CN112510476B - 266nm固体激光器及其光束质量优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种266nm固体激光器及其光束质量优化方法，其中266nm固体激光器包括第一倍频结构和第二倍频结构；第二倍频结构沿266nm固体激光器的激光出射光路设置于第一倍频结构之后，用于接收第一倍频结构形成的532nm激光束并将其转换为266nm的高功率紫外激光束；其中，第二倍频结构包括四倍频晶体组件，四倍频晶体组件由沿激光出射光路依次设置的第一BBO晶体、CLBO晶体和第二BBO晶体组合构成，用于对沿激光出射光路出射的532nm激光束进行倍频转换，以获取266nm的高功率紫外激光束。因此，基于本发明的266nm固体激光器，在保证266nm激光功率输出的情况下，使用BBO晶体和CLBO晶体两种非线性晶体级联的方式，提高了输出光束质量，同时还延长了晶体的使用寿命以及降低了激光器成本。

Description

266nm固体激光器及其光束质量优化方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种基于非线性晶体的266nm固体激光器及其光束质量优化方法。

背景技术

目前，作为获得高功率紫外激光的一种重要方法，倍频转换技术得到越来越多的关注。其中，基于晶体的非线性效应输出的激光功率和光束质量与晶体本身的材料、结构及相应特性等因素密切相关。通常，在倍频转换技术中，为达到将532nm到266nm激光转换的目的，通常采用的非线性晶体主要是BBO和CLBO晶体。BBO晶体和CLBO晶体对532nm和266nm都有较高的透过率。其中，BBO晶体相对于CLBO晶体还具有成本低、有效非线性系数大、低潮解特性、较好的化学稳定性以及匹配温度范围大，但是，BBO晶体的离散角大，会影响出射光的光束质量；与之对应的是，CLBO晶体具有温度带宽、接收角范围宽以及离散角小且因此出射光光束质量好等优点，但是CLBO非常容易潮解，且成本高昂。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决现有技术中为获得266nm高功率紫外激光时，因现有BBO晶体具有离散角较大，出射光光束质量差以及CLBO晶体成本高且易于潮解寿命较短等，造成固体激光器无法有效平衡成本、激光光束质量和使用寿命的技术问题，本发明提供了一种266nm固体激光器及其光束质量优化方法。

(二)技术方案

本发明的一个方面提供了一种266nm固体激光器，其中包括第一倍频结构和第二倍频结构，第一倍频结构用于形成532nm激光束；第二倍频结构沿266nm固体激光器的激光出射光路设置于第一倍频结构之后，用于接收532nm激光束并将其转换为266nm的高功率紫外激光束；

其中，第二倍频结构包括四倍频晶体组件，四倍频晶体组件由沿激光出射光路依次设置的第一BBO晶体、CLBO晶体和第二BBO晶体组合构成，用于对沿激光出射光路出射的532nm激光束进行倍频转换，以获取266nm的高功率紫外激光束。

根据本发明的实施例，第一倍频结构包括沿激光出射光路依次设置的基频激光光源、二倍频晶体组件以及第一分光镜，其中：基频激光光源发光方向朝向二倍频晶体组件设置，用于产生1064nm原始激光束；二倍频晶体组件用于接收1064nm原始激光束，并将1064nm原始激光束进行倍频转换，产生具有1064nm和532nm的第一混合激光束，使得第一混合激光束入射至第一分光镜的入光面；第一分光镜的入光面与第一混合激光束的入射方向之间具有第一入射角，第一分光镜的入光面镀设有1064nm增反膜和532nm增透膜，第一分光镜的出光面镀设有532nm增透膜，用于反射第一混合激光束的1064nm激光束，同时透射第一混合激光束的532nm激光束，使得532nm激光束入射至第二倍频结构。

根据本发明的实施例，二倍频晶体组件包括二倍频晶体和开放恒温仓。二倍频晶体沿激光出射光路设置于基频激光光源之后，以使得1064nm原始激光束入射至二倍频晶体的入光面上，并对其进行倍频转换以产生第一混合激光束；开放恒温仓为筒柱状结构，其轴心线与激光出射光路重合，并具有套设二倍频晶体的内部空间，用于为二倍频晶体提供恒温环境。

根据本发明的实施例，第一倍频结构还包括第一光束收集器，第一光束收集器对应于第一分光镜的入光面设置于激光出射光路一侧，用于收集被第一分光镜反射的1064nm激光束。

根据本发明的实施例，四倍频晶体组件还包括密封恒温仓，密封恒温仓为一筒柱状结构，其轴心线与激光出射光路重合，并具有套设CLBO晶体的内部空间，用于为CLBO晶体提供恒温密封环境。

根据本发明的实施例，密封恒温仓包括进光口、出光口、出气口和进气口，进光口设置于朝向第一倍频结构的密封恒温仓的第一端面中心位置上，与第一BBO晶体的侧周匹配并密封设置；出光口设置于背向第一倍频结构的密封恒温仓的第二端面中心位置上，与第二BBO晶体的侧周匹配并密封设置；出气口设置于邻近进光口的第一端面上，用于将密封恒温仓的内部空间的保护气体引出密封恒温仓；进气口设置于邻近出光口的第二端面上，用于对密封恒温仓的内部空间引入保护气体。

根据本发明的实施例，保护气体为惰性气体或氮气，用于在密封恒温仓的内部空间中保持干燥，且防止深紫外光束电离空气造成晶体损伤，同时避免影响光束质量。

根据本发明的实施例，第一BBO晶体的入光面镀设有532nm增透膜，出光面镀设有532nm增透膜和266nm增透膜，用于将部分532nm激光束转换为266nm激光束；CLBO晶体的入光面和出光面镀设有532nm增透膜和266nm增透膜，用于将经过第一BBO晶体入射的部分532nm激光束进一步转换为266nm激光束；第二BBO晶体的入光面和出光面镀设有532nm增透膜和266nm增透膜，用于将经过CLBO晶体入射的部分532nm激光束再进一步转换为266nm激光束，以形成具有532nm激光束和266nm激光束的第二混合激光束。

根据本发明的实施例，第二倍频结构还包括第二分光镜，第二分光镜沿激光出射光路设置于四倍频晶体组件之后，第二分光镜的入光面与四倍频晶体组件所产生的第二混合激光束的入射方向之间具有第二入射角，第二分光镜的入光面镀设有532nm增反膜和266nm增透膜，第二分光镜的出光面镀设有266nm增透膜，用于反射第二混合激光束的532nm激光束，同时透射第二混合激光束的266nm激光束，即获取266nm的高功率紫外激光束。

根据本发明的实施例，第二倍频结构还包括第二光束收集器，第二光束收集器对应于第二分光镜的入光面设置于激光出射光路一侧，用于收集被第二分光镜反射的532nm激光束。

本发明的另一个方面还提供了一种上述的266nm固体激光器的光束质量优化方法，其中包括：控制第一倍频结构的二倍频晶体组件的开放恒温仓内部空间以及第二倍频结构的四倍频晶体组件的密封恒温仓内部空间的温度值到工作温度并保持温度值稳定，向密封恒温仓内部空间充入保护气体；响应于保护气体充入，控制第一倍频结构的基频激光光源产生1064nm原始激光束；控制二倍频晶体组件和四倍频晶体组件对1064nm原始激光束进行逐级倍频转换，以获取266nm的高功率紫外激光束；其中，四倍频晶体组件由沿激光出射光路依次设置的第一BBO晶体、CLBO晶体和第二BBO晶体组合构成。

(三)有益效果

本发明的一个方面提供了一种266nm固体激光器，其中包括第一倍频结构和第二倍频结构，第一倍频结构用于形成532nm激光束；第二倍频结构沿266nm固体激光器的激光出射光路设置于第一倍频结构之后，用于接收532nm激光束并将其转换为266nm的高功率紫外激光束；其中，第二倍频结构包括四倍频晶体组件，四倍频晶体组件由沿激光出射光路依次设置的第一BBO晶体、CLBO晶体和第二BBO晶体组合构成，用于对沿激光出射光路出射的532nm激光束进行倍频转换，以获取266nm的高功率紫外激光束。因此，基于本发明的266nm固体激光器，在保证266nm激光功率输出的情况下，使用BBO晶体和CLBO晶体两种非线性晶体级联的方式，相对于现有技术中单独使用BBO晶体提高了输出光束质量；其中将两个BBO晶体作为两端窗口片，中间使用CLBO晶体的方式，保证整个四倍频晶体的密封和温控，实现对晶体进行高温加热并密封，并通过惰性气体进行防护，防止CLBO晶体的潮解，相对于现有技术中单独使用CLBO晶体延长了晶体的使用寿命；此外，由于BBO晶体价格较低，降低了激光器成本；进一步地，意外发现当BBO晶体的出光面出现损伤时，只需更换出光面的BBO晶体，显然进一步降低了维护成本；同时，实现了在激光出射过程中对整个非线性晶体密封仓进行密封和吹扫，进一步确保了CLBO晶体所处环境的恒温密封效果，降低其发生潮解的可能。最后，将第一分光镜和第二分光镜等光学元件均选用氟化钙材质，进一步保证了激光的透过功率、光束质量及使用寿命。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例的266nm固体激光器的光路组成图；

图2示意性示出了本发明实施例的二倍频晶体组件的结构组成图；

图3示意性示出了本发明实施例的四倍频晶体组件的结构组成图；

图4示意性示出了本发明实施例的266nm固体激光器的光束质量优化方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序或是制造方法上的顺序，这些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把他们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把他们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的代替特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

激光器的出光功率与晶体的长度有很大关系，在一定范围内，晶体越长，出光功率越高，但同时由于离散角影响，输出光束质量越差。因此，若使用BBO晶体产生266nm激光，并获得理想的输出功率，有如下两种方式：增加晶体长度和增大输入光功率。但是，对于增加晶体长度，由于BBO晶体的离散角大，会直接导致输出光束质量变差；而对于增大输入光功率，则会导致晶体热效应增加，同时也会导致晶体更容易损伤。另外，若使用CLBO晶体产生266nm激光，由于CLBO晶体的价格远高于BBO晶体，会造成激光器成本增加，同时CLBO晶体的极易潮解特性将使得晶体使用寿命大幅度降低。

因此，为解决现有技术中为获得266nm高功率紫外激光时，因现有BBO晶体具有离散角较大，出射光光束质量差以及CLBO晶体成本高且易于潮解寿命较短等，造成固体激光器无法有效平衡成本、激光光束质量和使用寿命的技术问题，本发明提供了一种266nm固体激光器及其光束质量优化方法。

如图1-图3所示，本发明的一个方面提供了一种266nm固体激光器，其中包括第一倍频结构1和第二倍频结构2，第一倍频结构1用于形成532nm激光束；第二倍频结构2沿266nm固体激光器的激光出射光路设置于第一倍频结构1之后，用于接收532nm激光束并将其转换为266nm的高功率紫外激光束；其中，第二倍频结构2包括四倍频晶体组件21，四倍频晶体组件21由沿激光出射光路依次设置的第一BBO晶体211、CLBO晶体212和第二BBO晶体213组合构成，用于对沿激光出射光路出射的532nm激光束进行倍频转换，以获取266nm的高功率紫外激光束。

具体地，原始激光为1064nm激光束，该激光束沿第一倍频结构1的光源出射，经过第一倍频结构1进行第一次倍频转换，形成532nm激光束进入第二倍频结构2；第二倍频结构2接收该532nm激光束之后，通过四倍频晶体组件21的第一BBO晶体211、CLBO晶体212和第二BBO晶体213对该532nm激光束依次进行倍频转换，最终形成266nm激光束自第二倍频结构2出射。

第一BBO晶体211在光路中设置于CLBO晶体212之前，用于直接接收自第一倍频结构出射的532nm激光束。第一BBO晶体211可以实现对该532nm激光束的部分倍频转换，形成266nm和532nm的混合激光束。CLBO晶体212则可以实现对接收的该266nm和532nm的混合激光束中的532nm的部分作进一步地部分倍频转换，形成532nm比例更少的266nm和532nm的混合激光束。第二BBO晶体213可以实现对该532nm比例更少的266nm和532nm的混合激光束的部分倍频转换，形成532nm比例最少的266nm和532nm的混合激光束。该532nm比例最少的266nm和532nm的混合激光束用于形成最终纯粹的266nm的高功率紫外激光束，并自第二倍频结构2出射。

其中，需要进一步说明的是，第一BBO晶体211和第二BBO晶体213可以是相同的圆柱体结构，圆柱体的圆形端面的轴线可以与激光出射光路相重合设置，具体如图1和图3所示。同时，第一BBO晶体211和第二BBO晶体213也可以是正方体或长方体结构，正方体或长方体结构的方形或矩形端面的中心线可以与激光出射光路相重合设置，具体不再赘述。

因此，基于本发明的固体激光器装置，在保证266nm激光功率输出的情况下，使用BBO晶体和CLBO晶体两种非线性晶体级联的方式，提高了输出光束质量，同时还延长了晶体的使用寿命以及降低了激光器成本。

如图1-图3所示，根据本发明的实施例，第一倍频结构1包括沿激光出射光路依次设置的基频激光光源11、二倍频晶体组件12以及第一分光镜13，其中：基频激光光源11发光方向朝向二倍频晶体组件12设置，用于产生1064nm原始激光束；二倍频晶体组件12用于接收1064nm原始激光束，并将1064nm原始激光束进行倍频转换，产生具有1064nm和532nm的第一混合激光束，使得第一混合激光束入射至第一分光镜13的入光面；第一分光镜13的入光面与第一混合激光束的入射方向之间具有第一入射角，第一分光镜13的入光面镀设有1064nm增反膜和532nm增透膜，第一分光镜13的出光面镀设有532nm增透膜，用于反射第一混合激光束的1064nm激光束，同时透射第一混合激光束的532nm激光束，使得532nm激光束入射至第二倍频结构2。

基频激光光源11作为第一倍频结构1的光源，用于激射形成1064nm的原始激光束。二倍频晶体组件12用于实现第一倍频结构1对该原始激光束的第一次倍频转换，将其部分转换为532nm激光束，形成第一混合激光束。基频激光光源11的原始激光束的出射垂直朝向该二倍频晶体组件的二倍频晶体的进光面。而自该二倍频晶体的出光面出射的第一混合激光束与第一分光镜13的入光面之间形成的第一入射角可以为45°。由于第一分光镜13的材质可以为氟化钙材料，因此，可以实现将第一混合激光束中的1064nm激光束进行反射，将第一混合激光束中的532nm激光束透射该第一分光镜13，并自该第一分光镜13的出光面朝第二倍频结构的第一BBO晶体211的入光面垂直入射。

如图1-图3所示，根据本发明的实施例，二倍频晶体组件12包括二倍频晶体121和开放恒温仓122。二倍频晶体121沿激光出射光路设置于基频激光光源11之后，以使得1064nm原始激光束入射至二倍频晶体121的入光面上，并对其进行倍频转换以产生第一混合激光束；开放恒温仓122为筒柱状结构，具体可以为两端开放但两端设有透光保温盖的筒柱状结构，其轴心线与激光出射光路重合，有利于加热均匀，方便调试；开放恒温仓122并具有套设二倍频晶体121的内部空间，用于为二倍频晶体121提供恒温环境。

如图1和图2所示，开放恒温仓122的内部空间的中心与二倍频晶体121的中心可以重合，以确保二倍频晶体121设置在开放恒温仓122的中心位置。其中，二倍频晶体121可以是LBO晶体，因此，开放恒温仓122无需密封，仅需要在开放恒温仓上设置温控模块，对开放恒温仓122的内部空间进行恒温控制，以实现激光倍频转换效应与温度的适配，从而使得通过二倍频组件12形成的第一混合激光束的光束出射质量更高。其中，在基频激光光源11进行出光之前，需要保证二倍频晶体121已经加热到工作温度，且温度状态稳定。

具体地，开放恒温仓122具有进光开口210和出光开口220，进光开口210位于朝向基频激光光源11的一端，出光开口220位于出射第一混合激光束的另一端。二倍频晶体121设置在进光开口210和出光开口220之间的开放恒温仓122的中间位置，以确保二倍频晶体121周围的温度均匀、恒定。

如图1所示，根据本发明的实施例，第一倍频结构1还包括第一光束收集器14，第一光束收集器14对应于第一分光镜13的入光面设置于激光出射光路一侧，用于收集被第一分光镜13反射的1064nm激光束。

如图1和图3所示，根据本发明的实施例，四倍频晶体组件21还包括密封恒温仓214，有利于加热均匀，方便调试；密封恒温仓214为一筒柱状结构，其轴心线与激光出射光路重合，并具有套设CLBO晶体212的内部空间，用于为CLBO晶体提供恒温密封环境。

密封恒温仓214的内部空间的中心与CLBO晶体212的中心可以重合，以确保CLBO晶体212设置在密封恒温仓214的中心位置。其中，密封恒温仓214需要实现完全的密封，且密封恒温仓214的内部空间不得存在空气，可以为真空环境或者为保护气体环境。密封恒温仓214上也需要设置温控模块，以对密封恒温仓214的内部空间进行恒温控制，以实现激光倍频转换效应与温度的适配，从而使得通过CLBO晶体的激光束的出射质量更高。其中，在基频激光光源11进行出光之前，需要保证CLBO晶体212已经就加热到工作温度，例如150℃，且温度状态稳定。

需要说明的，密封恒温仓214和开放恒温仓122的温控模块可以为同一模块，该温控模块具有可以实现对两个不同恒温仓进行不同温度控制的功能，通过恒温环境以确保晶体的非线性转换效应的温度匹配。

如图1和图3所示，根据本发明的实施例，密封恒温仓214包括进光口410、出光口420、出气口402和进气口401，进光口410设置于朝向第一倍频结构1的密封恒温仓214的第一端面中心位置上，与第一BBO晶体211的侧周匹配并密封设置；出光口420设置于背向第一倍频结构1的密封恒温仓214的第二端面中心位置上，与第二BBO晶体213的侧周匹配并密封设置；出气口402设置于邻近进光口410的第一端面上，用于将密封恒温仓214的内部空间的保护气体引出密封恒温仓214；进气口401设置于邻近出光口420的第二端面上，用于对密封恒温仓214的内部空间引入保护气体。

密封恒温仓214为整体密封结构，为进一步确保内部的恒温环境，同时防止中间设置的CLBO晶体212发生潮解，在本发明的一实施例中，密封恒温仓214可以通过在激光束的倍频转换过程中实时通入保护性气体，同时进行恒温控制。其中，为了加强CLBO晶体212的防潮解效果，将保护性气体的进气口401设置在密封恒温仓214的第二端面上，第二端面为背向第一倍频结构1的第一分光镜13的密封恒温仓214的一端的端面，该端面的中心位置开设出光口420，该出光口420被第二BBO晶体密封设置。保护性气体的出气口402设置在密封恒温仓214的第一端面上，第一端面为朝向第一倍频结构1的第一分光镜13的密封恒温仓214的另一端的端面，该端面的中心位置开设进光口410，该进光口410被第一BBO晶体密封设置。

需要说明的是，如图3所示，密封恒温仓214实际上还可以具有形成第一端面和进光口410的第一窗口片固定件411，该第一窗口片固定件411同样可以是板状结构，第一窗口片固定件411朝向第一倍频结构1的第一分光镜13的侧表面即第一端面，进光口410即形成于第一窗口片固定件411的中心位置的开孔。因此，第一BBO晶体211作为第一窗口片可以沿进光口410的边缘与第一窗口片固定件实现密封连接。其中，当所述第一BBO晶体211为上述的圆柱体结构时，所述进光口410的开孔形状为圆形；同理，当所述第一BBO晶体211为上述的正方体或长方体结构时，所述进光口410的开孔形状为方形或矩形。

同样地，密封恒温仓214实际上还可以具有形成第二端面和出光口420的第二窗口片固定件421，该第二窗口片固定件421同样可以是板状结构，第二窗口片固定件421背向第一倍频结构1的第一分光镜13的侧表面即第二端面，出光口420即形成于第二窗口片固定件421的中心位置的开孔。因此，第二BBO晶体213作为第二窗口片可以沿出光口420的边缘与第二窗口片固定件421实现密封连接。其中，当所述第二BBO晶体213为上述的圆柱体结构时，所述出光口420的开孔形状为圆形；同理，当所述第二BBO晶体211为上述的正方体或长方体结构时，所述出光口420的开孔形状为方形或矩形。

第一窗口片固定件411、第二窗口片固定件421可以实现对密封恒温仓214两端开口的密封，同时将第一BBO晶体211和第二BBO晶体212密封设置在密封恒温仓214上分别作为对应迎光作用的第一窗口片和出光作用的第二窗口片。其中，第一窗口片固定件、第二窗口片固定件等元件均选用聚四氟等非透明材质，以便于实现密封和保温。

根据本发明的实施例，保护气体为惰性气体或氮气，用于在密封恒温仓的内部空间中保持干燥，且防止深紫外光束电离空气造成晶体损伤，同时避免影响光束质量，使得密封恒温仓内部易于恒温保持，以确保更好的光束输出质量。保护性气体可以为氮气或惰性气体等无色气体，在防止CLBO晶体212发生潮解的同时，尽可能地降低激光束的传播损耗，保证第二混合激光束的出射质量。也即，实现了在激光出射过程中对非线性晶体的CLBO晶体212的密封恒温仓214进行密封和吹扫，进一步确保了CLBO晶体212所处环境的恒温密封效果，降低其发生潮解的可能。

如图1和图3所示，根据本发明的实施例，第一BBO晶体211的入光面镀设有532nm增透膜，出光面镀设有532nm增透膜和266nm增透膜，用于将部分532nm激光束转换为266nm激光束；CLBO晶体212的入光面和出光面镀设有532nm增透膜和266nm增透膜，用于将经过第一BBO晶体211入射的部分532nm激光束进一步转换为266nm激光束；第二BBO晶体213的入光面和出光面镀设有532nm增透膜和266nm增透膜，用于将经过CLBO晶体212入射的部分532nm激光束再进一步转换为266nm激光束，以形成具有532nm激光束和266nm激光束的第二混合激光束。

因此，基于本发明的266nm固体激光器，在保证266nm激光功率输出的情况下，相对于现有技术中单独使用BBO晶体，使用BBO晶体和CLBO晶体两种非线性晶体级联的方式，提高了输出光束质量；将两个BBO晶体作为两端窗口片，中间使用CLBO晶体的方式，保证整个四倍频晶体的密封和温控，实现对晶体进行高温加热并密封，并通过保护气体进行防护，防止CLBO晶体的潮解，也进一步提高了光束质量。相对于现有技术中单独使用CLBO晶体延长了晶体的使用寿命；此外，由于BBO晶体价格较低，降低了激光器成本。

进一步地，由于受深紫外光单光子能量较高的特性影响，通过四倍频晶体组件21的激光束在形成第二混合激光束从第二窗口片的出光面进行出射时，极易造成该出光面的损伤，也即晶体损伤，因此需要更换整块第二窗口片，造成维修成本较高。然而，意外发现第二窗口片为第二BBO晶体213时，只需更换该损伤出光面的第二BBO晶体213，由于BBO晶体成本极低，显然进一步降低了整个266nm固体激光器的维护成本。

此外，需要进一步说明的是，二倍频晶体121、第一BBO晶体211、CLBO晶体212以及第二BBO晶体213的长度尺寸设置均可以依照角度匹配和温度匹配的规则进行切割制备。此外，第一BBO晶体211、CLBO晶体212以及第二BBO晶体213的安装位置可以实现特定角度的调整，以使得相邻两个晶体中存在的离散角尽可能相反，以消除走离效应，实现光束出射质量的进一步提高。

根据本发明的实施例，第二倍频结构2还包括第二分光镜22，第二分光镜22沿激光出射光路设置于四倍频晶体组件21之后，第二分光镜22的入光面与四倍频晶体组件21所产生的第二混合激光束的入射方向之间具有第二入射角，第二分光镜22的入光面镀设有532nm增反膜和266nm增透膜，第二分光镜22的出光面镀设有266nm增透膜，用于反射第二混合激光束的532nm激光束，同时透射第二混合激光束的266nm激光束，即获取266nm的高功率紫外激光束。

自四倍频晶体组件21的第二BBO晶体213的出光面所出射的第二混合激光束与第二分光镜22的入光面之间形成的第二入射角可以为45°。由于第二分光镜22的材质可以为氟化钙材料，因此可以实现将第二混合激光束中的532nm激光束进行反射，将第二混合激光束中的266nm激光束透射该第二分光镜22，并自该第二分光镜22的出光面出射。

可见，将第一分光镜和第二分光镜等光学元件均选用氟化钙材质，进一步保证了激光的透过功率、光束质量及使用寿命。

根据本发明的实施例，第二倍频结构2还包括第二光束收集器23，第二光束收集器23对应于第二分光镜22的入光面设置于激光出射光路一侧，用于收集被第二分光镜22反射的532nm激光束。

如图1所示，本发明实施例的激光出射光路组成结构沿光路依次包括基频激光光源11、二倍频晶体121、第一分光镜13、第一BBO晶体211、CLBO晶体212、第二BBO晶体213、第二分光镜22以及各个组成部件相应的支撑结构，如开放恒温仓122和密封恒温仓214等。

如图4所示，本发明的另一个方面还提供了一种上述的266nm固体激光器的光束质量优化方法，其中包括步骤S301-S303。

在步骤S301中，控制第一倍频结构的二倍频晶体组件的开放恒温仓内部空间以及第二倍频结构的四倍频晶体组件的密封恒温仓内部空间的温度值到工作温度并保持温度值稳定，向密封恒温仓内部空间充入保护气体；

在步骤S302中，响应于保护气体充入，控制第一倍频结构的基频激光光源产生1064nm原始激光束；

在步骤S303中，控制二倍频晶体组件和四倍频晶体组件对1064nm原始激光束进行逐级倍频转换，以获取266nm的高功率紫外激光束；其中，四倍频晶体组件由沿激光出射光路依次设置的第一BBO晶体、CLBO晶体和第二BBO晶体组合构成。

其中，上述光束质量优化方法基于上述的固体激光器实现，该固体激光器的各个组成结构的作用或功能，具体请参照前述内容，在此不作赘述。

因此，基于本发明的266nm固体激光器，在保证266nm激光功率输出的情况下，相对于现有技术中单独使用BBO晶体，使用BBO晶体和CLBO晶体两种非线性晶体级联的方式，提高了输出光束质量；将两个BBO晶体作为两端窗口片，中间使用CLBO晶体的方式，保证整个四倍频晶体的密封和温控，实现对晶体进行高温加热并密封，并通过惰性气体进行防护，防止CLBO晶体的潮解，相对于现有技术中单独使用CLBO晶体延长了晶体的使用寿命；此外，由于BBO晶体价格较低，降低了激光器成本；进一步地，意外发现当BBO晶体的出光面出现损伤时，只需更换出光面的BBO晶体，显然进一步降低了激光器的维护成本；同时，实现了在激光出射过程中对整个非线性晶体密封仓进行密封和吹扫，进一步提高了输出光束的质量，确保了CLBO晶体所处环境的恒温密封效果，降低其发生潮解的可能。最后，将第一分光镜和第二分光镜等光学元件均选用氟化钙材质，进一步保证了激光的透过功率、光束质量及使用寿命。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种266nm固体激光器，其特征在于，包括：

第一倍频结构，用于形成532nm激光束；

第二倍频结构，沿所述266nm固体激光器的激光出射光路设置于所述第一倍频结构之后，用于接收所述532nm激光束并将其转换为266nm的高功率紫外激光束；

其中，所述第二倍频结构包括：

四倍频晶体组件，由沿所述激光出射光路依次设置的第一BBO晶体、CLBO晶体和第二BBO晶体组合构成，用于对沿所述激光出射光路出射的532nm激光束进行倍频转换，以获取266nm的高功率紫外激光束，其中，所述第一BBO晶体、第二BBO晶体作为所述四倍频晶体组件的两端窗口片，用于密封所述四倍频晶体组件的CLBO晶体，构成非线性晶体级联结构。

2.根据权利要求1 所述的266nm固体激光器，其特征在于，所述第一倍频结构包括沿激光出射光路依次设置的基频激光光源、二倍频晶体组件以及第一分光镜，其中：

所述基频激光光源发光方向朝向所述二倍频晶体组件设置，用于产生1064nm原始激光束；

二倍频晶体组件用于接收所述1064nm原始激光束，并将1064nm原始激光束进行倍频转换，产生具有1064nm和532nm的第一混合激光束，使得所述第一混合激光束入射至所述第一分光镜的入光面；

第一分光镜的入光面与所述第一混合激光束的入射方向之间具有第一入射角，所述第一分光镜的入光面镀有1064nm增反膜和532nm增透膜，所述第一分光镜的出光面镀设有532nm增透膜，用于反射所述第一混合激光束的1064nm激光束，同时透射所述第一混合激光束的532nm激光束，使得所述532nm激光束入射至所述第二倍频结构。

3.根据权利要求2所述的266nm固体激光器，其特征在于，所述二倍频晶体组件包括：

二倍频晶体，沿所述激光出射光路设置于所述基频激光光源之后，以使得所述1064nm原始激光束入射至所述二倍频晶体的入光面上，并对其进行倍频转换以产生所述第一混合激光束；

开放恒温仓，为筒柱状结构，其轴心线与所述激光出射光路重合，并具有套设所述二倍频晶体的内部空间，用于为所述二倍频晶体提供恒温环境。

4.根据权利要求2所述的266nm固体激光器，其特征在于，所述第一倍频结构还包括：

第一光束收集器，对应于所述第一分光镜的入光面设置于所述激光出射光路一侧，用于收集被所述第一分光镜反射的1064nm激光束。

5.根据权利要求1所述的266nm固体激光器，其特征在于，所述四倍频晶体组件还包括：

密封恒温仓，为一筒柱状结构，其轴心线与所述激光出射光路重合，并具有套设所述CLBO晶体的内部空间，用于为所述CLBO晶体提供恒温密封环境。

6.根据权利要求5所述的266nm固体激光器，其特征在于，所述密封恒温仓包括：

进光口，设置于朝向所述第一倍频结构的所述密封恒温仓的第一端面中心位置上，与所述第一BBO晶体的侧周匹配并密封设置；

出光口，设置于背向所述第一倍频结构的所述密封恒温仓的第二端面中心位置上，与所述第二BBO晶体的侧周匹配并密封设置；

出气口，设置于邻近所述进光口的所述第一端面上，用于将所述密封恒温仓的内部空间的保护气体引出所述密封恒温仓；

进气口，设置于邻近所述出光口的所述第二端面上，用于对所述密封恒温仓的内部空间引入保护气体。

7.根据权利要求6所述的266nm固体激光器，其特征在于，所述保护气体为惰性气体或氮气，用于在所述密封恒温仓的内部空间中保持干燥，且防止深紫外光束电离空气造成晶体损伤，同时避免影响光束质量。

8.根据权利要求1所述的266nm固体激光器，其特征在于，

所述第一BBO晶体的入光面镀设有532nm增透膜，出光面镀设有532nm增透膜和266nm增透膜，用于将部分所述532nm激光束转换为266nm激光束；

所述CLBO晶体的入光面和出光面镀设有532nm增透膜和266nm增透膜，用于将所述经过第一BBO晶体入射的部分532nm激光束进一步转换为266nm激光束；

所述第二BBO晶体的入光面和出光面镀设有532nm增透膜和266nm增透膜，用于将所述经过CLBO晶体入射的部分532nm激光束再进一步转换为266nm激光束，以形成具有532nm激光束和266nm激光束的第二混合激光束。

9.根据权利要求1所述的固体激光器，其特征在于，所述第二倍频结构还包括：

第二分光镜，沿所述激光出射光路设置于所述四倍频晶体组件之后，所述第二分光镜的入光面与所述四倍频晶体组件所产生的第二混合激光束的入射方向之间具有第二入射角，所述第二分光镜的入光面镀设有532nm增反膜和266nm增透膜，所述第二分光镜的出光面镀设有266nm增透膜，用于反射所述第二混合激光束的532nm激光束，同时透射所述第二混合激光束的266nm激光束，即获取266nm的高功率紫外激光束。

10.根据权利要求9所述的266nm固体激光器，其特征在于，所述第二倍频结构还包括：

第二光束收集器，对应于所述第二分光镜的入光面设置于所述激光出射光路一侧，用于收集被所述第二分光镜反射的532nm激光束。

11.一种权利要求1-10中任一项所述的266nm固体激光器的光束质量优化方法，其特征在于，包括：

控制第一倍频结构的二倍频晶体组件的开放恒温仓内部空间以及第二倍频结构的四倍频晶体组件的密封恒温仓内部空间的温度值到工作温度并保持温度值稳定，向所述密封恒温仓内部空间充入保护气体；

响应于保护气体充入，控制所述第一倍频结构的基频激光光源产生1064nm原始激光束；

控制所述二倍频晶体组件和所述四倍频晶体组件对所述1064nm原始激光束进行逐级倍频转换，以获取266nm的高功率紫外激光束；

其中，四倍频晶体组件由沿激光出射光路依次设置的第一BBO晶体、CLBO晶体和第二BBO晶体组合构成。

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