CN113488845A - 一种基于光谱合束的多管蓝光半导体倍频方法及装置 - Google Patents

一种基于光谱合束的多管蓝光半导体倍频方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光谱合束的多管蓝光半导体倍频方法及装置，属于半导体激光技术领域。该方法具体为S1：激发蓝光二极管阵列发出多个光束，并入射至同一区域；S2：对入射到同一区域的多束光束以相同的衍射角衍射，使其成为合束光；S3：将合束光一部分反射回到蓝光二极管阵列形成反馈，用于压缩线宽，另一部分透射输出窄线宽光束；S4：对透射输出的窄线宽光束形成振荡，同时进行倍频后输出；S5：将倍频后的输出光先分光再聚焦，输出深紫外光。还提出了一种基于光谱合束的多管蓝光半导体倍频装置。本发明的方法及装置是一种新型的脉冲电源泵浦多管蓝光二极管阵列倍频系统，可以提高输入蓝光的倍频效率及输出深紫外光的功率。

Description

一种基于光谱合束的多管蓝光半导体倍频方法及装置
技术领域
本发明属于半导体激光技术领域，更具体地，涉及一种基于光谱合束的蓝光半导体激光倍频方法及装置，是一种新型脉冲电源泵浦多管蓝光二极管阵列倍频系统。
背景技术
随着激光技术领域的不断发展，如何获得较高功率的紫外光输出成为一个重要的课题。深紫外激光器是拉曼光谱学的研究热点之一，对于260nm以下的激光波长，可以从拉曼信号中分离出干扰的荧光背景。目前，已建立的用于深紫外拉曼光谱的激光系统大多是基于气体激光器或者四倍频固体激光器，这种激光器的功率消耗比较大，封装大并且实现过程比较复杂。而在实验室之外的环境实现深紫外拉曼光谱的应用已经成为一个趋势，所以，对可靠的紫外激光光源的需求不断增加。如今大多采用频率转换的方法来获得深紫外激光光源，已经实现用红外激光二极管通过四倍频产生深紫外激光，但是其过程比较复杂，若通过基于GaN的激光二极管发射500nm以下的激光，然后将其直接倍频到深紫外会使系统的结构更为紧凑。
2003年，日本大阪大学的Tomoo NISHIMURA团队基于GaN二极管激光器倍频开发了209nm附近可调谐连续波相干光源。该团队提出了一种基于环形腔与光学反馈的倍频方法，该方法将外腔半导体激光器产生的基频光被锁定在环形腔内，其功率因干涉增强得到提高，在输入光功率为26mW时，得到9.1μW的倍频光(Nishimura T,Toyoda K,Watanabe M,etal.A Compact 209-nm Deep UV cw Light Source for Spectroscopy Using FrequencyDoubling of a Diode Laser[J].Japanese Journal of Applied Physics,2003,42(8):5079.)。2015年，德国的N.Ruhnke团队采用Littrow结构的445nm窄带发射的大功率GaN外腔半导体激光器作为泵浦源，在泵浦功率为680mW，222.5nm处连续工作时，得到最大紫外功率16μW(Ruhnke N,A.Müller,Eppich B,et al.Single-pass UV generation at 222.5nmbased on high-power GaN external cavity diode laser[J].Optics Letters,2015,40(9):2127.)。这两种倍频系统及方法是目前比较常用的蓝光倍频系统及方法，但这两种系统及方法采用连续波电源泵浦，蓝光单管作为光源，输入光功率较低，很大程度上降低了倍频光的功率以及倍频效率。因此，这种典型的蓝光半导体激光倍频系统及方法难以适用在较高紫外光功率的场合。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于光谱合束的多管蓝光半导体倍频方法及装置，提高输出深紫外光的功率。
一种基于光谱合束的多管蓝光半导体倍频方法，包括：S1：激发蓝光二极管阵列发出多个光束，并入射至同一区域；S2：对入射到同一区域的多束光束以相同的衍射角衍射，使其成为合束光；S3：将合束光一部分反射回到蓝光二极管阵列形成反馈，用于压缩线宽，另一部分透射输出窄线宽光束；S4：对透射输出的窄线宽光束形成振荡，同时进行倍频后输出；S5：将倍频后的输出光先分光再聚焦，输出深紫外光。
进一步地，所述步骤S1还包括步骤：减小每束光束快轴方向远场发散角，使光束均以同一较小的快轴方向远场发散角并出射；将出射的光束以传播方向为轴旋转90°进行快慢轴交换；对旋转后的光束进行慢轴方向准直，减小其慢轴方向远场发散角，使不同光束偏转不同角度入射到同一区域。
一种基于光谱合束的多管蓝光半导体倍频装置，包括：脉冲电源，用于泵浦蓝光二极管阵列；蓝光二极管阵列，用于发出多束光束；光谱合束机构，用于将蓝光二极管阵列发出的多光束以相同的衍射角衍射成为合束光，并使合束光一部分反射回到蓝光二极管阵列形成反馈，另一部分透射输出窄线宽光束；增强腔机构，用于将透射输出的窄线宽光束形成振荡以达到干涉增强的目的，同时进行倍频。
进一步地，还包括耦合机构，所述耦合机构用于优化光谱合束机构透射输出的窄线宽光束的质量，并调整其偏振态，改变光路的方向便于片上集成。
进一步地，所述光谱合束机构包括：快轴准直镜，用于减小蓝光二极管阵列发出的光束在快轴方向的远场发散角，使光束均以同一较小的快轴方向远场发散角并出射；光束旋转元件，用于将快轴准直镜出射的光束以传播方向为轴旋转90°进行快慢轴交换；准直-偏转元件，对经过光束旋转元件旋转后的光束进行慢轴方向准直，减小其慢轴方向远场发散角，使不同光束偏转不同角度入射到衍射光栅的同一区域；衍射光栅，接收准直-偏转元件出射的并以不同角度入射的多束光束，并使多束光束以相同的衍射角衍射，使其成为合束光；输出耦合镜，用于接收衍射光栅出射的合束光束，使所述合束光一部分反射回到蓝光二极管阵列形成反馈，用于压缩线宽，另一部分透射输出窄线宽光束。
进一步地，所述增强腔机构包括：增强腔输入平面镜，增强腔反射平面镜，增强腔反射凹面镜，增强腔输出凹面镜组成环形腔结构；β-BBO倍频晶体放置在增强腔反射凹面镜和增强腔输出凹面镜之间的光腰上，利用其非线性效应将输入到环形腔内的光进行倍频；从耦合机构输出的光束入射至增强腔输入平面镜，在所述环形腔内循环一周，一部分形成振荡的光束通过β-BBO倍频晶体倍频后从增强腔输出凹面镜输出，另一部分返回至增强腔输入平面镜继续循环；增强腔输入平面镜和增强腔反射平面镜的间距l1，增强腔反射凹面镜和增强腔输出凹面镜的间距l2，β-BBO倍频晶体到增强腔反射凹面镜或增强腔输出凹面镜的距离d1满足关系：
Figure BDA0003141650890000041
其中，R为增强腔反射凹面镜和增强腔输出凹面镜的曲率半径，L和n分别为β-BBO倍频晶体的长度和折射率，l＝l1+2l2，
Figure BDA0003141650890000042
为β-BBO倍频晶体中心处的束腰半径。
进一步地，所述耦合机构包括：反射镜，用于改变光谱合束机构透射输出的窄线宽光束的方向，便于片上集成；光束整形镜，用于优化光谱合束机构透射输出的窄线宽光束的质量；半波片，用于调整经光束整形镜整形后光束的偏振态，使其满足所述β-BBO倍频晶体的匹配类型以及相位匹配角；模式匹配镜，用于将光谱合束机构透射输出的窄线宽光束聚焦在所述环形腔本征模式的大束腰上。
进一步地，还包括：压电陶瓷PZT-α，衍射光栅安装在上面，用于调整合束光频率的连续调谐范围，使合束光的频率和反馈相位同时处于光反馈的最佳状态；压电陶瓷PZT-β，反射镜安装在上面，用来控制光谱合束机构和增强腔机构之间的长度，以保持反馈相位的最佳条件；压电陶瓷PZT-γ，增强腔反射平面镜安装在上面，用来控制增强腔反射凹面镜和增强腔输出凹面镜之间的距离，扫描环形腔的往返长度，以实现有效的模式匹配，且使环形腔的光腰落在β-BBO倍频晶体上，以得到最大的倍频效率。
进一步地，还设置有CaF2分光棱镜，用于将从增强腔输出凹面镜输出的倍频光里的深紫外光与其它杂散光分离；聚焦透镜，用于将从CaF2分光棱镜输出的深紫外光聚焦到光谱仪上；光谱仪，用于分析接收到的深紫外光的强度及波长。
进一步地，所述蓝光二极管阵列包含多个排列成阵列的蓝光半导体激光发射单元，所述发射单元等间距排列且光束出射方向相同。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提高了输入蓝光的倍频效率，提高了输出深紫外光的功率。采用脉冲电源可以提高输入的基频光的峰值功率，有利于提高倍频效率；利用光谱合束机构将多管蓝光光束合成一束，合束光一部分反射回到蓝光二极管阵列形成反馈，不断压缩线宽，进一步提高了输入基频光的功率，从而使输入倍频光的功率增强；采用的增强腔机构，使基频光在腔内形成谐振振荡以便干涉增强，环形腔的光腰落在倍频晶体上，进一步提高了倍频效率，提高了输出深紫外光的功率；本发明克服了传统蓝光二倍频装置中使用连续光倍频、单管倍频后输入光功率低下，使得倍频效率低、输出的深紫外光功率低的问题。
2、本发明拥有较高的输出紫外光光束质量。本发明基于光谱合束机构，改善了光束在快轴和慢轴方向上的远场发散角，结合耦合机构中的光束整形镜进一步的改善了基频光的光束质量，改善了传统蓝光倍频系统中由于整形装置简单导致的输出深紫外光光束质量较差的情况。
3、本发明中衍射光栅的偏转角度、光谱合束机构和环形腔之间的长度、增强腔反射平面镜的位置都由压电陶瓷控制，使得装置调控更加便捷；更重要的，避免了由于模式和阻抗匹配不完备造成的基频光功率损耗。
4、本发明的装置较深紫外三倍频系统的体积更小，结构更简单。
5、可灵活调整光谱合束机构、耦合机构、增强腔机构、压电陶瓷等所用到的组件的参数，同时对整体光路进行相应调控，基于本发明的方法及装置可以进行任意蓝光波段任意数量蓝光二极管阵列倍频，且能有效解决传统蓝光半导体激光倍频方法中存在的诸如输出紫外光功率较低，转换效率低下等问题。
附图说明
图1为本发明基于光谱合束与环形腔的多管蓝光半导体倍频装置结构示意图。
图2为本发明中蓝光二极管阵列结构示意图。
图3为本发明中快轴准直镜与蓝光二极管阵列的位置关系示意图。
图4为本发明中准直-偏转元件的结构示意图。
图5为本发明中光束整形镜的结构示意图。
图6为本发明中模式匹配镜的结构示意图。
图7为本发明环形腔中各镜位置关系示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1-脉冲电源，2-蓝光二极管阵列，3-水冷装置，4-快轴准直镜，5-光束旋转元件，6-准直-偏转元件，7-衍射光栅，8-输出耦合镜，9、12、13为反射镜，10-光束整形镜，11-半波片，14-模式匹配镜，15-增强腔输入平面镜，16-增强腔反射平面镜，17-增强腔反射凹面镜，18-增强腔输出凹面镜，19-β-BBO倍频晶体，20-CaF2分光棱镜，21-聚焦透镜，22-光谱仪，23-压电陶瓷体PZT-α，24-压电陶瓷体PZT-β，25-压电陶瓷体PZT-γ。
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。
图1显示了本发明实施例的基于光谱合束与环形腔的多管蓝光半导体倍频装置结构示意图。
蓝光二极管阵列2上的每一个发射单元均可视为中心发射单元沿x方向进行一定距离的平移。当中心发射单元被平移时，光束满足光栅方程mλ＝d(sinα+sinβ0)，其中，m为衍射光栅7的衍射级次，λ为入射光束波长，d为光栅周期长度，α为入射角，β0为各束光束的同一衍射角。衍射光栅7为透射型或反射型元件。衍射光束必须在垂直于输出耦合镜8时，才能反馈并形成稳定单纵模振荡，即平移过程中衍射角β为定值。因此，在平移过程中入射角α变化，入射光束波长λ也会随之变化。即在平移位置上蓝光二极管阵列2的不同发射单元将以不同波长工作，并在经过衍射光栅7后以相同的衍射角出射；增强腔输入平面镜15、增强腔反射平面镜16、增强腔反射凹面镜17、增强腔输出凹面镜18组成环形腔，基频光在腔内循环一周的传输矩阵为：
Figure BDA0003141650890000071
其中，L为β-BBO倍频晶体19的长度，n为β-BBO倍频晶体19的折射率，d1为β-BBO倍频晶体19到增强腔反射凹面镜17或增强腔输出凹面镜18的距离，两凹面镜曲率半径为R，l1为增强腔输入平面镜15和增强腔反射平面镜16的间距，l2为增强腔反射凹面镜17和增强腔输出凹面镜18的间距，l＝l1+2l2。
该环形腔内存在两个束腰，大腰位于增强腔输入平面镜15和增强腔反射平面镜16的中心，小腰位于增强腔反射凹面镜17和增强腔输出凹面镜18的中心，即β-BBO倍频晶体19的中心，结合q参数的变化规律，可以得到β-BBO倍频晶体19中心处的束腰半径为
Figure BDA0003141650890000072
且环形腔的参数必须满足环形腔的稳定性条件，即
Figure BDA0003141650890000073
由束腰半径的大小可以初步确定环形腔参数。
谐振时，环形腔内倍频光功率可以表示为
Figure BDA0003141650890000074
其中，γSHG为非线性转换因子，Pc为环形腔内循环效率，当谐振腔的剩余发射率等于增强腔输入平面镜15的反射率时Pc达到最大，其中，谐振腔的剩余发射率为透过增强腔输入平面镜15进入到环形腔内循环一周后与进入环形腔内时刻基频光功率之比。非线性转换因子γSHG可以用BK聚焦因子来表述，BK聚焦因子随着束腰半径的变化有先增大后减小的趋势，当β-BBO倍频晶体19长度一定时，有一个最佳束腰值使BK值最大，即环形腔内倍频光功率最大，可以进一步确定环形腔参数。
同时，由q参数传输特性与透镜成像公式实现模式匹配，公式为：
Figure BDA0003141650890000081
其中，
Figure BDA0003141650890000082
因此，紫外光获得最大的输出功率，倍频效率提高。
具体的，脉冲电源1泵浦蓝光二极管阵列2，所述蓝光二极管阵列2含7个发射单元，并安装在水冷装置3上，所述蓝光二极管阵列2发出的光束经过快轴准直镜4，每束光均以同一较小的快轴方向远场发散角出射至光束旋转元件5上对应的区域；光束旋转元件5使每束光束均以传播方向为轴旋转90°，并使光束射向准直-偏转元件6；准直-偏转元件6对光束进行慢轴方向准直，减小其慢轴方向远场发散角，并使不同发射单元发出的光束折射不同角度，使其入射到衍射光栅7的同一区域；衍射光栅7使重叠于同一区域的多束光束以相同的衍射角衍射，使其成为合束光入射至输出耦合镜8，输出耦合镜8接收衍射光栅7出射的合束光束，使合束光一部分反射回到蓝光二极管阵列2形成反馈，用于压缩线宽，另一部分透射输出窄线宽光束输出；输出的窄线宽光束经过光束整形镜10整形改善光束质量，再经过模式匹配镜14进行模式匹配输入到环形腔内，模式匹配镜14将窄线宽光束的辐射聚焦在环形腔本征模式的大束腰上，在环形腔内，窄线宽光束被锁定在腔内，窄线宽光束经过倍频后的光输出腔外，输出的光经CaF2分光棱镜20和聚焦透镜21的分光、聚焦作用后，输入到光谱仪22中；倍频过程中利用压电陶瓷PZT-α23、压电陶瓷PZT-β24，压电陶瓷PZT-γ25调节光路以达到模式匹配以及光谱线宽。
优选的，脉冲电源1，为蓝光二极管阵列提供泵浦，提供的最大电压为100V，最大电流为100A，上升沿宽35ns，脉宽100ns～2us，脉冲重复频率0～400kHz。
优选的，蓝光二极管阵列2，包含7个排列成阵列的蓝光半导体激光发射单元，如图2所示，分别发出7条等间距排列且出射方向相同的光束。其中中心发射单元为0级发射单元，上方发射单元依次为1级，2级，3级；下方发射单元依次为-1级，-2级，-3级。相邻发射单元的中心间距为500μm，蓝光二极管阵列2的发光面上镀增透膜，增透膜反射率＜0.2％。
蓝光二极管阵列2出射光束的标准中心波长为445nm，谱宽约为3nm，中心波长范围430～470nm。光束快轴方向平行于y轴，快轴方向上发光尺寸约为1μm，远场发散角为31°(FWHM)。光束慢轴方向平行于x轴，慢轴方向上发光尺寸为90μm，远场发散角为10°(FWHM)。
水冷装置3，为蓝光二极管阵列2降温，优选的，为特域机电公司生产的CW-3000工业制冷机，提供50W/℃散热量。
快轴准直镜4，用于减小光束快轴方向的远场发散角，其前表面，即光的入射面为平面，后表面，即光的出射面为柱面。优选的，透镜等效焦距286μm～1500μm，剩余发散角0.45mrad～5.14mrad，快轴方向数值孔径约为0.7，本实施例中透镜等效焦距优选549.86μm，光束经过快轴准直镜4后，在快轴方向的远场发散角为2.57mrad(FWHM)。快轴准直镜4与蓝光二极管阵列2的位置关系如图3所示。利用快轴准直镜4，可以使通过蓝光二极管阵列2出射的每束光均以同一较小的快轴方向远场发散角出射至光束旋转元件5上对应的区域。其中，蓝光二极管阵列2与快轴准直镜4的后焦面距离满足(99％～101％)×蓝光二极管阵列2每个发射单元出射光的瑞利长度。
光束旋转元件5，使光束以传播方向为轴旋转90°。优选的，该元件为7个柱状透镜呈45°倾斜并紧贴，并且每一个柱状透镜的中心对应相应的蓝光二极管阵列2的发射单元，使每束光束正射入对应的柱状透镜前表面的中心。光束旋转元件5的后表面、前表面为相同柱面，等效焦距均约为0.95mm，厚度约为1.90mm，在慢轴方向上的数值孔径约为0.1；前、后面共焦点位于光束旋转元件5中心，即光束旋转元件5为无焦元件，因此光束经过光束旋转元件5发散角变化可忽略。
如图4所示，准直-偏转元件6用于在慢轴方向对蓝光二极管阵列2发出的光束进行准直，减小光束在慢轴方向的远场发散角，使蓝光二极管阵列2不同发射单元出射的光束经过准直-偏转元件6后表面发生折射并偏转不同角度，再入射到衍射光栅7的同一区域。优选的，准直-偏转元件6的前表面为柱面，后表面为柱状锯齿形透镜，其母线平行于x方向，准线为二次曲线，等效焦距约为155.52mm，经过准直-偏转元件6，慢轴方向发散角小于0.002mrad(FWHM)。
衍射光栅7接收准直-偏转元件6出射的并以不同角度入射的光束，并将重叠于衍射光栅7同一区域的多束光束以相同的衍射角衍射，使其成为同一束光并输出。蓝光二极管阵列2任一发射单元出射光束均满足光栅方程：
mλ＝d(sinα+sinβ0)，其中，m为衍射级次，λ为入射光束波长，d为光栅周期长度，α为入射角，β0为各束光束的同一衍射角。衍射光栅7为透射型或反射型元件，其线数满足10001/mm～20001/mm，两侧表面均镀有445nm的增透膜，反射率＜1％。
优选的，本实施例中光栅为透射型矩形光栅，光栅线数
Figure BDA0003141650890000101
入射光束波长λ0＝445nm，在衍射级次入射角α0≈63°且衍射级次m＝-1时，衍射光栅有最大的衍射效率，此时衍射效率大于90％。
优选的，蓝光二极管阵列2，准直-偏转元件6及衍射光栅7之间的距离需满足关系：10×W激光阵列≤D，其中，W激光阵列为蓝光二极管阵列2的总宽度，D为准直-偏转元件6与衍射光栅7的间距。
优选的，为使蓝光二极管阵列2不同发射单元出射的经过准直-偏转元件6折射不同角度的光束入射到衍射光栅7的同一区域，通过准直-偏转元件6的光束入射方向与经过其后表面柱状锯齿形透镜的光束的法线方向的夹角θi需满足：
Figure BDA0003141650890000111
其中，Wpitch为蓝光二极管阵列2中相邻发射单元之间的间距，D为准直-偏转元件6与衍射光栅7的间距，n准直-偏转元件为准直-偏转元件6的折射率，且蓝光二极管阵列2中发射单元的总个数满足(2N+1)，N为自然数，记中心发射单元为0级发射单元，从中心发射单元向上的N个发射单元依次为从第1级到第N级，从中心发射单元向下的N个发射单元依次为从第-1级到第-N级，除0级发射单元外，其它发射单元的激光光束经过准直-偏转元件6后均向0级发射单元偏转，i为其中的第i级发射单元，i为满足-N≤i≤N的整数。
输出耦合镜8，用于接收衍射光栅7出射的合束光束，使合束光一部分反射回到蓝光二极管阵列2形成反馈，用于压缩线宽，另一部分透射输出窄线宽光束输出。输出耦合镜8的前表面部分镀反射膜，使透镜的反射率为4％-5％。优选的，输出耦合镜8为平面薄透镜，直径为4cm，合束光束垂直射向输出耦合镜8，透镜的反射率为4％。
反射镜9、反射镜12、反射镜13，旨在改变光束的方向，表面镀全反膜，输出光经反射镜9反射，以平行于光轴方向输出。优选的，反射镜12安装在压电陶瓷PZT-β24上，用于调节光谱合束部分与环形腔之间的距离，使保持反馈相位的最佳条件，以实现模式耦合。
如图5所示，光束整形镜10对光束质量进行优化，优选的，光束整形镜10为两个柱面镜，焦距分别为100mm和50mm。
优选的，半波片11调整入射光的偏振态，使其满足所述β-BBO倍频晶体19的匹配类型以及相位匹配角。
如图6所示，模式匹配镜14将基频光聚焦在环形腔本征模式的大束腰上，优选的，本实施例选择445nm的基频光，模式匹配镜14为两个球面透镜，焦距分别为90mm和150mm。
增强腔输入平面镜15，增强腔反射平面镜16，增强腔反射凹面镜17，增强腔输出凹面镜18构成环形腔结构，用于将输入到腔内的基频光，即窄线宽光束锁定于腔内，形成振荡以达到干涉增强的目的。
各镜相对位置如图7所示，优选的，增强腔输入平面镜15一面抛光处理，另一面镀对445nm波长透射率为2.5％±0.25％的反射膜，该面位于环形腔内的一侧；增强腔反射平面镜16为445nm平面反射镜，安装在压电陶瓷PZT-γ25上，用于调节环形腔内模式匹配情况，即将注入到环形腔的基频光能量与腔的本征模的空间模式重合，并使光束的光腰落在β-BBO倍频晶体19上，约有94％的输出功率被引入环形腔，模式匹配效率约为68％；增强腔反射凹面镜17为445nm凹面反射镜，焦距为50mm；增强腔输出凹面镜18双面镀膜，一面镀222.5nm的高透膜，透射率大于98％，另一面镀445nm的高反膜和222.5nm的高透膜，反射率大于99％，透射率大于98％，焦距为50mm，该面位于环形腔内的一侧。
β-BBO倍频晶体19利用其非线性效应将蓝光倍频为深紫外光，优选的，为Ⅰ类相位匹配，切割角θ＝77.27°，表面镀防护膜，规格为3mm*3mm*10mm，放置在增强腔反射凹面镜17和增强腔输出凹面镜18之间的光腰上，提高倍频效率，进而将蓝光倍频为深紫外光。
优选的，CaF2分光棱镜20将深紫外光与其它杂散光分离，激光损伤阈值极高，折射率低。
聚焦透镜21将光束聚焦到光谱仪上，优选的，为紫外熔融硅凸透镜，焦距为50mm。
光谱仪22分析接收到的光束强度及波长，优选的，选用高分辨率光谱仪，在400-480nm波段，分辨率为0.08nm。
压电陶瓷PZT-α23、PZT-β24、PZT-γ25，用于调节光路以达到最好的倍频效果，优选的，压电陶瓷PZT-α23用于调整衍射光栅7的偏转角度，使光谱合束机构输出频率和反馈相位同时处于光反馈的最佳状态，扩大激光频率的连续调谐范围。压电陶瓷PZT-β24用来控制光谱合束机构和环形腔之间的长度，以保持反馈相位的最佳条件。压电陶瓷PZT-γ25用来控制增强腔反射凹面镜17和增强腔输出凹面镜18之间的距离，扫描环形腔的往返长度，以实现有效的模式匹配，即将注入到环形腔的基频光能量与腔的本征模的空间模式重合，同时，使环形腔的光腰落在增强腔反射凹面镜17和增强腔输出凹面镜18的中心，即β-BBO倍频晶体19上，以得到最大的倍频效率。
本发明的基于光谱合束的多管蓝光半导体倍频方法包括如下步骤：
S1：激发蓝光二极管阵列发出多个光束，并入射至同一区域；
具体的，还可以包括：减小每束光束快轴方向远场发散角，使光束均以同一较小的快轴方向远场发散角并出射；
将出射的光束以传播方向为轴旋转90°进行快慢轴交换；
对旋转后的光束进行慢轴方向准直，减小其慢轴方向远场发散角，使不同光束偏转不同角度入射到同一区域；
S2：对入射到同一区域的多束光束以相同的衍射角衍射，使其成为合束光；
S3：将合束光一部分反射回到蓝光二极管阵列形成反馈，用于压缩线宽，另一部分透射输出窄线宽光束；
S4：对透射输出的窄线宽光束形成振荡，同时进行倍频后输出；
具体的，还可以包括：调整合束光频率的连续调谐范围，使合束光的频率和反馈相位同时处于光反馈的最佳状态；
优化输出光束的质量，调整其偏振态并输出；
S5：将倍频后的输出光先分光再聚焦，输出深紫外光。
通过本发明的方法和装置，采用脉冲电源可以提高输入的基频光的峰值功率，有利于提高倍频效率；利用光谱合束机构将多管蓝光光束合成一束，合束光一部分反射回到蓝光二极管阵列形成反馈，不断压缩线宽，进一步提高了输入基频光的功率，从而使输入倍频光的功率增强；采用的增强腔机构，使基频光在腔内形成谐振振荡，环形腔的光腰落在倍频晶体上，进一步提高了倍频效率，提高了输出深紫外光的功率；本实施例中，输出的深紫外光波长为222.5nm，输出功率相比一般的微瓦量级，功率可达毫瓦量级，倍频效率有望达到0.5‰。
需要说明的是，上述是波长为445nm的多管蓝光半导体激光倍频，且发光单元总数为奇数时的实施例。当多管蓝光半导体激光发光单元总数为偶数时，也可以实现光谱合束，此时，不存在0级发射单元，通过准直-偏转元件的光束入射方向与经过其后表面柱状锯齿形透镜的光束的法线方向的夹角θi满足
Figure BDA0003141650890000141
同时，若选取蓝光波段内其它波长，则晶体中心处的束腰半径满足
Figure BDA0003141650890000142
在实际应用中可根据蓝光二极管阵列发射单元的数量以及波长，调控光谱合束机构、耦合机构、增强腔机构、压电陶瓷等所用到的组件的参数，基于本发明的方法及装置进行任意蓝光波段任意数量蓝光二极管阵列倍频。
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 (10)

1.一种基于光谱合束的多管蓝光半导体倍频方法，包括：
S1：激发蓝光二极管阵列发出多个光束，并入射至同一区域；
S2：对入射到同一区域的多束光束以相同的衍射角衍射，使其成为合束光；
S3：将合束光一部分反射回到蓝光二极管阵列形成反馈，用于压缩线宽，另一部分透射输出窄线宽光束；
S4：对透射输出的窄线宽光束形成振荡，同时进行倍频后输出；
S5：将倍频后的输出光先分光再聚焦，输出深紫外光。
2.根据权利要求1所述的一种基于光谱合束的多管蓝光半导体倍频方法，其特征在于，所述步骤S1还包括步骤：
减小每束光束快轴方向远场发散角，使光束均以同一较小的快轴方向远场发散角并出射；
将出射的光束以传播方向为轴旋转90°进行快慢轴交换；
对旋转后的光束进行慢轴方向准直，减小其慢轴方向远场发散角，使不同光束偏转不同角度入射到同一区域。
3.一种基于光谱合束的多管蓝光半导体倍频装置，其特征在于，包括：
脉冲电源(1)，用于泵浦蓝光二极管阵列(2)；
蓝光二极管阵列(2)，用于发出多束光束；
光谱合束机构，用于将蓝光二极管阵列(2)发出的多光束以相同的衍射角衍射成为合束光，并使合束光一部分反射回到蓝光二极管阵列(2)形成反馈，另一部分透射输出窄线宽光束；
增强腔机构，用于将透射输出的窄线宽光束形成振荡以达到干涉增强的目的，同时进行倍频。
4.根据权利要求3所述的一种基于光谱合束的多管蓝光半导体倍频装置，其特征在于，还包括耦合机构，所述耦合机构用于优化光谱合束机构透射输出的窄线宽光束的质量，并调整其偏振态，改变光路的方向便于片上集成。
5.根据权利要求4所述的一种基于光谱合束的多管蓝光半导体倍频装置，其特征在于，所述光谱合束机构包括：
快轴准直镜(4)，用于减小蓝光二极管阵列(2)发出的光束在快轴方向的远场发散角，使光束均以同一较小的快轴方向远场发散角并出射；
光束旋转元件(5)，用于将快轴准直镜(4)出射的光束以传播方向为轴旋转90°进行快慢轴交换；
准直-偏转元件(6)，对经过光束旋转元件(5)旋转后的光束进行慢轴方向准直，减小其慢轴方向远场发散角，使不同光束偏转不同角度入射到衍射光栅(7)的同一区域；
衍射光栅(7)，接收准直-偏转元件(6)出射的并以不同角度入射的多束光束，并使多束光束以相同的衍射角衍射，使其成为合束光；
输出耦合镜(8)，用于接收衍射光栅(7)出射的合束光束，使所述合束光一部分反射回到蓝光二极管阵列(2)形成反馈，用于压缩线宽，另一部分透射输出窄线宽光束。
6.根据权利要求5所述的一种基于光谱合束的多管蓝光半导体倍频装置，其特征在于，所述增强腔机构包括：
增强腔输入平面镜(15)，增强腔反射平面镜(16)，增强腔反射凹面镜(17)，增强腔输出凹面镜(18)组成环形腔结构；
β-BBO倍频晶体(19)放置在增强腔反射凹面镜(17)和增强腔输出凹面镜(18)之间的光腰上，利用其非线性效应将输入到环形腔内的光进行倍频；
从耦合机构输出的光束入射至增强腔输入平面镜(15)，在所述环形腔内循环一周，一部分形成振荡的光束通过β-BBO倍频晶体(19)倍频后从增强腔输出凹面镜(18)输出，另一部分返回至增强腔输入平面镜(15)继续循环；
增强腔输入平面镜(15)和增强腔反射平面镜(16)的间距l1，增强腔反射凹面镜(17)和增强腔输出凹面镜(18)的间距l2，β-BBO倍频晶体(19)到增强腔反射凹面镜(17)或增强腔输出凹面镜(18)的距离d1满足关系：
Figure FDA0003141650880000031
其中，R为增强腔反射凹面镜(17)和增强腔输出凹面镜(18)的曲率半径，L和n分别为β-BBO倍频晶体(19)的长度和折射率，l＝l1+2l2，
Figure FDA0003141650880000032
为β-BBO倍频晶体(19)中心处的束腰半径。
7.根据权利要求6所述的一种基于光谱合束的多管蓝光半导体倍频装置，其特征在于，所述耦合机构包括：
反射镜(9，12，13)，用于改变光谱合束机构透射输出的窄线宽光束的方向，便于片上集成；
光束整形镜(10)，用于优化光谱合束机构透射输出的窄线宽光束的质量；
半波片(11)，用于调整经光束整形镜(10)整形后光束的偏振态，使其满足所述β-BBO倍频晶体(19)的匹配类型以及相位匹配角；
模式匹配镜(14)，用于将光谱合束机构透射输出的窄线宽光束聚焦在所述环形腔本征模式的大束腰上。
8.根据权利要求7所述的一种基于光谱合束的多管蓝光半导体倍频装置，其特征在于，还包括：
压电陶瓷PZT-α(23)，衍射光栅(7)安装在上面，用于调整合束光频率的连续调谐范围，使合束光的频率和反馈相位同时处于光反馈的最佳状态；
压电陶瓷PZT-β(24)，反射镜(12)安装在上面，用来控制光谱合束机构和增强腔机构之间的长度，以保持反馈相位的最佳条件；
压电陶瓷PZT-γ(25)，增强腔反射平面镜(16)安装在上面，用来控制增强腔反射凹面镜(17)和增强腔输出凹面镜(18)之间的距离，扫描环形腔的往返长度，以实现有效的模式匹配，且使环形腔的光腰落在β-BBO倍频晶体(19)上，以得到最大的倍频效率。
9.根据权利要求8所述的一种基于光谱合束的多管蓝光半导体倍频装置，其特征在于，还设置有CaF2分光棱镜(20)，用于将从增强腔输出凹面镜(18)输出的倍频光里的深紫外光与其它杂散光分离；聚焦透镜(21)，用于将从CaF2分光棱镜(20)输出的深紫外光聚焦到光谱仪(22)上；光谱仪(22)，用于分析接收到的深紫外光的强度及波长。
10.根据权利要求3-9任意一项所述的一种基于光谱合束的多管蓝光半导体倍频装置，其特征在于，所述蓝光二极管阵列(2)包含多个排列成阵列的蓝光半导体激光发射单元，所述发射单元等间距排列且光束出射方向相同。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115592259A (zh) * 2022-10-27 2023-01-13 吉林省栅莱特激光科技有限公司（Cn） 一种蓝光半导体激光器光学模组

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103326227A (zh) * 2013-05-20 2013-09-25 中国电子科技集团公司第四十一研究所 一种266nm紫外激光发生器
CN106654851A (zh) * 2016-11-22 2017-05-10 山东大学 一种半导体激光器窄脉冲驱动电路及其工作方法
CN107123926A (zh) * 2017-05-05 2017-09-01 中国科学技术大学 超窄线宽、可调谐的高功率激光系统及激光的产生方法
CN107272214A (zh) * 2017-07-05 2017-10-20 中国科学院上海光学精密机械研究所 利用光栅与反射元件实现两次衍射压缩谱宽的光谱合束装置
JP2019004121A (ja) * 2017-06-20 2019-01-10 日亜化学工業株式会社 波長ビーム結合装置
CN110676691A (zh) * 2019-09-12 2020-01-10 华中科技大学 基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置及方法
CN111509532A (zh) * 2020-05-30 2020-08-07 海南师范大学 基于V型腔和环形腔结构的全固态准三能级228.5nm激光器
CN111610604A (zh) * 2019-02-25 2020-09-01 日亚化学工业株式会社 光源装置、直接二极管激光装置以及光耦合器
CN112152593A (zh) * 2020-09-18 2020-12-29 深圳瑞波光电子有限公司 驱动电路及激光器装置

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103326227A (zh) * 2013-05-20 2013-09-25 中国电子科技集团公司第四十一研究所 一种266nm紫外激光发生器
CN106654851A (zh) * 2016-11-22 2017-05-10 山东大学 一种半导体激光器窄脉冲驱动电路及其工作方法
CN107123926A (zh) * 2017-05-05 2017-09-01 中国科学技术大学 超窄线宽、可调谐的高功率激光系统及激光的产生方法
JP2019004121A (ja) * 2017-06-20 2019-01-10 日亜化学工業株式会社 波長ビーム結合装置
CN107272214A (zh) * 2017-07-05 2017-10-20 中国科学院上海光学精密机械研究所 利用光栅与反射元件实现两次衍射压缩谱宽的光谱合束装置
CN111610604A (zh) * 2019-02-25 2020-09-01 日亚化学工业株式会社 光源装置、直接二极管激光装置以及光耦合器
CN110676691A (zh) * 2019-09-12 2020-01-10 华中科技大学 基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置及方法
CN111509532A (zh) * 2020-05-30 2020-08-07 海南师范大学 基于V型腔和环形腔结构的全固态准三能级228.5nm激光器
CN112152593A (zh) * 2020-09-18 2020-12-29 深圳瑞波光电子有限公司 驱动电路及激光器装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TOMOO NISHIMURA,KENJI TOYODA,MASAYOSHI WATANABE,SHINJI URABE: "A Compact 209-nm Deep UV cw Light Source for Spectroscopy Using Frequency Doubling of a Diode Laser", 《JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS》 *
宁永强,陈泳屹,张俊,宋悦,雷宇鑫,邱橙,梁磊,贾鹏,秦莉,王立军: "大功率半导体激光器发展及相关技术概述", 《光学学报》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115592259A (zh) * 2022-10-27 2023-01-13 吉林省栅莱特激光科技有限公司（Cn） 一种蓝光半导体激光器光学模组

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