CN111106521A

CN111106521A - 一种和频装置和激光器

Info

Publication number: CN111106521A
Application number: CN201911347170.6A
Authority: CN
Inventors: 王家赞; 朱光
Original assignee: Beijing Keyi Hongyuan Photoelectric Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Keyi Hongyuan Photoelectric Technology Co ltd
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2020-05-05

Abstract

本发明提供了一种和频装置，其包括主光路、五倍频晶体和合束装置，主光路上依次布置有二倍频晶体、三倍频晶体和第一分束装置；通过第一分束装置能够形成二倍频光支路和三倍频光支路两个光支路；二倍频光支路上依次布置有波片和偏振片，二倍频光支路与三倍频光支路的光程与终点相同；通过合束装置将二倍频光支路与三倍频光支路中的光进行合束；合束光能够传播至所述五倍频晶体。本发明还提供了一种激光器。与现有技术比较本发明的有益效果在于：使用该装置能够提高和频的工作效率，能够高效地获取五倍频的激光。

Description

一种和频装置和激光器

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种和频装置和一种激光器。

背景技术

在激光器应用领域，213nm深紫外固体激光器主要用于晶圆缺陷的在线监测设备，其中波长213nm的激光由波长为1064nm的激光经过多次倍频及和频产生的。

现有技术中，一般情况下会将基频光与四倍频进行和频从而得到213nm激光。但是这种和频方案存在着缺陷，主要缺陷在于，由于涉及到了266nm四倍光激光，所以激光器中的晶体和镀膜产品的选型范围较窄，且工作效率不高。因此，这种和频方案的应用受限。

因此，需要设计另一种和频产生五倍频激光的装置，从而使213nm深紫外固体激光器的工作效率得以提高。

发明内容

有鉴于此，为解决现有技术中和频方案应用受限的问题，本发明提供一种和频装置，其包括主光路、五倍频晶体和合束装置，所述主光路上依次布置有二倍频晶体、三倍频晶体和第一分束装置；通过所述第一分束装置能够形成二倍频光支路和三倍频光支路两个光支路；所述二倍频光支路上依次布置有波片和偏振片，所述二倍频光支路与所述三倍频光支路的光程与终点相同；通过所述合束装置将所述二倍频光支路与所述三倍频光支路中的光进行合束；合束光能够传播至所述五倍频晶体。

较佳地，所述二倍频晶体前端的主光路上设置有扩束镜，所述三倍频晶体和所述第一分束装置之间的所述主光路上设置有第二分束装置。

较佳地，所述五倍频晶体的出光端面角度呈布儒斯特角。

较佳地，所述五倍频晶体后端的光路上设有三角棱镜。

较佳地，所述波片为二分之一波片。

较佳地，所述二倍频光支路和所述三倍频光支路上分别设有一个或多个用于调整光束传播方向和光程的调整反射镜。

较佳地，所述波片前端的所述二倍频光支路上还设置有光程补偿装置。

较佳地，所述光程补偿装置包括两个定端反射镜、两个动端反射镜和位移平台，两个所述定端反射镜和两个所述动端反射镜依照矩形结构布置，两个所述动端反射镜放置在所述位移平台上，两个所述定端反射镜和两个所述动端反射镜共同作用形成凹槽型光路。

较佳地，所述二倍频晶体和所述三倍频晶体为三硼酸锂晶体；所述五倍频晶体为偏硼酸钡晶体。

本发明还提供一种激光器，其包括如上所述的和频装置。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：使用该装置能够提高和频的工作效率，能够高效地获取高质量的五倍频激光。使用该装置的激光器能够稳定高效地输出五倍频激光。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的和频装置结构原理图；

图2为本发明实施例提供的通过三角棱镜平行出光的光路示意图；

图3为本发明实施例提供的和频装置进行和频的流程图；

图4为本发明实施例提供的BBO倍频效率归一化随晶体长度变化趋势图。

附图标记：

扩束镜1、二倍频晶体2、三倍频晶体3、第一分束装置6、第二分束装置7、挡光板8、三角棱镜9、主光路10、定端反射镜11、动端反射镜12、二分之一分波片13、偏振片15、合束装置16、调整反射镜19、二倍频光支路20和三倍频光支路30。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种和频装置，其包括主光路10，二倍频光支路20、三倍频光支路30和合束光路。主光路10上依次布置有扩束镜1、二倍频晶体2、三倍频晶体3、第二分束装置7和第一分束装置6。通过第一分束装置6分束后形成二倍频光支路20和三倍频光支路30。三倍频光支路30上设置有调整反射镜19。二倍频光支路20上依次设有光程补偿装置、二分之一分波片13和偏振片15。三倍频光支路30和二倍频光支路20的光程相同。二倍频光支路20和三倍频光支路30通过合束装置16合束后形成合束光路。即二倍频光支路20中的二倍频光和三倍频光支路30中的三倍频光通过合束装置16合束后形成合束光。合束光内的二倍频光和三倍频光通过设置在合束光路末端的五倍频晶体5进行和频，从而形成五倍频光。

优选地，光程补偿装置与第一分束装置6之间设有用于调整光束传播方向和光程的调整反射镜19。偏振片15与合束装置16之间设置有一个或多个用于调整光束传播方向和光程的调整反射镜19。第二分束装置7和第一分束装置6为二向色分束镜。合束装置16为二向色分束镜。

优选地，经过光程补偿装置前后的二倍频光，其光的传播方向不变，但是光程增加。进一步，光程补偿装置包括两个定端反射镜11、两个动端反射镜12和位移平台，两个定端反射镜11和两个动端反射镜12依照矩形结构布置，两个动端反射镜12放置在位移平台上，两个定端反射镜11和两个动端反射镜12共同作用形成凹槽型光路。通过移动位移平台，可以使二倍频光在光程补偿装置内部的光程产生变化，或增大或减小，从而能够很好地保证倍频光支路30内的三倍频光和二倍频光支路20内的二倍频光具有相同的光程。

优选地，二倍频晶体2和三倍频晶体3为三硼酸锂晶体，即LBO。五倍频晶体5优选为偏硼酸钡晶体，即BBO。在紫外倍频的晶体有BBO、LBO、PPLN、CLBO、KBBF等，每种晶体在倍频过程中都各自的优缺点。由于是通过二倍频光和三倍频光和频来产生五倍频激光，所以优选使用的晶体是BBO和KBBF，但是KBBF晶体对深紫外吸收较多，同时存在晶体难于加工，购买途径少等缺点，所以选取BBO进行五倍频光学设计。BBO最初是由中国科学院福建物质结构所研制成功的，是迄今为止用于深紫外波段倍频的最优良的非线性晶体之一。在使用BBO晶体进行五倍频的时候，方案灵活，既可以使用基频光与四倍频进行和频，又可以使用二倍频光和三倍频光进行和频。由于二倍频和三倍光的倍频方案更优，所以使用BBO晶体I类相位匹配时候来实现相应的五倍频和频方案。

优选地，在五倍频晶体5出光端面切割一个五倍频激光的布儒斯特角，让三束光在出光位置开，二倍频光和三倍频光分别进入到垃圾桶中收集，而五倍频光通过一个三角棱镜9，用于光束的准直。

和频装置工作原理为：

在主光路10的前端设置激光种子源，激光种子源会向主光路10上的扩束镜1发射种子激光。种子激光需要一个高功率激光，高功率激光可以是高功率纳秒激光或者高功率纳秒皮秒激光或者高功率纳秒飞秒激光。

首先，种子激光经过扩束镜1进行光路缩束，进行光路缩束的有益效果在于：其能够提高后端的峰值功率密度。种子激光属于基频光。

然后，基频光继续在主光路10中传播，当基频光通过二倍频晶体2后产生二倍频光，当基频光通过三倍频晶体3后产生三倍频光，因此，在三倍频晶体3后端与第二分束装置7前端的主光路10中分别传播有二倍频光、倍频光和基频光，然而此时的基频光并不能为后续的和频所利用，可以进行分离，当包含有二倍频光、倍频光和基频光的光束通过第二分束装置7后，二倍频光和三倍频光继续沿主光路10向后传播，基频光则被第二分束装置7反射至挡光板8处或垃圾桶处。当穿过第二分束装置7继续在主光路10中传播的二倍频光和三倍频光遇到第一分束装置6后，二倍频光和三倍频光被分离，二倍频光进入二倍频光支路20，三倍频光进入三倍频光支路30。由于三倍频光支路30和二倍频光支路20的光程相同，所以二倍频光和三倍频光在分束后合束前，所走过的光程相同。二倍频光和三倍频光在第一分束装置6处分束，且在合束装置16处合束。二倍频光和三倍频光光程相同的有益效果为：这样可以满足倍频的相位匹配条件。

三倍频光支路30中设有调整反射镜19，三倍频光在调整反射镜19的反射作用下能够顺利抵达合束装置16处。三倍频光支路30中的调整反射镜19能够调整三倍频光的光程和传播方向。

二倍频光支路20中则通过光程补偿装置调整二倍频光在二倍频光支路20中传播的光程。光程补偿装置用于拟补二倍频光支路20和三倍频光支路30中的光程差问题，如果光程差过大，就不会发生倍频现象，通常光程差在纳秒量级影响不大，但是在皮秒或者飞秒量级的光进行和频的时候，光程差的影响是巨大的，所以需要使用一个光程补偿装置来拟补时间上脉冲的错位。

二倍频光通过光程补偿装置后再通过一个二分之一波片13和偏振片15组成的系统，偏振片15用于控制最终的二倍频光的偏振方向，由于偏振片15前后的偏振方向不同，所以，需要用一个二分之一波13对偏振方向进行旋转，同时通常情况下，二倍频的出光功率要高于三倍频出光功率，这样在二倍频光同三倍频光和频产生五倍频光的过程中就不能达到最优的光子数配比，所以使用二分之一波片和偏振片的组合也可以自由控制二倍频光的出光功率，这样可以很好的控制倍频效率和最终出光功率。

二倍频光和三倍频光最终在合束装置16位置上重合，同时控制二倍频光支路20和三倍频光支路30中的调整反射镜19，让通过合束装置16后的两束反射光在空间上完全重合，重合后的合束光最终再通过五倍频晶体5，这样就和频出了五倍频光，同时在五倍频晶体5的出光端面切割一个五倍频激光的布儒斯特角，让三束光在出光位置开，二倍频光和三倍频光分别进入到垃圾桶中收集，而五倍频光通过一个三角棱镜9用于光束的准直。

BBO的出射面都可以设计成布角切割，这样在BBO晶体的出射面由于折射率不同，出光方向就自然分开，然后在出光口放置一个棱镜，通过棱镜后即可以让出射光水平出射。出口光放置棱镜，入射面为布鲁斯特角，这时激光水平出射。212.8nm激光最初的圆度大概在75％左右，在BBO内部走离方向水平，这时水平变椭，在BBO斜面出射后，光斑进行了压缩，水平收缩了一下，然后再次通过布角放置的三角棱镜准直后，光斑又进行了放大，最终出射光斑和晶体内部光斑比较接近，所以最终的圆度约为75％，但是相应功率损耗为5％左右。

实施例二

本实施例与实施例一不同之处在于，本实施例提供一种激光器，包括所述和频装置，激光器包括种子激光模块和和频装置，激光器内部设有激光模块，在激光器出光口放置和频装置。该激光器的有益效果在于，其能够高效地提供五倍频的激光。

实施例三

本实施例与上述实施例不同之处在于，具体地，LBO是一种性能优良的非线性光学晶体，LBO晶体具有光学损伤阈值较高，非线性系数适中，化学性能稳定，机械硬度高，产品适用范围广等特点，所以使用LBO进行涉及二倍频光和三倍频光的倍频。

当使用LBO进行二倍频时候，这里使用LBO晶体的I类相位匹配，温度设置到149℃，主要目的在于使基频光和倍频光经过LBO后没有走离。

当温度为149℃时，相应晶体的角度公差和接受角范围都非常大，这样对激光具有非常大的包容性，晶体具有非常高的倍频效率。

由于激光的重复频率非常高，相应的峰值功率密度不是很高，所以需要先将激光进行汇聚，提高激光的峰值功率密度，然后进行相应的倍频计算。为了防止光斑中有奇点的出现，相应缩束系统的抗损伤功率要比较高，通常镀膜峰值功率需要大于峰值功率3倍以上，所以缩束系统出光透镜的峰值功率要求大于1.5GW/cm^2。

当使用适当长度晶体时候整体的出532nm激光功率为30W，基本满足后级匹配功率。当后级中的532nm激光功率过高的时候，可以通过调节晶体温度来降低相应倍频效率。

具体地，本实施例利用1064nm波长的基频光和532nm波长的倍频光进行和频可以得到354.7nm的三倍频激光。

由于三硼酸锂晶体的高可靠型，所以和频354.7nm激光仍然使用LBO。由于前级是无走离的基频光和倍频光，这里直接将两束光入射到LBO中就可以实现两束光的和频。

当使用LBO进行三倍频和频时候，使用晶体的II类相位匹配，温度设置为高温，主要目的在于防止晶体潮解。532nm激光在晶体中的走离为9.49mrad，相应走离不是很大，对和频效率影响有限，而354.7nm激光和1064nm激光共线，且没有走离，这样可以保证354.7nm激光的光束质量。

具体地，利用532nm激光和354.7nm激光进行和频可以得到212.8nm的五倍频激光。由于使用532nm激光和354.7nm激光的和频，所以BBO晶体使用I类相位匹配进行和频。当使用BBO晶体进行五倍频和频时候，温度设置为高温，主要目的在于防止BBO晶体潮解。通过调节晶体温度降低354.7nm激光的出光功率，进行五倍频和频计算可以求出相应的和频效率。当入射总功率不变的时候，适当调节二倍频晶体2和三倍频晶体3的温度，可以控制532nm激光的出光功率。

BBO晶体对深紫外激光具有比较大的吸收效应，其中在213nm位置处，吸收系数非常大。所以在354.7nm激光和532nm激光和频产生212.8nm激光的时候，随着转换效率的上升，晶体也会吸收相应的热量。当考虑吸收情况的时候，就需要增加吸收系数的修正项，相应的出光功率下降。

在使用上述进行和频的时候，晶体控温应该下降，晶体设计温度为高温，当边缘温度低的时候才能保证中间峰值高的倍频效率最高，但是BBO晶体在I类匹配的时候对温度不是很敏感，在很大的温度范围内都能实现相应匹配，如果温度变化比较大，可以通过调节角度来补偿相应温度差异。

最终和频出光功率约为1.26W，如果入射功率高于上述条件，则和频出光功率同时增加。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种和频装置，其特征在于，其包括主光路、五倍频晶体和合束装置，所述主光路上依次布置有二倍频晶体、三倍频晶体和第一分束装置；通过所述第一分束装置能够形成二倍频光支路和三倍频光支路两个光支路；所述二倍频光支路上依次布置有波片和偏振片，所述二倍频光支路与所述三倍频光支路的光程与终点相同；通过所述合束装置将所述二倍频光支路与所述三倍频光支路中的光进行合束；合束光能够传播至所述五倍频晶体。

2.根据权利要求1所述的和频装置，其特征在于，所述二倍频晶体前端的主光路上设置有扩束镜，所述三倍频晶体和所述第一分束装置之间的所述主光路上设置有第二分束装置。

3.根据权利要求1所述的和频装置，其特征在于，所述五倍频晶体的出光端面角度呈布儒斯特角。

4.根据权利要求1所述的和频装置，其特征在于，所述五倍频晶体后端的光路上设有三角棱镜。

5.根据权利要求1所述的和频装置，其特征在于，所述波片为二分之一波片。

6.根据权利要求1所述的和频装置，其特征在于，所述二倍频光支路和所述三倍频光支路上分别设有一个或多个用于调整光束传播方向和光程的调整反射镜。

7.根据权利要求1所述的和频装置，其特征在于，所述波片前端的所述二倍频光支路上还设置有光程补偿装置。

8.根据权利要求7所述的和频装置，其特征在于，所述光程补偿装置包括两个定端反射镜、两个动端反射镜和位移平台，两个所述定端反射镜和两个所述动端反射镜依照矩形结构布置，两个所述动端反射镜放置在所述位移平台上，两个所述定端反射镜和两个所述动端反射镜共同作用形成凹槽型光路。

9.根据权利要求1所述的和频装置，其特征在于，所述二倍频晶体和所述三倍频晶体为三硼酸锂晶体；所述五倍频晶体为偏硼酸钡晶体。

10.一种激光器，其特征在于，其包括如权利要求1-9任一所述的和频装置。