CN115084980A - 高功率纳秒腔外五倍频激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到激光领域，尤其涉及到固体纳秒高次倍频领域的设计。首先，两个光纤耦合模块输出高功率878nm或者888nm的泵浦光，经过耦合装置后汇聚到激光晶体中，通过多个透镜来补偿激光晶体的热透镜效应，使其能够在高功率泵浦光的作用下产生高功率纳秒激光。其次，在激光腔体内放置和频晶体一，和频晶体二，利用腔内高峰值功率特性来产生高功率的二三倍频激光的输出。然后，将输出的高功率二三倍频激光在激光腔体外部进行偏振态和光斑尺寸的调整。最终，合束后的光通过和频晶体后产生高功率的纳秒五倍频激光。利用本发明结构可以很轻松的获取1um波段的五倍频激光，克服了五倍频激光产生需要皮秒、飞秒或者大能量激光等复杂设备，能够高效可靠的产生高功率的纳秒五倍频激光，具有广泛的应用场景。

Description

高功率纳秒腔外五倍频激光器

技术领域

本发明涉及到激光领域，尤其涉及到固体纳秒高次倍频领域的设计。

背景技术

210nm波段的深紫外光源在半导体光刻，高密度存储，精细材料加工，高精度光谱分析等诸多领域有重要的应用。早期的深紫外激光器主要采用ArF准分子气体激光器，但是此激光器存在造价高，重频低，线宽宽，光束质量差等缺点。而固体纳秒五倍频213nm深紫外激光器可以很好解决准分子激光器的问题，具有成本低，重频高，线宽窄，光束质量优异等特点。所以一种结构简单，稳定性高的纳秒级别的五倍频深紫外激光器的研发，必将对半导体等行业具有极大的推进作用。

发明内容

相对于皮秒紫外、飞秒紫外等复杂装置，本发明设计一款结构简单，可靠性高的高功率纳秒腔外五倍频激光器。深紫外五倍频的技术路线有两种，分别为：基频光和四倍频光和频产生五倍频；二倍频光和三倍频光和频产五倍频。对于纳秒紫外激光器来说，产生三倍频激光，相对于四倍频激光来说不仅相应倍频效率高，而且光束质量更好，使用寿命长。所以本发明使用二倍频光和三倍频光和频来产生五倍频激光。

本发明从工作原理上主要为两部分组成，第一部分为高功率纳秒二三倍频产生系统，采用高功率878nm或者888nm的泵浦激光双端泵激光晶体来产生高功率的二三倍频光；第二部分为二三倍频光的腔外和频来产生深紫外的五倍频和频系统。

所述的高功率纳秒二三倍频光产生系统，其特征在于，所述系统为高功率双端泵泵浦系统，其由全反镜（11），Q开光（12），透镜（131），激光晶体（14），透镜（132），二向色镜（15），和频晶体一（16），和频晶体二（17），多波长反射镜（18）和高功率泵浦源组成。

其中，在高功率纳秒二三倍频产生系统中，两个高功率泵浦分别通过耦合系统（191），耦合系统（192）汇聚在激光晶体（14）内。泵浦系统采用878nm或者888nm的泵浦光，用于减少激光晶体的量子亏损，能够产生更高的泵浦功率。

其中，在高功率纳秒二三倍频产生系统中，激光晶体（14）为掺杂钕粒子晶体，激光晶体长度约为50mm，用于泵浦光的完全吸收，相应晶体浓度根据设计要求进行调整。

其中，在高功率纳秒二三倍频产生系统中，激光透镜（131）和（132）可以为平凸或相应曲率透镜，根据需求调节镜片曲率和镀膜要求，主要目的为了补偿晶体热焦距和折叠、压缩光路。

其中，在高功率纳秒二三倍频产生系统中，和频晶体一（16），和频晶体二（17）为三倍频晶体和二倍频晶体，和频晶体二（17）使用LBO晶体进行I类相位匹配进行倍频；和频晶体一（16）使用LBO晶体进行II类相位匹配进行和频，二三倍频晶体选择不仅仅限于LBO晶体，具有相同功能的晶体都在本发明包含范围内。所有晶体放置于使用TEC精确控温的装置中，用于对出光功率的精确控制。

其中，在高功率纳秒二三倍频产生系统中，二向色镜（15）为低通滤光片，用于让基频光在腔内振荡，而让高次和频光通过二向色镜（15）出射，便于后续和频。多波长反射镜（18）为多点高反镜，用于反射基频光和倍频光。

其中，二向色镜（15）和多波长反射镜（18）可以为平凹透镜或平平镜，其两者相互配合用来改变汇聚到和频晶体上面的光斑大小，适当控制汇聚到晶体上的光斑，可以增加和频效率。

在五倍频和频系统中，其特征包括二倍频光路系统，三倍频光路系统，五倍频和频晶体，和分束装置。

其中，二倍频光路系统和三倍频光路系统的特征在于，两路光路的传播距离要相等。

其中，二倍频光路系统的特征在于，二倍频光通过二向色镜（21）后透射传播，通过反射镜（22）后改变传播方向后，通过耦合镜（23）汇聚后，再通过二向色镜（24）反射进入到五倍频晶体上。

其中，三倍频光路系统的传播特性在于，三倍频光通过二向色镜（21）后反射传播，通过反射镜（31）后改变传播方向后，改变传播方向后的三倍频光先通过波片（32）改变偏振状态后，再通过耦合镜（33）进行汇聚，最后通过二向色镜（24）后进入到五倍频晶体中。

其中，二三倍频光在进入到和频晶体时，需要在焦点位置和传播方向上重合。

其中，五倍频和频晶体（25）为深紫外和频晶体，使用BBO晶体或者CLBO晶体。

其中，在五倍频和频系统中，二向色镜（21）为高通滤光片，用于二倍频光透过，三倍频光反射，用于光束分束。而二向色镜（24）则为低通滤光片用于二倍频光反射，三倍频光透射，用于光束的合束。

其中，波片（32），耦合镜（33）镀三倍频增透膜，耦合镜（23）镀二倍频增透膜。五倍频和频晶体（25）入射端面可镀二三倍频减反膜，出光面不镀膜。

最后，二三倍频光和五倍频光再通过分束装置（26）后进行分束，如果不用二三倍频光，则需要用挡光装置（27）进行收集。

其中，分束装置为入射面和出射面都为布角度设计，用于减少出射的功率损耗。

附图说明

图1为相应高功率纳秒腔外五倍频激光器图示。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

系统由两部分组成，分别为高功率纳秒二三倍频产生系统，和五倍频和频系统。

第一部分高功率纳秒二三倍频产生系统，首先整体结构为一个双端泵平凸非稳腔来产生高功率的二三倍频激光，全反镜（11）为单色高反镜，本发明中推荐1064nm波长单点高反镜，透镜（131），（132）为平凸低通高反镜，推荐使用高透888nm激光，高反1064nm激光参数，反射角度小于13°。

其中，工作晶体（14）使用Nd:YVO4晶体，晶体的选择有多种，需要根据客户使用场景，单脉冲能量，重频频率和泵浦源泵浦参数综合选择，本发明中的晶体不仅局限于Nd:YVO4晶体，相关1um波段钕离子激光晶体都在本发明保护范围内。

其中，泵浦源推荐使用888nm激光泵浦源，主要优势在于量子亏损少，通过Nd:YVO4后能够产生更少的热量，有利于腔内倍频光的产生。声光Q开光（12）通过通断光来积累能量，最终实现调Q高峰值功率激光的输出。

其中，镜片（11），（131），（132），（15），（18）组成一个基频谐振腔，二向色镜（15）为滤光片，推荐使用平凹透镜或平平镜片镀低通高反膜系，主要目的有两点，一、和多波长反射镜（18）配合用来改变汇聚到倍频晶体上面的光斑大小，适当控制汇聚到倍频上的光斑，可以增加倍频效率；二、膜层设为二三倍频光高透，基频光高反的镜片，可用作谐波输出使用，用来将二倍频光和三倍光输出，而基频光在腔内继续谐振。推荐使用532nm，355nm高透，1064nm高反的镀膜方案。

其中，多波长反射镜（18）为激光器的后腔镜，用于将基频光，二倍频光进行反射，返回的基频光和二倍频光在晶体（16）中和频产生三倍频光。多波长反射镜（18）可以为平凹透镜或者平平镜，目的是为了配合二向色镜（15）来控制晶体中光斑尺寸，推荐镜片镀膜方案为532m，1064nm高反镀膜参数。

其中，晶体（17）为二倍频晶体，推荐使用LBO为倍频晶体，但又不限于LBO晶体，晶体长度推荐长于10mm，镀膜方式为1064nm和532nm高透。LBO晶体使用TEC对其精确控温，从而实现高效倍频和可调谐倍频功率的目的。晶体（16）为三倍频和频晶体，推荐使用LBO为和频晶体，但又不限于LBO晶体，晶体长度推荐长于20mm，镀膜方式为1064nm，532nm，355nm高透，使用LBO的好处为走离小，光束质量优异，抗损伤高等特点。

其中，相应倍频过程为，从多点反射镜（18）返回的基频光在晶体（17）中先倍频产生倍频光，当激光继续传播的时候，倍频光和剩余的基频光在晶体（16）中和频产生三倍频光，最终二三倍频光在二向色镜（15）的位置出射，剩余的基频光继续在腔体内振荡。

其中，偏振方向和晶体切割方向的说明如下，在本发明中推荐使用激光晶体（14）为Nd:YVO4晶体，C轴方向平行纸面，最终基频光偏振方向为平行于纸面方向。二倍频晶体（17）为LBO晶体，基频光通过二倍频晶体使用I类相位匹配产生倍频光，晶体切割方向为Theta=90；Phi=10.8，晶体为常温晶体，倍频效率通过TEC来精确控制，则倍频光的偏振方向为垂直纸面内。三倍频晶体为LBO晶体，基频光和倍频光在晶体（16）中和频使用II相位匹配产生在三倍频光。三倍频晶体的切割方向为Theta=44；Phi=90，温度为50℃晶体，主要目的为了防止潮解，和频后三倍频光的偏振方向为平行于纸面方向。

最终，通过二向色镜（15）来输出二倍频光和三倍频光，其中出光功率可以通过TEC的温控来控制，在理想情况下可以出射的三倍频光和二倍频光的功率比为2:1，由于走离等效应影响不会将二倍频全部转换为三倍频功率，只需要特定的转换比例即可，最终通过调节温控来控制三倍频和二倍频的比例为3:2。

第二部分五倍频和频系统如图1所示，主要和频方式为二三倍频光在腔外调整后进入到五倍频晶体中来实现五倍频光的和频输出。激光器中出射二三倍频的光入射到二向色镜（21）上，二向色镜（21）的主要作用为将二倍频光和三倍频光进行分束，推荐镀膜方案为532nm高透，355nm高反，45°反射镀膜方案。

通过二向色镜（21）后，二倍频光通过反射镜（22）后，改变传播方向，然后再通过耦合透镜（23）对光进行汇聚。耦合透镜（23）的焦距不要特别小，推荐距离为200mm，然后通过二向色镜（24），反射进入到五倍频和频晶体（25）。

通过二向色镜（21）反射的三倍频光由反射镜（31）控制其传播方向，然后通过一个波片（32），其中波片（32）为三倍频光的二分之一波片，光轴方向和入射光偏振方向成45°，这样入射光通过波片后偏振方向变为和原来垂直。改变偏振方向后的光然后通过耦合透镜（33）进行汇聚，汇聚后光通过二向色镜（24）进入晶体，其中耦合透镜（33）的焦距可以选择和耦合透镜（23）焦距一致的方案，本设计中推荐使用200mm。

从两条光路分别走的二倍频光和三倍频光通过同一个二向色镜（24）后汇聚到五倍频晶体（25）内，在五倍频晶体中，使用I类相位匹配产生五倍频激光。

其中，在五倍频晶体中进行和频的时候需要保证两点，分别为两束光在空间和时间上的重合。

其中，两个和频光的空间重合是分别调节二倍频所走光路中滤光片（22），反射镜（24）和调节三倍频所走光路中二向色镜（21），反射镜（31）来实现在空间位置上的重合，根据空间自由度的定义，当每条光路中有两个镜片可以自由调整的时候，能够精确控制光传播的方向，所以在二三倍频光路中分别有两个镜片可以各自调整传播方向，空间上传播方向的重合可以满足。两束光的焦点重合则需要分别移动耦合镜（23）和耦合镜（33）的前后位置，找到重合位置，也可以固定一个耦合镜，将一个耦合镜放置于平移台上，移动平台通过观察耦合功率的方式来确定相应焦点重合位置。

另外，两个和频光在时间上也需要满足重合的要求，即是让两个光路中的光程差近似为零，便可以满足时间重合。由于本发明为纳秒激光器，根据前级激光器的设计，激光的二倍频和三倍频光的脉冲宽度为20ns左右，根据光速计算，两个光路的误差只有达到1米以上的级别才会对时间重合产生本质的影响。所以通过直尺测量尽量保证分开后的光程距离相等，便可以满足相应倍频效率的要求。如果需要更加精密的调节，则可以在一路光路中放置一个可调节光程的装置，来精确调整两个光路的距离差，但是通常直尺测量即可以满足相应要求。

其中，五倍频和频晶体（25）的选择比较简单，市面上的晶体只有BBO和CLBO可以商用，综合考虑BBO可以作为深紫外优良的和频晶体进行使用。但是BBO晶体有无法避免的两大缺点。一，BBO晶体对深紫外具有比较大的吸收效应；二，BBO晶体的走离比较严重。为了尽量降低BBO晶体这两个缺陷对光束质量的影响，采用缩束汇聚来增加相应的倍频效率。控制好耦合透镜（23）和耦合透镜（33）的焦距可以很好控制在晶体中的光斑大小，从而适当的提高倍频效率。晶体的长度通过计算推荐不超过6mm的晶体，这样晶体光斑变形可以相对可控。

和频后的深紫外激光再通过一个分束装置（26）来把深紫外光和入射光分开，后续如果有需要，可以对深紫外光进行光束整形，以减少深紫外光的像散，但是光束整形会降低出光功率，最终需要根据使用情况进行权衡。

其中，相应的偏振方向和晶体切割方向说明。从激光器出射的二倍频和三倍频并不能直接和频产生五倍频深紫外光，需要将其中一束光的偏振方向改变来满足相位匹配条件，本方案中选择将三倍光的偏振方向进行调整。整体出射的三倍频光为平行纸面方向，通过波片（32）后改变偏振方向为垂直纸面方向，在入射到五倍频晶体BBO中时候，二倍频光和三倍频光都为垂直纸面方向，和频五倍频为I类相位匹配，和频后的五倍频光为平行纸面方向。平行纸面的五倍频光再通过两个布角设计的分束装置（26）后，能够尽量减少深紫外光的损耗。

其中，五倍频晶体的切割方向为Theta=69.7°，Phi=0°由于BBO晶体对温度不是很敏感，所以在和频时候不需要对温度有过高要求。当改变激光器二倍频和三倍频温度的时候，可以改变入射到BBO晶体中激光比例，通过监控出射的五倍频激光功率，来最终确定二三倍频的温度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高功率纳秒腔外五倍频激光器的设计，其特征在于包括高功率纳秒二三倍频光产生系统，五倍频和频系统，所述的高功率纳秒二三倍频产生系统其结构依次包括全反镜（11），Q开光（12），透镜（131），激光晶体（14），透镜（132），二向色镜（15），和频晶体一（16），和频晶体二（17），多波长反射镜（18）和两个高功率泵浦耦合系统组成，所述的五倍频和频系统，其结构依次包括为二向色镜（21），二倍频光路系统，三倍光路系统，二向色镜（24），五倍频晶体（25），分束装置（26）以及挡光装置（27）。

2.根据权利要求1所述的高功率纳秒二三倍频光产生系统，其中高功率泵浦耦合系统为双端泵泵浦系统，两个高功率光纤耦合模块通过耦合系统（191），耦合系统（192）共同泵浦激光晶体（14），泵浦系统采用878nm或者888nm的泵浦光，产生更高的泵浦功率和更低的热效应。

3.根据权利要求1所述的高功率纳秒二三倍频光产生系统，其中二向色镜（15）为低通滤光片，用于让基频光在腔内振荡，而让高次和频光通过二向色镜（15）出射。

4.根据权利要求1所述的高功率纳秒二三倍频光产生系统，其中二向色镜（15）和多波长反射镜（18）可以为平凹镜或者平平镜片，两者相互配合可以控制在和频晶体上的光斑尺寸，从而提高和频效率。

5.根据权利要求1所述的高功率纳秒二三倍频光产生系统，其中和频晶体一（16），和频晶体二（17）为基频光的三倍频和二倍频晶体，所有晶体放置于使用TEC精确控温的热沉中，用于对出光功率的精确控制。

6.根据权利要求1所述的五倍频和频系统，其中二倍频光路系统的特征在于，二倍频光通过二向色镜（21）后透射传播，通过反射镜（22）后改变传播方向，通过耦合透镜（23）汇聚后，再通过二向色镜（24）反射进入到五倍频晶体（25）中，其中三倍频光路系统的特征在于三倍光通过二向色镜（21）后反射传播，通过反射镜（31）后改变传播方向后，改变传播方向后的三倍频光先通过波片（32）改变偏振状态后，再通过耦合透镜（33）进行汇聚，最后通过二向色镜（24）后进入到五倍频晶体（25）中。

7.根据权利要求1所述五倍频和频系统，其中二倍频光路系统和三倍频光路系统的光程距离相等。

8.根据权利要求1所述五倍频和频系统，二倍频光和三倍频光在进入到五倍频晶体时，在焦点位置和空间传播方向上重合。

9.根据权利要求1所述的五倍频和频系统，其中五倍频和频晶体（25）为深紫外和频晶体，晶体选择为BBO晶体或者CLBO晶体。

10.根据权利要求6，其中二向色镜（21）为高通滤光片，用于二倍频光透过，三倍频光反射，而二向色镜（24）则为低通滤光片用于二倍频光反射，三倍频光透射，用来进行光束的合束。

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