CN116348814A - 紫外激光系统、设备和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了产生紫外激光器的装置、系统和方法。本文描述并公开了一种使用腔内二次谐波产生(SHG)元件和一种使用双折射晶体(BC)来提取紫外光的组合结构实现的示意图和安排。非线性晶体(NLC)可作为SHG元件，而体布拉格光栅(VBG)可用来控制泵浦光特性。

Description

紫外激光系统、设备和方法
背景技术
光泵浦激光器一般分为两类：灯泵浦激光器和二极管泵浦激光器，前者具有某种气体放电灯，如电弧灯或闪光灯，作为泵浦源。后者采用某种激光二极管泵浦。大多数二极管泵浦激光器被认为是固态激光器，也就是说，它们是基于固态增益介质的激光器，如晶体或掺杂稀土或过渡金属离子的晶体或玻璃。二极管泵浦固态激光器具有广泛的应用前景。它可能是理想的全固态激光器，因为它们可以有一个稳固和紧凑的装置，相对较高的电光转换效率，因此冷却的要求较低。
紫外(UV)激光器可以通过电弧灯进行光学泵浦或二极管泵浦。紫外激光器可用于各种商业和工业应用，包括但不限于：微观加工，雕刻用于冲压或微火花侵蚀的精密工具，玻璃和合成材料的标记，使表面的结构或化学成分不改变，在各种材料上钻小孔，例如柴油喷射器，以及对表面进行精密清洗，如艺术品。紫外激光器的应用是并不限于以上的例子，因为紫外激光器有无数的应用和使用。
发明内容
目前的发展与紫外激光器有关。更具体地说，本发明涉及一种使用二极管泵浦固态介质和腔内二次谐波转换来产生、实现和/或控制紫外激光器的装置和方法。
目前发展的另一个方面是使用不同的组合结构来转换和提取紫外光。
目前发展的一个要点是一种单一光模块紫外光(UV)激光器，它使用腔内二次谐波产生(SHG)和双折射晶体(BC)来提取紫外光。
目前发展的另一个要点是一种基于二极管泵浦固态激光器和腔内二次谐波转换的稳定紫外激光器。
当前发展的另一个要点是控制和调整在设备或系统中产生的紫外光的偏振。
当前发展的另一个要点是检测在结构中传播的光，以及选择和锁定所选择的频率。
目前发展的另一个要点是检测和监测从组合结构中提取出的紫外光。
附图说明
有关发展的示范实施的详细描述，现在将参考附图说明如下，其中：
图1提供了UV激光器的实施方式的示意图。
图2提供了UV激光器的替代结构的示意图。
图3提供了本文中集成了棱镜和探测器的紫外激光器的替代结构的示意图。
图4提供了集成了偏振器棱镜的UV激光器的结构示意图。
图5提供了包括波片、棱镜和检测器的紫外激光器的结构示意图。
图6A、6B和6C提供图，以说明二次谐波产生晶体如何能够提供波长选择。
图7提供了UV激光器的另一种实现方式的示意图。
图8示出了此处的另一种紫外激光器的示意图。
图9提供了含有腔内空隙的紫外线激光器的示意图。
图10提供了在谐振腔中的不同位置包含空隙的UV激光器的替代结构的示意图。
图11示出了包含在泵浦二极管一侧的压电传动器和功率反馈探测器的单模UV激光器的实现的示意图。
图12提供了如何集成和利用光学标准具来选择一个单模频率的图。
图13提供了单模UV激光器的替代结构的示意图，该实现包括在NLC一侧的压电传动器和用于功率反馈的探测器。
图14提供了一种替代结构的示意图，其在Pr:YLF和非线性晶体之间的腔内具有气隙，并且Pr:YLF和非线性晶体的表面涂有低损耗的减反射涂层。
图15是当腔长为20mm时，掺镨氟化钇锂(Pr:YLF)发射的698nm的激光带宽所支持的腔模数量的示图。
图16是当腔长为30mm时，掺镨氟化钇锂(Pr:YLF)发射的激光带宽所支持的腔模数量的示图。
图17提供了实验显示发射带内的所有频率同时产生激光的参考图。
图18A和图18B提供了可以通过使用体布拉格光栅(VBG)来缩小二极管激光发射带宽来提高激光系统和/或器件的光学效率和泵浦光吸收的图。
具体实施方式
虽然本协议的发展符合各种修改和替代形式，但本文已在图纸和以下描述中通过非限制性的例子进行了详细说明。然而，应该理解，这并不是要将本发明限于所描述的特定实施例。相反，这将涵盖在发展的精神和范围内的所有修改、等价物和替代方案，无论是在这里描述的或在其他方面足够可观的，即使超出了本协议的字面文字或数值。
下面的讨论是针对本协议的发展的各种实现。虽然一个或多个这些实现设计可能是首选的，但展示的设计不应解释或以其他方式使用，作为或限制披露的范围，包括权利要求的范围。此外，本领域的技术人员将理解下面的描述具有广泛的应用，对任何实施的讨论只是该实施的示例性，并不说明公开的范围，包括权利要求的范围仅限于该设计。
一般来说，这里包括产生、控制和使用紫外(UV)激光器的设备、系统和方法。
通过使激光器运行时包含十多个腔频率，可以获得紫外激光器的稳定输出。激光器的平均输出功率由于在腔内有许多频率振荡，可以保持相对稳定。
在图1中，示出了利用444nm二极管泵浦激光源的二极管泵浦紫外激光器100。泵浦源102包含一个444nm的二极管激光器104，它产生一个二极管激光泵浦光，或泵浦光束106，通过单个透镜108发送并传递到组合结构110。泵浦光106进入组合结构110的增益介质112，在本例中，增益介质112是掺掺镨的氟化钇锂(Pr:YLF)晶体。泵浦光106被增益介质112吸收，在腔镜116、118之间产生与增益介质112相关的特征激光波长，也称为基频波长(FW)。设置在激光腔内的非线性晶体(NLC)114进一步将该FW转变为紫外光120。NLC 114提供二次谐波发生(SHG)，将可见光转换为紫外光120。在一个实现中，这个NLC 114是偏硼酸钡。其他合适的NLCs包括三硼酸铋(BiBO)、走离补偿BBO、走离补偿BiBO、三硼酸锂(LBO)、周期性极化铌酸锂(PPLN)和周期性极化钽酸锂(PPLT)。通过偏振控制器和UV分离器122从组合结构110中提取UV光120。第一激光腔镜116和第二激光腔镜118设置在组合结构110的每个侧面上。在一些实现中，腔镜116、118是组合结构112的一部分。激光腔镜之间的所有界面，例如，与紫外光分离器124和/或双折射晶体的表面相邻和接触的增益介质112的表面，以及与NLC126的表面相邻、相邻和接触的双折射晶体的表面被光学粘合。
光学粘接是指不使用粘合剂而连接和粘接组合结构的部件。在粘接过程中，要粘接在一起的组件保持光接触。相似和不同的晶体和玻璃都可以通过光学键合结合在一起。有各种建立、获取和保持光接触的技术，但这些技术都产生了一个主要通过范德华力结合的界面。此外，光学粘接可以通过施加压力、毛细管粘附，或通过使两个清洁和干燥的表面紧密接触来实现。光学粘合，即无粘接粘合，可以克服光束失真和性能退化等问题。因此，光学键合可能产生高质量的和光学透明的高质量键合界面。
在某些情况下，镜116可以称为进口镜，指示泵浦光106通过该镜进入组合结构110。镜116可以是平的或弯曲的，但是提供一个反射表面，用于包含和共振组合结构110中的光和/或基本波长。镜116可以直接制造在增益介质表面或光学结合到增益介质上。镜118在某些情况下可以称为第二腔镜。同样，反射镜118可以是平的或弯曲的，此反射面用于包含和共振在组合结构110中产生的光和/或基波波长。
组合结构110具有长度(L)128，其范围可以从小于约10mm到大于约2m。在优选的实现中，组合结构可以具有约20mm、30mm或40mm的长度，以保持其相对紧凑。在一些设计中，组合结构可以是整体的光模块或单一模块的结构或复合的结构。
图2中所示的二极管泵浦紫外激光器130的替代设计包括透镜108、体布拉格光栅(VBG)132和第二透镜134。VBG 132被定位在第一透镜108和第二透镜134之间。使用两个镜头和一个VBG可以提供控制一些泵浦光特性的能力。因此，通过使用体布拉格光栅(VBG)132来缩小增益介质(或增益晶体)的二极管激光发射光谱的带宽，可以提高激光器的光效率。当使用Pr:YLF作为增益介质时，444nm附近的吸收带宽为1nm左右的半高全宽值(FWHM)。通常，444nm多模(MM)蓝色二极管激光器的发射带宽为2-4nm。因此，在成像透镜108、134之间添加一个VBG 132，能够缩小发射光谱并控制中心波长。选择和/或锁定波长的其他结构和方法包括使用光纤布拉格光栅(FBG)和调整增益介质的长度。下面将更详细地讨论这些替代的结构和方法。在一方面，可以利用VBG 132并实现以匹配二极管发射光谱与增益介质的吸收。
返回图2，泵浦源102包含444nm二极管激光器104，产生二极管激光泵浦光或泵浦束106发送通过第一透镜108、VBG 132和第二透镜134，并传送到具有长度(L)128的组合结构110。泵浦光106进入组合结构110的增益介质112，在本例中，增益介质是掺镨氟化钇锂(Pr:YLF)晶体。泵浦光被增益介质吸收，并被转换为与腔镜116、118之间的与增益介质相关的特征波长之一也称作基波波长(FW)。设置在激光腔内的非线性晶体(NLC)114进一步将该FW转变为紫外光。NLC 114提供二次谐波的产生(SHG)，将可见光转换为紫外光。通过偏振控制器和设置在增益介质112和NLC 114之间的UV分离器122从组合结构110中提取UV光120。镜116和118设置在组合结构110的每个侧面上。腔镜116、118是组合结构112的一部分。同样，界面124、126被光学粘合。图2中的紫外激光器130说明了VBG和第二透镜的添加如何通过缩小二极管激光发射带宽以匹配增益介质的吸收光谱来最大限度地提高泵浦光吸收效率。
在图3中说明了当前发展的UV激光器140的替代设计，它说明了双折射晶体(BC)142如何可以被设置在增益介质112和NLC 114之间。在某些设计中，BC 142可能是α-BBO。其他材料，如氟化镁、LiNbO3、alpha-BBO、石英、方解石和YVO4可用于某些设计；然而，诸如吸收、偏离角和光学键合兼容性等特性需要被考虑，因为它们与使用这些材料作为合适的BC有关。如图3所示，二极管泵浦紫外激光器140利用泵浦源102，其具有444nm二极管激光器104，该二极管产生二极管激光泵浦光106，该光106通过单个透镜108传播并传递到组合结构110；该组合结构110具有长度(L)128。泵浦光106进入组合结构110的增益介质112，在本例中，增益介质是掺镨氟化钇锂(Pr：YLF)晶体。FW由增益介质112产生，并且光路包括设置在激光腔内的非线性晶体(NLC)114。NLC 114提供二次谐波产生(SHG)，将可见光转换为紫外光。通过BC 142从组合结构110中提取紫外光120。激光腔镜116和118设置在组合结构110的每个两侧。腔镜116、118是组合结构110的一部分。应该注意到，BC 142延伸或突出在组合结构110的其余部分之上。根据在组合结构110中使用和使用的组件，UV提取器可以延伸或突出组合结构主体的其他部分，例如，请参见图1、2、5、7、8、9、10、11、13和14，这都是这方面的非限制性例子。然而，在一些实现中，UV提取器不会比组合结构110的其余部分的其他部分延伸，如图4所示，这是这方面的非限制例子。
在图3中，其中使用的增益介质为Pr:YLF在698nm的激光，SHG(UV)波长为349nm在BC内处于电场e波的偏振模式,相对于698nm o波的偏振模式。o波在腔内保持走向不变，而e波在α-BBO晶体内以4.3°的角度走离原来的方向。在α-BBO晶体内前进10mm后，698nm和349nm之间的分离距离为(d)144，为0.8mm。BC 142被设计和制造成比增益介质112大，以允许偏离的紫外光离开如图3所示的组合结构。此外，FIGs的组合结构。3、5、7、8、9、10和11表明，BC可以大于各自的增益介质，以允许偏离的紫外光离开组合谐振器。此外，还可以改变BC的长度和形状，以优化距离(d)144。部分透射镜或棱镜146位于外部，但靠近组合结构110，以便在其离开组合结构时接收偏离的UV光120。UV功率检测器148位于部分透射镜146的后面。UV功率探测器148用于监视和探测从组合结构110中传播和分出的UV光的功率。
图1、2和3提供了组合I型SHG谐振腔的例子。SHG有三种类型的临界相位匹配。在0型SHG中，两个相对于晶体具有相同偏振的光子将结合形成一个相同偏振但是具有两倍频率/能量的单光子。周期性极化的NLC属于这类相位匹配类别。在I型SHG中，产生的紫外光具有垂直于FW的偏振作用。此外，在I型SHG中，两个相对于晶体具有寻常偏振的光子在晶体中结合形成一个频率为两倍的非寻常偏振光子。在II型SHG中，两个具有正交偏振的光子结合形成一个寻常或非寻常偏振频率为两倍的光子。对于周期性极化的材料，在NLC和BC之间插入一个额外的波片(WP)，以旋转UV偏振90°，但保持FW偏振不变，如图5所示，下面将更详细地讨论。
图4提供了二极管泵浦紫外激光器150的另一设计。在图4中，偏振棱镜(PP)152，例如格兰-泰勒棱镜，被设置在增益介质112和NLC 114之间。如图4所示，二极管泵浦紫外激光器150利用泵浦源102，其具有444nm的二极管激光器104，该激光器产生二极管激光泵浦光106，该光106通过单个透镜108传播并传递到组合结构110；组合结构110具有长度(L)128。泵浦光106进入组合结构110的增益介质112，在本例中，增益介质是掺镨氟化钇锂(Pr：YLF)晶体。泵浦光被增益介质112吸收，并被转换为FW。设置在激光腔内的非线性晶体(NLC)114提供二次谐波产生(SHG)，将可见光转换为紫外光。通过偏振棱镜(PP)152从组合结构110中提取UV光120。激光腔镜116和118设置在组合结构110的每个两侧。腔镜116、118是组合结构110的一部分。同样，第一反射镜116、增益介质112、偏振棱镜152、NLC 114和第二反射镜118之间的所有界面都被光学粘合，如上所述。如图4中进一步所示，紫外光从腔内路径以大角度偏转并离开组合结构。
图5中的二极管泵浦UV激光器160表明，当NLC 114使用周期性极化的铌酸锂(PPLN)和周期性极化的钽酸锂(PPLT)作为NLC 114时，在NLC 114和BC 142插入波片(WP)154之间。WP 154使紫外偏振旋转90°，但保持FW偏振。因此，在图5中，泵浦源102具有二极管激光器104，该二极管产生二极管泵浦光106，该光106定向通过透镜108并定向到组合结构110。泵浦光106进入组合结构110的增益介质112，在本例中，增益介质是掺镨的氟化钇锂(Pr:YLF)晶体。泵浦光被增益介质112吸收，并被转换为FW。设置在激光腔内的非线性晶体(NLC)114提供二次谐波产生(SHG)，并将可见光转换为紫外光。在图5中，所使用的NLC 114是周期性极化的材料，如PPLN或PPLT，因此WP 114被放置在NLC 114和α-BBO BC 142之间。由BC 142从组合结构110中提取紫外光120。激光腔镜116和118设置在组合结构110的每个两侧。腔镜116、118是组合结构110的一部分。同样，第一镜116、增益介质112、BC 142、WP154、NLC 114和第二镜118之间的所有界面如上所述。
除了其波长转换特性外，1型和II型SHG晶体的NLC还可以利用其双折射特性提供波长选择。图6A、6B和6C提供了说明FW的偏振相对于NLC的快轴和慢轴约45°。图6A示出了进入NLC之前的FW偏振。图6B示出了通过在通过NLC后通过使FW偏振保持不变的类似于全波波片的NLC行为。图6C示出了通过NLC后FW偏振方向(与图6A相比为180°)的半波片的NLC行为。NLC可以被温度控制为FW的半波或全波片，使得FW在组合结构的第一镜(M1)和第二镜(M2)之间共振，因此可以抑制其它波长。紫外光与快轴或慢轴共线取决于使用的SHG晶体类型。上述图5提供了一种实现，其中安装波片(WP)154以使紫外光120的偏振旋转以垂直于FW，但保持FW偏振不变。
在许多实现中，一个稳定的紫外激光器通过使用一个在腔内没有气隙界面的组合激光器结构来增强。当有紫外线光时，空气到光学界面可能容易受到损坏。尽量减少紫外光在空气和光学组件之间转换的界面数量可能有助于确保激光的可靠性。因此，当前发展的一个方面可以包括制造腔镜，参见如图1中所述的腔镜116、118，尤其是作为组合结构的一部分。此外，本文所描述的几种实现的一个方面是，镜像、增益介质、NLC、BC、WP和其他元件之间的所有接口都是光学粘接的。
图7中的二极管泵浦紫外激光器170示出了NLC 114使用非周期性极化材料如偏硼酸钡、三硼酸铋(BiBO)、走离补偿BBO、走离补偿BiBO、三硼酸锂(LBO)的示意图，在NLC 114和BC 142之间插入波片(WP)154。WP 154使紫外偏振旋转90°，但保持FW偏振。因此，在图7中，泵浦源102产生一个指向组合结构110的泵浦光106。泵浦光106进入组合结构110的增益介质112，在本例中，增益介质是掺镨氟化钇锂(Pr:YLF)晶体。泵浦光被增益介质112吸收，并被转换为FW。设置在激光腔内的非线性晶体(NLC)114提供二次谐波产生(SHG)，并将可见光转换为紫外光。在图7中，一个WP 154可以被放置在NLC 114和α-BBO BC 142之间。由BC142从组合结构110中提取紫外光120。激光腔镜116和118设置在组合结构110的每个两侧。腔镜116、118是组合结构110的一部分。同样，如上所述，第一镜116、增益介质112、BC 142、WP 154、NLC 114和第二镜118之间的所有接口都被光学粘合。
图8提供了二极管泵浦紫外激光器的另一个例子。图8，示出了双折射晶体(BC)142如何可以被设置在增益介质112和NLC 114之间。在某些实现中，BC 142可能是α-BBO。如图8所示，泵浦源102产生二极管激光泵浦光106，该光被传播并传递到组合结构110。泵浦光106进入组合结构110的增益介质112，在本例中，增益介质是掺镨氟化钇锂(Pr：YLF)晶体。泵浦光被增益介质112吸收，并被转换为FW。设置在激光腔内的非线性晶体(NLC)114提供二次谐波产生(SHG)，并将可见光转换为紫外光。通过BC 142从组合结构110中提取紫外光120。激光腔镜116和118设置在组合结构110的每个两侧。腔镜116、118是组合结构110的一部分。部分透射镜或棱镜146位于外部，但靠近组合结构110，以便在离开组合结构110时接收偏离的UV光120。UV功率探测器148位于部分透射镜或棱镜146的后面。UV功率探测器148用于监视和检测从组合结构110传播和发射的UV光120的功率。
目前发展的另一个要点是，激光器结构可以被安置在一个温度稳定的外壳内。
在几种可行的设计，例如如图9、10和11所示，组合结构110包括腔内的气隙。图9和11示了第一镜和Py:YLF晶体或其它增益介质之间的气隙。在这方面，第一镜116可以于组合结构110可调节。在此实现中，第一镜116的可调性可以提供允许激光更容易对准的附加好处。在这种安排中，通过使用NLC和BC产生和提取紫外线；然而，提取的紫外光不通过腔内的任何气隙。
因此，图9示出了泵浦源102产生泵浦光106并将光导向组合结构110。然而，在该实施方式中，第一镜116在第一镜和组合结构110的第一组件增益介质112之间具有气隙156(由图9中所示的虚线区域定义)。泵浦光106被允许在组合结构110中产生共振，因为在这里由β-BBO组成的NLC 114充当SHG。紫外光120由BC 142提取，这里是α-BBO晶体。应该注意的是，在这个实施方式中，第一镜116是可调的，因此允许更容易对准，但也可以允许腔的大小发生变化；然而，提取的紫外光不通过腔内的气隙。同样，部分透射镜或棱镜146定位在外部，但靠近组合结构110，以便在UV光离开组合结构时接收偏离的UV光120。UV功率探测器148位于部分透射镜或棱镜146的后面。UV功率探测器148用于监视和探测从组合结构110传播和出射的UV光的功率。图9示出了可替代的UV激光器190，其说明具有可调节的第一镜116可以提供对准激光的能力并改变腔的长度，同时保持提取紫外线的能力，同时限制空气和光学件界面的紫外线照射量。
图10提供了如何将气隙156合并到UV激光器200中的另一个非限制性示例。在此实施方式中，气隙156位于NLC 114和第二反射镜118之间。在图10中，反射镜118可以自由调节，这种可调节性还可以允许调节谐振器的大小，也可以允许激光器容易对准。在图10中，泵浦源102产生并提供一个指向组合结构110的泵浦灯106。然而，在这个实现中，NLC 114和第二镜118之间存在气隙156(如图10所示的虚线区域定义)。泵浦光106被允许在组合结构110中产生共振，因为在这里由β-BBO组成的NLC 114充当SHG。紫外光120由BC 142提取，这里是α-BBO晶体。应该注意的是，在这个实现中，第二镜118是可调的，因此允许更容易对准，但也可以允许腔的大小变化。同样，部分透射镜或棱镜146位于外部，但靠近组合结构110，以便在其离开组合结构110时接收偏离的UV光120。UV功率探测器148位于部分透射镜或棱镜146的后面。UV功率探测器148用于监测和探测从组合结构110传播和发射的UV光的功率。
图11提供了另一替代设计的UV激光器210。由于第一镜116自由调节和第二镜118固定，可以通过添加腔内光学标准具(E)158而使激光器仅发射一个频率。此外，第一反射镜116可以安装在压电传动器(PZT)162上，该压电传动器使用来自探测器164的功率反馈信号来选择和/或锁定在一个频率上。图12提供了表示如何在一个频率中选择功率反馈信号的图。
图13提供了另一设计的UV激光器220。由于第二镜118自由调节和第一镜116固定到位，通过添加腔内光学标准具158可以使激光器仅发射一个频率。第二反射镜118安装在PZT 162上，并使用来自探测器164的功率反馈信号来选择和/或锁定在一个频率上。因此，图13提供了具有可选气隙156的UV激光器220的实现。在此实施方式中，泵浦源102提供指向镜116入口的泵浦光106。光106通过增益介质112、腔内光学标准具158、NLC 114和气隙156，并被设置在腔的末端的反射镜118反射回来。镜118可通信连接，在某些情况下安装在PZT162上，PZT 162使用功率反馈信号选择和/或锁定在一个频率。在此实施方式中，镜118可以自由调整，因此通过向镜118添加腔内光学标准具158或VBG和PZT 162，使单模紫外激光器可操作。
图14提供了另一替代设计的UV激光器230。在此实施方式中，如图14所示，在Pr：YLF、增益介质112和NLC 114之间放置了一个可有可无的气隙。在这种布置中，增益介质112(Pr：YLF)和NLC 114之间的表面有低损耗的减反射镀膜168。在图14中所示的UV激光器230的此实现中，泵浦源102提供了指向组合结构110的泵浦光106。组合结构110由位于并设置在组合结构110的相对两端的反射镜116、118限定。泵浦光106通过增益介质112、气隙156、NLC 114，并通过反射镜118反射。在组合结构110中谐振后，紫外光120被BC 142分开，并从该结构朝向棱镜146离开。UV功率探测器148位于部分透射镜146的后面。UV功率检测器148用于监视和探测从组合结构110传播和分离出的UV光的功率。
图15和图16显示接近698nm的掺镨氟化钇锂(Pr:YLF)发射的激光带宽支持的腔模的数目的示例图。图15显示出支持20mm腔长度的腔模式。图16显示出支持30mm腔长度的腔模式。图15提供了20mm长的腔图，包括6mmPr:YLF和14mm BBO(10mmα-BBO和4mmβ-BBO)具有FSR＝4.35GHz。Pr:YLF在698nm～0.1nm带宽下的发射可以支持如图15所示的～14模式。图16提供了由6mm Pr:YLF和24mm BBO(10mmα-BBO和14mmβ-BBO)具有FSR＝2.84GHz，允许～21模式。在另一个实现中，一个40mm长的腔体包括一个6mm Pr：YLF和34mm BBO(10mmα-BBO和14mmβ-BBO)有FSR＝2.84GHz，允许～29模式。
图17提供了实验显示发射带内的所有频率的图。显示了一种可能的实现的波长和光强度。因此，通过使用十多个腔频率的激光器，可以获得紫外激光器的稳定输出。激光器的平均输出功率由于在腔内有许多频率振荡，可以保持相对稳定。
通过最大化泵浦光的吸收，可以获得更高的光效率。实现更高光效率的一个方面是通过添加VBG来缩小二极管激光发射谱。图18A和18B示出了缩小二极管激光发射光谱可提高12％的吸收。例如，在图18A中，VBG锁定444nm+/-0.5nm，0.5％6mm长的Pr：YLF在共振腔零损耗下吸收总功率的97％，斜率效率＝为62％。在图18B中，锁定在444nm+/-2nm的VBG、0.5％6mm长的Pr：YLF在零腔损耗下吸收总功率的85％的总功率，斜效率＝54％。对于479nm的泵浦源，吸收截面是444nm的两倍，但FWHM更窄,大约为0.5nm。对于0.5％6mm长的Pr:YLF相对于全谱功率，吸收了近100％的总功率,斜效率＝68％。
以上的讨论说明了目前的发展的原则和各种实现。一旦充分理解上述披露，尚未描述的基本概念的许多变体、结果和修改可能会变得明显。因此，上述描述不应作为限制所附权利要求书所定义的本发明的范围。

Claims (55)

1.一种如本文所述的一种方法、装置或系统。
2.一种用于产生紫外线激光器的装置或系统，该装置或系统包括：
一种光源；
一种组合结构，包括：
两个或两个以上的镜子；
一个增益介质；
一个作为二次谐波发生器(SHG)的非线性晶体；
紫外光分离器；
设置来自光源的光进入两个或多个镜子的第一镜处，通过增益介质，然后通过非线性晶体和两个或多个镜子中的第二个进入并通过紫外光分离器以产生紫外线。
3.根据先前权利要求的装置或系统；紫外光分离器为：
偏振控制器和
其中之一：
UV分离器，或
双折射晶体，
紫外光提取器从装置或系统中将紫外光分离。
4.根据先前权利要求的设备或系统：
所述两个反射镜、增益介质、非线性晶体和紫外提取器、形成具有长度(L)的组合结构。
5.根据先前权利要求的设备或系统：
该增益介质包括Pr:YLF。
6.根据先前权利要求的设备或系统：
非线性晶体的选择包括偏硼酸钡、三硼酸铋(BiBO)、走离补偿BBO、走离补偿BiBO、三硼酸锂(LBO)用于二次谐波产生。
7.根据先前权利要求的装置或系统，所述光源进一步包括泵浦源。
8.根据权利要求7的设备或系统，泵浦源具有以下一个或多个：
二极管激光器，
第一个透镜，
一个体布拉格光栅，和
第二个透镜。
9.根据权利要求8所述的一种器件或系统，该泵浦源进一步包括一个444nm的二极管激光器。
10.根据先前权利要求的装置或系统，所述紫外光提取器包括偏振控制器和紫外光分离器。
11.根据任何先前权利要求的设备或系统，包括以下一种或两种：
非线性晶体是用于二次谐波产生的α-硼酸钡非线性晶体，
紫外光分离器是β-硼酸钡双折射晶体。
12.根据先前权利要求的装置或系统；包括以下一种或两种：
非线性晶体是β-硼酸钡的非线性晶体；和
紫外线提取器是一种用于从光源中分离紫外线光的偏振器棱镜。
13.根据先前权利要求的装置或系统，包括：
从周期性极化铌酸锂(PPLN)和周期性极化钽酸锂(PPLT)组中选择的非线性晶体。
14.根据先前权利要求的装置或系统；包括以下一个或两个元件
波片，以及
α-硼酸钡双折射晶体。
15.根据任何先前定义的装置或系统，
来自三硼酸铋(BiBO)、走离补偿BBO、走离补偿BiBO和三硼酸锂(LBO)的非线性晶体。
16.根据先前权利要求的装置或系统；包括以下一个或两个元件
波片，以及
紫外光提取器包括α-硼酸钡双折射晶体。
17.根据任何先前权利要求的设备或系统，包括以下一个或多个元件：
一个Pr:YLF增益介质；
用于二次谐波的β-硼酸钡非线性晶体；
α-硼酸钡双折射晶体。
18.根据任何先前权利要求的设备或系统，包括以下一个或多个元件：
第一反射镜和增益介质之间的气隙；
NLC和第二个反射镜之间的气隙；
增益介质和双折射晶体之间的气隙。
19.根据权利要求18所述的一种设备或系统，所述增益介质和双折射晶体在暴露于所述气隙的表面上具有增透膜。
20.根据先前权利要求的装置或系统，双折射比组合结构的主体具有更大的尺寸。
21.根据先前权利要求的装置或系统，双折射晶体延伸到组合结构的主体之外。
22.根据权利要求20或21中任何一项的装置或系统，紫外光从组合结构的双折射晶体延伸出或突出的部分离开。
23.根据先前权利要求的装置或系统，该组合结构进一步包括腔内光学标准具。
24.根据权利要求22所述的一种设备或系统，该光学标准具位于增益介质和双折射晶体之间。
25.根据权利要求23所述的一种设备或系统，进一步包括仅从该设备或系统发射单一频率。
26.根据先前权利要求的装置或系统，进一步包括压电传动器(PZT)。
27.根据权利要求24的一种设备或系统，压电传动器是以下一个或多个：
安装到第一镜子，和/或
可通讯地连接到第一镜子。
28.根据权利要求24或25所述的一种设备或系统，所述PZT获得一个功率反馈信号来选择和/或锁定在一个频率上。
29.根据权利要求24的一种设备或系统，压电传动器是以下一个或多个：
安装到第二镜，和/或
可通讯地连接到第二镜。
30.根据权利要求24或27所述的一种设备或系统，所述PZT获得一个功率反馈信号来选择和/或锁定在一个频率中。
31.根据先前权利要求的设备或系统，包括一个或多个：
位于组合结构外部的棱镜，
一个部分透射的棱镜，和
位于组合结构外部的紫外光探测器。
32.一种装置或系统，根据权利要求31，该紫外光探测器位于部分透射棱镜的后面。
33.根据权利要求4所述的一种装置或系统，其组合结构的长度约为20mm、30mm或40mm。
34.根据先前的任何权利要求，产生紫外光输出的装置或系统。
35.根据权利要求34所述的一种设备或系统：
NLC(或SHG晶体)将基波转换为紫外光输出，
激光腔内的BC分离紫外光成为紫外光输出，
紫外光输出偏离泵浦光偏离距离(d)。
36.根据任何先前权利要求的装置或系统，NLC作为波片。
37.根据任何先前权利要求的装置或系统，NLC用于类型1和/或类型II二次谐波产生。
38.根据先前任何权利要求的设备或系统，NLC被温度调谐以优化激光性能。
39.根据先前任何权利要求的装置或系统，紫外光被腔内偏振棱镜分开。
40.根据权利要求40所述的一种装置或系统，所述紫外光反射出偏振棱镜内的界面。
41.根据任何先前权利要求的器件或系统，增益介质、双折射晶体或偏振棱镜和NLC被光学键合。
42.根据任何先前权利要求的装置或系统，进一步包括：
光学结合第一镜到增益介质，或
直接在增益介质表面上制造第一镜面。
43.根据任何先前权利要求的装置或系统，进一步包括：
光学结合第二个反射镜到NLC，或
在NLC上制造第二面反射镜面。
44.根据先前任何权利要求的设备或系统，进一步包括使用VBG来缩小二极管激光发射光谱。
45.一种紫外线激光器，包括：
泵浦源，具有444nm二极管激光器、第一透镜、体布拉格光栅和产生泵浦光的第二透镜；
两个或多个镜子定义了结构；
一种由Pr:YLF组成的增益介质；
一种非线性晶体，由材料选择自偏硼酸钡、三硼酸铋(BiBO)、走离补偿BBO、走离补偿BiBO、三硼酸锂(LBO)用于二次谐波产生；和
一个偏振控制器和紫外分离器。
46.一种紫外激光器，包括：
一个泵浦源；
一种具有两端面和长度(L)的单一结构，包括：
定义结构的两个镜，每个镜设置在结构的末端；
一个Pr:YLF增益介质；
用于二次谐波的α-硼酸钡非线性晶体；
β-硼酸钡双折射晶体。
47.一种紫外激光器，包括：
光源；
具有两端面和长度(L)的单一结构，包括：
定义结构的两个镜，每个镜可操作地设置在结构的末端；
一个Pr:YLF增益介质；
用于二次谐波的β-硼酸钡非线性晶体；
一种用于将紫外光与光源分离的偏振器棱镜。
48.一种紫外激光器，包括：
一个光源；
一种具有两端面和长度(L)的单一结构，包括：
定义结构的两个镜，每个镜可操作地设置在结构的末端；
一个Pr:YLF增益介质；
从周期性极性铌酸锂(PPLN)和周期性极化钽酸锂(PPLT)中选择的非线性晶体；
波片，以及
α-硼酸钡双折射晶体。
49.一种紫外激光器，包括：
一个光源；
一种具有两端面和长度(L)的单一结构，包括：
定义结构的两个镜，每个镜可操作地设置在结构的末端；
一个Pr:YLF增益介质；
从三硼酸铋(BiBO)、走离补偿BBO、走离补偿BiBO和三硼酸锂(LBO)中选择的非线性晶体，
波片，以及
α-硼酸钡双折射晶体。
50.一种紫外激光器，包括：
一个光源；
一种具有两端和长度(L)的整体结构，包括：
定义结构的两个镜，每个镜可操作地设置在结构的末端；
一个Pr:YLF增益介质；
用于二次谐波的β-硼酸钡非线性晶体；
α-硼酸钡双折射晶体。
51.一种用于产生紫外线激光器的装置或系统，该装置或系统包括：
一个泵浦光源；
一种组合结构，包括：
两个或两个以上的镜子，
将泵浦光转换为基波波长的激光增益介质；
被设置为二次谐波发生器(SHG)的非线性晶体；
一个紫外提取器；
所述组合结构被配置成使得来自泵浦光源的泵浦光进入第一镜，增益介质吸收泵浦光并在第一和第二镜之间产生基波波长的激光；非线性晶体将激光转化为紫外光，紫外光提取器从组合结构中提取并分出紫外光。
52.根据权利要求51或任何先前权利要求的一种装置或系统，所述紫外光提取器为：
偏振控制器，以及
其中之一：
一个UV分离器，或
一个双折射晶体，
紫外光提取器将紫外光与基波波长的激光分离。
53.根据任何先前权利要求的装置或系统，所述泵浦源具有：
在444nm激光二极管处，
光传输光学器件，
具有以下任何一种特性的光传输光学器件：
一个简单的镜头，可以传输泵浦光；
第一透镜、体布拉格光栅和第二透镜、缩小泵浦波长并传输泵浦光的第二透镜的组合。
54.根据先前权利要求的装置或系统，所述紫外提取器包括偏振控制器和紫外分离器。
55.根据任何先前权利要求的设备或系统，包括：
该非线性晶体是一种β-硼酸钡非线性晶体；且，
紫外提取器是一种α-硼酸钡。
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