其包括在两个或更多个镜面的基础光束和转换光束的总共至少三次反射，所述两个或更多个镜面被配置为使得镜面处转换光束的反射率高，以及镜面处基础光束的反射率低。至少两个反射可以来自同一个镜面，并且总共可以只有两个镜面，这些镜面被配置为彼此近似平行。镜面的反射率可以通过使用多层涂层来配置。由基础光束和转换光束构成的混合光束可以入射在波长分离元件上，使得第一镜面处的基础光束的入射接近布鲁斯特入射角并且基础光束具有占主导的p-型偏振。即使当入射在波长分离元件上的基础光束发散并且具有不完美的线性偏振时，波长分离元件也提供高性能。本发明允许以紧凑的格式进行这种高性能波长分离。
本发明的另一方面中，提供具有高光束质量的输出转换光束，作用于转换光束的准直光学器具有相对较长的焦距，和/或位于离所述NLFC组件较远的距离处(距离沿着光束路径被测量)。因此，所述波长分离元件可设置在所述NLFC组件和作用在转换光束上的准直光学器之间的光路上，使得入射在所述波长分离元件上的基础光束为发散(未准直)。结合本发明的其他方面，提供了高性能的波长分离元件以及紧凑型NLFC装置内的转换光束的良好光束质量。这个方面特别有利于实现包括NLFC组件的紧凑型NLFC装置，其中在NLFC组件中转换光束经历双折射离散。
在本发明的另一方面中，公开了用于波长分离元件中的光学元件的合适设计规则和尺寸。
在本发明的另一方面中，所述波长分离元件被配置用于有效地处理来自穿过所述波长分离元件中的镜面传输的基础光束的光。这方面进一步提高了输出转换光束的纯度。通过使用波长分离元件内的纹理表面和/或吸收材料来处理光可显著减少来自与输出转换光束在空间上重叠的基础光束的光。这方面提供了在非常小尺寸内的具有高性能的波长分离元件，由此实现了紧凑型NLFC装置。
在本发明的另一方面中，波长分离元件的各个元件可以安装到固定它们的相对位置的支架中。使用包含分离元件的支架是有利的，因为这允许对所述NLFC装置的错位进行一些补偿。离开晶体的混合光束可能表现出方向公差，因此在将支架集成到整个装置基座上的组装步骤期间，可以通过重新调整支架的位置来补偿这些错位。
本发明的这些方面使得：
有效的光束分离，由于多次反射表面和基础光束去除方法的使用；
穿过波长分离元件的转换光束的高传输效率(例如>95％)；
低成本的设计，由于利用单个表面的多次反射以及使用廉价材料的潜力；
紧凑结构，由于几何结构的使用同时保持来自输出转换光束中的基础光束的光的低贡献，和
具有高光束质量的输出转换光束。
本发明特别有利于通过使用激光源(即激光二极管)的SHG 产生深紫外光(波长在200nm和270nm之间)的紧凑型NLFC装置产生基础光束。因为对深紫外光谱区域中的光源的需求正在增加，需要具有这些特性的波长分离元件。基础光束和转换光束的分离对这些装置的功能而言非常重要。
为了实现前述和相关目的，本发明包括下文中充分描述并且在权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了本发明的某些描述性的实施例。然而，这些实施例仅指示可以采用本发明的原理的各种方式中的一些。当结合附图考虑时，本发明的其他目的、优点和新颖特征将从以下对本发明的详细描述中变得显而易见。
附图说明
在附图中，相似的元件标号表示相同的部件或特征：
【图1】图1示出了混合光束进入包含两个镜面的波长分离元件。
【图2】图2示出了包含两个镜面的波长分离元件。
【图3】图3示出了包含单个元件的波长分离元件。
【图4】图4示出了被第一镜面反射出来的发散混合光束。
【图5】图5示出了入射在该第一镜面上的光束的各个射线，且中心射线以布鲁斯特角入射。
【图6】图6示出了在NLFC组件和波长分离元件之间使用的光学器件，以校准基础光束。
【图7】图7示出了使用不同校准光学器件的转换光束光斑区域的实验数据。
【图8】图8示出了在NLFC组件内部转换光束的产生，显示了双折射离散。
【图9】图9示出了在NLFC组件和波长分离元件后使用的光学器件，以校准转换光束。
【图10】图10示出了由两个镜面及其尺寸组成的波长分离元件。
【图11】图11示出了计算的两个镜面之间间隙的最小值的映射。
【图12】图12示出了通过第一和第二镜面传播并传播的基础光束。
【图13】图13示出了在波长分离元件的出口处的光束轮廓，图13(a) 的波长分离元件具有镜面的第二表面，以及图13(b)的波长分离元件具有粗糙的第二和吸收表面。
【图14】图14示出了薄板被安装抵持在底座的预定义特征上。
【图15】图15显示了包含薄板的预装配支架。
【图16】图16示出了包含与NLFC发生器一起使用的两个薄板的波长分离元件。所述薄板的第二表面包括用于基础光束的吸收层。
【图17】图17示出了包含与NLFC发生器一起使用的两个薄板的波长分离元件。所述薄板的第二表面具有促进基础光束散射的纹理。
【图18】图18示出了包含与直接倍频装置一起使用的两个薄板的波长分离元件。薄板的第二表面包括用于基础光束的吸收层。
【图19】图19示出了包含与直接倍频发生器和附加的滤光元件一起使用的两个薄板的波长分离元件。所述薄板的第二表面包括用于基础光束的吸收层。
【图20】图20示出了包含与间接倍频发生器一起使用的两个薄板的波长分离元件。所述薄板的第二表面包括用于基础光束的吸收层。
【图21】图21示出了包含与NLFC发生器一起使用的两个薄板的波长分离元件。所述薄板相互倾斜。
【图22】图22示出了包含单片元件的波长分离元件。混合光束穿过元件的内部体积传播。两个吸收层放置在元件的外侧去除基础光束。
【图23】图23示出了包含单片元件的波长分离元件。镜面彼此以大角度取向。单片的后表面包括用于去除基础光束的吸收层。
【图24】图24示出了包含两个薄板的波长分离元件，其中一个薄板具有包括第一和第二部分的第二表面。
具体实施方式
本发明提供了一种适用于低成本和紧凑型NLFC激光器的高性能波长分离元件。本发明特别适合与转换发射的波长低于 270nm的I型倍频一起使用。
高性能波长分离元件提供转换光束的高传输效率和基础光束的高抑制效率中的一个或优选两个，其中基础光束和转换光束从 NLFC组件输出。
一般而言，本发明涉及一种波长分离元件，其被提供用于在一NLFC装置中的将转换(第二)光束从基础(第一)光束中分离，其中转换(第二)光束具有波长不同于基础(第一)光束。在示例性实施例中，波长分离元件包括至少第一镜面和与第一镜面相对的第二镜面。相对于基础(第一)光束的反射率，所述第一和第二镜面具有转换(第二)光束的高反射率，并且第一和第二镜面被配置为使得基础(第一)光束和转换(第二)光束在第一镜面和第二镜面之间经历多次反射以将转换光束与基础光束分离。
在本发明的第一方面实现了紧凑式的高性能波长分离元件，其包括在两个或以上个镜面处的基础光束和转换光束的总共至少三次反射，其中对于转换光束镜面处的反射率高，对于基础光束镜面处的反射率较低。优选地，至少有两个反射来自所述镜面中的至少一个。优选地，总共只有两个镜面，并且这两个镜面大致彼此平行。优选地，基础光束入射在具有p型主偏振的第一镜面上，并且基础光束在第一镜面处的入射角近似等于基础光束的布鲁斯特角。优选地，转换光束入射在具有s型主偏振的第一镜面上。
本发明的第一方面被示出在图1中。波长分离元件1包括第一镜面2和与第一镜面相对的第二镜面6。通过参考相互相对的第一和第二镜面，意味着镜面通常相互面对设置以允许镜面之间的反射。来自NLFC发生器10的输入光束包括空间上重叠的第一光束 (作为基础光束4)和第二光束(作为转换光束5)的混合光束3。所述NLFC发生器是一NLFC装置的子系统，NLFC装置包括至少一个或更多的光源，可选的一个或多个光学元件以及多个NLFC组件中的一个。所述混合光束3以入射角θ1入射在第一镜面2上。所述第一镜面2被配置为对于第二或转换光束具有高反射率，并且对于入射角为θ1的第一或基础光束具有低反射率。在第一镜面反射之后，反射的转换光束和反射的基础光束以入射角θ2向第二镜面6传播并入射到第二镜面6上。第二镜面6被配置成对于转换光束具有高反射率且对于入射角为θ2的基础光束具有低反射率。在从第二镜面反射后，反射的转换光束和反射的基础光束以入射角θ3向第一镜面2传播并入射在第一镜面2上。传播和反射可以在第一和第二镜面之间多次持续：对于图1所示的例子，基础光束和转换光束在所述第一镜面2入射和反射总共三次，并且光束在所述第二镜面6入射和反射总共两次，但是所述镜面可以被配置用于任何合适数量的入射和反射。
在第一和任选的第二镜面处的基础光束的多次反射的累积效应导致具有基础光束的高抑制效率的波长分离元件；且转换光束在第一和任选的第二镜面处的多次反射的累积效应导致转换光束的高传输效率。在第一和第二镜面处的转换光束的反射率近似相同(Rc)，且在第一和第二镜面处的基础光束的反射率近似相同(Rf) 的具体示例中，转换光束的传输效率ηc和基础光束的抑制效率Af是：
Figure GDA0001678776850000081
其中n是在镜面处的反射总数，p'c和Pc分别是转换光束在输出端和输入端处的光功率，p'f和Pf分别是基础光束在输出端和输入端处的光功率。
至少两个彼此大致平行定向的镜面(其中基础和转换光束从至少一个镜面反射至少两次)的使用，提供了低成本和紧凑式的高性能的波长分离元件。
第一和第二镜面可包括设置在基板上的不同材料的多层涂层，例如布置在基板上的分布式布拉格反射器(DBR)层结构。所述第一和第二镜面对基础和转换光束的反射率可相同，但不一定如此。
现在将描述用于提供镜面的两个通用结构。在第一种通用类型的结构中，第一和第二镜面可以设置在间隔开的一个或多个独立元件的表面上，使得基础和转换光束穿过在所述镜面反射之间的空间间隙(例如空气、另一种气体或真空)进行传播。在图2中示出了这种第一种通用类型的结构的示例性配置。在第二种通用类型的结构中，镜面可以布置在单个元件的表面上，使得基础和转换光束穿过在所述镜面反射之间的所述元件的内部体积进行传播。图3 中示出了第二种通用类型的结构的示例性配置。
未在第一和第二镜面中的每一个处反射的基础光束可穿透所述镜面。透射光束7的例子包括在图1,2和3中(注意并非所有的透射光束都被标号)。如果对于基础或转换光束在每个镜面2的任一侧上的介质和7之间折射率存在差异，则透射光束的方向将由于折射而改变；图中没有呈现光束方向的这种变化。
为了获得在所述镜面2、6(Rf)处具有p型偏振的基础光束的低反射率，使用近似等于布鲁斯特角的入射角是有利的。布鲁斯特角可从以下确定：
Figure GDA0001678776850000091
其中θBr是布鲁斯特角，nprop是在基础光束入射到所述镜面上之前介质中的基础光束的折射率，并且ntrans是在基础光束传播穿过所述镜面之后介质中的基础光束的折射率。如果混合光束最初在空气或气体中传播，则
nprop≈1.0
原则上，当满足布鲁斯特角条件时，p偏振光束的反射率近似为零
(Rf≈0)。
因此，来自一个或两个镜面的反射预计会提供非常高的抑制效率，因此足以提供来自NLFC装置的转换光束的输出，而没有来自基础光束的任何显著贡献(参见公式1)。
然而，发明人已发现，仅使用一个或两个镜面的简单滤波器可能是不适当的，尤其是对于使用一个或多个激光二极管作为基础光束的光源用于产生具有小于270nm波长的UV光的NLFC装置。特别地，本发明人已发现了使用来自两个以上镜面的反射的显著优点，且上述的配置包括至少两个镜面并且优选地，至少两个反射来自至少一个的所述镜面，这归因于所述激光装置中的混合光束的具体特征，该具体特征现在被识别和解释。
这些装置中混合光束的第一个特征是基础光束的不完美偏振。尽管基础光束的主偏振在与第一镜面反射时是p型的，s型偏振光的贡献已被发现出乎意料的高，由于自激光二极管发射中的不完美的线偏振和NLFC组件内基础光束的净线性偏振的部分旋转 (例如由于例如β-BaB2O4组件的双折射NLFC组件中的双折射的影响)中的至少一个。尽管来自镜面的基础光束中的p型偏振光的反射可能非常低(小于1％，并且通常小于0.1％或0.01％)，但基础光束中的s型偏振光的反射通常是高得多(例如超过1％，通常超过10％)。对于可以使用在深紫外波长处提供高反射率的现有技术生产的反射镜的情况尤其如此，如具有波长短于270nm的生成光束的NLFC组件所要求的。
对于具有s型偏振的基础光束更高的反射率的结果是对基础光束的抑制效率减小了。有必要分别考虑第一和第二镜面对s型和p型偏振光的反射率分别为：Rf,s和Rf,p。在镜面反射之后，s型偏振光的功率除以基础光束的总功率的比率将增加。然后将抑制效率定义为：
Figure GDA0001678776850000101
其中ε是s偏振比
Figure GDA0001678776850000102
且其中Pf,s是入射在第一镜面上的基础光束中的s型偏振的光功率。
例如，对于Rf,s＝0.1且Rf,p＝0.01且ε＝0.05，对于n＝2次反射(不充分由于NLFC装置的转换效率通常较低，特别是对于自激光二极管的光的转换，通过SHG转换成波长小于270nm)抑制效率仅为Af＝1.7×103，但对于n＝3次反射，Af＝2×104，对于n＝5次反射，Af＝2×106(适用于NLFC装置，包括使用自激光二极管的光的转换，通过SHG转换成波长小于270nm)。作为对比例，在基础光线具有高线性偏振度(ε<0.001)的预期情况下，n＝2时的抑制效率为 Af＝9.1×103，n＝3时，Af＝5×105，且n＝5时，Af＝1×108。
因此，包括来自所述镜面的三个或更多个反射以为基础光束提供足够高的抑制效率是非常有利的。根据当前方面的配置能够在极其紧凑的装置中有效地过滤p型和s型组件，同时保持转换光束的高传输效率。
这种情况与用于产生波长为266nm的光的普通频率四倍的激光器的情况有很大不同。在现有技术中通常已知的这些激光器中， 266nm波长的光通过532nm波长的光(其等同于如本文所述的基础光束)的倍频而产生。相应的，532nm波长是由1064nm波长光的另一个倍频过程产生的。相应的，1064nm光通过在固体激光器组件 (通常为Nd：YAG)中激光产生。由于这种倍频阶段的顺序，波长为532nm的光具有非常高的极化比。因此，与使用激光二极管发出的光的直接倍频的NLFC装置的当前情况相比，对于这些普通系统，简单的基于偏振的布鲁斯特滤波器(例如使用一个或两个布鲁斯特反射镜)是非常有效。
所述NLFC装置中混合光束的第二个特点是混合光束可能强烈发散，由于装置中NLFC元件的具体细节，特别是如果NLFC 装置配置紧凑。现在将识别和解释该特性对波长分离元件的设计的重要性。布鲁斯特角度条件仅对于完美的准直光束(即平行光束而不是发散光束)有效。实际上，例如如果NLFC的泵浦光束聚焦到 NLFC组件内的腰部，则从NLFC组件传播出来的基础光束可能是发散的。如果入射到第一镜面上时，基础光束以半角θBeam(图4)发散，则角度范围将入射到第一镜面，如图5所示。靠近布鲁斯特角θBr的内部的射线束方向12具有比外部区域中的外部射线束方向 13更低的反射率。在所述镜面(Rf,p)上基础光束的整体反射率增加。
参照图6，一个或多个准直光学器14可以布置在NLFC组件11和第一镜面2之间的混合光束3的传播路径中，以减小基础光束的角度扩展(改善准直)。图6中示出了改进的准直。该过程通常可被描述为“准直”基础光束，并且该一个或多个光学组件被称为“准直光学器”14，即使通过光学器件所述基础光束可能不是完美准直成具有完全零发散角的平行光束。
在准直光学器的一个简单示例中，准直光学器是具有有效焦距f的一个或多个光学组件，其位于距离NLFC组件的中心大约等于f处，其中所述距离沿着混合光束的传播路径被测量。例如，具有有效焦距f的光学器件可以是透镜或凹面镜。
当准直光学器被布置在所述NLFC组件和所述第一镜面之间的光束路径中时，可以减小基础光束中的光束方向偏离布鲁斯特入射角的影响，由此提供在根据本发明的波长分离元件中镜面处的大部分或所有的基础光束的极低反射率。然而，发明人已经确定，通过不使用一个或多个准直光学器来准直基础光束，然后其入射在第一镜面上，从而获得显著的优点。
特别是，本发明人已发现，作用于混合光束或转换光束的准直光学元件位于离NLFC组件相对较长的距离处是有利的，其中所述距离沿混合光束的传播路径被测量。特别是，准直光学器位于与所述NLFC组件至少15mm的距离，优选距离至少25mm，并且最优选至少30mm的距离，其中所述距离沿混合光束的传播路径被测量。如果用于基础光束的准直光学器位于比这些值更接近于 NLFC组件，发明人已确定的是准直光学器对转换光束的影响导致转换光束的差的光束质量，这是在实际应用中转换光束的使用显著的缺点。光束质量是描述光束与理想“Gaussian”光束的偏差。光束质量差的光束不能聚焦成小光斑。
例如，对于包含β-BaB2O4的NLFC组件的情况，该组件适用于通过SHG产生深紫外光(波长小于270纳米)。基于广泛的实验，发明人确定，对于具有近似等于7mm的长度(L，沿着基础光束的传播方向测量)的NLFC部件，为获得高质量的UV光束，必须使用准直光学器具有至少15mm，优选至少25mm，并且最优选至少30mm的焦距，其中沿着转换光束的传播方向测量的准直光学器距离NLFC组件的中心的距离(k)大约等于准直光学器的焦距 (0.5f<k<2f)。在具有不同长度的NLFC组件的更一般情况下，焦距应当为f>L/0.5，并且更优选f>L/0.3。通常L在2mm-15mm的范围内，并且优选在5mm-10mm的范围内。准直光学器的焦距优选小于100mm，最优选小于60mm，以提供紧凑的装置。
在使用紧凑型NLFC器件的大多数应用中，优选转换光束的光束质量足够高以使其可以被准直或聚焦成小光斑尺寸。根据发明人的发现，为了获得高光束质量，对于某些类型的NLFC发生器，例如使用β-BaB2O4作为NFLC的发生器，作用在离开NLFC组件的转换光束上的任何光学器件的焦距具有一下限。经发现且本文首次报道，为提供一种可以聚焦成一个小光斑的转换光束，作用在离开 NLFC组件的转换光束上的任何光学器件都应该具有相对较长的焦距(即在上面定义的范围内)。实验数据如图7所示。用于输出具有大约224nm波长的转换光束的NLFC发生器包括发射具有约448nm 波长的基础光束的激光二极管，根据美国专利申请 US20150177593A1配置的一个非球面透镜和两个圆柱透镜，以提供朝向NLFC组件会聚的基础光束，并且NLFC组件包括7mm长的β-BaB2O4晶体。来自所述NFLC发生器的转换光束入射到一可选的平凸熔融石英透镜上。熔融石英透镜沿着转换光束的传播方向设置在提供与NLFC组件中心7.5cm距离处测量得到转换光束的最小光斑面积的位置处。图7中的绘图示出了在7.5cm距离处测量的转换光束的面积与平凸熔融石英透镜的焦距的关系。图7还示出了对应于图8中示出的方向的具有方向X和Y(参见插图)的对应光斑的形状。在没有平凸熔融石英透镜的情况下，光斑面积大且面积大约 6mm2(在图7中以焦距等于零绘制)。焦距约为10mm的透镜减小了光斑面积，但是透镜意外地导致转换光束的光束质量变差，并且光斑保持相对较大。使用焦距大于15毫米的透镜提供了有利的更小的光斑面积。这个实验数据显示，与一般预期相反，短焦距镜头不会导致最小的光斑尺寸，但如上一节所示有一个最佳的焦距。这些发现对于紧凑型NFLC装置的波长分离元件的尺寸和位置具有影响，优选波长分离元件被放置在NLFC组件和准直光学器之间。
因此，在本发明的一个方面中，为了提供具有良好光束质量的输出转换光束，作用于转换光束(并且可选地在基础光束上) 的准直光学器14的有效焦距具有大于且位于离NLFC部件的中心 (沿着转换光束的传播方向被测量)至少约15mm的近似距离处；优选是25mm；最优选至少30mm；L/0.5；优选L/0.3。此外，为了实现紧凑的装置，准直光学器的有效焦距可小于100mm，并且优选小于50mm。
现有技术中已知，自表现出双折射离散的NLFC组件的SHG 产生的转换光束可能具有差的光束质量。在表现出双折射的NLFC 组件中，转换光束可能经历被称为“离开”的现象，其中被转换的光沿着与基础光的方向不同的方向传播，通常以角度rho(走离角) 为特征，介于转换光和基本光的方向之间。这在现有技术中已知会导致光束质量不佳。
然而，本文首次声明并公开了与使用短焦距的准直光学器 14与光束质量的进一步恶化关系。短焦距准直光学器对转换光束的光束质量的影响的解释现在将进行首次声明和解释。参照图8，由于转换光的走离，NLFC组件内的转换光的有效源15分布在相当大的距离(平行于NLFC组件11中的基础光束3的方向被测量)，如图8结构性地所示。该分布源的结果是，具有短焦距的准直光学器不能有效地准直光束；相反，被转换光束5的光束质量被具有短焦距的准直光学器灾难性地降级。具有长焦距的准直光学器降低了对这种分布式有效源正(较长焦深)的敏感度，因此能够提供准直输出光束而基本上不降低光束质量。
使用远离NLFC组件的准直光学器的优点与对紧凑型NLFC 装置的需求不相容，因为它需要位于NLFC组件和准直光学器之间的长的光路。根据本发明的这个方面，从NLFC组件到准直光学器的距离提供可接受的光束质量，而不会导致NLFC装置的整体尺寸的不可接受的增加。此外，为了获得紧凑的装置，将波长分离元件布置在NLFC组件11和准直光学器14之间的混合光束3的光束路径上是有利的，如图9所示。因此，基础光束入射在波长分离元件的镜面上的光束是非准直的(即发散)，并且呈现不完全等于布鲁斯特角的入射角范围。
这与Tangtrongbenchasil等[日本应用物理杂志47,2137， (2008)]的现有技术中的例子形成对比，其中在非常大体积的NLFC 装置中，来自NLFC组件的输出辐射在入射到分色镜之前使用凹面镜进行准直。
本发明的第一方面的配置的另一个优点是穿过滤波器的基础和转换光束的总光束路径是小的，且因此当布置在NLFC组件与准直光学器之间的光束路径中时，波长分离元件包括至少两个反射表面，其具有至少两个反射来自至少一个表面(以及可选的其他特征)，所述表面可提供紧凑型NLFC装置所需的高性能滤波器。
因此，由于多反射几何结构，本发明提供在UV中高性能的光束分离且对于基础光束具有非常高的抑制效率和对于紧凑格式的转换光束具有高透射率。
在本发明的另一方面中，公开了用于波长分离元件的合适尺寸。发散的混合光束也会导致光束在传播时发生尺寸变化。这对分离元件1的尺寸施加了约束，例如表面2、6之间的间隙g和元件的长度L，如图10所示。混合光束3自NLFC组件11发出，在NLFC发生器10内部具有发散半角θBeam。发散半角被分成两个正交的方向，下面将对它们与入射光束的p型和s型偏振方向的关系进行描述。波长分离元件的尺寸应该防止光束被夹在元件的入口或出口处。对于特定θBeam_s、θBr、d 和n(反射次数)，最小间隔gmin可以使用下式计算：
Figure GDA0001678776850000161
图11示出了固定θBr＝56°和n＝5的gmin图。使用比gmin更小的间隙值会导致剪切光束，应该避免。如果这不能避免，则可以在组件和分离元件之间使用附加的透镜，从而减小θBr并且甚至将发散光束转换成会聚光束。一旦选择了间隙，长度L可以用下式计算：
Figure GDA0001678776850000162
例如，光束从距离d＝10mm具有发散半角θBeam_p＝1°在布鲁斯特角θBr＝56°进入元件的情况下要求对于5次内反射需要最小间隙 gmin＝0.25mm。考虑到外部公差，间隙可以设置为gmin＝0.4mm，并且分离元件的长度将是L＝3mm。分离元件的高度H由光束在 p偏振方向上的传播特性确定，并且可以使用下式计算：
Figure GDA0001678776850000163
在上述例子的情况下，如果θBeam_s＝1°，则元件的高度为 H＝0.45mm。θBeam_s其中图10中H是与的θBeam_p正交且指向平面外的方向。如上所示，多反射几何结构允许以非常紧凑的格式进行有效的光束分离。
在本发明的另一方面，提供了已透过第一和/或第二镜面的基础光束4的有效处理。这一方面使输出转换光束能够减少源于基础光束的不需要的光，同时保持紧凑的滤光器尺寸。本发明人已发现，在基础光束4已经穿过镜面2、6之后没有有效地处理基础光束4的情况下，来自基础光束4的不可接受的量的光可以在传播穿过波长分离元件之后与转换光束5在空间上重叠。如果波长分离元件被配置为紧凑的，其中部件小且紧密间隔，如紧凑型NLFC装置所要求的，则输出中的不需要的基本光的这个问题是特别尖锐的。不需要的基础光束可包括由于波长分离元件中不同于第一和第二镜面之外的表面上的反射形成的分离的基础光束，被称为非主要光束20(图12)。不需要的基础光还可包括由于波长分离元件内的基础光的散射而形成的漫反射光。
根据本发明的一个方面，可以使用两种通用方法来减少不想要的基本光：去除已经穿过镜面的一些或全部基础光束；并重新引导已经穿过镜面的一些或全部基础光束。
在第一示例中，波长分离元件可包括具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的至少一个板元件，其中第一表面为第一或第二镜面中的一个，并且第二表面是散射穿过第一或第二镜面的基础光束的一部分的散射元件。或者，第二表面可为吸收表面。这吸收了穿过第一或第二镜面传输的基础光束的一部分。参考图12，第一镜面2是薄板21的第一表面，薄板 21的第二表面22用于减少透射通过第一镜面2的任何基础光束自第二表面的镜面反射，否则可能导致非主要光束。在一个示例中，第二表面22是薄板21与第一镜面2的相对面。
所述第二表面22可以被配置成粗糙的或纹理化的表面，其导致入射在第二表面上的透射的基础光束的散射。这种构造减少了第二表面处非主要光束的形成。配置第二表面以增加基础光的散射是违反直觉的，因为由于两个原因通常预期会降低波长分离元件对基础光束的总体抑制效率。首先，相较于布鲁斯特角取向的平面，散射表面提供对p型光低得多的透射，从而减少从波长分离元件一起去除的基础光的量。其次，散射表面增加了漫射光(s型或p型偏振)的贡献，其可以从波长分离元件传播出去(并且因此降低波长分离元件的性能)。尽管如此，发明人发现通过使用用于散射基础光的第二表面，用于波长分离元件对基础光束的总体抑制效率可以显著提高，并且非主要光束的输出非常大幅减小。这可能是特别有益的，因为非主要光束可能是显著的，由发散/会聚光束(方向不匹配布鲁斯特角)和/或入射在第一镜面上的基础光束中的一些s偏振导致的基础光束在第二表面22处的强烈反射。为了促进散射，表面可以被随机纹理化且对于基础光束的衍射型重新定向，表面可以被周期性地纹理化。或者，代替结构化表面，薄板可包括多个散射中心位于板宽度w1或w2的整个或部分区域上，如图18 所示。
第二表面22可以被用作吸收表面。例如，可以将一种或多种吸收材料沉积到第二表面上，或者可以将吸收离子或掺杂剂注入到薄板21中，因此任何基础光的反射都降低(与薄板裸露表面的反射率相比)和/或入射在第二表面上的任何基础光被材料部分或全部吸收。
图13显示了提供粗糙的第二表面的优点的实验比较。第一波长分离元件被制备包括具有第一镜面和第二镜面的两个薄板，其中第一镜面和第二镜面彼此大致平行地定向，如图12 所示。包括波长为446nm的基础光束(最初由激光二极管产生) 和包括β-BaB2O4晶体的NLFC组件中产生的波长为223nm的转换光束的混合光束入射在第一镜面上。没有准直光学器作用于 NLFC组件和第一镜面之间的混合光束；因此当入射到第一镜面上时，基础光束和转换光束会发散。所述薄板为紫外熔融石英，且第一和第二镜面配置有镜面涂层以提供对波长近似等于223nm的s型偏振光的高反射率(R>99％)和波长近似等于 446nm的主要的p型偏振光的低反射率(R<0.1％)；其中反射率适用于第一镜面上的混合光束的入射角。所述两个薄板的第二表面22都是光学平滑(镜面)表面。图13(a)中的图像示出了转换光束从波长分离元件出射后约20mm处拍摄的光束轮廓。转换光束(223nm波长)位于椭圆标签内部；图像中的所有其他强度都是来自穿过分离元件的基础光束的杂散光(图像中定义的“条纹”)，并且总体上是来自基础光束(整个图像中的斑点)的光的大的漫射背景。除了所述两个薄板的第二表面 22被配置为光学粗糙(漫射)表面(例如，研磨表面)之外，第二波长分离元件以与第一波长分离元件相同的设计被制备，除了包括吸收层(例如吸收染料)。图13(b)中的图像显示了在与第一波长分离元件类似的实验测试中获得的光束轮廓。再次，转换光束被标记；在这种情况下，来自基础光束的杂散光的贡献被大大降低。图13(a)和图13(b)的宽度和高度分别为8.8mm 和6.6mm。
对于用于减少非主要光束的形成的第二表面的上述示例，如果在NLFC组件和来自第一表面的第一混合光束的第一反射之间设置附加的滤波器元件34(参见图19)在波长分离元件中将是有利的。这对于图13中的两个例子都是这种情况。如果转换光束的功率除以传播出NLFC组件之后基础光束的功率的比率非常低(例如，小于10-5)，这将是特别重要的。对于使用激光二极管生成基础光束的NLFC装置，通常情况下该比率非常低，所述NLFC组件包括β-BaB2O4和SHG工艺，并且转换光束波长小于270nm。附加滤波器元件可以用于降低入射到第一镜面上的混合光束中的基础光束的功率。如果没有该附加的滤光器元件，则基础光束的非常高的功率会导致性能的恶化，这或者是由于在第二表面被配置为粗糙表面的情况下非常广泛地产生漫散射光，或者由于在第二表面或薄板被构造成吸收的情况下非常强的吸收(且因此元件的局部加热可能导致性能下降)。
所述附加的滤波器元件可以是用于以高反射率反射转换光束并且以低反射率反射透射光束的反射镜。优选的转换光束的反射率大于50％，最优选大于90％。透射光束的反射率优选小于20％，最优选小于5％。例如，所述附加的滤波器元件可以是二向色布鲁斯特镜，其具有与波长分离元件中的第一镜面相似的设计考虑。所述附加的滤波器元件可以与波长分离元件分离，或者可以与波长分离元件一起集成。
因此，这种附加的滤波器元件的构造，然后根据本发明的波长分离元件对于高性能且紧凑的NLFC装置特别有效。
特别是如图24所示，特别是如果不使用附加的滤波器元件，如果薄板21的第二表面22(即，具有第一镜面2的薄板 21)被配置为包括第一部分45和第二部分44，其中第一部分45配置为粗糙的纹理化表面和/或吸收表面，且其中第二部分44 配置为非散射并且对基础光束具有小的反射和吸收，这将是有利的。第二表面22被配置为使得入射到第一镜面上的基础光束在第一次传输穿过所述第一镜面2的任何一个基础光束4入射到第二表面22的第二部分44上。第二表面22被配置为使得入射到第一镜面上的基础光束在第二(或更高)次传输穿过所述第一镜面2的任何一个基础光束入射到第二表面22的第一部分 45上。相较于在第一镜面2上以第二(或更高)入射方式透过第一镜面2的基础光束，在第一镜面2上以第一入射方式透过第一镜面2的基础光束具有更大的光功率，因此该光束在第二表面22上的散射或吸收导致诸如大量漫散射杂散光和/或薄板加热的问题。可选地，第二表面44可包括抗反射涂层，由此减小非主要光束的功率。
在另一个例子中，第二表面被配置为对具有s偏振光的基础光的反射率比裸露表面(即抗反射涂层)更低。这对减少具有s型偏振的非主要光束的产生和传播特别有效。
在另一个例子中，第二表面被配置为具有减少可从波长分离元件输出的非主要光束的形成的形状或取向。
本文描述的第二表面的配置提供了在高度紧凑的波长分离元件中的蓝光的有效处理。用于第二镜面6的薄板21的第二表面22可以使用类似的构造。
在本发明的另一方面中，所述波长分离元件可以直接集成到所述NFLC装置中，或者波长分离元件可以首先安装到支架中且该支架可以集成到所述NFLC装置中。例如，所述薄板21可被安装抵持底座24的预定特征23上，如图14所示，所述NLFC装置的其他部件被组装在该底座24上。预定特征可以是从固定在位置的底座上伸出或延伸的某些类型的销钉或立柱。然后所述薄板与这些特征非主动对齐。非主动对齐指的是制造过程，其中装置处于非操作模式，且所述薄板纯粹对准固定的位置数据。该系统提供了紧凑的覆盖区域，但缺乏灵活性。发明人已发现从NLFC发生器发射的混合光束3可能在光束方向上具有一些变化。因此，首先将薄板21预先组装到支架25 中是有利的(图15)。这种预先组装到支架中固定了所述薄板相对于彼此的位置。支架被设计使得薄板之间的间隙非常明确。在第一镜面2和第二镜面6安装抵靠的薄滑动件之间使用间隔件是有利的。与安装抵持在薄板的第二表面22上的外部间隔件不同，该内部间隔件消除了如果外部间隔件与具有低厚度公差的薄板一起使用(例如板的平行度误差)时可能发生的任何间隙厚度不确定性。预装配的支架允许通过以平移或旋转方式主动对准支架相对于混合光束的方向来校正混合光束方向的变化。在对齐过程中，内部间隔件保持与固定的薄板的相对位置。支架可被制造或包含透明、散射或吸收材料，目的是移除前面章节所述的基础光束。支架包括用于光束进入和退出的开口26。另外，也可以沿着支架的长边27做切口，以去除基础光束。
本发明提供了优于现有技术中的例子的优点。特别地，由于多表面反射几何结构，在转换光束的传输和基础光束的抑制效率高的情况下，高效的波长分离在紧凑的形式中是可能的。这种几何形状的某些细节的改变去除了基础光束，使基础光束的高反射率成为可能。与现有技术中的例子不同，这种波长分离元件可以是低成本的，因为可以使用便宜的材料。本发明适用于发射波长低于270nm的二次谐波发生装置，并且特别是在转换除以基础光束的功率比低的情况下使用高功率激光二极管来泵浦所述NLFC组件。如本发明的详细描述中所描述的，已经通过实验证明了本发明的若干优点。
实施例1
具有波长分离元件并通过吸收来移除光束的NLFC装置
在第一实施例中的波长分离元件1，如图16示意性所示，包括具有第一镜面2的第一薄平行板21和具有第二镜面6 的第二薄平行板21。包括空间上重叠的基础光束和转换光束的混合光束3，自NLFC组件11入射到第一镜面上，使得基础光束具有p型偏振，且转换光束具有s型偏振。基础和转换光束在第一镜面反射，然后在第二和第一镜面进行进一步反射。穿过第一和第二镜面的基础光束的一部分或全部在第一和第二平行平板21的第二表面22处被吸收。
图16中示出了波长分离元件的示意图，呈现了从镜面发生总共5次反射的示例。或者更少或更多的反射可被使用，这取决于基础光束所需的抑制效率Af或其他限制条件。优选总共使用3到10个反射。所述平行板21包含一种材料，该材料支持p型偏振基础光束的布鲁斯特型反射根据公式2以近似布鲁斯特角在板的表面。优选地，平行板21包括相同的材料。在目前的例子中，平行板均是UV熔融石英，但是包含在平行板中的其它合适材料包含二氧化硅、硼硅酸盐(例如BK7)、硅、 PMMA、含氟聚合物和其它塑料。第一和第二镜面涂层被配置为提供对s偏振转换光束的反射率大于50％且优选大于99％，对 p偏振基础光束的反射率小于1％且优选小于0.1％，且对s偏振的基础光束反射率小于20％且优选小于10％。在这个例子中，第一和第二镜面包括堆叠的多层涂层，其包括包含氟化镧 (LaF3)和氟化镁(MgF2)的材料，但是可以使用其他合适的材料或代替这些材料。在另一变型中，不同的涂层沉积在第一和第二镜面上。这可以是有利的，因为例如第二镜面可以被配置为提供比第一镜面涂层更低的对于s偏振的基础光束的反射率，且由此为具有s型偏振的基础光束的元件提供更高的抑制效率。
吸收层30位于第一和第二平行板21的第二表面22上。吸收层吸收来自穿过第一或第二镜面2、6的基础光束的一些或全部光。在本实施例中，吸收层是沉积在平行板的第二表面上的某种形式的吸收油墨、颜料、染料或油漆。或者，所述吸收层可以由其他材料的薄膜或连接到板21的第二表面的分离板制成。在通过吸收除去基础光束的另一变更中，所述板21可以被制成通过使用吸收材料(例如硅)或离子或掺杂剂以及其他方法的植入部分或完全吸收。在另一个变更中，吸收材料被放置在距离第二表面一定距离处以吸收透射光束，并且可选地在该板的背面的第二表面上沉积抗反射涂层，以减少基础光的反射，由此促进基础光的透射。
板21的尺寸和板之间的间隙(g)可以根据基础和转换光束传播的s和p偏振方向上的发散半角θBeam、和在基础光束的有效源(即基础光束出现的发散位置)与第一镜面处的第一反射之间的距离k(沿着基础光束的传播方向被测量)来选择。所述有效源可位于NLFC组件11的中心附近，但可通过在部件和分离元件之间的光学部件(例如透镜)的使用以虚拟地被替代。基础和转换光束的发散半角可变化，以便考虑用于计算的最宽角度。所述半角θBeam_p在0.1°和10°之间的范围内，且优选在0.5°和3°之间。混合光束3可以是会聚的，也可以是发散的或准直的。距离d在1mm和500mm之间的范围内，且优选在 1mm和50mm之间。间隙g在0.1mm和20mm之间的范围内，且优选在0.2mm和6mm之间。由于光束特性和对准容差的变化，所述间隙可优选为稍大于计算的值gmin。那么长度L1在2mm和 100mm之间的范围内，且优选地在2mm和20mm之间的范围内。如果需要偶数个全反射，那么L2等于L1。如果需要奇数个全反射，则L2在1mm与70mm之间的范围内，且优选在1mm与15mm 之间。优选仅使用两个平行板21，其中在至少一个平行板上发生至少两次反射。然而，在一个变形中，分离的平行板可被配置为提供反射的每一个(即每个平行板只有一个反射)。使用来自至少一个板的至少两个反射是有利的，因为入射在镜面上的光束覆盖大面积的镜面，并且甚至板之间的小间隙引入通过分离元件传播的转换光束的传输效率的损失。就性能而言，优选对板使用大的厚度w1、w2，使得在第二表面22处的透射光束的反射产生的非主要光束不与输出的转换光束重叠。然而，大的厚度不太经济。另一方面，薄板是经济的，但倾向于不太坚硬且可弯曲的。因此，厚度w1、w2在0.4mm和10mm之间的范围内，且优选在0.4mm和2mm之间。板的高度H(沿着与图14 中的图的平面垂直的方向测量)由s偏振方向上的半角θBeam_s确定，且在0.1mm和20mm之间的范围内并优选地在1mm和 10mm之间。
板21被安装到固定板之间的间隙的支架中。然后将该支架以适当的对准方式布置到底座(NLFC装置40的其他部件被布置在其上)上，以接收输入混合光束并提供输出转换光束。在另一个变形中，板21可以直接安装在底座上。
所述波长分离元件被定向成使得输入混合光束3的中心光线以接近于θBr的角度入射到第一镜面2上(在5°内；优选地在0.5°内)。所述转换光束被反射离开第一镜面2，并且大部分基础光束透过镜面，并且一些或全部透射光束被第二表面22 上的吸收层吸收。在第一镜面处反射的任何基础光束与转换光束一起向前传播，其中大部分在第一镜面处被反射。类似的反射、透射和吸收在第二镜面重复，然后在第一镜面重复，直到混合光束作为输出转换光束离开所述波长分离元件。
本发明可以单独使用或与包括现有技术中提出的其他分离元件组合使用。这取决于所需的整体装置设计以及可用的转换光束的期望特性等。还应该预料到，其他光学元件可以插入到NLFC组件11和波长分离组件之间的光束路径中，以便在基础光束或转换光束进入分离元件之前支配它们。
实施例2
具有分离元件并通过散射移除光束的NLFC装置
第二实施例与第一实施例类似，共同的特征可能不会重复。具有与先前示例中相同或类似功能的部件在图中用共同的数字标号标示。在图17所示的第二实施例中，通过将第一和第二板21 的第二表面22配置为纹理的,使得基础光在第二表面处漫散射，以对已穿过第一和第二镜面2、6的基础光束进行处理。
如图17所示，板21的第二表面22被纹理化以促进散射。穿过镜面2、6的基础光束在板的带纹理的第二表面22处散射。散射消除了基础光束从第二表面反射的镜面反射，否则可能导致与输出转换光束重叠并降低波长转换元件的抑制效率。减少透射基础光束的镜面反射的任何纹理表面都是合适的。对于本实施例，板21是UV熔融石英，且第二表面被机械研磨成提供漫反射的无规则纹理表面。第二表面可以随机纹理化具有特征尺寸大于基础光束的波长。散射源的变更包括完全或部分扩散板的使用以及经折射率匹配与背面连接的单独的纹理片的使用。
还应该注意的是，两种去除方法，吸收和重新定向都可以组合使用。例如，可以首先将板随机纹理化，然后在背面的顶部上沉积吸收层。
实施例3
具有分离元件和光束移除的直接倍频装置
第三实施例与第一实施例类似，共同的特征可能不会被重复。具有与先前示例中相同或类似功能的部件在图中用共同的数字标号标示。在图18所示的该第三实施例中，通过由作为半导体激光器(诸如激光二极管31)的固态发光器发射的光的倍频产生波长范围为200nm-270nm内的深紫外光。从激光二极管31 发射的基础光束包括波长在400nm和540nm之间的范围内。在本实施例中，所述激光二极管包括发射波长约为440nm的 AlyGaxInzN材料。
从激光二极管31发射的基础光束入射到NLFC组件11 上。可选地，基础光束4在入射到NLFC组件11之前传播通过一个或多个光学元件，其中光学元件改变基础光束的性能，例如，使其收敛到NLFC组件内的腰部。在该实施例中，基础光束传播通过准直透镜32，准直透镜32减小激光二极管发射的光束的发散角，然后基础光束通过包括聚焦基础光束的一个或多个透镜的光学系统33传播，使得它在向NLFC组件传播时收敛，然后在NLFC组件内形成腰(即基础光束的半径达到最小值)，然后当基础光束进一步通过NLFC组件传播时,基础光束发散，并当它传播出NLFC组件时继续发散。
所述光学系统33被配置为使得基础光束的至少一个平面中的基础光束的会聚角导致NLFC组件中的转换光束的SHG 具有高效率。在本实施例中，NLFC组件是β-BaB2O4的组件，其定向用于具有基础光束波长(即大约440nm波长)的光的相位匹配类I型的SHG，且转换光束具有大约220nm的波长。转换光束5可在NLFC组件内经历双折射离散；例如在波长为440nm的基础光束和β-BaB2O4的情况下，离散角约为4°。
在此，基础光束的两个平面被定义为“s偏振平面”和“p 偏振平面”。S偏振平面是包含基础光束的传播方向和电场振荡的方向的平面，其中电场振荡随后在第一镜面2的反射被s偏振。p偏振平面是这样的平面，包含基础光束的传播方向和电场振荡的方向，其中电场振荡随后在第一镜面2的反射被p偏振的。
入射到NLFC组件上的基础光束的会聚半角在s偏振平面中和在p偏振平面中在0.1°和15°之间的范围内，且在两个平面中优选在0.5°和3°之间。基础光束优选在光束的两个平面内的NLFC组件内形成腰部，然后在传播出NLFC组件之后，以s 偏振和p偏振的并具有发散半角发散，类似于当它入射到NLFC 组件上时以会聚半角在各自的平面中。
转换光束由NLFC组件内的SHG产生。混合光束3包括发散基础光束和转换光束，其可在空间上彼此重叠。
可选地，混合光束入射到附加的滤波器元件34上，该附加滤波器元件34对转换光束5具有高反射率并对基础光束4 具有低反射率，如图19所示。然后反射的混合光束3入射到波长分离元件1的第一镜面上。或者，混合光束3入射到波长分离元件1的第一镜面上，而不从附加的滤波器元件34反射。
波长分离元件1包括第一和第二板21。混合光束3入射在第一板的第一镜面2上。基础光束的主偏振在第一镜面的入射为p型。转换光束的主偏振在第一镜面的入射为s型。
第一镜面2包括MgF2和LaF3材料的多层，并且第一板是UV熔融石英。基础光束在第一镜面的入射角近似等于布鲁斯特角
(≈56°)
第一镜面被配置为转换光束的s偏振提供大约99％的高反射率。第一镜面为基础光束的p偏振组件提供约0.1％的低反射率和为基础光束的s偏振组件提供约20％的反射率。从第一镜面2反射的基础和转换光束入射到第二板21的第二镜面2上。第二镜面近似平行于第一镜面(即，第一和第二镜面之间的角度小于 2°)。第二镜面被配置为具有与基础光束和转换光束类似的反射率(即，多层涂层可以与第一镜面相同，并且第二板的材料可以与第一板相同)。对于前面的实施例，基础光束和转换光束从第一镜面总共反射三次，从第二镜面总共反射两次。透射的基础光束4被设置在第一和第二板21的第二表面22上的吸收材料30吸收。合适材料的例子是吸收油墨、颜料、染料或油漆。其他有机或无机材料可以用作替代品。所述第二表面22也可选地被纹理化(无论吸收材料是否设置在它们上面)以提供透射的基础光束的散射。
第一和第二板的尺寸可以根据公式4、5和6的结果来配置。
在传播穿过所述波长分离元件之后，输出转换光束可使用准直光学器14校准。可选地，准直光学器可以布置在NLFC 组件和波长分离元件之间的光束路径中。然而，优选的是，准直光学器14作用于输出转换光束，因为这使得能够使用与NLFC 组件较远距离的准直光学器(由此确保输出转换光的良好光束质量)，同时还能够实现高度紧凑的NLFC装置40。
根据本实施例的波长分离元件的性能是针对基础波长大约为440nm并且转换波长大约为220nm的NLFC装置进行的实验测量的。在包括位于NLFC组件和第一镜面之间的混合光束的路径中的附加的滤波器元件34的第一装置中，波长分离元件对于基础光束表现出至少5×103的抑制效率，并且转换光束的传输效率至少为98％。在混合光束入射到第一镜面上而没有从分色镜反射的第二装置中，基础光束的抑制效率至少为1×105，且转换光束的传输效率为至少98％。高抑制效率和高传输效率适合于根据当前实施例的NLFC装置，其中转换光束中的功率除以基础光束中的功率的比率可以在10-5-10-3的范围内。
根据当前实施例的NLFC装置40的整体尺寸可能很小。例如，根据当前实施例的NLFC装置40提供具有波长
≈220nm
的输出转换光束被证明具有小于25cm2的封装覆盖区域，其中波长分离元件占覆盖区域的面积小于1cm2。根据本发明的波长分离元件能够实现这样的小型NLFC装置，同时还提供非常高的基础光束抑制效率和转换光束的高传输效率。
实施例4
具有分离元件和光束移除的间接倍频装置
第四实施例与第一和第三实施例类似，共同的特征将不再重复。在图20所示的第三实例中，波长范围在200nm-270nm的深紫外光是由固态发光器发射的较长波长光的倍频产生的，该固态发光体由从激光二极管等发射的光来进行泵浦的。
从激光二极管31发射的光束首先被包括一个或多个光学组件的准直光学器32准直，然后聚焦到包含增益介质的谐振器35中。从谐振器发射的基础光束在400nm和540nm之间的波长范围内，并且通过NLFC组件11传播，产生波长范围在200nm和 270nm之间的转换光束。可选地，从谐振器发射的基础光束由可选的光学系统33聚焦，使得它在朝向NLFC组件11传播时会聚。在该实施例中，使用光学系统33。光学系统33的聚焦强度由光学系统33内的光学组件的焦距确定，且可用会聚角表示。在s偏振平面和p偏振平面中的会聚角在0.1°和10°之间的范围内，且优选在0.5°和3°之间。离开所述NLFC组件的混合光束3以与组件的输入光束类似的角度传播，并以接近θBr的入射角入射在分离元件的第一镜面2上。当混合光束传播穿过所述分离元件时，所述基础光束通过吸收被去除。应该注意的是，经由重定向或两者的组合的去除也适用于描述的实施例2。所述NLFC装置40还可包含具有附加功能(例如波长稳定，使用谐振器等的光学增强) 的附加光学组件。
实施例5
具有使用小角度定向表面的分离元件的NLFC装置
第五实施例与第一实施例类似，共同的特征不再重复。具有与先前示例中相同或类似功能的部件在图中用共同的数字标号标示。在该实施例中，波长分离元件1包括具有第一镜面2的第一板21和具有第二镜面6的第二板21，并且第一镜面和第二镜面彼此不平行。第一和第二表面的表面法线之间的角度是αs。优选地，第一和第二镜面的表面法线位于相同的几何平面中，其中所述平面还包含入射在第一镜面2上的基础光束的传播方向。示例性配置在图21中示出。
使用角度αs的优点是双重的。首先可以减小基础光束4 的发散对抑制效率的影响，其次可以放宽入射在第一镜面上的混合光束3组件的入射角公差。在由具有角度αs的板组成的系统中，对于在第一和第二镜面2、6上连续反射，入射角是变化的。如果混合光束3在第一次反射以布鲁斯特角θBr入射，此后对于每次的接续反射，入射角减小了αs。在使用5次反射的分离元件的情况下，系统可被配置成使得第三次反射的入射角是布鲁斯特角θBr。以这种方式，当光束传播时，光束的入射角随着布鲁斯特角θBr的任一侧而变化。αs的选择取决于入射角的优选范围，且在0.01°至10°的范围内。在所有反射(“角度范围”)上入射角的范围优选近似等于光束发散全角
2*θBeam_p
或接近离开组件NLFC组件11的混合光束3的方向的角度公差。如果角度范围是4°，则两个板之间的倾斜是αS＝4°/(n-1)＝1°且第一镜面的入射角为θBr+2αs。只有当两个板之间的开口朝向第一镜面反射时，换言之，板之间的间隙随着光束传播而减小，如图21所示，则可以使用θBr+2αs计算第一镜面处的入射角，如图2所示。如果开口朝向出口(随着光束传播间隙增加)，那么可以使用θBr－2αs来计算第一镜面处的入射角。开口决定入射角的角度扫描是从低到高的值，反之亦然。在其他变形中，板21 的镜面2、6和背面22可以是不平行的。穿过镜面2、6的基础光束被背面上的吸收层除去，但也可以如在前面的实施例中描述的那样进行其他变化。
实施例6
具有内部反射分离元件的NLFC装置
该实施例示出了包括单个内部元件41的波长分离元件1，并且混合光束3在所述元件的内部体积中传播，如图22所示。
分隔元件1包括不强烈吸收转换光束的材料(例如，通过传播穿过元件时材料对转换光束的吸收小于50％)，且可选地不强烈吸收基础光束。分离元件包括第一镜面2和第二镜面6，例如像在前述实施例中那样具有多层涂层。这些涂层被配置为使得s偏振转换光束经受高反射率大于50％且优选大于99％。混合光束3以布鲁斯特角θBr入射到第一镜面上，其中注意到，在这种情况下，基础光束在具有折射率大于空气(即，分离元件1中的材料的折射率)的介质中传播。例如，如果材料具有n＝1.5的折射率且第一镜面的相对侧上的介质是空气
n≈1.0
然后
θBr≈33°。
内部元件的侧面42的角度θTr和基础光束在侧面42处的入射角被适当地选择。例如，可以使用如图22所示的梯形。在侧面42上也可以沉积对转换光束具有高透射率的涂层，其中透射率大于 50％且优选大于99％。大部分基础光束不在第一镜面反射，且大部分转换光束(优选至少99％)被反射。使用比之前实施例中更小的入射角的优点是分离元件可以更短，因为光束以更陡的角度反射。这种配置的另一个优点涉及将发散光束耦合到具有较高折射率的介质中，因为随着光束进入光束发散角θBeam减小。光束发散的这种变窄允许在第一和第二镜面2、6之间使用较小的间隔。基础光束的透射部分在分离元件外部传播，且优选通过吸收或重新定向来去除该光束。为了吸收穿过镜面的基础光束的一部分，优选使用与镜面距离为0.2mm至10mm的吸收元件43。还应该注意的是，可以使用重定向方法来从分离元件去除光束。如实施例5中那样，可以使用不平行的第一和第二镜面。
实施例7
具有使用大角度定向表面的分离元件的NLFC装置
该实施例示出包括单个元件的波长分离元件1，该单个元件中第一、第二和第三镜面相互之间的角度较大，如图23所示。此实施例与第一实施例类似，共同的特征可能不再被重复。
第一、第二和第三镜面2被配置成具有类似于先前实施例中的第一和第二镜面的反射特性。镜面被配置为在每次反射时为基础光束的低反射(例如布儒斯特角)维持基础光束的优选的入射角。混合光束入射到第一镜面上，反射到第二镜面上，然后反射到第三镜面上，在第三镜面上发生进一步的反射。本实施例说明了3个反射，但是也可以使用更少或更多的镜面以及更多的反射，并且相应地配置分离元件。为了在每次反射时满足布鲁斯特角，镜面2可以被配置为使得它们之间的角度为αs＝2θBr。分离元件1可以由对基础光束透明或吸收的材料制成。在镜面2上沉积有对s偏振转换光束具有高反射率的多层涂层。这些涂层的反射率大于50％，且优选大于99％。混合光束3以近似布鲁斯特角入射在第一镜面上，且转换光束被反射，当大部分基础光束透射穿过镜面。在背面22上沉积有吸收层30。穿过镜面的部分基础光束被背面22上的吸收层30吸收。在其他变形中，背面也可以纹理化以如实施例1中所描述的那样重新引导基础光束。在该分离元件的另一变形中，单片也可以被分成单独的片。在该分离元件的另一变形中，光束被联接到固体块中并且被引导，如实施例6中所示的该块。在另一个变形中，多个直的镜面2被常规的各个弯曲面替代。
因此，本发明的一个方面是一种波长分离元件，用于在非线性频率转换(NLFC装置)中将第二光束与第一光束分离，其中第二光束具有波长不同于第一光束的波长。在示例性实施例中，波长分离元件包括第一镜面和与第一镜面相对的第二镜面。相对于第一光束的反射率，第一和第二镜面具有对第二光束高的反射率，且第一和第二镜面被配置成使得第一和第二光束在第一镜面和第二镜面之间经历多次反射以将第二光束与第一光束分离。第一和第二镜面被配置成使得第一和第二光束在第一和第二镜面经历至少三次反射。波长分离元件可以单独地或组合地包括以下特征中的一个或多个。
在波长分离元件的示例性实施例中，所述第一和第二镜面具有对第二光束的反射率为至少50％且对第一光束的反射率最大为10％。
在波长分离元件的示例性实施例中，第一镜面和第二镜面被配置成使得第一和第二光束在第一镜面或第二镜面中的一个处经历至少两次反射。
在波长分离元件的示例性实施例中，第一和第二镜面设置在间隔开的独立元件上，使得第一和第二光束传播穿过镜面之间的空间间隙。
在波长分离元件的示例性实施例中，第一镜面和第二镜面布置在单个元件上，使得第一和第二光束在镜面之间的单个元件的内部体积内传播。
在波长分离元件的示例性实施例中，镜面之间的间隙“g”和波长分离元件的长度“L”基于包含第一和第二光束的混合光束的发散半角来确定。
在波长分离元件的示例性实施例中，波长分离元件还包括具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的至少一个板元件，其中第一表面是第一或第二镜面中的一个和包括散射元件的第二表面，散射元件散射穿过第一或第二镜面的第一光束的一部分。
在波长分离元件的示例性实施例中，具有两个薄板，每个薄板包括分别包括第一镜面和第二镜面的第一表面和包括散射元件的第二表面。
在波长分离元件的示例性实施例中，波长分离元件还包括具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的至少一个板元件，其中第一表面是第一或第二镜面中的一个，并且第二表面包括吸收元件，该吸收元件吸收透过第一或第二镜面的第一光束的一部分。
在波长分离元件的示例性实施例中，具有两个薄板，每个薄板包括分别包括第一镜面和第二镜面的第一表面以及包括吸收元件的第二表面。
在波长分离元件的示例性实施例中，波长分离元件还包括用于将至少一个薄板安装在支架内的支架。
在波长分离元件的示例性实施例中，所述支架包括基底和从所述基底垂直延伸的预定结构，且所述至少一个薄板安装在所述基底上并抵持所述预定结构。
在波长分离元件的示例性实施例中，波长分离元件还包括分别靠近第一和第二镜面的第一和第二吸收元件，且所述第一和第二吸收元件吸收穿过第一和第二镜面的第一光束的一部分。
在波长分离元件的示例性实施例中，所述第一镜面和所述第二镜面彼此不平行。
本发明的另一方面是一种非线性频率转换(NLFC)装置。在示例性实施例中，所述NLFC装置包括用于产生包含基础光束的第一光束的激光源、用于产生包含转换光束的第二光束的NLFC组件，所述转换光束通过将基础光束的一部分转换成转换光束而产生；以及任何实施例的波长分离元件，其中第一光束是基础光束，而第二光束是转换光束。所述NLFC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NLFC装置的示例性实施例中，所述NLFC装置还包括输出准直光学器，该输出准直光学器用于校准从波长分离元件输出的输出转换光束，使得波长分离元件被设置在NLFC组件和输出准直光学器之间的第二光束的传播路径上。
在NLFC装置的示例性实施例中，所述准直光学器沿着第二光束的传播路径测量的与NLFC组件的中心的距离大于 NLFC组件的长度除以0.5。
在NLFC装置的示例性实施例中，所述NLFC组件用于通过倍频基础光束的一部分来生成转换光束，其中转换光束具有波长等于输入光束波长的一半，且所述转换光束是深紫外光束。
在NLFC装置的示例性实施例中，所述NLFC装置还包括用于产生基础光束的激光二极管。
在NLFC装置的示例性实施例中，所述NLFC装置还包括位于所述NLFC组件和所述波长分离元件之间的滤波器元件，其中相对于基础光束的反射率，所述滤波器元件具有转换光束高的反射率。
尽管已经针对特定实施例或实施例展示和描述了本发明，但是在阅读和理解本说明书和附图后，本领域技术人员可以想到等同的改变和修改。特别是关于由上述元件(组件、组件、装置，成分等)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，除非另有说明被指示为执行所描述元件的指定功能(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一个或多个示例性实施例中的功能的所公开的结构。此外，虽然本发明的特定特征可能已经在上面关于几个实施例中的一个或多个进行了描述，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组合，这对于任何给定的或特定的应用可能是需要的和有利的。
<相关申请的参照引用>
本正式申请依据35U.S.C.§119要求2015年12月3日提交的美国专利申请第14/958,029号的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
工业应用性
根据本发明的波长分离元件可用于使用NLFC的光源中，例如紫外光源。所述光源可以用作荧光传感器或吸收传感器中的光源。
参考标号清单：
1 波长分离元件
2 第一镜面
3 混合光束
4 基础光束
5 转换光束
6 第二镜面
7 透射光束
10 NLFC发生器
11 NFLC组件
12 内部射线
13 外部射线
14 准直光学器
15 有效源
20 非主要光束
21 薄板
22 薄板的第二表面
23 预定特征
24 基底
25 支架
26 开口
27 长边
30 吸收层
31 激光二极管
32 准直光学器
33 光学系统
34 滤波器元件
35 具有增益介质的谐振器
40 NLFC装置
41 内部元件
42 内部元件的侧表面
43 吸收元件
44 第二部分
45 第一部分

Claims (17)

1.一种非线性频率转换装置、即NLFC装置，其包括：
用于产生包含基础光束的第一光束的激光源；
用于产生包含转换光束的第二光束的NLFC组件，所述转换光束通过将所述基础光束的一部分转换成所述转换光束而产生；
波长分离元件，其用于在所述非线性频率转换装置中将所述第二光束与所述第一光束分离，其中所述第二光束具有波长不同于所述第一光束的波长，所述波长分离元件包括：
第一镜面；以及
与所述第一镜面相对的第二镜面；其中：
相较于对所述第一光束的反射率，所述第一和第二镜面具有对所述第二光束高的反射率，且所述第一和第二镜面被配置为使得所述第一和第二光束在所述第一镜面和所述第二镜面之间经历多次反射以将第二光束与第一光束分开；
其中所述第一和第二镜面被配置为使得所述第一和第二光束在所述第一和第二镜面经历至少三次反射；以及
用于校准从所述波长分离元件输出的输出转换光束的输出准直光学器，使得所述波长分离元件被设置在所述NLFC组件和所述输出准直光学器之间的第二光束的传播路径上，所述输出准直光学器的焦距是沿着所述第二光束的传播路径测量的与所述NLFC组件的中心的距离，该距离大于所述NLFC组件的长度除以0.5。
2.如权利要求1所述的NLFC装置，其特征在于：所述第一和第二镜面具有对所述第二光束的反射率为至少50％,且对所述第一光束的反射率最大为10％。
3.如权利要求1或2所述的NLFC装置，其特征在于：所述第一和第二镜面被配置为使得所述第一和第二光束在所述第一镜面或所述第二镜面中的一个上经历至少两次反射。
4.如权利要求1或2所述的NLFC装置，其特征在于：所述第一和第二镜面设置在间隔开的独立元件上，使得所述第一和第二光束穿过所述镜面之间的空间间隙传播。
5.如权利要求1或2所述的NLFC装置，其特征在于：所述第一镜面和第二镜面设置在单个元件上，使得所述第一和第二光束在所述镜面之间的所述单个元件的内部体积内传播。
6.如权利要求1或2所述的NLFC装置，其特征在于：所述镜面之间的间隙“g”和所述波长分离元件的长度“L”基于包含所述第一和第二光束的混合光束的发散半角来确定。
7.如权利要求1所述的NLFC装置，其进一步包括：所述波长分离元件还包括具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的至少一个板元件，其中所述第一表面是所述第一或第二镜面中的一个，且所述第二表面包括散射元件，所述散射元件散射穿过所述第一或第二镜面的所述第一光束的一部分。
8.如权利要求7所述的NLFC装置，包括：两个薄板，每个薄板包括分别包括所述第一镜面和所述第二镜面的第一表面和包括所述散射元件的第二表面。
9.如权利要求1或2所述的NLFC装置，其进一步包括：具有第一表面和与第一表面相对的第二表面的至少一个板元件，其中所述第一表面是第一或第二镜面中的一个，并且所述第二表面包括吸收元件，所述吸收元件吸收透过所述第一或第二镜面的所述第一光束的一部分。
10.如权利要求9所述的NLFC装置，包括：两个薄板，每个薄板包括分别包括所述第一镜面和所述第二镜面的第一表面以及包括所述吸收元件的第二表面。
11.如权利要求7、8或10中任意项所述的NLFC装置，其进一步包括:用于将至少一个薄板安装在支架内的支架。
12.如权利要求11所述的NLFC装置，其特征在于：所述支架包括基底和从所述基底垂直延伸的预定结构，且所述至少一个薄板安装在所述基底上并抵持所述预定结构。
13.如权利要求1或2所述的NLFC装置，其进一步包括:分别靠近第一和第二镜面的第一和第二吸收元件，且所述第一和第二吸收元件吸收穿过所述第一和第二镜面的所述第一光束的一部分。
14.如权利要求1、2、7、8、10或12任意项所述的NLFC装置，其特征在于：所述第一镜面和所述第二镜面彼此不平行。
15.如权利要求1所述的NLFC装置，其特征在于：所述NLFC组件用于通过倍频所述基础光束的一部分来生成所述转换光束，其中所述转换光束具有波长等于输入光束波长的一半，且所述转换光束是深紫外光束。
16.如权利要求15所述的NLFC装置，其进一步包括：用于产生所述基础光束的激光二极管。
17.如权利要求1、15或16中任意项所述的NLFC装置，其特征在于：所述NLFC装置还包括位于所述NLFC组件和所述波长分离元件之间的滤波器元件，其中所述滤波器元件，相对于所述基础光束的反射率，具有对所述转换光束高的反射率。
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