CN111064071B - 一种高功率三倍频紫外飞秒激光器 - Google Patents

一种高功率三倍频紫外飞秒激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高功率三倍频紫外飞秒激光器，基频飞秒激光通过第一二倍频晶体二倍频后，二倍频光和剩余基频光通过三倍频晶体发生三倍频，三倍频光和剩余的二倍频和基频光通过三倍频谐波分离器分为两束，一束为剩余的二倍频和基频光，一束为第一三倍频光；剩余的二倍频光和基频光通过第二二倍频晶体二倍频，再通过二倍频谐波分离器分为两束，一束为二倍频光，一束为剩余基频光，两束光分别通过两反射镜反射回第二二倍频晶体，剩余基频光再二倍频，然后通过三倍频晶体三倍频，产生第二三倍频光，第一三倍频光与第二三倍频光合束。本发明通过单程和返程的三倍频光的合束，可以大幅提高三倍频转换效率，增加紫外飞秒激光的输出功率。

Description

一种高功率三倍频紫外飞秒激光器
技术领域
本发明属于激光器领域，特别是涉及一种高功率三倍频紫外飞秒激光器。
背景技术
紫外飞秒激光器结合了紫外光短波长和飞秒光窄脉宽的优势，可以聚焦得很小，且聚焦后产生非常小的热影响区。基于这种特点，这种激光器适合应用于微电子中的高通量高精度的切割、划线和钻孔，如：OLED(有机发光二极管)切割、晶圆切割、聚合物薄膜和薄膜的切割、挠性电路和低-k材料的加工。
随着工业应用的深入，为了提高产出，需要更高功率的紫外飞秒激光器。对于大功率紫外飞秒激光器，一般产生的方法为以红外飞秒激光为基频光，通过外腔三倍频获得。对于飞秒外腔三倍频，有以下因素限制了效率：1)飞秒激光线宽较宽，导致倍频晶体较薄；2)峰值功率较高，为了避免倍频晶体损伤，射入晶体光斑较大；3)基频光和二倍频光在倍频晶体中会产生时间走离，两光脉冲在时域上分开影响三倍频的过程。较薄的晶体厚度、较大的入射光斑以及时间走离会导致三倍频效率一般低于30％，残余比较多的基频光和二倍频光。
要获得高功率的紫外飞秒激光，需要高功率的红外飞秒激光。而目前高功率的红外飞秒激光一般低于100W，增加红外飞秒激光功率的代价比较大，提高三倍频的效率成为增加紫外飞秒激光功率的一个途径。
发明内容
本发明的目的在于弥补现有技术的缺点和不足，提供一种大幅度提高三倍频转换效率的高功率三倍频紫外飞秒激光器。
为了实现这一目的，本发明采用的技术方案为：一种高功率三倍频紫外飞秒激光器，包括：基频光飞秒激光器、二倍频单元、三倍频单元、光分束单元、光合束单元，所述二倍频单元包括第一二倍频晶体、第二二倍频晶体，所述三倍频单元包括第一三倍频晶体，所述光分束单元包括第一三倍频谐波分离器，所述光合束单元包括三倍频光1/2波片、三倍频光延时线和三倍频光偏振分光器，所述基频光飞秒激光器、第一二倍频晶体、第一三倍频晶体、第一三倍频光谐波分离器和第二二倍频晶体依次设置，所述三倍频光1/2波片、三倍频光延时线和三倍频光偏振分光器沿所述第一三倍频谐波分离器的三倍频光出射方向依次设置。
所述光分束单元还包括二倍频光谐波分离器、基频光反射镜、二倍频光反射镜以及第二三倍频谐波分离器，所述光合束单元还包括三倍频光反射镜，所述基频光飞秒激光器、第一二倍频晶体、第二三倍频光谐波分离器、第一三倍频晶体和第一三倍频光谐波分离器依次设置，所述第二二倍频晶体和二倍频光谐波分离器沿第一三倍频光谐波分离器的剩余激光出射方向依次设置，所述基频光反射镜和二倍频光反射镜分别设置在二倍频光谐波分离器的两个出射方向上，所述三倍频光反射镜和沿第二三倍频光谐波分离器的三倍频光出射方向设置，所述三倍频光偏振分光器设置在第一三倍频光谐波分离器和第二三倍频光谐波分离器的三倍频光合束处。
所述三倍频单元还包括第二三倍频晶体，所述光分束单元还包括第三三倍频谐波分离器，所述光合束单元还包括三倍频光反射镜，所述基频光飞秒激光器、第一二倍频晶体、第一三倍频晶体和第一三倍频光谐波分离器依次设置，所述三倍频光1/2波片、三倍频光延时线、三倍频光反射镜沿第一三倍频光谐波分离器的三倍频光出射方向依次设置，所述第二二倍频晶体、第二三倍频晶体、第三三倍频光谐波分离器和吸光块沿第一三倍频光谐波分离器的剩余激光出射方向依次设置，所述三倍频光偏振分光器设置在第一三倍频光谐波分离器和第三三倍频光谐波分离器的三倍频光合束处。
进一步地，所述第一二倍频晶体和第二二倍频晶体的入射面和出射面镀基频光和二倍频光的增透膜，所述第一三倍频晶体和第二三倍频晶体的入射面和出射面镀基频光、二倍频光和三倍频光的增透膜。
进一步地，所述基频飞秒激光与第一二倍频晶体之间可插入透镜或透镜组，所述透镜或透镜组用于控制晶体上光斑大小。
进一步地，所述第一二倍频晶体与第一三倍频晶体之间可插入第一时间走离补偿器和第一偏振控制器，所述第一时间走离补偿器用于补偿基频光和二倍频光之间的时间走离，所述第一偏振控制器用于改变基频光和二倍频光的偏振态，以满足发生三倍频的条件。
进一步地，所述第二二倍频晶体与第二三倍频晶体之间可插入第二时间走离补偿器，所述第二时间走离补偿器用于补偿基频光和二倍频光之间的时间走离。
进一步地，所述第二二倍频晶体与第一三倍频光谐波分离器之间可插入第二偏振控制器，所述第二偏振控制器用于改变基频光和二倍频光的偏振态，以满足发生二倍频的条件。
进一步地，所述第一时间走离补偿器和第二时间走离补偿器为双折射晶体，表面镀基频光和二倍频光的增透膜，所述第一偏振控制器和第二偏振控制器为双波长波片，表面镀基频光和二倍频光增透膜。
所述第一二倍频晶体和第二二倍频晶体是按照第Ⅰ类相位匹配角切割的LBO或BBO晶体，所述第一三倍频晶体和第二三倍频晶体是按照第Ⅰ类相位匹配角切割或按照第Ⅱ类相位匹配角切割的LBO或BBO晶体。
所述三倍频光偏振分光器可以是高功率三倍频光的偏振分光棱镜、薄膜偏振分光平片、格兰(Glan)棱镜、洛匈(Rochon)棱镜或沃拉斯顿(Wollaston)棱镜。
本发明的有益效果是：本发明通过引入第二二倍频晶体，提高二倍光在剩余的二倍频和基频光的比例，将剩余的二倍频和基频光分束后合束，可补偿它们的时间走离，充分利用剩余的二倍频和基频光，提高第二三倍频光的转换效率；通过第一和第二三倍频光的合束，可以大幅提高三倍频转换效率，实现高功率的飞秒紫外光输出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种高功率三倍频紫外飞秒激光器的结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种高功率三倍频紫外飞秒激光器的结构示意图；
图3是本发明实施例三提供的一种高功率三倍频紫外飞秒激光器的结构示意图；
图4是本发明实施例四提供的一种高功率三倍频紫外飞秒激光器的结构示意图；
图5是本发明实施例五提供的另一种高功率三倍频紫外飞秒激光器的结构示意图。
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的元件或结构：1-基频光飞秒激光器、2-第一二倍频晶体、301-第二三倍频光谐波分离器、302-第一三倍频光谐波分离器、303-第三三倍频光谐波分离器、4-第一三倍频晶体、5-第二二倍频晶体、6-二倍频光谐波分离器、7-基频光反射镜、8-二倍频光反射镜、9-三倍频光1/2波片、10-三倍频光延时线、11-三倍频光反射镜、12-三倍频光偏振分光器、13-透镜或透镜组、14-第一时间走离补偿器、15-第一偏振控制器、16-第二偏振控制器、17-第二时间走离补偿器、18-反射基频光和倍频光的反射镜、19-三倍频光1/4波片、20-三倍频光反射镜、21-第二三倍频晶体、22-吸光块。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一：
如图1所示，本实施例提供的一种高功率三倍频紫外飞秒激光器，包括由左至右依次设置的基频光飞秒激光器1、第一二倍频晶体2、第二三倍频光谐波分离器301、第一三倍频晶体4、第一三倍频光谐波分离器302，沿第一三倍频光谐波分离器302的三倍频光出射方向依次设置有三倍频光1/2波片9、三倍频光延时线10和三倍频光偏振分光器12，沿第一三倍频光谐波分离器302的剩余激光出射方向由左至右设置有第二二倍频晶体5、二倍频光谐波分离器6，第二三倍频光谐波分离器301的三倍频光出射方向设置有三倍频光反射镜11，三倍频光偏振分光器12设置在第一三倍频光谐波分离器302和第二三倍频光谐波分离器301的三倍频光合束处，二倍频光谐波分离器6的二倍频光出射方向设置有二倍频光反射镜8，二倍频光谐波分离器6的基频光方向设置有基频光反射镜7。
在本实施例中，基频光飞秒激光器1为中心波长1030nm的飞秒激光器，第一二倍频晶体2和第二二倍频晶体5是按照第Ⅰ类相位匹配角切割的LBO或BBO晶体，第一三倍频晶体4是按照第Ⅱ类相位匹配角切割的LBO或BBO晶体。
工作时，基频飞秒激光器1射出中心波长为1030nm、偏振态为S偏振(偏振方向垂直于桌面为S光，水平于桌面为P光)的基频飞秒激光，飞秒激光通过第一二倍频晶体2发生二倍频效应，输出的飞秒激光为波长1030nm的S光(二倍频光)和波长515nm的P光(基频光)，1030nm飞秒激光和515nm飞秒激光再通过第一三倍频晶体4发生三倍频效应，输出波长1030nm的S光、波长515nm的P光以及波长343nm的S偏振光(第一三倍频光)，之后343nm飞秒激光以及剩余的1030nm飞秒激光和515nm飞秒激光经第一三倍频光谐波分离器302分为两束，一束为剩余的1030nm飞秒激光和515nm飞秒激光，另一束为S偏振的第一三倍频光(第一紫外飞秒激光)，第一紫外飞秒激光经三倍频光1/2波片9改变为P偏振态，再经三倍频光延时线10进入三倍频光偏振分光器12。
剩余的1030nm飞秒激光与515nm飞秒激光经过第二二倍频晶体5，1030nm飞秒激光再发生二倍频效应，经二倍频光谐波分离器6分为两束，一束为1030nm飞秒激光，另一束为515nm飞秒激光；1030nm飞秒激光经基频光反射镜7反射回第二二倍频晶体5，继续发生二倍频效应产生515nm飞秒激光，515nm飞秒激光经二倍频光反射镜8反射回第二二倍频晶体5，回程的1030nm飞秒激光和515nm飞秒激光在第一三倍频晶体4中发生三倍频效应产生第二三倍频光(第二紫外飞秒激光)，偏振态为S偏振，第二紫外飞秒激光经第二三倍频光谐波分离器301、三倍频光反射镜11反射进入三倍频光偏振分光器12与第一紫外飞秒激光合束。
在本实施例中，改变基频光反射镜7或二倍频光反射镜8的位置可以补偿回程1030nm飞秒激光和515nm飞秒激光的时间走离，时间走离的补偿可以增加回程第二三倍频光的产生效率，三倍频光延迟线10用来保证第一紫外飞秒激光和第二紫外飞秒激光的脉冲在时间轴上是重合的。
实施例二：
如图2所示，在上述实施例一的基础上，在基频飞秒激光器1和第一二倍频晶体2中间插入透镜或透镜组13，用于控制基频光的光斑大小，调节三倍频的效率。在第一二倍频晶体2和三倍频光谐波分离器301之间插入第一时间走离补偿器14，第一时间走离补偿器14为双折射晶体，S偏振的1030nm飞秒激光和P偏振的515nm飞秒激光经过其之后会产生不同的光程，从而实现时间走离的补偿，时间走离的补偿可以提高正向三倍频的效率。
若第一三倍频晶体4为按Ⅰ类相位匹配角切割的LBO或者BBO，为了产生三倍频效应，需要在第一时间走离补偿器14和第二三倍频光谐波分离器301之间插入第一偏振控制器15，使1030nm飞秒激光和515nm飞秒激光器偏振态相同，从而满足三倍频的Ⅰ类相位匹配。同时，为了保证反向三倍频光的产生，需要在第一三倍频光谐波分离器302和第二二倍频晶体5之间插入第二偏振控制器16，使1030nm飞秒激光偏振态旋转90°，515nm飞秒激光偏振态保持不变。
实施例三：
如图3所示，在上述实施例二的基础上，二倍频谐波分离器6、基频光反射镜7和二倍频光反射镜8分别用于分离并反射1030nm飞秒激光和515nm飞秒激光，并补偿它们的时间走离，而用第二时间走离补偿器17和反射1030nm飞秒激光和515nm飞秒激光的反射镜18替换二倍频谐波分离器6、基频光反射镜7和二倍频光反射镜8，可以实现相同的目的。
实施例四：
如图4所示，在上述实施例三的基础上，第二三倍频光谐波分离器301、第一三倍频光谐波分离器302、三倍频光1/2波片9、三倍频光延时线10、反射镜11和三倍频光偏振分光器12组成的紫外飞秒激光器光分束、合束单元可以由第二三倍频光谐波分离器301、第一三倍频光谐波分离器302、三倍频光1/4波片19和三倍频光反射镜20等效替换。第一紫外飞秒激光从第一三倍频光谐波分离器302分离之后，两次通过三倍频光1/4波片19，偏振态旋转90°，第一紫外飞秒激光最后经过第一三倍频光谐波分离器302和第一三倍频晶体4后到达第二三倍频光谐波分离器301与第二紫外飞秒激光合束。
实施例五：
如图5所示，本实施例提供的另一种高功率三倍频紫外飞秒激光器，包括由左至右依次设置的基频光飞秒激光器1、第一二倍频晶体2、第一三倍频晶体4、第一三倍频光谐波分离器302，沿第一三倍频光谐波分离器302的三倍频光出射方向依次设置有三倍频光1/2波片9、三倍频光延时线10、三倍频光反射镜11，沿第一三倍频光谐波分离器302的剩余激光出射方向依次设置有第二二倍频晶体5、第二三倍频晶体21、第三三倍频光谐波分离器303和吸光块22，三倍频光偏振分光器12设置在第一三倍频光谐波分离器302和第三三倍频光谐波分离器303的三倍频光合束处。
在本实施例中，基频光飞秒激光器1为中心波长1030nm的飞秒激光器，第一二倍频晶体2和第二二倍频晶体5是按照第Ⅰ类相位匹配角切割的LBO或BBO晶体，第一三倍频晶体4和第二三倍频晶体21是按照第Ⅰ类相位匹配角切割或按照第Ⅱ类相位匹配角切割的LBO或BBO晶体。
工作时，基频飞秒激光器1射出中心波长为1030nm、偏振态为S偏振(偏振方向垂直于桌面为S光，水平于桌面为P光)的基频飞秒激光，飞秒激光通过第一二倍频晶体2发生二倍频效应，输出的飞秒激光为波长1030nm的S光(二倍频光)和波长515nm的P光(基频光)，1030nm飞秒激光和515nm飞秒激光再通过第一三倍频晶体4发生三倍频效应，输出波长1030nm的S光、波长515nm的P光以及波长343nm的S偏振光(第一三倍频光)，之后343nm飞秒激光以及剩余的1030nm飞秒激光和515nm飞秒激光经第一三倍频光谐波分离器302分为两束，一束为剩余的1030nm飞秒激光和515nm飞秒激光，另一束为S偏振的第一三倍频光(第一紫外飞秒激光)，第一紫外飞秒激光经三倍频光1/2波片9改变为P偏振态，再经过三倍频光延时线10，最后通过三倍频光反射镜11反射进入三倍频光偏振分光器12。
剩余的1030nm飞秒激光和515nm飞秒激光经过第二二倍频晶体5，1030nm飞秒激光再发生二倍频效应，然后射入第二三倍频晶体21三倍频产生第二紫外飞秒激光，第二紫外飞秒激光经第三三倍频光谐波分离器303分离出来进入三倍频光偏振分光器12与第一紫外飞秒激光合束，剩余的1030nm飞秒激光和515nm飞秒激光经第三三倍频光谐波分离器303分离出来打在吸收块22上。
在本实施例中，基频飞秒激光器1和第一二倍频晶体2中间插入透镜或透镜组13，用于控制基频光的光斑大小，调节三倍频的效率。在第一二倍频晶体2和第一三倍频晶体4之间可插入第一时间走离补偿器14，第一时间走离补偿器14为双折射晶体，同样的，第二二倍频晶体5与第二三倍频晶体21之间可插入第二时间走离补偿器17，第一时间走离补偿器14和第二时间走离补偿器17都是用于补偿基频光和二倍频光之间的时间走离，提高三倍频效率。
若第一三倍频晶体4为按Ⅰ类相位匹配角切割的LBO或者BBO，为了产生三倍频效应，需要在第一时间走离补偿器14和第一三倍频晶体4之间插入第一偏振控制器15，使1030nm飞秒激光和515nm飞秒激光器偏振态相同，从而满足三倍频的Ⅰ类相位匹配。在第一三倍频光谐波分离器302和第二二倍频晶体5之间插入第二偏振控制器16，使1030nm飞秒激光偏振态旋转90°，515nm飞秒激光偏振态保持不变，保证两次二倍频产生的515nm飞秒激光器偏振态相同。
若第二三倍频晶体21为按Ⅰ类相位匹配角切割的LBO或者BBO，为产生三倍频效应，需要在第二时间走离补偿器17和第二三倍频晶体21之间插入类似于15的第三偏振控制器23。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高功率三倍频紫外飞秒激光器，其特征在于，包括：基频光飞秒激光器、二倍频单元、三倍频单元、光分束单元、光合束单元，所述二倍频单元包括第一二倍频晶体、第二二倍频晶体，所述三倍频单元包括第一三倍频晶体，所述光分束单元包括第一三倍频谐波分离器，所述光合束单元包括三倍频光1/2波片、三倍频光延时线和三倍频光偏振分光器，所述基频光飞秒激光器、第一二倍频晶体、第一三倍频晶体、第一三倍频光谐波分离器和第二二倍频晶体依次设置，所述三倍频光1/2波片、三倍频光延时线和三倍频光偏振分光器沿所述第一三倍频谐波分离器的三倍频光出射方向依次设置；
所述光分束单元还包括二倍频光谐波分离器、基频光反射镜、二倍频光反射镜以及第二三倍频谐波分离器，所述光合束单元还包括三倍频光反射镜，所述基频光飞秒激光器、第一二倍频晶体、第二三倍频光谐波分离器、第一三倍频晶体和第一三倍频光谐波分离器依次设置，所述第二二倍频晶体和二倍频光谐波分离器沿第一三倍频光谐波分离器的剩余激光出射方向依次设置，所述基频光反射镜和二倍频光反射镜分别设置在二倍频光谐波分离器的两个出射方向上，所述三倍频光反射镜沿第二三倍频光谐波分离器的三倍频光出射方向设置，所述三倍频光偏振分光器设置在第一三倍频光谐波分离器和第二三倍频光谐波分离器的三倍频光合束处；
所述三倍频单元还包括第二三倍频晶体，所述光分束单元还包括第三三倍频谐波分离器，所述光合束单元还包括三倍频光反射镜，所述基频光飞秒激光器、第一二倍频晶体、第一三倍频晶体和第一三倍频光谐波分离器依次设置，所述三倍频光1/2波片、三倍频光延时线、三倍频光反射镜沿第一三倍频光谐波分离器的三倍频光出射方向依次设置，所述第二二倍频晶体、第二三倍频晶体、第三三倍频光谐波分离器和吸光块沿第一三倍频光谐波分离器的剩余激光出射方向依次设置，所述三倍频光偏振分光器设置在第一三倍频光谐波分离器和第三三倍频光谐波分离器的三倍频光合束处。
2.根据权利要求1所述的高功率三倍频紫外飞秒激光器，其特征在于，所述第一二倍频晶体和第二二倍频晶体的入射面和出射面镀基频光和二倍频光的增透膜，所述第一三倍频晶体和第二三倍频晶体的入射面和出射面镀基频光、二倍频光和三倍频光的增透膜。
3.根据权利要求1所述的高功率三倍频紫外飞秒激光器，其特征在于，基频飞秒激光与第一二倍频晶体之间设置有透镜或透镜组，所述透镜或透镜组用于控制晶体上光斑大小。
4.根据权利要求1所述的高功率三倍频紫外飞秒激光器，其特征在于，所述第一二倍频晶体与第一三倍频晶体之间设置有第一时间走离补偿器和第一偏振控制器，所述第一时间走离补偿器用于补偿基频光和二倍频光之间的时间走离，所述第一偏振控制器用于改变基频光和二倍频光的偏振态。
5.根据权利要求1所述的高功率三倍频紫外飞秒激光器，其特征在于，所述第二二倍频晶体与第二三倍频晶体之间设置有第二时间走离补偿器，所述第二时间走离补偿器用于补偿基频光和二倍频光之间的时间走离。
6.根据权利要求 1所述的高功率三倍频紫外飞秒激光器，其特征在于，所述第二二倍频晶体与第一三倍频光谐波分离器之间设置有第二偏振控制器，所述第二偏振控制器用于改变基频光和二倍频光的偏振态。
7.根据权利要求1所述的高功率三倍频紫外飞秒激光器，其特征在于，所述第一二倍频晶体和第二二倍频晶体是按照第Ⅰ类相位匹配角切割的LBO或BBO晶体，所述第一三倍频晶体和第二三倍频晶体是按照第Ⅰ类相位匹配角切割或按照第Ⅱ类相位匹配角切割的LBO或BBO晶体。
8.根据权利要求1所述的高功率三倍频紫外飞秒激光器，其特征在于，所述三倍频光偏振分光器可以是高功率三倍频光的偏振分光棱镜、薄膜偏振分光平片、格兰棱镜、洛匈棱镜或沃拉斯顿棱镜。
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