CN116544767B - 一种窄束腰的连续波紫外固体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种窄束腰的连续波紫外固体激光器，包括泵浦源、聚焦整形系统、谐振腔输入镜、激光晶体、倍频晶体、倍频输出镜和倍频全反镜，谐振腔输入镜、倍频输出镜和倍频全反镜组成两臂均为近对称共心腔的V型激光谐振腔；泵浦光经过聚焦整形系统和谐振腔输入镜照射到激光晶体产生基频可见激光。经倍频输出镜反射后在倍频晶体处产生第一紫外倍频光，第一紫外倍频光与剩余基频激光被倍频全反镜反射后再次通过倍频晶体，剩余基频可见激光产生第二紫外倍频光，第一紫外倍频光与第二紫外倍频光穿过倍频晶体后经倍频输出镜一起输出腔外。本发明减小了腔模半径，提高了腔内激光功率密度，同时使用大于瑞利距离的长工作介质解决了晶体表面损伤问题。
Description
技术领域
本发明涉及激光与非线性光学技术领域，更具体的说是涉及一种窄束腰的连续波紫外固体激光器。
背景技术
目前，激光二极管泵浦的固体激光器(DPSSL)因体积小、效率高、结构简单、使用寿命长等诸多优点，已成为世界各国的研究热点，并在工业、医疗、通讯、军事等领域获得广泛应用。在众多的DPSSL研究中，紫外激光输出是一个重要方向。
以DPSSL技术为基础，结合非线性光学晶体的倍频、和频等效应，可以将位于近红外、可见波段的基频光变频到紫外甚至深紫外波段，满足不同领域的多种需要，如精密微加工、基因测序、光数据存储、大气探测、发射光谱、拉曼光谱、超高能量分辨率光电子能谱仪、光电子发射显微镜等。根据非线性光学理论，非线性晶体的倍频效率与基频光功率密度有关，基频光功率密度越大，则倍频效率越高，相应地，输出的倍频光功率就越高。通过使用多镜的折叠谐振腔，可以有效缩小谐振腔模式束腰，增大基频光功率密度，是一种提升倍频效率及输出功率的有效方式。虽然如此，极小的腔模束腰会导致激光晶体与倍频晶体的损伤，特别是紫外光波长较短，光子能量大，对倍频晶体表面的损伤尤其严重。
因此现有的连续波紫外固体激光器均采用较大的束腰半径，存在以下问题：(1)谐振腔均采用50μm以上的束腰半径，相应地，从泵浦光到输出光的转换效率有待提高，最大仅为26.1％。(2)无法兼顾高功率与高效率。
因此，如何提供一种高效高功率的窄束腰连续波紫外固体激光器是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种窄束腰的连续波紫外固体激光器，减小了腔模半径，提高了腔内激光功率密度，同时使用大于瑞利距离的长工作介质解决了晶体表面损伤问题，与现有连续波紫外固体激光器相比转换效率更高，输出功率更大，可靠性更高，使用寿命更长。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种窄束腰的连续波紫外固体激光器，包括：泵浦源、聚焦整形系统、谐振腔输入镜、激光晶体、倍频晶体、倍频输出镜和倍频全反镜，其中谐振腔输入镜、倍频输出镜和倍频全反镜组成两臂均为近对称共心腔的V型激光谐振腔，激光晶体和倍频晶体分别置于近对称共心腔的束腰处；
泵浦源发射泵浦光，泵浦光依次经过聚焦整形系统和谐振腔输入镜照射到激光晶体上，激光晶体产生基频可见激光，基频可见激光经倍频输出镜反射后到达倍频晶体，部分基频可见激光在倍频晶体处产生第一紫外倍频光，第一紫外倍频光与剩余基频可见激光被倍频全反镜反射后再次通过倍频晶体，剩余基频可见激光在倍频晶体内产生第二紫外倍频光，第一紫外倍频光与第二紫外倍频光穿过倍频晶体后经倍频输出镜一起输出腔外。
本发明在V型腔的两臂均使用近对称共心腔，减小了腔模半径，提高了腔内激光功率密度及倍频转换效率。
优选地，谐振腔输入镜、倍频输出镜和倍频全反镜均为平凹镜，平凹镜凹面的曲率半径均为50mm，V型激光谐振腔两臂的长度均为99mm。
V型三镜折叠腔的两臂均为长度99mm的近对称共心腔，在维持谐振腔稳定的同时保证激光晶体和倍频晶体所在的谐振腔束腰处具有较小的光斑半径(约30μm)。
优选地，激光晶体和倍频晶体均采用10mm以上的长晶体，长度大于所在束腰位置的瑞利距离。
本发明激光晶体和倍频晶体的长度大于所在束腰位置的瑞利距离，增大了晶体两个端面的光斑面积，有效避免了表面损伤，提升了晶体元件的抗光伤能力及激光器紫外输出功率。
优选地，激光晶体为Pr3+掺杂氟化物晶体，包括但不限于掺镨氟化钇锂晶体Pr3+:YLiF4，掺镨氟化钆锂晶体Pr3+:GdLiF4，或掺镨氟化镥锂晶体Pr3+:LuLiF4，激光晶体两个通光端面均镀有400-800nm增透膜。
优选地，选择Pr3+掺杂氟化物晶体的不同能级跃迁产生不同波长的基频可见激光，当能级跃迁分别为3P1→3H5、3P0→3H6、3P0→3F2、3P0→3F3、3P0→3F4时，对应的基频可见激光波长分别为522nm、610nm、640nm、700nm、720nm，倍频后输出腔外的紫外激光波长分别对应为261nm、305nm、320nm、350nm、360nm。
优选地，当Pr3+掺杂氟化物激光晶体的能级跃迁为3P1→3H5，腔内振荡的基频光波长为522nm，输出腔外的紫外激光波长为261nm时，谐振腔输入镜靠近泵浦源的平面镀以对444nm泵浦光增透的介质膜，靠近V型激光谐振腔的凹面镀以444nm增透、600-800nm增透、522nm高反的介质膜；
倍频输出镜靠近V型激光谐振腔的凹面镀以对261nm增透、522nm高反、600-800nm增透的介质膜，远离V型激光谐振腔的平面镀以200-800nm增透膜；
倍频全反镜靠近V型激光谐振腔的凹面镀以对261nm、522nm高反、600-800nm增透的介质膜，远离V型激光谐振腔的平面镀以600-800nm增透膜。
优选地，倍频晶体为非线性光学晶体，包括但不限于β-BaB2O4、KH2PO4、KD2PO4、NH4H2PO4、CsLiB6O10、K2AlB2O7或KBe2BO3F2，具体的，非线性光学晶体为β-BaB2O4，沿522nm的I类倍频方向加工，切角为θ＝49°，φ＝0°，长度12mm，两通光端面均镀有200-800nm增透膜。
优选地，泵浦源为中心波长444nm的蓝光LD。
优选地，聚焦整形系统包括光斑整形系统和双凸圆形透镜，光斑整形系统将泵浦光整形成近似平行的方形光斑，双凸圆形透镜将方形光斑经谐振腔输入镜聚焦至激光晶体内；
光斑整形系统包括凹平柱形透镜和凸平柱形透镜，其中，凹平柱形透镜焦距为-25mm，凸平柱形透镜焦距为125mm，双凸圆形透镜焦距为60mm。
本发明具有以下优点：
(1)本发明设计了V型激光谐振腔，使整个谐振腔工作在稳定区内，将激光晶体和倍频晶体分别置于近对称共心腔的束腰处，减小了腔模半径，提高了晶体位置的激光功率密度，提升了激光器的转换效率和输出功率。
(2)晶体的表面损伤阈值通常低于体损伤阈值，以往连续波紫外固体激光器中均采用大于50μm的束腰半径，其主要目的就是为了避免晶体表面损伤，使长度小于瑞利距离的晶体始终处于可以安全工作的功率密度范围之内。本发明使用大于束腰瑞利距离的长晶体，扩大了晶体表面光斑面积，降低了晶体表面功率密度，避免了晶体损伤，保证了激光器可以长期稳定工作。
(3)兼顾了高转换效率与高输出功率。
(4)具有尺寸小、重量轻、易调整、稳定性好、寿命长等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为一种窄束腰的连续波紫外固体激光器结构示意图。
图2附图为本发明V型谐振腔内各位置的光斑半径。其中，横坐标为谐振腔内不同位置距离(以谐振腔输入镜为坐标原点，以光束传播路径“谐振腔输入镜→激光晶体→倍频晶体→倍频输出镜→倍频全反镜”为横坐标增加的方向)，纵坐标为束腰半径，M1代表谐振腔输入镜3，M2代表倍频输出镜6，M3代表倍频全反镜7。
图3附图为261nm连续波深紫外固体激光器输出功率特性。
图4附图为激光晶体Pr3+:YLiF4的能级结构图。
其中，1为泵浦源，2为聚焦整形系统，3为谐振腔输入镜，4为激光晶体，5为倍频晶体，6为倍频输出镜，7为倍频全反镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：公开了一种窄束腰的连续波紫外固体激光器，如图1所示，包括：泵浦源1、聚焦整形系统2、谐振腔输入镜3、激光晶体4、倍频晶体5、倍频输出镜6和倍频全反镜7，其中谐振腔输入镜3、倍频输出镜6和倍频全反镜7组成两臂均为近对称共心腔的V型激光谐振腔。
对于增益相对较低的连续波激光腔，设计时首先要保证谐振腔为稳定腔，其次要尽量缩小腔内束腰，以获得更高的光功率密度。为此，本发明将谐振腔输入镜3、倍频输出镜6和倍频全反镜7设计为平凹镜，平凹镜凹面的曲率半径均为50mm，V型激光谐振腔两臂的长度均为99mm，夹角为6°。由激光器理论可知，该谐振腔满足(其中A+D为腔内傍轴光线往返矩阵的迹，即主对角线上两个元素的和)，工作在稳定区内。激光晶体和倍频晶体分别置于谐振腔两臂近对称共心腔的束腰处。由图2所示的理论计算结果可知，两臂束腰位置的光斑半径约为30μm，远小于之前紫外固体激光器所用的最小值50μm，光斑面积仅为后者的36％，从而大大提高了晶体位置的激光功率密度，可以提升激光器的转换效率和输出功率。
泵浦源1选用中心波长为444nm的蓝光LD，最高功率3.5W。
聚焦整形系统2由三个透镜组成，其中焦距为-25mm的凹平柱形透镜和焦距为125mm的凸平柱形透镜组成光束整形系统，另一个焦距为60mm的双凸圆形透镜将整形后的泵浦光经谐振腔输入镜3聚焦至激光晶体4内，焦斑半径约为30μm，与基频光束的束腰半径相匹配。
谐振腔输入镜靠近泵浦源的平面镀以对444nm泵浦光增透的介质膜，靠近谐振腔的凹面镀以444nm增透、600-800nm增透、522nm高反的介质膜，
激光晶体4为Pr3+掺杂氟化物晶体，本实施例具体采用Pr3+:YLF4晶体，所涉及的能级跃迁为Pr3+离子的3P1→3H5，Pr3+离子的掺杂浓度为0.2％，长度为12mm，晶体两通光端面均镀有400-800nm增透膜。
倍频晶体5为非线性光学晶体，本实施例采用β-BaB2O4，切割角度为θ＝49°，φ＝0°，两通光端面均镀有200-800nm增透膜。
激光晶体4和倍频晶体5分别置于近对称共心腔的束腰处，激光晶体4和倍频晶体5的长均采用10mm以上的长晶体，大于所在束腰位置的瑞利距离。
倍频输出镜6靠近V型激光谐振腔的凹面镀有522nm高反射膜(R＝99％)、261nm增透膜(T＝95％)、600-800nm增透膜(用以抑制600-800nm激光波长的振荡)，远离V型激光谐振腔的平面镀有200-800nm增透介质膜。
倍频全反镜7靠近V型激光谐振腔的凹面镀有261nm高反、522nm高反、600-800nm增透的介质膜(用以抑制600-800nm激光波长的振荡)，远离V型激光谐振腔的平面镀有600-800nm增透的介质膜。
泵浦源1发射的泵浦光依次经过聚焦整形系统2、谐振腔输入镜3，照射到激光晶体4上，产生波长为522nm的基频可见激光。522nm的基频可见激光经倍频输出镜6反射后到达倍频晶体5，部分基频可见激光在倍频晶体5处产生波长为261nm的第一紫外倍频光，第一紫外倍频光与剩余基频可见激光被倍频全反镜7反射后再次通过倍频晶体5，剩余基频可见激光在倍频晶体5内产生波长为261nm的第二紫外倍频光，第一紫外倍频光与第二紫外倍频光穿过倍频晶体5后经倍频输出镜6一起输出腔外。
本实施例的使用效果如图3所示，紫外激光的输出功率随泵浦功率的增加而上升，在3.3W的泵浦功率下获得1.2W的稳定输出，光-光转换效率达到36.4％。这里的1.2W是目前所有单管LD泵浦Pr3+掺杂连续波深紫外固体激光器的最高功率，36.4％是目前所有连续波深紫外固体激光器的最高光-光转换效率，本发明兼顾了高转换效率与高输出功率。
实施例2：本实施例将实施例1中V型激光谐振腔应用到Pr3+掺杂氟化物激光晶体的其他能级跃迁。如图4所示，Pr3+:YLF4晶体除了3P1→3H5的能级跃迁之外，还存在多个能级跃迁通道，如3P0→3H6、3P0→3F2、3P0→3F3、3P0→3F4，对应的基频可见激光发射波长分别位于610nm、640nm、700nm、720nm附近。采用与实施例1相同的V型激光谐振腔(腔型、腔长、腔镜类型、腔镜曲率、晶体长度均相同)，选择有利于相应波长倍频的腔镜膜系，非线性光学晶体沿相应波长倍频切向加工，即可实现相应波长的高效倍频，分别获得高效高功率305nm、320nm、350nm、360nm连续波紫外激光输出。
以下具体介绍305nm连续波紫外固体激光器所用的技术参数。采用一个紧凑的V型三镜折叠腔，V型腔的两臂均为近对称共心腔，束腰位置的光斑半径约为30μm。激光器结构如图1所示，该装置包括泵浦源1、聚焦整形系统2、谐振腔输入镜3、激光晶体4、倍频晶体5、倍频输出镜6和倍频全反镜7，其中谐振腔输入镜3、倍频输出镜6和倍频全反镜7组成两臂均为近对称共心腔的V型激光谐振腔。谐振腔输入镜3、倍频输出镜6和倍频全反镜7均为平凹镜，平凹镜凹面的曲率半径均为50mm，V型激光谐振腔两臂的长度均为99mm，夹角为6°，使整个谐振腔工作在稳定区内。
泵浦源1选用中心波长为444nm的蓝光LD，最高功率3.5W。
聚焦整形系统2由三个透镜组成，其中焦距为-25mm的凹平柱形透镜和焦距为125mm的凸平柱形透镜组成光束整形系统，另一个焦距为60mm的双凸圆形透镜将整形后的泵浦光经谐振腔输入镜3聚焦至激光晶体4内，焦斑半径约为30μm，与基频光束的束腰半径相匹配。
谐振腔输入镜靠近泵浦源的平面镀以对444nm泵浦光增透的介质膜，靠近谐振腔的凹面镀以444nm增透、610nm高反、630-800nm增透的介质膜。
激光晶体4是Pr3+:YLF4晶体，Pr3+离子的掺杂浓度为0.2％，长度为12mm，晶体两通光端面均镀有400-800nm增透膜。
倍频晶体5非线性光学晶体，本实施例采用β-BaB2O4，切割角度为θ＝39.7°，φ＝0°，两通光端面均镀有200-800nm增透膜。
倍频输出镜6用于反射610nm激光，其靠近V型激光谐振腔的凹面镀有610nm全反射膜(R＝99％)、305nm增透膜(T＝95％)、630-800nm增透膜(用以抑制630-800nm激光波长的振荡，由于522nm的发射截面远小于610nm，因此在设计610nm激光膜系时可以不考虑对于522nm的抑制)，远离V型激光谐振腔的平面镀有300-800nm增透介质膜。
倍频全反镜7靠近V型激光谐振腔的凹面镀有305、610nm高反、630-800nm增透的介质膜(用以抑制630-800nm激光波长的振荡)，远离V型激光谐振腔的平面镀有630-800nm增透的介质膜。
泵浦源1发射的泵浦光依次经过聚焦整形系统2、谐振腔输入镜3，照射到激光晶体4上，产生波长为610nm的基频可见激光。610nm的基频可见激光经倍频输出镜6反射后到达倍频晶体5，部分基频可见激光在倍频晶体5处产生波长为305nm的第一紫外倍频光，第一紫外倍频光与剩余基频可见激光被倍频全反镜7反射后再次通过倍频晶体5，剩余基频可见激光在倍频晶体5内产生波长为305nm的第二紫外倍频光，第一紫外倍频光与第二紫外倍频光穿过倍频晶体5后经倍频输出镜6一起输出腔外。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种窄束腰的连续波紫外固体激光器，其特征在于，包括：泵浦源、聚焦整形系统、谐振腔输入镜、激光晶体、倍频晶体、倍频输出镜和倍频全反镜，其中谐振腔输入镜、倍频输出镜和倍频全反镜组成两臂均为近对称共心腔的V型激光谐振腔，激光晶体和倍频晶体分别置于近对称共心腔的束腰处；
泵浦源发射泵浦光，泵浦光依次经过聚焦整形系统和谐振腔输入镜照射到激光晶体上，激光晶体产生基频可见激光，基频可见激光经倍频输出镜反射后到达倍频晶体，部分基频可见激光在倍频晶体处产生第一紫外倍频光，第一紫外倍频光与剩余基频可见激光被倍频全反镜反射后再次通过倍频晶体，剩余基频可见激光在倍频晶体内产生第二紫外倍频光，第一紫外倍频光与第二紫外倍频光穿过倍频晶体后经倍频输出镜一起输出腔外；
谐振腔输入镜、倍频输出镜和倍频全反镜均为平凹镜，平凹镜凹面的曲率半径均为50mm，V型激光谐振腔两臂的长度均为99mm；
激光晶体和倍频晶体均采用10mm以上的长晶体，长度大于所在束腰位置的瑞利距离。
2.根据权利要求1所述的一种窄束腰的连续波紫外固体激光器，其特征在于，激光晶体为Pr3+掺杂氟化物晶体，包括但不限于掺镨氟化钇锂晶体Pr3+:YLiF4，掺镨氟化钆锂晶体Pr3 +:GdLiF4，或掺镨氟化镥锂晶体Pr3+:LuLiF4。
3.根据权利要求2所述的一种窄束腰的连续波紫外固体激光器，其特征在于，选择Pr3+掺杂氟化物晶体的不同能级跃迁产生不同波长的基频可见激光当能级跃迁分别为3P1→3H5、3P0→3H6、3P0→3F2、3P0→3F3、3P0→3F4时，对应的基频可见激光波长分别为522nm、610nm、640nm、700nm、720nm，倍频后输出腔外的紫外激光波长分别对应为261nm、305nm、320nm、350nm、360nm。
4.根据权利要求3所述的一种窄束腰的连续波紫外固体激光器，其特征在于，当Pr3+掺杂氟化物晶体的能级跃迁为3P1→3H5，腔内振荡的基频可见激光波长为522nm，输出腔外的紫外激光波长为261nm时，谐振腔输入镜靠近泵浦源的平面镀以对444nm泵浦光增透的介质膜，靠近V型激光谐振腔的凹面镀以444nm增透、600-800nm增透、522nm高反的介质膜；
倍频输出镜靠近V型激光谐振腔的凹面镀以对261nm增透、522nm高反、600-800nm增透的介质膜，远离V型激光谐振腔的平面镀以200-800nm增透膜；
倍频全反镜靠近V型激光谐振腔的凹面镀以对261nm高反、522nm高反、600-800nm增透的介质膜，远离V型激光谐振腔的平面镀以600-800nm增透膜。
5.根据权利要求1所述的一种窄束腰的连续波紫外固体激光器，其特征在于，倍频晶体为非线性光学晶体，包括但不限于β-BaB2O4、KH2PO4、KD2PO4、NH4H2PO4、CsLiB6O10、K2AlB2O7或KBe2BO3F2。
6.根据权利要求1所述的一种窄束腰的连续波紫外固体激光器，其特征在于，泵浦源为中心波长444nm的蓝光LD。
7.根据权利要求1所述的一种窄束腰的连续波紫外固体激光器，其特征在于，聚焦整形系统包括光斑整形系统和双凸圆形透镜，光斑整形系统将泵浦光整形成近似平行的方形光斑，双凸圆形透镜将方形光斑经谐振腔输入镜聚焦至激光晶体内；
光斑整形系统包括凹平柱形透镜和凸平柱形透镜。
8.根据权利要求1所述的一种窄束腰的连续波紫外固体激光器，其特征在于，激光晶体两个通光端面均镀有400-800nm增透膜，倍频晶体两个通光端面均镀有200-800nm增透膜。
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| 李瑞宁 等."高输出连续Nd:MgO:LiNbO3自倍频激光器".《中国激光》.1993,第20卷(第7期),486-488页. * |
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