CN112003118A - 222nm波长深紫外脉冲激光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种222nm波长深紫外脉冲激光源，属于激光器技术领域。利用激光二极管泵浦Nd:YAG晶体电光调Q激光器产生的1064nm基频激光脉冲在腔内三倍频获得355nm激光脉冲，将该355nm激光脉冲作为光学参量振荡器的泵浦激光，以获得444nm信号激光输出，并通过光学参量振荡器腔内二倍频获得222nm深紫外激光脉冲输出。本发明具有结构紧凑、峰值功率高的特点，而且输出的222nm波长的深紫外光对人眼和皮肤无害。因此在医疗和日常场所的杀菌消毒领域，尤其是对新冠病毒的消杀有着广泛的应用。

Description

222nm波长深紫外脉冲激光源
技术领域
本发明涉及到一种222nm波长深紫外脉冲激光源，在医疗和日常场所的杀菌消毒方面，尤其是对新冠病毒的消杀有着特别的应用，属于激光器技术领域。
背景技术
波长小于280nm的短波深紫外光简称UVC，能够高效灭活对人体有害的细菌和病毒，具有相当强的杀菌消毒能力。但是，一般常用的254nm等波段的深紫外光极易对人体造成急性和慢性损伤。例如，裸露皮肤被其长期照射后，会出现红肿、疼痒、脱屑等症状，严重的甚至会引发皮肤癌。同时，人的眼睛被其长期照射后，也会致使结膜和角膜发炎，严重的甚至会引发白内障。因此，传统的深紫外消毒装置的应用十分有限，无法在人员密集的公共场所进行消毒作业，不能够切实有效地抑制呼吸道类疾病的传染和扩散。然而新近研究证实，222nm波长的深紫外光即使直接和重复照射也不会对人体眼睛和皮肤造成伤害，并且具有与254nm波长的深紫外光相当的强效杀菌能力，是更为理想的深紫外消毒光源。
发明内容
为了获得满足人体安全需要的小型化、高功率的222nm深紫外消毒光源，本发明采用激光器技术提供了一种有别于已有的准分子灯技术的222nm深紫外消毒光源设计的新方案。
本发明的技术解决方案如下：
一种222nm波长深紫外脉冲激光源，包括腔内三倍频Nd:YAG调Q激光器、腔内二倍频光学参量振荡器和驱动装置三个部分。
所述的腔内三倍频Nd:YAG调Q激光器包括LD泵浦源，以及沿该LD泵浦源输出光束方向依次放置的泵浦耦合透镜组、第一腔镜、激光晶体、偏振片、1/4波片、调Q晶体、第二腔镜、二倍频晶体、第三腔镜、三倍频晶体和第四腔镜。
由所述的LD泵浦源发射出的808nm泵浦光经所述的泵浦耦合透镜组准直聚焦后，通过所述的第一腔镜进入所述的激光晶体；泵浦光焦点位于激光晶体内部，该激光晶体在808nm泵浦光的激发下产生1064nm红外激发；所述的偏振片、1/4波片和调Q晶体组成电光调Q开关，形成1064nm红外激光脉冲；该1064nm红外激光脉冲通过所述的第二腔镜经过所述的二倍频晶体，产生532nm绿光激光脉冲；所述的1064nm红外激光脉冲和532nm绿光激光脉冲再通过所述的第三腔镜透射进入所述的三倍频晶体，经和频产生355nm紫外激光脉冲；所述的1064nm红外激光脉冲、532nm绿光激光脉冲和355nm紫外激光脉冲皆通过所述的第四腔镜反射，沿原光路返回；其中，所述的1064nm红外激光脉冲在所述的第一腔镜和第四腔镜之间形成振荡，所述的532nm绿光激光脉冲在所述的第二腔镜和第四腔镜之间形成振荡，所述的355nm紫外激光脉冲则通过所述的第三腔镜反射进入所述的腔内二倍频光学参量振荡器。
所述的腔内二倍频光学参量振荡器包括反射镜、第五腔镜、第一参量晶体、第二参量晶体、第六腔镜、后端二倍频晶体和第七腔镜。
所述的355nm紫外激光脉冲经所述的反射镜反射后，作为光学参量振荡(OPO)过程的泵浦光；再经所述的第五腔镜进入所述的第一参量晶体和第二参量晶体，经OPO过程产生1766nm空闲光和作为信号光的444nm蓝光激光脉冲；所述的444nm蓝光激光脉冲通过所述的第六腔镜透射进入所述的后端二倍频晶体，经二倍频产生222nm深紫外激光脉冲入射到所述的第七腔镜；所述的444nm蓝光激光脉冲和222nm深紫外激光脉冲经所述的第七腔镜反射，沿原光路返回；其中，所述的444nm蓝光激光脉冲在所述的第五腔镜和第七腔镜之间形成振荡，所述的222nm深紫外激光脉冲经所述的第六腔镜反射输出腔外；所述的355nm和1766nm激光脉冲无法在OPO腔内形成振荡。
所述的驱动装置包括LD驱动器和调Q驱动器。
所述的LD驱动器的驱动输出端与所述的LD泵浦源相连接，用于驱动所述的LD泵浦源，工作在脉冲方式；所述的调Q驱动器的驱动输出端与所述的调Q晶体相连接，用于驱动所述的调Q晶体；所述的LD驱动器的外触发输出端与所述的调Q驱动器的触发输入端相连接。
本发明具有下述优势：
1.输出的222nm波长的深紫外激光对人眼和皮肤无害，有望广泛应用于医疗和日常场所的杀菌消毒领域。
2.通过腔内倍频的方式，可以有效提高倍频晶体处注入激光的功率密度，从而获得较高的转换效率，提高输出激光的峰值功率。
3.采用电光调Q的方式，能够获得高峰值功率的激光脉冲，输出脉冲的重频和时序可控，稳定性好。
4.装置的整体结构紧凑，有利于小型化。
附图说明
图1是本发明222nm波长深紫外脉冲激光源的结构示意图。
图1中：A-腔内三倍频Nd:YAG调Q激光器，B-腔内二倍频光学参量振荡器，C-驱动装置；1-LD泵浦源，2-泵浦耦合透镜组，3-第一腔镜，4-激光晶体，5-偏振片，6-1/4波片，7-调Q晶体，8-第二腔镜，9-二倍频晶体，10-第三腔镜，11-三倍频晶体，12-第四腔镜，13-反射镜，14-第五腔镜，15-第一参量晶体，16-第二参量晶体，17-第六腔镜，18-后端二倍频晶体，19-第七腔镜，20-LD驱动器，21-调Q驱动器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图1所示，本发明所涉及的一种222nm波长深紫外脉冲激光源，包括腔内三倍频Nd:YAG调Q激光器A、腔内二倍频光学参量振荡器B和驱动装置C三个部分。其具体实施细节如下：
所述的腔内三倍频Nd:YAG调Q激光器A包括LD泵浦源1，以及沿该LD泵浦源1输出光束方向依次放置的泵浦耦合透镜组2、第一腔镜3、激光晶体4、偏振片5、1/4波片6、调Q晶体7、第二腔镜8、二倍频晶体9、第三腔镜10、三倍频晶体11和第四腔镜12。
其中：所述的LD泵浦源1是输出中心波长为808nm的光纤耦合输出激光二极管；所述的泵浦耦合透镜组2镀有808nm增透膜；所述的第一腔镜3的前表面镀有808nm增透膜，后表面镀有808nm增透膜和1064nm高反膜；所述的激光晶体4是掺钕钇铝石榴石Nd:YAG晶体，该晶体的两个通光面均镀有808nm和1064nm增透膜；所述的偏振片5是布儒斯特偏振片，镀有1064nm增透膜；所述的1/4波片6是1064nm的1/4波片，镀有1064nm增透膜；所述的调Q晶体7是磷酸二氘钾KD*P、偏硼酸钡BBO和磷酸钛氧铷RTP中的任意一种，该晶体的两个通光面均镀有1064nm增透膜；所述的第二腔镜8的前表面镀有1064nm增透膜，后表面镀有1064nm增透膜和532nm高反膜；所述的二倍频晶体9是任意一种能够对1064nm激光进行二倍频转换的晶体，该晶体的两个通光面均镀有1064nm和532nm增透膜；所述的第三腔镜10作为输出耦合镜，与激光轴呈45°角放置，前表面镀有1064nm和532nm增透膜，后表面镀有1064nm、532nm增透膜和355nm高反膜；所述的三倍频晶体11是任意一种能够对1064nm和532nm激光进行和频转换的晶体，该晶体的两个通光面均镀有1064nm、532nm和355nm增透膜；所述的第四腔镜12的前表面镀有1064nm、532nm和355nm高反膜。
由所述的LD泵浦源1发射出的808nm泵浦光经所述的泵浦耦合透镜组2准直聚焦后，通过所述的第一腔镜3进入所述的激光晶体4；泵浦光焦点位于激光晶体4内部，该激光晶体4在808nm泵浦光的激发下产生1064nm红外激发；所述的偏振片5、1/4波片6和调Q晶体7组成电光调Q开关，形成1064nm红外激光脉冲；该1064nm红外激光脉冲通过所述的第二腔镜8经过所述的二倍频晶体9，产生532nm绿光激光脉冲；所述的1064nm红外激光脉冲和532nm绿光激光脉冲再通过所述的第三腔镜10透射进入所述的三倍频晶体11，经和频产生355nm紫外激光脉冲；所述的1064nm红外激光脉冲、532nm绿光激光脉冲和355nm紫外激光脉冲皆通过所述的第四腔镜12反射，沿原光路返回；其中，所述的1064nm红外激光脉冲在所述的第一腔镜3和第四腔镜12之间形成振荡，所述的532nm绿光激光脉冲在所述的第二腔镜8和第四腔镜12之间形成振荡，所述的355nm紫外激光脉冲则通过所述的第三腔镜10反射进入所述的腔内二倍频光学参量振荡器B。
所述的腔内二倍频光学参量振荡器B包括反射镜13、第五腔镜14、第一参量晶体15、第二参量晶体16、第六腔镜17、后端二倍频晶体18和第七腔镜19。
其中：所述的反射镜13的入射面镀有355nm高反膜；所述的第五腔镜14的前表面镀有355nm和1766nm增透膜，后表面镀有355nm、1766nm增透膜和444nm高反膜；所述的第一参量晶体15和第二参量晶体16完全相同，是任意一种能够将355nm泵浦光通过OPO过程转换为444nm信号光和1766nm空闲光的晶体，各自的两个通光面均镀有355nm、444nm和1766nm增透膜，并且这两块晶体相对于OPO泵浦激光轴呈交叉互补对称放置，用于补偿355nm泵浦光的走离效应；所述的第六腔镜17作为输出耦合镜，与激光轴呈45°角放置，前表面镀有355nm、444nm和1766nm增透膜，后表面镀有355nm、444nm、1766nm增透膜和222nm高反膜；所述的后端二倍频晶体18是任意一种能够对444nm激光进行二倍频转换的晶体，该晶体的两个通光面均镀有355nm、444nm、1766nm和222nm增透膜；所述的第七腔镜19的前表面镀有355nm、1766nm增透膜和444nm、222nm高反膜，后表面镀有355nm和1766nm增透膜。
所述的355nm紫外激光脉冲经所述的反射镜13反射后，作为光学参量振荡(OPO)过程的泵浦光；再经所述的第五腔镜14进入所述的第一参量晶体15和第二参量晶体16，经OPO过程产生1766nm空闲光和作为信号光的444nm蓝光激光脉冲；所述的444nm蓝光激光脉冲通过所述的第六腔镜17透射进入所述的后端二倍频晶体18，经二倍频产生222nm深紫外激光脉冲入射到所述的第七腔镜19；所述的444nm蓝光激光脉冲和222nm深紫外激光脉冲经所述的第七腔镜19反射，沿原光路返回；其中，所述的444nm蓝光激光脉冲在所述的第五腔镜14和第七腔镜19之间形成振荡，所述的222nm深紫外激光脉冲经所述的第六腔镜17反射输出腔外；所述的355nm和1766nm激光脉冲无法在OPO腔内形成振荡。
所述的驱动装置C包括LD驱动器20和调Q驱动器21。
其中：所述的LD驱动器20的驱动输出端与所述的LD泵浦源1相连接，用于驱动所述的LD泵浦源1，工作在脉冲方式；所述的调Q驱动器21的驱动输出端与所述的调Q晶体7相连接，用于驱动所述的调Q晶体7；所述的LD驱动器20的外触发输出端与所述的调Q驱动器21的触发输入端相连接，使得所述的调Q驱动器21输出的高压信号与所述的LD驱动器20同步，且调Q高压信号位于LD泵浦脉冲的下降沿时刻。

Claims (19)

1.一种222nm波长深紫外脉冲激光源，其特征在于：包括腔内三倍频Nd:YAG调Q激光器(A)、腔内二倍频光学参量振荡器(B)和驱动装置(C)三个部分；
所述的腔内三倍频Nd:YAG调Q激光器(A)包括LD泵浦源(1)，以及沿该LD泵浦源(1)输出光束方向依次放置的泵浦耦合透镜组(2)、第一腔镜(3)、激光晶体(4)、偏振片(5)、1/4波片(6)、调Q晶体(7)、第二腔镜(8)、二倍频晶体(9)、第三腔镜(10)、三倍频晶体(11)和第四腔镜(12)；
由所述的LD泵浦源(1)发射出的808nm泵浦光经所述的泵浦耦合透镜组(2)准直聚焦后，通过所述的第一腔镜(3)进入所述的激光晶体(4)；泵浦光焦点位于激光晶体(4)内部，该激光晶体(4)在808nm泵浦光的激发下产生1064nm红外激发；所述的偏振片(5)、1/4波片(6)和调Q晶体(7)组成电光调Q开关，形成1064nm红外激光脉冲；该1064nm红外激光脉冲通过所述的第二腔镜(8)经过所述的二倍频晶体(9)，产生532nm绿光激光脉冲；所述的1064nm红外激光脉冲和532nm绿光激光脉冲再通过所述的第三腔镜(10)透射进入所述的三倍频晶体(11)，经和频产生355nm紫外激光脉冲；所述的1064nm红外激光脉冲、532nm绿光激光脉冲和355nm紫外激光脉冲皆通过所述的第四腔镜(12)反射，沿原光路返回；其中，所述的1064nm红外激光脉冲在所述的第一腔镜(3)和第四腔镜(12)之间形成振荡，所述的532nm绿光激光脉冲在所述的第二腔镜(8)和第四腔镜(12)之间形成振荡，所述的355nm紫外激光脉冲则通过所述的第三腔镜(10)反射进入所述的腔内二倍频光学参量振荡器(B)；
所述的腔内二倍频光学参量振荡器(B)包括反射镜(13)、第五腔镜(14)、第一参量晶体(15)、第二参量晶体(16)、第六腔镜(17)、后端二倍频晶体(18)和第七腔镜(19)；
所述的355nm紫外激光脉冲经所述的反射镜(13)反射后，作为光学参量振荡(OPO)过程的泵浦光；再经所述的第五腔镜(14)进入所述的第一参量晶体(15)和第二参量晶体(16)，经OPO过程产生1766nm空闲光和作为信号光的444nm蓝光激光脉冲；所述的444nm蓝光激光脉冲通过所述的第六腔镜(17)透射进入所述的后端二倍频晶体(18)，经二倍频产生222nm深紫外激光脉冲入射到所述的第七腔镜(19)；所述的444nm蓝光激光脉冲和222nm深紫外激光脉冲经所述的第七腔镜(19)反射，沿原光路返回；其中，所述的444nm蓝光激光脉冲在所述的第五腔镜(14)和第七腔镜(19)之间形成振荡，所述的222nm深紫外激光脉冲经所述的第六腔镜(17)反射输出腔外；
所述的驱动装置(C)包括LD驱动器(20)和调Q驱动器(21)；
所述的LD驱动器(20)的驱动输出端与所述的LD泵浦源(1)相连接，用于驱动所述的LD泵浦源(1)，工作在脉冲方式；所述的调Q驱动器(21)的驱动输出端与所述的调Q晶体(7)相连接，用于驱动所述的调Q晶体(7)；所述的LD驱动器(20)的外触发输出端与所述的调Q驱动器(21)的触发输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的一种222nm波长深紫外脉冲激光源，其特征在于：所述的LD泵浦源(1)是输出中心波长为808nm的光纤耦合输出激光二极管。
3.根据权利要求1所述的一种222nm波长深紫外脉冲激光源，其特征在于：所述的泵浦耦合透镜组(2)镀有808nm增透膜。
4.根据权利要求1所述的一种222nm波长深紫外脉冲激光源，其特征在于：所述的第一腔镜(3)的前表面镀有808nm增透膜，后表面镀有808nm增透膜和1064nm高反膜。
5.根据权利要求1所述的一种222nm波长深紫外脉冲激光源，其特征在于：所述的激光晶体(4)是掺钕钇铝石榴石Nd:YAG晶体，该晶体的两个通光面均镀有808nm和1064nm增透膜。
6.根据权利要求1所述的一种222nm波长深紫外脉冲激光源，其特征在于：所述的偏振片(5)是布儒斯特偏振片，镀有1064nm增透膜。
7.根据权利要求1所述的一种222nm波长深紫外脉冲激光源，其特征在于：所述的1/4波片(6)是1064nm的1/4波片，镀有1064nm增透膜。
8.根据权利要求1所述的一种222nm波长深紫外脉冲激光源，其特征在于：所述的调Q晶体(7)是磷酸二氘钾KD*P、偏硼酸钡BBO和磷酸钛氧铷RTP中的任意一种，该晶体的两个通光面均镀有1064nm增透膜。
9.根据权利要求1所述的一种222nm波长深紫外脉冲激光源，其特征在于：所述的第二腔镜(8)的前表面镀有1064nm增透膜，后表面镀有1064nm增透膜和532nm高反膜。
10.根据权利要求1所述的一种222nm波长深紫外脉冲激光源，其特征在于：所述的二倍频晶体(9)是任意一种能够对1064nm激光进行二倍频转换的晶体，该晶体的两个通光面均镀有1064nm和532nm增透膜。
11.根据权利要求1所述的一种222nm波长深紫外脉冲激光源，其特征在于：所述的第三腔镜(10)作为输出耦合镜，与激光轴呈45°角放置，前表面镀有1064nm和532nm增透膜，后表面镀有1064nm、532nm增透膜和355nm高反膜。
12.根据权利要求1所述的一种222nm波长深紫外脉冲激光源，其特征在于：所述的三倍频晶体(11)是任意一种能够对1064nm和532nm激光进行和频转换的晶体，该晶体的两个通光面均镀有1064nm、532nm和355nm增透膜。
13.根据权利要求1所述的一种222nm波长深紫外脉冲激光源，其特征在于：所述的第四腔镜(12)的前表面镀有1064nm、532nm和355nm高反膜。
14.根据权利要求1所述的一种222nm波长深紫外脉冲激光源，其特征在于：所述的反射镜(13)的入射面镀有355nm高反膜。
15.根据权利要求1所述的一种222nm波长深紫外脉冲激光源，其特征在于：所述的第五腔镜(14)的前表面镀有355nm和1766nm增透膜，后表面镀有355nm、1766nm增透膜和444nm高反膜。
16.根据权利要求1所述的一种222nm波长深紫外脉冲激光源，其特征在于：所述的第一参量晶体(15)和第二参量晶体(16)完全相同，是任意一种能够将355nm泵浦光通过OPO过程转换为444nm信号光和1766nm空闲光的晶体，各自的两个通光面均镀有355nm、444nm和1766nm增透膜，并且这两块晶体相对于OPO泵浦激光轴呈交叉互补对称放置，用于补偿355nm泵浦光的走离效应。
17.根据权利要求1所述的一种222nm波长深紫外脉冲激光源，其特征在于：所述的第六腔镜(17)作为输出耦合镜，与激光轴呈45°角放置，前表面镀有355nm、444nm和1766nm增透膜，后表面镀有355nm、444nm、1766nm增透膜和222nm高反膜。
18.根据权利要求1所述的一种222nm波长深紫外脉冲激光源，其特征在于：所述的后端二倍频晶体(18)是任意一种能够对444nm激光进行二倍频转换的晶体，该晶体的两个通光面均镀有355nm、444nm、1766nm和222nm增透膜。
19.根据权利要求1所述的一种222nm波长深紫外脉冲激光源，其特征在于：所述的第七腔镜(19)的前表面镀有355nm、1766nm增透膜和444nm、222nm高反膜，后表面镀有355nm和1766nm增透膜。
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