CN115360579A - 高功率纳秒腔内五倍频激光器 - 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激光器的设计。本发明由四个高功率激光二极管模块分别泵浦两个激光晶体，形成高功率高重频激光腔体，让腔内基频激光具有重频高，脉冲能量大，光束质量优异等特点；再利用一个透镜和腔镜的组合来控制腔体内和频晶体位置处的光束尺寸，利用腔内峰值功率高的特性，将基频光和四倍频光在腔内和频，最终实现固体纳秒腔内五倍频激光的输出。利用本发明可以很轻松的获取1um波段激光的腔内五倍频激光，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装置，能够高效可靠的产生高功率纳秒腔内五倍频激光，具有极高的应用前景。

Description

高功率纳秒腔内五倍频激光器

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激光器的设计。

背景技术

近几年来，掀起了研制全固态紫外、深紫外激光器的热潮，这主要得益于其广阔的应用前景和潜在的巨大市场价值。从微光刻到打标标识，从半导体晶圆检测，到生物分子测序，从信息存储到安防医疗，紫外、深紫外激光器的在这些领域并发挥着不可替代的作用。

现阶段的固体深紫外主要集中于腔外多次和频产生，不仅需要大功率的基频激光器，并且其倍频效率还不高。为了更好解决深紫外固体纳秒五倍频激光的效率问题，特设计了一款高功率纳秒腔内五倍频激光器。

发明内容

相对于皮秒紫外和飞秒紫外激光器，本发明设计一款结构简单，可靠性高的固体纳秒五倍频激光器。腔内和频技术充分利用腔内高峰值功率特点，利用基频光多次倍频和和频，产生五倍频激光。相对于纳秒腔外和频方案，在相同泵浦功率情况下，腔内和频技术不仅不需要汇聚光斑，而且空间重合度高，从而简化了腔外和频的复杂结构，达到高效输出五倍频激光的目的。

为了实现上述目的，高功率纳秒腔内五倍频激光器的设计，其特征在于，激光器主要构造为高功率泵浦系统，高功率纳秒激光腔体，和频组件三大部分。

其中，所述高功率泵浦系统由四个高功率光纤耦合模块分别通过耦合系统（151），（152），（251），（252）汇聚在激光晶体（14）和激光晶体（24）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，能够产生极高的泵浦功率。要求每个模块的泵浦功率都大于100W，利用高功率泵浦光从而实现高功率的基频激光。

其中，所述高功率纳秒激光腔体能够产生高功率纳秒基频激光，其特征依次包括全反镜（11），Q开光（12），低通透镜（131），激光晶体（14），低通透镜（132），低通透镜（231），激光晶体（24），低通透镜（232），透镜（25），二向色镜（22），多点反射镜（21）。从全反镜（11）开始到多点反射镜（21）截止，腔内激光依次经过上述器件，往复在腔内振荡形成激光。

进一步的在激光器腔体内，激光晶体（14）和激光晶体（24）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进行调整。

进一步的在激光器腔体内，低通透镜（131），（132），（231），（232）可以为平凸或相应曲率透镜，根据设计要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。二向色镜（22）用边缘位置反射基频光，侧向位置用于出射高阶倍频光，镜片内侧中间位置透射倍频光。

进一步的透镜（25）为基频光透镜，它和反射镜（21）组成光束控制系统，通过设计透镜（25）的焦距，反射镜（21）的曲率以及两者之间的距离，可以精确控制在（25）和（21）之间的光斑尺寸，方便后续的倍频和和频。

其中，和频组件中包括二倍频晶体（31），四倍频晶体（32），五倍频晶体（33），从反射镜（21）返回的光依次通过二倍频晶体（31），四倍频晶体（32），五倍频晶体（33）从而产生五倍频激光输出。

进一步的在和频组件中，控制在晶体中的光斑尺寸和晶体长度可以降低走离效应对功率的影响。

进一步的在和频组件中，五倍频晶体（33）的出射端面切割布角，用于将出射光和其余光束进行分开。

进一步的在和频组件中，所有和频晶体都放置的具有TEC控温的热沉中，通过TEC精确控温来实现相应倍频和频过程。

进一步的在最后出光光路中，出射光中五倍频光（40）按照相应光路出射，剩余二倍频光（42）、四倍频光（41）进入到相应的杂散光收集装置（342）和（341），基频光（43）原路返回。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为出射激光分束示意图。

具体实施方式

本发明的整体结构如图1所示，激光器主体为一个双晶体四端泵高功率端面泵浦固体激光器，利用腔内高峰值功率特点来多次和频产生五倍频深紫外纳秒激光。

高功率纳秒腔内五倍频激光器的特征在于，激光器主要构造为高功率泵浦系统，高功率纳秒激光腔体，和频组件三大部分。

其中，所述高功率泵浦系统由四个高功率光纤耦合模块分别通过耦合系统（151），（152），（251），（252）汇聚在激光晶体中，其中泵浦源使用888nm光来泵浦晶体，主要作用为降低量子亏损，降低热透镜效应等。每个光纤耦合模块的泵浦功率需要大于100W，光纤芯径为400um，相应耦合系统的耦合比为1:3，进入到晶体中的光斑尺寸为1200um。光纤耦合模块可以选择波长锁定的模块，用于减少温度变化对整体出光功率的影响。

其中，高功率纳秒激光腔体的特性在于，由全反镜（11），Q开光（12），低通透镜（131），激光晶体（14），低通透镜（132），低通透镜（231），激光晶体（24），低通透镜（232），透镜（25），二向色镜（22），多点反射镜（21）等组成，为基频激光的腔体。从全反镜（11）开始到多点反射镜（21）截止，腔内基频激光依次经过上述器件，往复在腔内振荡。

全反镜（11）本发明使用1064nm单色介质膜来实现基频光的反射功能，反射角度为0°。

Q开光（12）用于储能和释放能量，用于产生脉冲能量，推荐使用1.5mm有源区，41M射频频率，20W射频功率的驱动。

其中，低通透镜（131），低通透镜（132），低通透镜（231），低通透镜（232）在本发明中可以使用平凸低通镜片，主要用于透过泵浦光，反射基频光，同时补偿晶体的热效应。四个透镜的外形尺寸和镀膜参数等都可以一致，其中，镀膜参数推荐为888nm高透，1064nm高反的镜片，反射角度13°，相应曲率根据整体腔长，间距，晶体热焦距等参数进行确定。

其中，激光晶体（14），激光晶体（24）为激光工作晶体，本发明使用Nd:YVO4晶体来实现功能，主要优势为重频高，偏振输出等优点。推荐相应参数为晶体尺寸为4*4*50，晶体浓度为0.5%，镀膜采用888nm，1064nm高透方案，此处晶体不仅限于Nd:YVO4晶体，具有同类性质的晶体具有相同的保护范围。

其中，二向色镜（22）用于改变基频光传播方向，同时出射倍频光，其镀膜参数为532nm高透，1064nm高反的镜片，其中侧向位置用于反射基频光，让基频光在腔体内继续振荡。

其中，透镜（25），多点反射镜（21）配合使用能够实现光束尺寸控制功能，通过设计透镜（25）的焦距，反射镜（21）的曲率以及两者之间的距离，可以精确控制在（25）和（21）之间的光斑尺寸，能够优化倍频效率，提高出光功率。本发明中透镜（25）使用平凸透镜，镀1064nm高透膜系，多点反射镜（21）使用平凹或者平平镜片，镀膜采用1064nm和532nm高反方案，用于反射基频光和倍频光，两者之间的距离有根据设计要求进行调整。

其中，和频组件有三个晶体组成，分别为二倍频晶体（31），四倍频晶体（32），五倍频晶体（33），其中五倍频晶体（33）出光位置切割布角。

在晶体中相应倍频过程为，从多点反射镜（21）反射的基频光首先经过二倍频晶体（31），经过相位匹配，倍频出二倍频激光，二倍频激光继续穿过四倍频晶体（32），在四倍频晶体（32）中经过相位匹配，倍频出四倍频激光，通过四倍频晶体（32）后的四倍光再和剩余的基频光在五倍频晶体（33）中进行和频，和频出五倍激光，最后在布角位置出射激光。

最终出射光为二倍频光，四倍频光和五倍频光。其中基频光按照原路返回成腔，二，四倍频光为杂散光，进入到杂散光收集器（341）（342）中，而五倍频光则是本发明需要的激光，按照确定位置输出。

其中，晶体切割及偏折方向的说明如下。在本发明中激光晶体（14），激光晶体（24）为Nd:YVO4双折射晶体，C轴方向为垂直于纸面方向，这样基频光的偏振方向为垂直于纸面方向。

当基频光通过二倍频晶体（31）的时候，倍频晶体使用LBO晶体，I类相位匹配进行倍频，倍频出倍频光的偏振方向为平行纸面，此处的倍频晶体的参数为Theta=90；Phi=10.8，晶体尺寸为3*3*16，晶体为常温晶体。

当倍频后的光继续传播经过四倍频晶体（32），四倍频晶体（32）为BBO晶体，BBO晶体具有非线性系数大，紫外截止波长短等优点。但是由于BBO晶体对深紫外具有比较强的吸收，同时走离效应比较大，为了兼顾和频效率和光束质量，通常晶体长度都不会过长。二倍频光通过四倍频晶体（32）时候，使用I类相位匹配，最终四倍频光的偏振方向为垂直纸面方向，此处的四倍频晶体（32）的参数为Theta=47；Phi=0，晶体尺寸3*3*4，常温晶体。

最后，垂直纸面偏振的四倍频和基频光通过五倍频晶体（33）后进行I类相位匹配，和频后产生五倍频激光，此处五倍频晶体（33）也是BBO晶体，晶体切割参数为Theta=51.2，Phi=0，晶体尺寸3*3*10，为常温晶体。最终输出的五倍频光的偏振方向在纸面内，这时在纸面内偏振的光再通过布角出射时，功率损耗最小。所有的晶体都放置在具有TEC精确控温的热沉中，通过优化温度最终能够让出射的五倍频光功率最高。

在五倍频晶体中，时间走离和空间走离会对和频效率产生影响。时间走离是由于基频光和四倍频光在进入五倍频频晶体（33）前后在时间上的离散，但是本发明中激光脉宽为20ns量级，根据时间换算需要两束光的光程差在m级别才会对和频效率产生本质影响，而在较短的四倍频晶体（32）中，晶体对基频光和四倍光的差生的光程差可以忽略不计。

空间走离主要是由于基频光和四倍频光在进入五倍晶体（33）时在空间位置上的离散，首先通过光束控制系统来，适当控制光束直径，即可以提高倍频效率，又可以控制通过各个晶体后，走离距离占整个光斑中的比重。其次，二倍频晶体（31）为LBO，相应走离角小，即使尺寸长，相应的走离距离也小，所以用长LBO是为了在走离比可控情况下尽可能增加倍频转换效率，而四倍频晶体（32）使用短距离的BBO，相对来说BBO晶体走离角大，四倍频光和基频光之间的走离会对五倍频晶体的和频产生影响，所以前端倍频晶体尽可能的进行高效频率转换，而采用短的四倍频晶体，就是降低四倍频走离对最终和频效率的影响，虽然四倍频效率会有所下降，但是整体出光效率会有所提高。同时，通过极高的功率泵浦，来获得高功率的倍频光和四倍频光，即使有四倍频和基频光有走离，在五倍频晶体中也能够和频出高功率的纳秒五倍频激光输出。

相应的输出的光束分布如图2所示，本发明以激光晶体Nd:YVO4，二倍频晶体LBO，四倍频晶体BBO，五倍频晶体BBO为例来说明相应出光情况，其中二倍频光在五倍频晶体（33）中为e光，相应折射率为1.598，基频光在五倍频晶体（33）中为o光，相应折射率为1.654，四倍频光在五倍频晶体（33）中为o光，相应折射率为1.758，五倍频光在五倍频晶体（33）中为e光，相应折射率为1. 736。

通过布角后，二倍频光（42）折射率最小，穿过二向色镜（22）进入到杂散光收集装置（342），基频光（43）在二向色镜（22）上反射回腔体内继续振荡，四倍频光（41）折射率最大，在二向色镜（22）侧面输出到杂散光收集装置（341），而五倍频光（40）按照设计需求出射激光器。

如果后续对光束应用有特殊需要，还可以增加整形装置对光束形貌进行调整。

本发明利用腔内峰值功率高的特点，在腔内进行多次倍频和和频，最终输出高功率纳秒五倍频深紫外激光，具有广泛的市场前景和价值，为深紫外激光器的研发开拓新的方向。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，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 (9)

1.一种高功率纳秒腔内五倍频激光器的设计，其特征包括高功率泵浦源，高功率纳秒激光腔体，和频组件，其中高功率纳秒激光腔体依次包括全反镜（11），Q开光（12），低通透镜（131），激光晶体（14），低通透镜（132），低通透镜（231），激光晶体（24），低通透镜（232），透镜（25），二向色镜（22），多点反射镜（21），其中和频组件包括二倍频晶体（31），四倍频晶体（32），五倍频晶体（33），最后出射光进入到杂散光收集器件进行收集。

2.根据权利要求1所述高功率泵浦源，其特征为四个高功率激光二极管泵浦两个晶体进行工作，采用泵浦功率大于100瓦888nm的光作为泵浦光，实现高功率的基频激光。

3.根据权利要求1，其中低通透镜（131），（132），（231），（232）推荐使用平凸低通透镜，透射泵浦光，反射基频光成为激光腔体。

4.根据权利要求1，其中二向色镜（22）为低通滤光片，边缘位置反射基频光，侧向位置用于四倍频光和五倍频光的出射，镜片中间位置透射倍频光。

5.根据权利要求1，其中透镜（25），多点反射镜（21）组成光束控制装置，通过设计透镜（25）的焦距，反射镜（21）的曲率以及两者之间的距离，可以精确控制在（25）和（21）之间的光斑尺寸。

6.根据权利要求1，和频组件的特性在于，将晶体都放置在具有TEC控温的热沉中，通过TEC精确控温来实现相应倍频、和频过程。

7.根据权利要求1，和频组件的特性在于，控制和频组件中各个晶体的长度，减少走离对出光功率的影响。

8.根据权利要求1，和频组件的特性在于，五倍频晶体（33）的出射端面切割为布角，用于光束分束。

9.根据权利要求1，其出射光中五倍频光（40）按照相应光路出射，剩余二倍频光（42）、四倍频光（41）进入到相应的杂散光收集装置（341）（342），基频光（43）原路返回。

Images