CN116472654A - 从激光束生成相干紫外辐射的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种激光源装置(100)，该激光源装置包括泵浦激光系统(11)、组合器(9)和非线性频率生成模块(10)。泵浦激光系统(11)由一个或更多个激光二极管(12)制成，激光二极管(12)中的每个激光二极管生成一个或更多个光束(13)，该一个或更多个光束的波长在具有在380nm至740nm的范围内的波长的可见光谱范围内。组合器(9)允许来自泵浦激光系统的光束(13)通过，并且对该光束进行组合以及将该光束耦合至下一模块(10)。非线性频率生成模块(10)允许光束(13)通过，并且非线性频率生成模块在光束穿过的同时利用和频生成的非线性光学现象来提供UVC光束。

Description

从激光束生成相干紫外辐射的方法
技术领域
本发明涉及相干紫外辐射的生成。更具体地，本发明涉及从可见光谱形式的激光束转换成C波段紫外线形式的激光。
背景技术
对非传染性环境和替代性有效杀菌方法的需求不断扩大。C波段紫外线(UVC)形式的光已被证明可以有效地对空气和表面进行消毒，同时对人类和其他哺乳动物也是安全的。
已经确定的是，207nm与230nm之间的光甚至无法穿透人类皮肤或眼睛的外层(非生命层)，然而，由于细菌和病毒是微米或更小级别的尺寸，远UVC可以穿透细菌和病毒并使其失活。结果，222nm的光可以有效地灭活细菌，而不会对暴露的哺乳动物的皮肤造成伤害。此外，在220nm左右时蛋白质具有很强的吸收最大值。因此，对于灭活的目的，这个波长是最有效的。此外，约220nm的光通过角膜到达晶状体的穿透预计基本上为零。这表明220nm对眼睛是安全的，因为它无法到达晶状体。
发明目的
本发明的目的是提供以紧凑的方式生产UVC激光装置的技术，该UVC激光装置具有从可见光谱形式的激光进行转换的较大转换效率。
发明内容
本发明的目的是通过一种激光源装置来实现的。该激光源装置包括泵浦激光系统(pump laser system)、组合器以及非线性频率生成模块。泵浦激光系统由一个或更多个激光二极管制成，这些激光二极管中的每个激光二极管生成一个或更多个光束，该一个或更多个光束的波长在具有在380nm至740nm的范围内的波长的可见光谱范围内。组合器允许来自泵浦激光系统的光束通过，并且对光束进行组合以及将经组合的光束耦合到下一模块。非线性频率生成模块允许光束通过，并且非线性频率生成模块在光束穿过的同时利用和频生成(sum-frequency generation)的非线性光学现象来提供UVC光束。
根据激光源装置的另一实施方式，该装置包括可调谐机构，该可调谐结构至少可以对由激光二极管系统生成的光束的波长进行调谐，或者该可调谐结构对非线性模块中的相位匹配条件进行调谐。这有助于对由该装置生成的UVC光束的波长进行调谐。
根据激光源装置的另一实施方式，其中可调谐机构包括温度控制器，该温度控制器对激光二极管系统或组合器中的至少一者或两者的温度进行控制或者对激光二极管系统和组合器的组合中的温度进行控制。该实施方式提供了一种通过利用温度变化机制进行调谐的简单实现方式。
根据激光源装置的又一实施方式，其中，由激光二极管中的每个激光二极管生成的光束具有不同的波长。这提供了另一种用于改变所生成的UVC束的波长的机制。
根据激光源装置的一种实施方式，该装置包括激光束生成控制器，该激光束生成控制器对泵浦激光系统的每个激光二极管进行控制，以至少改变激光束的强度、或者对激光二极管进行启用或停用、或者至少改变激光束的强度和对激光二极管进行启用或停用的组合。这种控制机制有助于控制UVC束的生成，因为通过改变激光束的强度，UVC束的强度也可以被改变。另外，通过对激光二极管进行启用和停用，也可以改变UVC束的强度或波长。甚至通过对所有二极管进行停用，可以停止生成UVC束。
根据激光源装置的另一实施方式，其中，组合器是光子集成电路(PIC)。这允许减少系统中微光学部件(透镜、分束器、扩束器等)的数量，并且对不同芯片(泵浦激光器和非线性晶体)之间的光耦合进行优化。
根据激光源装置的又一实施方式，其中，非线性频率生成模块包括二阶非线性晶体。这为非线性频率生成模块的功能提供了简单的实现方式，该实现方式有效地从激光束生成UVC束。
根据激光源装置的一种实施方式，其中，二阶非线性晶体是至少在部分UVC和部分可见光谱中透明的材料。这进一步提高了从激光束生成UVC束的效率。
根据激光源装置的另一实施方式，其中，二阶非线性晶体选自于；硼酸钡(BBO)、硼酸铯锂(CLBO)、硼酸锂(LBO)、磷酸二氘钾(KDP)、磷酸二氘钾(DKDP)、磷酸二氢铵(ADP)、硼氧钙钇(YCOB)或氟硼铍钾(KBBF)。这提供了高效的二阶非线性晶体，该二阶非线性晶体有效地从激光束生成UVC束。
根据激光源装置的又一实施方式，其中，二阶非线性晶体具有肋状波导的几何形状，所述几何形状由厚度、宽度以及深度限定。这提供了装置中二阶非线性晶体的另一种实现方式。
根据激光源装置的一种实施方式，其中，深度为零。这提供了另一种通常被称为板状波导的波导几何形状。
根据激光源装置的另一实施方式，其中，深度等于总波导厚度。这提供了另一种通常被称为脊状波导的波导几何形状。
根据激光源装置的又一实施方式，其中，非线性频率生成模块还包括基底，该基底具有相对于二阶非线性晶体而言折射率较低的材料，并且二阶非线性晶体经由晶片接合耦接至基底。
根据激光源装置的一种实施方式，其中，基底由UV熔融硅石制成。
根据激光源装置的另一实施方式，非线性波导包括包覆材料，该包覆材料具有相对于二阶非线性晶体而言折射率较低的材料，该包覆材料部分地或完全地包围二阶非线性晶体。
根据激光源装置的又一实施方式，其中，包覆材料由氟化钙、氟化镁或类似材料制成。
根据激光源装置的一种实施方式，其中，UVC光束的波长范围在190nm至240nm之间。
附图说明
图1图示了根据本发明的第一实施方式的激光源装置的示意图。
图2图示了根据本发明的第二实施方式的另一激光源装置的示意图，该另一激光源装置不具有顶部包覆材料。
图3图示了波导的表示，该波导可以用作根据本发明的第一实施方式的激光源装置的一部分。
图4图示了另一波导的表示，该另一波导可以用作根据本发明的第二实施方式的激光源装置的一部分。
图5图示了又一波导的表示，该又一波导可以用作根据本发明的实施方式的激光源装置的一部分。
具体实施方式
为了促进对本发明原理的理解，现在将参考附图中所例示的实施方式，并使用具体语言来描述它们。然而，应理解的是，并不因此意在对本发明的范围进行限制。对于本领域的技术人员来说，所例示的系统中的这种改变和进一步修改以及本发明原理的这种进一步应用通常将被理解为在本发明的范围内。
本领域的技术人员将理解的是，上述的一般描述和以下的详细描述是对本发明的示例和解释，并不意在对其进行限制。
术语“包括”、“包含”或其任何其他变型意在涵盖一种非排他性的包含，使得包括一系列步骤的过程或方法并不仅包括这些步骤，而是可能包括未明确列出的其他步骤或者过程或方法所固有的其他步骤。类似地，在没有更多限制的情况下，在一个或更多个子系统或元件或结构或部件前面带有“包括”并不排除其他子系统、元件、结构、部件、附加子系统、附加元件、附加结构或附加部件的存在。贯穿本说明书出现的短语“在实施方式中”、“在另一实施方式中”以及类似语言可以但不一定都是指相同的实施方式。
除非另有限定，本文中使用的所有技术术语和科学术语的含义与本发明所属领域的技术人员普遍理解的含义相同。本文中提供的系统、方法和示例是仅例示性的，并不意在是限制性的。
图1示出了根据本发明的第一实施方式的激光装置。该激光装置包括泵浦激光系统、组合器8以及非线性频率生成模块。泵浦激光系统示出了两个激光二极管6、7，该两个激光二极管生成了光束b、r。光束的波长在可见光谱范围内，该可见光谱的波长在380nm至740nm的范围内。组合器8允许光束b、r进一步通过，并且当光束b、r穿过组合器8时，组合器对光束进行组合并且将经组合的光束导向非线性频率生成模块。此外，非线性频率生成模块允许经组合的光束b、r穿过该非线性频率生成模块，并且当经组合的光束穿过时，非线性频率生成模块利用和频生成的非线性光学现象来提供UVC光束s。UVC光束s的波长范围可以在190nm至240nm之间。同时，当经组合的光束b、r进入非线性频率发生模块时，部分光束被转换成UVC光束s，以及其余未转换部分的光束b、r与UVC光束s一起移动离开非线性频率发生模块。在替代性实施方式中，仅UVC光束s离开非线性频率发生模块，而光束b、r要么在装置内被重新使用以便获得较大的转换效率，要么被阻挡。
值得注意的是，在一种实施方式中，泵浦激光系统中可以有一个或两个以上的激光二极管。
在一种实施方式中，组合器8是光子集成电路(PIC)。该PIC可以用氮化硅、或氮化铝、或在相关波长范围内透明的可用材料制作。PIC有利于光学模式的匹配并将其引导到非线性波导中。
非线性频率生成模块包括二阶非线性晶体3。二阶非线性晶体3呈波导的几何形状。二阶非线性晶体3允许对经组合的光束利用和频生成的非线性光学现象，以生成UVC光束。
二阶非线性晶体3是由至少在部分UVC和部分可见光谱中透明的材料制成。在替代性实施方式中，二阶非线性晶体3的材料仅对UVC光谱透明。
二阶非线性晶体3可以由硼酸钡(BBO)、硼酸铯锂(CLBO)、硼酸锂(LBO)、磷酸二氘钾(KDP)、磷酸二氘钾(DKDP)、磷酸二氢铵(ADP)、硼氧钙钇(YCOB)或氟硼铍钾(KBBF)、或其组合制成。所有这些晶体在UVC下都是透明的，并且因此将有助于提高转换效率。此外，所有提到的晶体都保留了二阶极化率(susceptibility)，允许它们被用于本发明中所见的二次谐波生成(SHG)和SFG等过程。
非线性频率生成模块包括在二阶非线性晶体3的顶部上以及二阶非线性晶体3的底部上的包覆材料1、4。相对于二阶非线性晶体3而言，包覆材料具有较低的折射率。包覆材料1、4可以由氟化钙、氟化镁或其组合中的至少一种构成。包覆材料1、4用于形成较大的折射率反差，从而提供了对二阶非线性晶体3中的光的较好限制。在一种实施方式中，可以不提供包覆材料1、4，或者可以提供顶部包覆材料1或底部包覆材料4中的任一者，然而这样的实施方式将由于对二阶非线性晶体3中的光缺乏限制而产生效率较低的激光源装置。
在二阶非线性晶体3的顶部和/或底部上放置包覆材料1、4的另一好处是包覆材料可以保护非线性波导3，特别是由于这些材料中有几种是高度吸湿的。而所使用的包覆材料诸如氟化钙(CaF2)或氟化镁(MgF2)不是吸湿的，并允许保护非线性波导3。另外，MgF2对于低至120nm的波长是透明的。
非线性频率生成模块还包括具有相对于二阶非线性晶体3而言折射率较低的材料的基底5，并且二阶非线性晶体3耦接至基底5。基底5可以由UV熔融硅石制成。基底有助于制造更鲁棒的装置，既可以在机械上鲁棒，也可以保护二阶非线性晶体免受其周围环境的影响。在一种实施方式中，非线性频率生成模块没有设置基底5。
二阶非线性晶体3被限定为具有特定尺寸的波导，以获得相位匹配和良好的模式重叠。通过在二阶非线性晶体3的任一侧上使用具有较小折射率的材料(诸如包覆材料1、4和基底5)，波导的几何形状允许光通过全内反射被引导。波导的几何形状允许对光进行严格的引导，这意味着可以实现更小的有效模式面积，导致在非线性波导3中的电磁强度更强，以及因此与块状晶体相比，具有更大的转换效率。此外，波导的几何形状允许通过模态相位匹配而远离块体相位匹配角的方式进行相位匹配，从而允许更大的转换效率。
二阶非线性晶体3具有由厚度9、宽度12和深度11限定的肋状波导的几何形状，如图4所示。在该实施方式中，非线性晶体的总宽度10等于整个非线性频率生成模块的宽度13。在另一实施方式中，非线性晶体的总宽度10可以小于整个非线性频率生成模块的宽度13，使得包覆材料1、4可以在整个波导3的长度14上覆盖非线性晶体3。
二阶非线性晶体3可以具有任何其他的波导几何形状，诸如板状波导或脊状波导。在板状波导的情况下，深度11为零。而在脊状波导的情况下，其中，深度11等于总波导厚度9。
图2示出了激光源装置的第二实施方式，该激光源装置不具有作为非线性频率生成模块一部分的上包覆材料。所有其余元件都与图1中的第一实施方式相同。图3示出了第二实施方式的非线性频率生成模块的正面立体图。
图6示出了激光源装置100的另一实施方式的示意图，该激光源装置具有可调谐机构103以对UVC束104的波长进行调谐。可调谐机构可以控制泵浦激光系统101、非线性频率生成模块102、或组合器3。可调谐机构103通过对激光二极管进行调谐以产生针对特定波长的光束波长来控制泵浦激光系统101。可调谐机构103通过对非线性频率生成模块102的相位匹配条件进行调谐来控制该非线性频率生成模块。可调谐机构103控制组合器8以对由组合器8产生的经组合的激光束的波长进行调谐。控制泵浦激光系统101、非线性频率生成模块102或组合器3的一种方式是基于这些部件8、101、102中每一者的温度管理。为此，可调谐机构可以具有温度控制器，该温度控制器对这些部件8、101、102中每一者的温度进行控制。通过改变泵浦二极管激光器的温度，它们的波长会发生位移。二阶非线性晶体的温度也可以被改变，以对相位匹配条件进行调谐。在一种实施方式中，可调谐机构仅可以控制这些部件8、101、102中的一者或两者。激光源装置100还包括激光束生成控制器105，该激光束生成控制器对泵浦激光系统101的激光二极管中的每个激光二极管进行控制，以至少改变激光束b、r的强度、或者对激光二极管进行启用或停用、或者它们的组合。这有助于改变激光束b、r的波长，使得激光束b、r可以具有不同的波长。
UVC光束的波长的位移允许本发明用于光谱学，并且还允许解决UVC中特定波长的光必不可少的问题。
图5示出了设置在非线性频率生成模块中的一个这类可调谐机构，该可调谐机构包括热电冷却元件17、热传导金属基板18以及热敏电阻19。热敏电阻19有助于读取非线性频率生成模块的温度，以及进而当温度达到阈值以上时，温度控制器被触发，以通过使用热传导金属基板18和热电冷却(TEC)元件17来对非线性频率模块的温度进行控制，这有助于从非线性频率模块散热。
需要指出的是，尽管本发明专门用于杀菌消毒，但也可用于医疗诊断、废水处理、气体传感、电信、UV固化以及许多其他方面。
附图标记列表
1.顶部包覆材料
2.脊状
3.非线性波导板/二阶非线性晶体
4.底部包覆材料
5.基底
6.第一二极管激光器泵浦
7.第二二极管激光器泵浦
8.组合器/光子集成电路(PIC)
9.非线性晶体的厚度/高度
10.非线性晶体的总宽度
11.非线性晶体的深度
12.宽度
13.整个非线性频率生成模块的宽度
14.非线性晶体/波导的长度
15.底部包覆的高度
16.顶部包覆的高度
17.热电冷却(TEC)元件
18.热传导金属基板
19.热敏电阻
b、r光束
100 激光源装置
101 泵浦激光系统
102 非线性频率模块
103 可调谐机构
104 UVC束
105 激光束生成控制器。

Claims (17)

1.一种激光源装置(100)，所述激光源装置(100)包括：
-泵浦激光系统，所述泵浦激光系统由一个或更多个激光二极管(6、7)制成，这些激光二极管(6、7)中的每个激光二极管都适于生成一个或更多个光束(b、r)，所述一个或更多个光束(b、r)的波长在具有在380nm至740nm的范围内的波长的可见光谱范围内；
-组合器(8)，所述组合器(8)适于允许来自所述泵浦激光系统的所述光束(b、r)通过，并且对所述光束(b、r)进行组合以及将经组合的光束(b、r)耦合至下一模块；
-非线性频率生成模块，所述非线性频率生成模块适于允许所述光束通过，并且所述非线性频率生成模块适于在所述光束穿过的同时利用和频生成的非线性光学现象来提供UVC光束。
2.根据权利要求1所述的激光源装置(100)，所述激光源装置(100)包括：
-可调谐机构(103)，所述可调谐机构(103)适于至少对由所述泵浦激光系统(101)生成的所述光束的波长进行调谐，或者所述可调谐机构(103)适于对所述非线性频率生成模块(102)中的相位匹配条件进行调谐。
3.根据权利要求1所述的激光源装置(100)，其中，所述可调谐机构(103)包括温度控制器，所述温度控制器适于对所述泵浦激光系统(101)或所述组合器(8)中的至少一者或两者的温度进行控制或者对所述泵浦激光系统(101)和所述组合器(8)的组合的温度进行控制。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光源装置(100)，其中，由所述激光二极管(6、7)中的每个激光二极管所生成的所述光束(b、r)具有不同的波长。
5.根据权利要求4所述的激光源装置(100)，所述激光源装置(100)包括激光束生成控制器(105)，所述激光束生成控制器(105)适于对所述泵浦激光系统(101)的所述激光二极管(6、7)中的每个激光二极管进行控制，以至少改变所述激光束(b、r)的强度、或者对所述激光二极管(6、7)进行启用或停用、或者至少改变所述激光束(b、r)的强度和对所述激光二极管(6、7)进行启用或停用的组合。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光源装置(100)，其中，所述组合器(8)是光子集成电路(PIC)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的激光源装置(100)，其中，所述非线性频率生成模块包括二阶非线性晶体(3)。
8.根据权利要求7所述的激光源装置(100)，其中，所述二阶非线性晶体(3)是至少在部分UVC和部分可见光谱中透明的材料。
9.根据权利要求8所述的激光二极管装置(100)，其中，所述二阶非线性晶体(3)选自于：硼酸钡(BBO)、硼酸铯锂(CLBO)、硼酸锂(LBO)、磷酸二氘钾(KDP)、磷酸二氘钾(DKDP)、磷酸二氢铵(ADP)、硼氧钙钇(YCOB)或氟硼铍钾(KBBF)。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的激光源装置(100)，其中，所述二阶非线性晶体(3)具有肋状波导的几何形状，所述几何形状由厚度(9)、宽度(12)以及深度(11)限定。
11.根据权利要求10所述的激光源装置(100)，其中，所述深度(11)为零。
12.根据权利要求10所述的激光源装置(100)，其中，所述深度(11)等于总波导厚度。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的激光源装置(100)，其中，所述非线性频率生成模块还包括基底(5)，所述基底(5)具有相对于所述二阶非线性晶体(3)而言折射率较低的材料，并且所述二阶非线性晶体(3)耦接至所述基底(5)。
14.根据权利要求13所述的激光源装置(100)，其中，所述基底(5)由UV熔融硅石制成。
15.根据权利要求7至14中任一项所述的激光源装置(100)，其中，所述非线性频率生成模块还包括包覆材料(1、4)，所述包覆材料(1、4)具有相对于所述二阶非线性晶体(3)而言折射率较低的材料，所述包覆材料部分地或完全地包围所述二阶非线性晶体(3)。
16.根据权利要求15所述的激光源装置(100)，其中，所述包覆材料(1、4)由氟化钙、氟化镁、或者氟化钙和氟化镁的组合中的至少一者制成。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的激光源装置(100)，其中，所述UVC光束的波长范围在190nm至240nm之间。
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