CN114374139A - 基于补偿板产生飞秒深紫外激光的方法及激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及飞秒深紫外激光激发技术领域，为简化传统方法中复杂的延迟线系统，同时减少对寿命短、损耗高、价格昂贵的紫外元器件的使用，提出一种基于补偿板的产生206nm飞秒深紫外激光输出的方法。为此，本发明采取的技术方案是，基于补偿板产生飞秒深紫外激光的方法，通过倍频晶体产生倍频光，之后利用补偿板对基频光和倍频光进行时间走离补偿，再分别入射到四倍频晶体和五倍频晶体得到深紫外光。本发明主要应用于飞秒深紫外激光器的设计制造场合。

Description

基于补偿板产生飞秒深紫外激光的方法及激光器
技术领域
本发明涉及飞秒深紫外激光激发技术领域，具体涉及基于补偿板产生飞秒深紫外激光的方法及激光器。
背景技术
深紫外激光由于其单光子能量高，分辨率高等优异性能，被广泛应用于高精度机械零件加工、物质检测以及生物医疗技术中，具有很大的市场前景和发展潜力。因此，高稳定性、高效的深紫外飞秒激光光源的研制是目前研究人员关注的重要方向。
由于目前没有直接产生深紫外波段的增益介质，深紫外激光主要是利用1μm波段的激光通过非线性频率变换(四倍频或五倍频)得到。为了进行有效的非线性频率变换，必须使参与互作用的光波在介质中传播时具有相同的相速度或相等的折射率，即实现相位匹配。其中一个有效的方法就是利用非线性晶体的双折射特性补偿晶体的色散效应，即通过改变光波在晶体中的传播方向改变折射率，从而实现相位匹配。当超短脉冲经过非线性晶体时，由于群速度不同造成参量互作用的光波在时间上存在延迟，使得参量互作用的光波存在群速度失配，当它们在晶体中传输一段距离后，在时间上将发生走离，从而导致参量转换的停止。因此，时间走离是影响206nm飞秒深紫外激光脉冲产生的重要因素。
传统的产生206nm飞秒深紫外激光脉冲的方法是基于延迟线补偿时间走离。如图2所示，一般利用飞秒1030nm基频光，之后通过倍频晶体(3)倍频产生515nm倍频光后再通过四倍频晶体(7)产生257.5nm四倍频光，515nm倍频光和1030nm基频光经过双色镜(9)后分开，515nm倍频光透射，1030nm基频光反射。515nm倍频光经过双色镜(10)与经过反射镜(11)、(12)以及双色镜(10)反射后的1030nm基频光会合，接下来两束光入射到五倍频晶体(8)上和频输出206nm深紫外光。反射镜(11)、(12)放置在高精度位移平台(13)上组成延迟线系统，这种基于延迟线系统的设计具有尺寸庞大、系统设计复杂的缺点，此外，在传统方法中使用了较多的紫外器件，然而紫外器件的寿命较短且价格昂贵。
补偿板也可以用于补偿时间走离，通常选取进行适当长度和角度切割的双折射晶体作为补偿板，其利用不同波长光波经过补偿板的群速度不同来逆转光束的时间走离。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在简化传统方法中复杂的延迟线系统，同时减少对寿命短、损耗高、价格昂贵的紫外元器件的使用，提出一种基于补偿板的产生206nm飞秒深紫外激光输出的方法。为此，本发明采取的技术方案是，基于补偿板产生飞秒深紫外激光的方法，通过倍频晶体产生倍频光，之后利用补偿板对基频光和倍频光进行时间走离补偿，再分别入射到四倍频晶体和五倍频晶体得到深紫外光。
基于补偿板产生飞秒深紫外激光的激光器，包括：激光器、透镜、倍频晶体、补偿板、四倍频晶体、五倍频晶体；激光器输出的激光脉冲经透镜聚焦后，经过倍频晶体倍频产生倍频光，倍频光和激光器输出的基频光经过补偿板得到时间走离补偿；所述的倍频光经过所述的四倍频晶体得到四倍频光；基频光和四倍频产生的四倍频光入射至五倍频晶体，和频产生深紫外光。
所述的补偿板是经过适当长度和角度切割的双折射晶体。
所述的补偿板选择β-BaB2O4即BBO晶体。
倍频晶体为LiB3O5即LBO晶体或者BBO晶体；所述的四倍频晶体为CsLiB6O10即CLBO晶体或者BBO晶体；所述的五倍频晶体为BBO晶体。
所述透镜为两个聚焦透镜和一个准直透镜；
所述的1030nm激光器(1)输出的激光脉冲经过第一聚焦透镜聚焦后，再经过倍频晶体倍频产生515nm倍频光；
所述的515nm倍频光和剩余的1030nm基频光经过所述准直透镜准直；
所述的515nm倍频光和1030nm基频光经过补偿板得到时间走离补偿，并经过第二聚焦透镜聚焦；
所述的515nm倍频光经过所述的四倍频晶体得到257.5nm四倍频光，通过调节相位匹配将四倍频转换效率调节至最高；
倍频后剩余的1030nm基频光和四倍频产生的257.5nm四倍频光入射至五倍频晶体，和频产生206nm深紫外光。
本发明的特点及有益效果是：
1、该装置相较于传统方法光路更为简单，避免了对寿命短、损耗高、价格昂贵的紫外元器件的使用；
2、该方法通过添加补偿板，使515nm倍频光经过补偿板时的群速度大于1030nm基频光的群速度，从而对1030nm基频光和515nm倍频光进行时间走离补偿，使得1030nm基频光和257.5nm四倍频光在五倍频晶体处不再存在时间上的延迟。
3、该方法是通过补偿板进行时间走离补偿，光路更简单，在实际操作过程中比基于延迟线系统的方法进行走离补偿更为精准，效果更好；
4、该方法采用串联的方法，所需元器件较少、结构紧凑、操作简单、成本低廉。
附图说明：
图1是基于补偿板的产生206nm飞秒深紫外激光输出的系统简图。
图2是传统的基于延迟线系统和频产生206nm飞秒深紫外激光输出的系统简图。
具体实施方式
本发明涉及206nm飞秒深紫外激光产生的方法，是一种基于补偿板串联产生206nm深紫外输出的方法，相较于传统的基于延迟线系统输出206nm飞秒深紫外激光的方法，对于非线性晶体，不同波长光波的群速度不同，因此选取合适长度的晶体来逆转光束的时间走离。该方法装置简单、所需元器件少、减少了对高损耗深紫外器件的使用。
具体如下：通过倍频晶体产生515nm倍频光，之后利用补偿板对1030nm基频光和515nm倍频光进行时间走离补偿，再分别入射到四倍频晶体和五倍频晶体得到206nm深紫外光，其中，加入补偿板的目的是补偿倍频过程导致的1030nm基频光和257.5nm四倍频光之间的时间走离。
该方法可以有效提高206nm深紫外光的转换效率。补偿板可以选取进行适当长度和角度切割的双折射晶体，在该方法中选择BBO晶体，其原因是BBO晶体的损失阈值较高、表面质量较好。该方法可以简化传统方法中复杂的延迟线系统，减少对寿命短、损耗高、价格昂贵的紫外元器件的使用。该方法结构紧凑、具有高稳定性、实用性强。
本发明的技术解决方案如下：
①所述的1030nm激光器输出的激光脉冲经透镜聚焦后，经过合适的倍频晶体倍频产生515nm倍频光，可以通过调节相位匹配将倍频转换效率调节至最高。
②所述的515nm倍频光和1030nm基频光经过透镜准直。
③所述的515nm倍频光和1030nm基频光经过补偿板得到时间走离补偿，其目的是在五倍频晶体处使1030nm基频光与257.5nm四倍频光在时间上完全重合。
④所述的515nm倍频光入射到所述的四倍频晶体得到257.5nm四倍频光，可以通过调节相位匹配将四倍频转换效率调节至最高。
⑤四倍频后产生的257.5nm四倍频光与倍频后剩余的1030nm基频光入射至五倍频晶体，和频产生206nm深紫外光。
本发明的原理是：
在五倍频产生206nm深紫外光的过程中，要求1030nm基频光与257.5nm四倍频光不存在时间上的延迟，即需要对1030nm基频光和515nm倍频光进行时间走离补偿，在传统方法中，是利用延迟线系统对基频光和倍频光进行分束，通过改变其中一路的光程差来补偿时间走离。在本发明中，是采用结构更为简单的补偿板补偿群速度的方法进行时间走离补偿。补偿板的原理是：在非线性晶体中，光波的群速度不仅与入射光波的波长有关，还与入射光波和光轴之间的夹角有关。通过选择合适的晶体切割角度，可以实现基频光的群速度小于倍频光的群速度。相对于传统方法，该方法是一种串联型的更为紧凑的时间走离补偿方法，光路更为简单，避免了对寿命短、损耗高、价格昂贵的紫外元器件的使用。
下面结合附图和具体实例进一步详细说明本发明。
请先参阅图1，图1是发明基于补偿板的五倍频产生206nm飞秒深紫外激光输出的光路图，本发明的主要创新在于基于补偿板用串联的方法五倍频产生206nm飞秒深紫外激光。相较于传统的基于延迟线系统的方法，该方法光路更简单，结构更紧凑，减少了对寿命短、损耗高、价格昂贵的紫外元器件的使用，更为稳定高效。由图可见，所采用的的器件包括1030nm激光器、透镜、倍频晶体、补偿板、四倍频晶体、五倍频晶体。
1、该方法包括下列步骤：
①所述的1030nm激光器(1)输出的激光脉冲经过透镜(2)聚焦后，再经过合适的倍频晶体(3)倍频产生515nm倍频光，其中，倍频效率可以调节至最高。
②所述的515nm倍频光和剩余的1030nm基频光经过透镜(4)准直。
③所述的515nm倍频光和1030nm基频光经过补偿板(5)得到时间走离补偿，并经过透镜(6)聚焦。
④所述的515nm倍频光经过所述的四倍频晶体(7)得到257.5nm四倍频光，其中，四倍频效率可以调节至最高。
⑤倍频后剩余的1030nm基频光和四倍频产生的257.5nm四倍频光入射至五倍频晶体(8)，和频产生206nm深紫外光。
2、1030nm激光器(1)的输出脉宽为飞秒量级。
3、所述的补偿板(5)可以是经过适当长度和角度切割的双折射晶体，由于BBO晶体具有较高的损失阈值和更好的表面质量，在此选择BBO晶体。
4、在五倍频晶体处所述的257.5nm四倍频光和1030nm基频光不存在时间上的延迟。
5、所述的倍频晶体(3)为LBO或者BBO晶体等可以将1030nm光倍频至515nm光的非线性晶体。
6、所述的四倍频(7)晶体为CLBO或者BBO晶体等可以进行515nm光倍频至257.5nm光的非线性晶体。
7、所述的五倍频晶体(8)为BBO晶体等可以进行1030nm基频光和257.5nm四倍频光和频产生206nm深紫外光的非线性晶体。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于补偿板产生飞秒深紫外激光的方法，其特征是，通过倍频晶体产生倍频光，之后利用补偿板对基频光和倍频光进行时间走离补偿，再分别入射到四倍频晶体和五倍频晶体得到深紫外光。
2.一种基于补偿板产生飞秒深紫外激光的激光器，其特征是，包括：激光器、透镜、倍频晶体、补偿板、四倍频晶体、五倍频晶体；激光器输出的激光脉冲经透镜聚焦后，经过倍频晶体倍频产生倍频光，倍频光和激光器输出的基频光经过补偿板得到时间走离补偿；所述的倍频光经过所述的四倍频晶体得到四倍频光；基频光和四倍频产生的四倍频光入射至五倍频晶体，和频产生深紫外光。
3.如权利要求2所述的基于补偿板产生飞秒深紫外激光的激光器，其特征是，所述的补偿板是经过适当长度和角度切割的双折射晶体。
4.如权利要求2所述的基于补偿板产生飞秒深紫外激光的激光器，其特征是，所述的补偿板选择β-BaB2O4即BBO晶体。
5.如权利要求2所述的基于补偿板产生飞秒深紫外激光的激光器，其特征是，倍频晶体为LiB3O5即LBO晶体或者BBO晶体；所述的四倍频晶体为CsLiB6O10即CLBO晶体或者BBO晶体；所述的五倍频晶体为BBO晶体。
6.如权利要求2所述的基于补偿板产生飞秒深紫外激光的激光器，其特征是，所述透镜为两个聚焦透镜和一个准直透镜；
采用1030nm激光器输出的激光脉冲经过第一聚焦透镜聚焦后，再经过倍频晶体倍频产生515nm倍频光；
所述的515nm倍频光和剩余的1030nm基频光经过所述准直透镜准直；
所述的515nm倍频光和1030nm基频光经过补偿板得到时间走离补偿，并经过第二聚焦透镜聚焦；
所述的515nm倍频光经过所述的四倍频晶体得到257.5nm四倍频光，通过调节相位匹配将四倍频转换效率调节至最高；
倍频后剩余的1030nm基频光和四倍频产生的257.5nm四倍频光入射至五倍频晶体，和频产生206nm深紫外光。
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