CN116670949A

CN116670949A - 深紫外激光源

Info

Publication number: CN116670949A
Application number: CN202180088190.5A
Authority: CN
Inventors: 潘乔·察内科夫; 亚历克斯·尤西姆
Original assignee: IPG Photonics Corp
Current assignee: IPG Photonics Corp
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2023-08-29
Also published as: EP4272032A1; JP2024502022A; KR20230121778A; WO2022147006A1

Abstract

公开了一种用于生成深紫外(DUV)激光的方法和系统。在一个实施例中，DUV激光系统包括：光纤激光源，被配置为发射脉冲持续时间小于400飞秒(fs)的近红外脉冲基波激光束；非线性晶体组件，包括第一非线性晶体、第二非线性晶体和第三非线性晶体，该非线性晶体组件被配置为转换基波激光束以产生波长在200纳米(nm)至230nm范围内的五次谐波激光束；以及至少一个补偿板，设置在第一非线性晶体、第二非线性晶体和第三非线性晶体中的至少一个非线性晶体之前的至少一个位置中，并且被配置为使得通过至少一个补偿板传输的一对脉冲激光束在第一非线性晶体、第二非线性晶体和第三非线性晶体中的至少一个非线性晶体内在空间上和时间上重叠。

Description

深紫外激光源

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年12月30日提交的题为“DEEP ULTRAVIOLET LASER SOURCE(深紫外激光源)”的美国临时申请序列号63/131,877的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

技术领域总体上涉及激光系统，并且更具体地，涉及能够基于超快光纤激光器来生成深紫外(DUV)波长范围内的激光以用于消毒和灭菌应用的激光系统。

背景技术

消毒和灭菌对于限制病毒和感染在人类之间公共传播是必要的。当病毒或感染是致命的并且没有疫苗或治疗方法时，存在特殊需要。许多这些病毒通过包含病毒或微生物病原体的气溶胶或表面在人与人之间传播。即使化学消毒剂是用于杀死病原体的好方法，也需要使用持续的非化学消毒而不是谨慎消毒来遏制病毒的传播。

紫外(UV)光对于杀死微生物非常有效。遗憾的是，各种波长或波长带的紫外光可以对人体中的正常细胞产生有害影响。这些有害影响可以包括细胞损伤和DNA突变，其有可能导致癌症或其他致命疾病。最近，在紫外线C(UVC)波段内并具有200至230纳米(nm)波长范围的一个紫外光波段由于小于1微米(μm)的非常小的穿透长度而被确定为对人类是安全的。微生物和病毒病原体仍然可以被这种光有效地消灭，但人类细胞却不能。

目前正在开发200至230nm范围内的UV灯和UV发光二极管(UV-LED)以用于杀死病原体。这些非相干光源具有一些缺点。一方面，功率密度随着距源的距离而显著减小，这要求源更靠近消毒区域。这限制了可以使用这些源的应用及其有效性。此外，这些源具有非常短的使用寿命，这导致需要持续更换UV灯或LED。这不仅不方便，而且如果灯或LED性能下降且不再有效，还产生安全问题。

UV激光源具有高功率密度并且光是定向的。可以高速扫描激光源以提供适当的功率密度来消灭病原体。由于其固有的良好光束质量和低光束发散度，因此激光可以有效地传播通过很远的距离，以影响距激光源数十或数百米的表面和体积处的病原体。此外，当实现适当的激光设计时，激光源变得更加坚固，预期寿命也更长。遗憾的是，DUV激光源的使用寿命没有其他波长的激光器长。此外，出于避免损坏组件的目的，还必须考虑特殊预防措施，包括在激光附近使用的材料。存在在UV波长范围内具有吸收性的许多材料，并且这些材料中的一种或多种材料的脱气可能覆盖光学器件，这可以导致激光组件的灾难性损坏。用于解决该问题的一种方法是限制所使用材料的类型并隔离激光晶体光学器件以避免损坏。即使采取预防措施，例如用诸如干燥空气、氮气、氩气或氦气之类的气体进行连续吹扫，这也是极难实现的。

发明内容

各方面和实施例涉及用于生成DUV激光的方法和系统。

根据一个实施例，一种深紫外(DUV)激光系统包括：光纤激光源，被配置为发射近红外基波波长的激光束，基波激光束被配置为具有小于400飞秒(fs)的脉冲持续时间的多个脉冲；非线性晶体组件，包括第一非线性晶体、第二非线性晶体和第三非线性晶体，并被配置为转换基波激光束以产生波长在200纳米(nm)至230nm范围内的五次谐波激光束；以及至少一个补偿板，设置在第一非线性晶体、第二非线性晶体和第三非线性晶体中的至少一个非线性晶体之前的至少一个位置中，并且被配置为使得通过至少一个补偿板传输的一对脉冲激光束在第一非线性晶体、第二非线性晶体和第三非线性晶体中的至少一个非线性晶体内在空间上和时间上重叠。

在一个示例中，DUV激光系统还包括至少一个烘箱，每个烘箱被配置为调整至少一个补偿板的温度。在另一示例中，调整烘箱的温度以补偿一对脉冲激光束之间的时间延迟。在另一示例中，DUV激光系统还包括控制器，该控制器被配置为基于从光纤激光源发射的激光束的强度值来控制温度。

在一个示例中，第一非线性晶体接收基波激光束，并被配置为转换基波激光束以发射二次谐波激光束和基波激光束；第二非线性晶体接收基波激光束和二次谐波激光束，并被配置为执行基波激光束和二次谐波激光束的和频混合以产生三次谐波激光束和二次谐波激光束；以及第三非线性晶体接收二次谐波激光束和三次谐波激光束，并被配置为执行二次谐波光束和三次谐波光束的和频混合以产生五次谐波激光束。

在一个示例中，至少一个补偿板包括设置在第一非线性晶体和第二非线性晶体之间的第一补偿板、以及设置在第二非线性晶体和第三非线性晶体之间的第二补偿板。

在一个示例中，DUV激光系统还包括位于第一补偿器板和第二非线性晶体之间的半波片。

在一个示例中，第二非线性晶体是LBO的I型晶体。

在一个示例中，第二非线性晶体是LBO的II型晶体。

在一个示例中，DUV激光系统还包括位于第二补偿器板和第三非线性晶体之间的半波片。

在一个示例中，第一非线性晶体、第二非线性晶体和第三非线性晶体分别包括LBO、LBO和BBO。

在一个示例中，至少一个补偿板包括设置在第一非线性晶体之前的位置中的第一补偿板、以及设置在第二非线性晶体和第三非线性晶体之间的第二补偿板。

在一个示例中，DUV激光系统还包括设置在第一补偿板之前的位置中的半波片。

在一个示例中，第二非线性晶体是LBO的I型晶体。

在一个示例中，DUV激光系统还包括位于第一非线性晶体上游的至少一个伸缩透镜，其中，至少一个伸缩透镜被配置为使得入射在至少一个伸缩透镜上的光束作为第一直径的光束进入至少一个伸缩透镜并且作为第二直径的光束从至少一个伸缩透镜离开。在另一示例中，至少一个伸缩透镜包括一对伸缩透镜。

在一个示例中，第一非线性晶体被配置为接收基波激光束并转换基波激光束以发射二次谐波激光束和基波激光束，第二非线性晶体被配置为转换二次谐波激光束以产生四次谐波激光束，以及第三非线性晶体被配置为接收基波激光束和四次谐波激光束并执行基波激光束和四次谐波激光束的和频混合以产生五次谐波激光束。

在一个示例中，至少一个补偿板设置在第一非线性晶体和第二非线性晶体之间。

在一个示例中，第一非线性晶体、第二非线性晶体和第三非线性晶体分别包括LBO、BBO和BBO。

在一个示例中，DUV激光系统还包括用于调整非线性晶体组件的非线性晶体的温度的至少一个烘箱。在一个示例中，调整非线性晶体的温度，使得非线性晶体处于最佳温度，在最佳温度下由至少一个非线性晶体的晶体材料进行的非线性多光子吸收被最小化。在另一示例中，至少一个烘箱被配置为加热到10℃至500℃范围内的温度。

在一个示例中，五次谐波激光束具有约206nm的波长。

在一个示例中，基波激光束是宽带激光束。在另一示例中，基波激光束具有至少2.8nm的带宽。

在一个示例中，至少一个补偿板由LBO制成。

在一个示例中，五次谐波激光束具有至少1瓦特(W)的平均输出功率。

在一个示例中，光纤激光源包括被配置用于啁啾脉冲放大的锁模光纤激光器和啁啾脉冲放大器，该啁啾脉冲放大器包括脉冲展宽器和脉冲压缩器。

根据另一实施例，一种用于生成深紫外(DUV)激光的方法包括：在光纤激光源中生成近红外基波波长且脉冲持续时间小于400飞秒(fs)的激光束；引导基波激光束通过非线性晶体组件，该非线性晶体组件包括第一非线性晶体、第二非线性晶体和第三非线性晶体，并被配置为将基波激光束转换为波长在200纳米(nm)至230nm范围内的五次谐波激光束；以及将至少一个补偿板设置在第一非线性晶体、第二非线性晶体和第三非线性晶体中的至少一个非线性晶体之前的至少一个位置中，该至少一个补偿板被配置为使得通过至少一个补偿板传输的一对脉冲激光束在第一非线性晶体、第二非线性晶体和第三非线性晶体中的至少一个非线性晶体内在空间上和时间上重叠。

在一个示例中，该方法还包括将至少一个补偿板定位在烘箱中，该烘箱被配置为调整至少一个补偿板的温度。

在一个示例中，该方法还包括提供烘箱。

在一个示例中，该方法还包括控制烘箱，使得至少一个补偿板的温度补偿一对脉冲激光束之间的时间延迟。

在一个示例中，该方法还包括将半波片设置在非线性晶体组件的第一晶体、第二晶体和第三晶体中的至少一个晶体之前的位置中。

在一个示例中，该方法还包括将一对伸缩透镜设置在第一非线性晶体之前的位置中。

在一个示例中，五次谐波激光束具有206nm的波长和至少1瓦特(W)的平均输出功率。

在一个示例中，该方法还包括提供至少一个补偿板。

在一个示例中，至少一个补偿板由LBO制成。

在一个示例中，该方法还包括提供非线性晶体组件。

在一个示例中，该方法还包括提供光纤激光源，其中，光纤激光源包括被配置用于啁啾脉冲放大的锁模光纤激光器和啁啾脉冲放大器，该啁啾脉冲放大器包括脉冲展宽器和脉冲压缩器。

在一个示例中，该方法还包括将第一非线性晶体、第二非线性晶体和第三非线性晶体中的至少一个非线性晶体定位在烘箱中，该烘箱被配置为调整至少一个非线性晶体的温度。

在一个示例中，该方法还包括控制烘箱，使得至少一个非线性晶体的温度处于最佳温度，在最佳温度下由至少一个非线性晶体的晶体材料进行的非线性多光子吸收被最小化。

在一个示例中，该方法还包括控制烘箱以加热到10℃至500℃范

围内的温度。

在一个示例中，该方法还包括用五次谐波激光束照射微生物病原体或病毒病原体中的至少一种。

根据另一实施例，一种深紫外(DUV)激光系统，包括：光纤激光源，被配置为发射近红外基波波长的激光束，其中，基波激光束是宽带激光束，并被配置为具有小于400飞秒(fs)的脉冲持续时间的多个脉冲；以及非线性晶体组件，包括第一非线性晶体、第二非线性晶体和第三非线性晶体，并被配置为转换基波激光束以产生波长在200纳米(nm)至230nm范围内的五次谐波激光束。

在一个示例中，基波激光束具有至少2.8nm的带宽。

在一个示例中，五次谐波激光束具有约206nm的波长。

下面详细讨论另外的其他方面、实施例以及这些示例方面和实施例的优点。此外，应当理解，前述信息和下面的详细描述仅是各个方面和实施例的说明性示例，并且旨在提供用于理解所要求保护的方面和实施例的性质和特征的概述或框架。本文公开的实施例可以与其他实施例组合，并且对“实施例”、“示例”、“一些实施例”、“一些示例”、“替代实施例”、“各种实施例”、“一个实施例”、“至少一个实施例”、“该实施例和其他实施例”、“某些实施例”等的引用不一定是相互排斥的，并且旨在指示所描述的特定特征、结构或特性可以包括在至少一个实施例中。本文中这些术语的出现不一定都指代相同的实施例。

附图说明

下面参考附图讨论至少一个实施例的各个方面，这些附图并不旨在按比例绘制。该附图被包括以提供对各个方面和实施例的说明和进一步理解，并且被并入并构成本说明书的一部分，但不旨在作为对任何特定实施例的限制的定义。附图与说明书的其余部分一起用于说明所描述和要求保护的方面和实施例的原理和操作。在附图中，各个图中所示的每个相同或几乎相同的组件由相同的数字表示。为清楚起见，并非每个部件都可以在每个附图中被标记。在附图中：

图1是根据本发明的方面的DUV激光系统的一个示例的框图；

图2是根据本发明的方面的DUV激光系统的另一示例的框图；

图3a是根据本发明的方面的使用三次谐波生成的DUV激光系统的第一示例的框图；

图3b是根据本发明的方面的使用三次谐波生成的DUV激光系统的第二示例的框图；

图3c是根据本发明的方面的使用三次谐波生成的DUV激光系统的第三示例的框图；

图4是根据本发明的方面的使用四次谐波生成的DUV激光系统的一个示例的框图；

图5是根据本发明的至少一个方面的激光源的一个示例的框图；

图6是根据本发明的至少一个方面的激光源的另一示例的框图；

图7是根据本发明的方面的在放大器中使用的有源光纤的示意性表示；

图8是根据本发明的方面的被动锁模光纤激光源的一个示例的示意性表示；

图9是示出了根据本发明的各个方面进行的实验的参数和结果的表；

图10a是示出了根据本发明的各个方面进行的另一实验的参数和结果的表；

图10b是示出了根据图10a的表进行的实验的另一部分的参数和结果的表；以及

图11是根据本发明的方面的DUV激光系统的又一示例的框图。

具体实施方式

解决由DUV激光源引起的有限使用寿命和材料吸收问题的一种方法是使用超快光脉冲来实现。本文描述的是一种实现超快光脉冲的DUV激光系统，该超快光脉冲减轻了前述退化机制，并且该DUV激光系统在不需要极其清洁的环境的情况下展现出长寿命。如下面进一步详细讨论的，在一个示例中，DUV激光系统输出小于400飞秒(fs)的激光脉冲并且具有长寿命。

包括具有小于400fs的脉冲持续时间的超快激光器在内的配置受到限制。掺钛蓝宝石(Ti:蓝宝石)是一个选项，因为它具有足够的带宽来产生比400fs短得多的脉冲。然而，这些激光器遭受阻碍它们在消毒和灭菌应用中使用的各种缺点，例如不够坚固、尺寸大、以及无法产生足够高的平均输出功率。已经使用盘式激光器展示了以200至230nm的波长范围进行输出的具有皮秒(ps)脉冲持续时间的DUV激光器。然而，这种激光器的带宽将脉冲持续时间限制为皮秒，这对于自清洁效果并不是最佳的。

作为备选方案，基于掺镱(Yb)光纤的超快光纤激光器拥有足够的带宽来支持短于400fs的脉冲。光纤激光器是非常坚固、紧凑、高功率、高效的激光器，并且向消毒和灭菌应用提供了理想的解决方案。这些激光器可以使用非线性光学(NLO)晶体，经由通过将基波波长与二次谐波波长进行混合的三次谐波生成，将频率下转换至343nm。本文公开的系统和方法展示了波长为206nm的具有良好寿命和效率的高平均功率飞秒光纤激光器。

除了消毒和灭菌之外，所公开的激光源的另一可能应用包括眼科手术。用于该应用的常规激光器包括准分子激光器或超快IR激光器，它们具有光束质量差和平均功率要求高的固有缺点。由于眼睛可以承受的热量有限，这些缺点限制了过程的持续时间。由本文描述的激光器展现的206nm的超快DUV脉冲具有以低得多的平均功率执行这种手术操作的能力，这大大提高了眼科手术过程的速度，并且还可以潜在地提高质量。

类似地，所公开的激光器在用于其他应用(例如，对诸如智能电话和其他显示器玻璃和蓝宝石的高透明材料进行微加工)时可以显著提高质量和生产速度。所公开的激光器还可以在诸如后光刻处理的晶片检查应用中实现，在该晶片检查应用中，短波长可以有利于硅晶片的非常小的缺陷的快速定位。

如下面更详细说明的，提供了一种包括光纤激光源的激光系统，该光纤激光源输出具有小于400fs(包括400fs)的持续时间的近红外(例如，1030nm)光脉冲。根据一个实施例，光纤激光源输出具有约300fs的持续时间的脉冲，并且在其他实施例中，输出具有约200fs的持续时间的脉冲。使用第一非线性晶体(即SHG，例如三硼酸锂(LBO))将光脉冲频率转换为二次谐波。小于210nm的波长的五次谐波生成包括两种不同的方法。第一种方法涉及通过在第二非线性晶体(即，THG)中对二次谐波和基波波长辐射进行和频混合来生成三次谐波。然后通过在第三非线性晶体中对二次谐波和三次谐波进行混合来生成五次谐波。在第二种方法中，二次谐波在第二非线性晶体中被倍频以生成四次谐波。然后在第三非线性晶体中将四次谐波与基波进行混合以生成五次谐波。

根据一些实施例，上面讨论的方法中的一种或多种方法可以包括使用一个或多个时间延迟补偿(TDC)晶体(本文中也被称为“补偿板”或“TDC板”)以改进各个频率转换NLO晶体内混合频率的光脉冲的空间和时间重叠。如将理解的，实现NLO晶体中脉冲的最佳重叠(在空间和时间两者上)导致较高的转换效率。此外，在不使用TDC晶体的情况下，必须用由分束器和反射镜组成的延迟线来校正脉冲之间的时间延迟以实现相同的效果，在延迟线中，频率将必须在空间上拆分、延迟并随后再次重新组合。该后一种方法具有若干个缺点，包括增加整体尺寸和所需光学器件的数量，并且反射镜和分束器带来大的损耗。常规延迟线系统的反射镜和分束器也难以对准并且很敏感。通常，例如，通过增加光束指向不稳定性的影响，常规延迟线技术降低了系统的整体可靠性和脉冲到脉冲能量稳定性。

现在参考附图，图1是示出了总体上被指示为100的DUV激光系统的实施例的框图，该DUV激光系统包括：激光源110(本文中也被称为“泵浦激光器”和“光纤激光源”)，其被配置为发射脉冲持续时间小于400fs的近红外基波波长的激光束102；非线性晶体组件120，其包括第一非线性晶体122(本文中也被称为二次谐波生成(SHG)晶体)、第二非线性晶体124和第三非线性晶体126(本文中也被称为五次谐波生成(FiHG)晶体)，该非线性晶体组件120被配置为产生波长在200nm至230nm范围内的五次谐波激光束；以及至少一个补偿板130。如下面更详细描述的，至少一个补偿板130设置在第一非线性晶体122、第二非线性晶体124和第三非线性晶体126中的至少一个非线性晶体之前的至少一个位置中，并且被配置为使得通过至少一个补偿板传输的一对脉冲激光束在第一非线性晶体122、第二非线性晶体124和第三非线性晶体126中的至少一个非线性晶体内在空间上和时间上重叠。

如前所述，根据至少一个实施例，DUV激光发射是经由三次谐波生成实现的。现在参考图3a至图3c，示出了DUV激光系统300a、300b和300c的三个单独示例的框图，每个DUV激光系统使用三次谐波生成来生成五次谐波DUV激光发射。在每个实例中，第一非线性晶体122接收基波激光束102，并转换基波激光束102以发射二次谐波激光束304和基波激光束102；第二非线性晶体124接收基波激光束102和二次谐波激光束304，并执行基波激光束102和二次谐波激光束304的和频混合以产生三次谐波激光束306和二次谐波激光束304；以及第三非线性晶体126接收二次谐波激光束304和三次谐波激光束306，并执行二次谐波激光束304和三次谐波激光束306的和频混合以产生五次谐波激光束105。

现在参考图3a，根据一个实施例，DUV激光系统300a具有第一补偿板330a和第二补偿板330b。第一补偿板330a设置在第一非线性晶体122和第二非线性晶体124之间，并且第二补偿板330b设置在第二非线性晶体124和第三非线性晶体126之间。

如上所述，补偿板130用于改进各个频率转换NLO晶体内混合频率的光脉冲的空间和时间重叠。如将理解的，光学非线性过程的转换率或效率由NLO中的该空间和时间重叠(即，最佳相互作用)来决定。这对于超短脉冲(例如，小于1ps)来说是特殊问题，其中，在NLO中一个光束的脉冲的一部分与其他光束的脉冲的一部分重叠。非线性晶体中的时间走离是由折射率对波长的依赖性(即，色散)引起的。如果两个不同波长或偏振的超短脉冲通过色散介质，则脉冲会在时间上分开。与真空中的传播相比，具有不同波长和/或偏振的激光脉冲的不同群速度导致不同的时间延迟，因此导致非线性晶体中脉冲的非最佳时间重叠。非线性晶体中的空间走离是由晶体的双折射特性引起的，其中走离是由能量流的方向(即，坡印廷(Poynting)矢量的方向)与波矢量k的方向的差异引起的。在晶体的端部，两个激光束分开的距离称为空间走离角。空间走离和时间走离两者实际上缩短了NLO内的激光束之间的相互作用长度，这对转换效率产生不利影响。

在图3a所示的示例DUV激光系统300a中，第一非线性晶体122在离开第一非线性晶体122的基波激光束102与二次谐波激光束304之间产生空间和时间走离，其由第一补偿板330a补偿。第二非线性晶体124还在离开第二非线性晶体124的二次谐波激光束304与三次谐波激光束306之间产生空间和时间走离，其由第二补偿板330b补偿。

补偿板130沿不同的轴具有不同的折射率。例如，对于双轴晶体，针对三个轴中的每个轴的折射率都不同，并且对于单轴晶体，折射率仅沿两个轴不同。补偿板130通过有效地实现感兴趣的两个脉冲激光束的不同群传播速度来补偿NLO内的时间失配。通过经由空间走离将光束之一移离光束传播轴来解决空间失配。实际上，补偿板130被配置(例如，切割和定向并具有特定的长度/厚度)为使得异常光束以与位于补偿板130下游的非线性晶体(122、124或126)的角度相反的角度走离。晶体被配置为使得普通波不被位移而异常波被位移。位移量取决于晶体的长度。

根据至少一个实施例，补偿板130由双折射材料制成，双折射材料的非限制性示例包括LBO。由发明人执行的实验发现：使用合适类型的双折射材料作为TDC晶体对于长期性能非常重要。当使用LBO晶体作为TDC材料时，与所使用的其他材料相比，发现它可以抑制长期损坏。当使用其他材料时，会给后续光学部件带来各种光学损坏，这导致系统的可靠性降低。实验结果还指示，使用LBO作为TDC材料提供了所公开的DUV系统和方法的正确操作所需的高时间动态范围。根据至少一个实施例，用作TDC晶体的LBO沿其光学z轴被切割。如下面进一步详细讨论的，发现沿其z轴切割的LBO展现出最高的时间动态范围以及最低的吸收和热点形成。

图2中示出了DUV激光系统200的另一示例的框图。DUV激光系统200与图1所示的DUV激光系统类似，即它也包括：激光源110；包括第一非线性晶体122、第二非线性晶体124和第三非线性晶体126的非线性晶体组件120，被配置为产生五次谐波激光束105；以及至少一补偿板130。此外，DUV激光系统200也包括根据本发明的另一方面的半波片235，其与补偿板130结合使用。图3a的激光系统300a实现了半波片335的使用，该半波片335位于第一补偿板330a和第二非线性晶体124之间。在该实施例中，第二非线性晶体124是I型非线性晶体，其非限制性示例包括LBO。在I型相位匹配中，基波102和二次谐波304彼此垂直极化。半波片235的添加确保了两个激光束在非线性晶体中沿相同方向偏振。

图3b是经由三次谐波生成来生成五次谐波DUV激光发射的DUV激光系统300b的另一示例的框图。DUV激光系统300b包括设置在第一非线性晶体122之前的位置中的第一补偿板330a、以及设置在第二非线性晶体124和第三非线性晶体126之间的第二补偿板330b。这些中的后者以与上面参考图3a讨论的第二补偿板330b类似的方式起作用。

DUV激光系统300b还包括设置在第一补偿板330a之前的位置中的半波片335。在该配置中，半波片335和TDC晶体330a都位于SHG晶体122的上游，以便引入基波频率102下的两个正交偏振，该两个正交偏振基于TDC晶体330a设计来彼此适当地延迟，使得未转换的基波频率可以与已经频率转换的信号进行混合。作为示例，在THG晶体124中，(从一个偏振中的基波频率之一生成的)SHG信号304与基波频率(其尚未被频率转换)进行混合。类似的配置可以应用于其他谐波生成。引入两个极化和工程时间延迟的益处在于，使用尚未经历频率转换的基波频率提供了频率转换效率的改进。此外，由于迟滞和时间延迟可以在低得多的强度下执行，该设计提供了附加的优化自由度和更高的可靠性。根据另一方面，第二非线性晶体124是I型非线性晶体。

根据与使用三次谐波生成来生成五次谐波DUV激光发射相关的另一示例，图3c中示出了DUV激光系统300c的框图。在该示例中，第一补偿板330a设置在第一非线性晶体122和第二非线性晶体124之间，并且第二补偿板330b设置在第二非线性晶体124和第三非线性晶体126之间。根据一个实施例，第二非线性晶体124是II型非线性晶体，例如II型LBO。与使用I型非线性晶体相关联的优点包括更高的转换效率，因为它们展现出更大的非线性和更宽的光谱接受能力。II型非线性晶体可以用于光束必须紧密聚焦在非线性晶体中的实例，因为它们具有I型非线性晶体约三倍大的接受角和比I型非线性晶体少约两倍的空间走离。然而，非线性d_eff比I型低～30％。第一补偿板330a的功能类似于上面参考图3a描述的功能。从图3c中可以看出，该示例配置还包括使用半波片335。

根据一个实施例，图3a至图3c的DUV激光系统300a至300c的第一非线性晶体122、第二非线性晶体124和第三非线性晶体126分别包括LBO、LBO和硼酸钡(BBO)。然而，应当理解，其他非线性晶体材料也在本公开的范围内。

现在返回到图2，根据至少一个实施例，DUV激光系统还可以包括至少一个烘箱(oven)240，其中每个烘箱240被配置为调整至少一个补偿板130的温度。根据该实施例，调制TDC晶体130的温度以调谐双折射材料中的时间延迟，即，调整烘箱的温度以补偿非线性晶体中下游引入的一对脉冲激光束之间的时间延迟。TDC随激光条件(诸如功率和强度水平)而变化。这是由于I型SHG中群速度失配的强度依赖性的性质

当激光条件改变时，通过加热晶体进行主动动态补偿是至关重要的。为此，控制器250被实现为控制烘箱240的一个或多个操作参数(例如，烘箱温度)。根据至少一个实施例，控制器250被配置为基于从激光源110发射的激光束102的强度值来控制烘箱240的温度。在一个实施例中，烘箱240被加热到至少400℃的温度，并且在一些实例中，烘箱被加热到约500℃。根据一些实施例，烘箱240可被加热到10℃至500℃范围内的温度。发明人已经发现：这种宽温度范围允许任何一对脉冲激光束的短脉冲之间的时间延迟的更大可调范围。

根据一个方面，可以执行校准例程以确定容纳TDC板130的烘箱240的温度。这可以通过测量基于(补偿板130的)温度和强度/功率的时间延迟来实现。例如，对于激光源110和发射的基波光束102的给定功率，烘箱245的温度可以增加到时间和空间延迟被最小化(即，实现最大DUV输出功率)的点。在需要无法经由TDC板130的温度实现的附加补偿的实例中，可以通过将TDC板改变为更厚或更薄的板来增加(或减小)TDC板的厚度，以实现最佳输出功率。

在某些实施例中，DUV激光系统200还可以包括位于第一非线性晶体122上游的至少一个伸缩透镜237。伸缩透镜237用于调整入射到伸缩透镜237上的光束的光束尺寸。例如，入射到伸缩透镜237上的光束作为第一直径的光束进入伸缩透镜237，并且作为第二直径的光束离开伸缩透镜237。从图3a至图3c中可以看出，在一些实施例中，至少一个伸缩透镜包括一对伸缩透镜337。在一个实施例中，使用由氟化镁(MgF₂)材料组成的伸缩透镜来改变光束尺寸，发明人发现这可以优化输出功率和转换效率并极大提高了系统的可靠性。可以增加或减少光束尺寸以实现最佳直径，使得在不饱和的情况下实现良好的转换效率。由于与其他广泛使用的光学材料相比，MgF₂中的光学非线性要低得多，因此高峰值功率脉冲不产生热点，热点通常损坏位于伸缩透镜下游的部件，例如非线性晶体组件120的非线性晶体。该设计方面提高了所公开的DUV激光器的寿命。

一个或两个伸缩透镜237还可以具有另一功能。根据另一方面，一个或多个透镜用于形成具有足够长的瑞利长度的束腰，使得光束在扩展的范围内保持相同的直径。这有助于确保THG和FiHG晶体中具有不同波长的两个光束之间的良好光束特性和空间重叠。

图4是经由四次谐波生成来生成五次谐波DUV激光发射的DUV激光系统400的一个示例的框图。具体地，五次谐波DUV激光发射是经由在第二非线性晶体124中生成四次谐波来实现的。第一非线性晶体122接收基波激光束102并转换基波激光束102以发射二次谐波激光束304和基波激光束102，如上所述。第二非线性晶体124转换二次谐波激光束304以产生四次谐波激光束408。第三非线性晶体126接收基波激光束102和四次谐波激光束408，并执行基波激光束102和四次谐波激光束408的和频混合以产生五次谐波激光束105。第一补偿板330a设置在第一非线性晶体122和第二非线性晶体124之间。在一个实施例中，第一非线性晶体、第二非线性晶体和第三非线性晶体分别包括LBO、BBO和BBO。

现在返回到图2，在一些实施例中，DUV激光系统200还包括用于调整非线性晶体组件120的非线性晶体的温度的至少一个烘箱245。例如，第一非线性晶体122、第二非线性晶体124和第三非线性晶体126中的每个非线性晶体可以容纳在相应的烘箱245a、245b和245c中。如将理解的，非线性晶体可以位于温度受控烘箱(例如，通过控制器250)内以允许热调谐，这进而增强了转换效率并导致更高的平均输出功率。根据一个实施例，烘箱245将非线性晶体(例如，122、124和/或126)的温度调整到最佳或目标温度，使得由非线性晶体的材料进行的非线性多光子吸收被最小化或以其他方式减少。例如，在操作期间NLO的较高温度(例如，高于200℃的温度(包括400℃、450℃、500℃)不对NLO的功能产生不利影响)减少双光子吸收。根据一个实施例，烘箱245被配置为被加热到至少200℃(包括200℃)的温度，并且在另一实施例中，烘箱245被配置为被加热到10℃至500℃范围内的温度。双光子吸收将降低FiHG晶体126以及在一些实例中THG晶体的转换效率和寿命两者。如将理解的，烘箱245的操作参数可以由控制器250来控制。例如，控制器250可以提高烘箱245的温度——导致NLO晶体的提高的转换效率和可靠性。

激光源110被配置为光纤激光源。根据至少一个实施例，由激光源110发射的基波激光束102的波长处于近红外，例如750至1400nm，并且在一些实施例中在1μm波长范围内发射。例如，基波激光束102的波长可以在1030nm至1080nm的范围内，并且在一个实施例中，基波波长为1030nm。根据一个实施例，基波激光束102是宽带激光束，并且在某些实施例中具有至少2.8nm的带宽，并且在某些其他实施例中高达16nm。发明人发现，使用这种宽带源增强了DUV系统的长期可靠性。

根据至少一个实施例，激光源110被配置为使得基波激光束102的脉冲具有至少50瓦特的平均功率，并且在一些情况下具有至少60瓦特的平均功率。取决于应用，激光源110还可以被配置为输出平均功率小于50瓦特(例如，5至10瓦特、10至20瓦特、20至30瓦特、30至40瓦特)的基波激光束102。在一些实例中，基波激光束102的峰值功率可以是兆瓦(MW)数量级，一个示例是1至1000兆瓦(MW)。在其他实施例中，基波激光束102的峰值功率为吉瓦(GW)数量级。

根据各个方面，非线性晶体组件120的非线性晶体122、124、126的总转换效率可以为约5％的数量级，并且在其他实施例中为约2％的数量级。例如，对于来自激光源110的1030nm和40W的输出，来自DUV激光束105的平均输出功率可以为约800毫瓦(mW)。对于SHG晶体122，转换效率可以高达80％，其中一些实施例具有约50％的转换效率。对于图3a至图3c的THG晶体124，转换效率可以高达40％，并且在一些实施例中为约35％，并且在其他实施例中在20至35％的范围内。在一些实施例中，THG晶体可以被配置为必须具有允许最佳FiHG转换的转换效率，其可以不是THG晶体的最大效率值。对于FiHG，转换效率为约5％，并且在一些实施例中为约2％，并且在其他实施例中为约1％。

DUV激光束105的波长在200至230nm的范围内，并且在一些实例中在206至216nm(包括206nm和216nm)的范围内，并且根据至少一个实施例，DUV激光束105为约206nm，其中更短波长也在本公开的范围内。在某些实施例中，五次谐波激光束105具有至少1瓦特(W)、至少2W的平均输出功率，并且可以在几百mW(例如，至少100mW、至少200mW)至5W的范围内。更高的功率也在本公开的范围内。由于待消毒的一些材料将能够处理更高的空间功率密度(和更短的所需暴露时间)，而其他材料需要更低的空间功率密度(和更长的暴露时间)，因此输出功率可以通过应用定制或以其他方式决定。

在一个实施例中，如本文所描述的DUV激光源的寿命的特征在于具有至少1000小时的寿命。更长的寿命也在本公开的范围内。应当理解，DUV激光系统的绝对寿命可以取决于应用以及特定部件(例如，平均功率输出、光纤类型等)而变化。术语“寿命”是指DUV激光系统的输出功率和/或其他特性保持在或接近其标称值(例如，系统的额定功率)的百分比的时间。

尽管到目前为止描述的所公开的DUV激光系统的示例已经包括至少一个补偿板130，但DUV系统不包括补偿板130的实施例也在本公开的范围内，并且事实上发明人发现：对于某些应用，在不使用补偿板的情况下实现了充分的DUV转换。图11中示出了这种系统1100的示例，该系统1100几乎与图1的DUV系统100相同，但没有补偿板130。DUV激光系统1100包括如上所述的激光源110和非线性晶体组件120。此外，系统1100可以包括用于调整非线性晶体组件120的非线性晶体的温度的至少一个烘箱245，如先前参考图2的DUV系统200所描述的。应当理解，上述其他特征(例如，一个或多个伸缩透镜、控制器)也可以被包括在系统1100中。

激光源

在某些实施例中，激光源110包括被配置用于啁啾脉冲放大(CPA)的锁模光纤激光器和啁啾脉冲放大器，该啁啾脉冲放大器包括脉冲展宽器和脉冲压缩器。这种系统对于产生具有高和超高脉冲重复率和无损伤诱导峰值功率同时仍具有高平均功率的激光是有用的。由于在光脉冲传播通过光学部件/材料时引入的光学非线性，超快脉冲(例如，短于20ps和短至几fs)展现出增加的脉冲失真。脉冲开始劣化并改变形状和/或形成前脉冲或后脉冲，这最终增加时间包络的总持续时间。这是问题，因为许多应用需要具有高峰值功率和高脉冲能量的超短脉冲，而无需任何时间基座。时间基座可以由通过光学部件或通过强度相关光学非线性引入的高阶色散来创建，这通常是自相位调制(SPM)。

提取更多脉冲能量并提高SPM的阈值的一种流行方法是通过CPA。在该技术中，通过以线性方式调整光谱包络内每个纵模的相位来在时间上展宽脉冲。体光栅、棱镜、光纤、啁啾光纤布拉格光栅或啁啾体布拉格光栅可以用于通过引入此色散来展宽脉冲。然后可以通过增益材料来放大脉冲，从而在达到诱发SPM的峰值功率之前获得较高的脉冲能量。最后，利用匹配色散元件来压缩脉冲，以将脉冲重新压缩回皮秒或飞秒脉冲持续时间，从而实现所需的脉冲能量和超短脉冲。

图5中示出了总体上被指示为510的这种系统的一个非限制性示例，其也在由申请人共同拥有的美国专利申请No.16/496,828中进行了描述，该申请的内容通过引用完全并入本文，并且该申请在本文中被称为'828申请。如图5所示，激光源510包括主振荡器512(其在一些实例中可以是锁模激光源，下面参考图8描述了锁模激光源的一个示例)和啁啾脉冲放大器，该啁啾脉冲放大器包括脉冲展宽器516和脉冲压缩器518。来自主振荡器512的输入激光脉冲使用脉冲展宽器516在时间上进行展宽，在包括光纤功率放大器515b和可选的前置放大器515a的放大级中被放大，并使用脉冲压缩器518来进行压缩。

如将理解的，脉冲的时间展宽和压缩基于将脉冲中的不同波长延迟不同的时间量。在展宽器516中，短波长脉冲可以相对于长波长脉冲被延迟，反之亦然，并且在压缩器518中，该效果再次被消除。体光栅、棱镜、光纤、光纤布拉格光栅(FBG)、啁啾光纤布拉格光栅(CFBG)或啁啾体布拉格光栅(CVBG)是用于展宽脉冲的强色散元件的示例。脉冲展宽器516被配置为展宽脉冲持续时间以产生具有降低的峰值功率的展宽脉冲。在一些实施例中，脉冲展宽器516被配置为CFBG，如图5所示。

啁啾放大脉冲由脉冲压缩器518压缩，该脉冲压缩器518在一些实施例中被配置为啁啾体布拉格光栅(CVBG)。在一些实施例中，压缩器518被配置有能够处理高平均功率的透射光栅。例如，透射光栅可以使用全息过程和蚀刻工艺由二氧化硅形成，以最小化缺陷和瑕疵。

如'828申请中所说明的，常规CPA系统补偿啁啾的线性部分，但需要高阶色散技术来补偿非线性啁啾。例如，由主振荡器512输出的转换极限亚纳秒脉冲均具有光谱带宽，并且展宽脉冲的光谱相位偏离转换极限脉冲的光谱相位，并且在由压缩器518压缩之后变得特别清晰。根据各个方面，激光源510被配置为通过校正啁啾光脉冲的相位来抑制由传播通过光学部件或材料的超快脉冲引起的脉冲基座或脉冲失真。为此，激光源510被配置有可调谐脉冲展宽器或压缩器，其适于可控色散补偿以在CPA系统的输出处提供接近转换极限亚纳秒脉冲。这是通过提供脉冲整形器来完成的，该脉冲整形器被配置为具有操纵输入光脉冲的相位的多个可调整段的紧凑可调谐布拉格光栅。脉冲展宽器516或脉冲压缩器518中的一者或两者可以被配置有该可调谐布拉格光栅。可调谐部件是通过用由致动器控制的选择性可调谐段配置布拉格光栅来实现的，这些可调谐段在各个段上引起谱相位变化，以便将谱相位调整为转换极限脉冲的谱相位。致动器进而由控制器所输出的校正信号控制。通过将所选择的段调整为在校准例程期间输入或确定的预定温度或电压来执行调谐。

根据至少一个实施例，使用FBG脉冲展宽器或脉冲整形器对光脉冲进行预啁啾，以便改进NLO晶体中的时间重叠和光束强度，这导致提高的转换效率和可靠性。执行时间预啁啾使得脉冲持续时间不超过400fs，以提高激光器的使用寿命。

CPA配置的前置放大器515a和放大器515b在1至2μm范围内操作并且由相应的泵(未示出)泵浦，这些泵可以使用控制器(诸如图2中的控制器250)由一个或多个泵驱动器驱动。控制器包括硬件(例如，通用计算机)和可以用于控制系统的部件(包括泵)的软件。泵浦可以通过在CW模式下操作的SM或MM激光二极管或光纤激光泵来实现，并且可以布置为侧面泵浦或端部泵浦配置。根据一些实施例，SM光的激光脉冲经由SM无源光纤被传送给具有掺杂有一种或多种稀土离子(诸如镱、铒和/或铥)并且被至少一个包层围绕的MM纤芯的放大器515b的有源光纤。在一些实施例中，该纤芯具有双瓶颈形截面，如下面参考图7更详细讨论的，该双瓶颈形截面起到增加光学非线性效应的阈值的作用。

可以通过将可选的声光或电光调制器(EOM)514耦合在预放大515a和增强器515b级之间来增加脉冲能量。如将理解的，可选的EOM 514可以用作脉冲选择器。

根据一个或多个实施例，激光源510包括超快种子激光器、基于CFBG的脉冲展宽器、脉冲整形器、光纤前置放大器、可选的脉冲选择器、光纤放大器和基于体布拉格光栅(VBG)的脉冲压缩器。

图6中示出了总体上被指示为610的激光系统中的CPA配置的另一非限制性示例，其也在由申请人共同拥有的PCT专利申请No.PCT/US20/16121中进行了描述，该申请的内容通过引用完全并入本文，并且该申请在本文中被称为'121申请。如图6所示，激光源610包括锁模fs激光器612以及包括脉冲展宽器616和脉冲压缩器618的啁啾脉冲放大器，其以与参考图5的激光系统510描述的方式类似的方式起作用。然而，在放大之前，使用脉冲复制器模块619来复制展宽脉冲。

如'121申请中所说明的，脉冲复制器模块619是包括输入和输出光纤耦合器以及设置在其间的光纤延迟线的全光纤设备，并且被配置为增加展宽激光脉冲的重复率以生成具有期望的峰值与平均功率比的修改的脉冲。然后这些修改的激光脉冲完成CPA过程的其余部分，即，它们在放大器(615a和615b)中被放大，并且在放大之后，脉冲被压缩回亚纳秒范围(例如，小于400fs)内的脉冲持续时间。该过程增加了NLO组件中高效频率转换的峰值功率。使用脉冲复制器模块619将展宽脉冲复制到模拟近连续波(CW)配置的脉冲持续时间和重复率。这降低了峰值功率并缓解了与诸如自相位调制(SPM)、模拟拉曼散射(SRS)和四波混频(FWM)之类的光学非线性相关联的问题。

如上面参考激光源510所述，并且如应用于参考激光源610的一些实施例，SM光的激光脉冲经由SM无源光纤传送给具有掺杂有一种或多种稀土离子(诸如镱、铒和/或铥)并且被至少一个包层围绕的MM纤芯的放大器515b或615b的有源光纤。参考图7，光纤功率放大器515b或615b可以被配置有在放大器的相对端之间延伸的单片(单件)MM纤芯1，其支持多个横模并且被至少一个包层3围绕。纤芯1被配置为仅支持期望的基波波长下的单基模。这是通过将MM纤芯1的模场直径(MFD)与沿其纤芯4引导修改的激光148的SM无源光纤2以及输出无源SM光纤9两者的MFD进行匹配来实现的。当侧面泵浦时，来自泵的泵浦光被耦合到中心纤芯区域5。

为了进一步提高光学非线性效应的阈值，纤芯1具有双瓶颈形截面，如图7所示。尺寸均匀的输入纤芯端6的几何直径可以等于无源光纤2的SM纤芯4的几何直径。当基波波长下的SM光被耦合到纤芯的输入端6时，它仅激发其强度分布基本上与纯SM的高斯强度分布相匹配的基模。纤芯1还包括大直径均匀尺寸的模式转换纤芯部分5，其通过绝热膨胀的模式转换纤芯区域7A来接收所引导的基模。中心纤芯区域5的大直径允许接收更大的放大器泵浦功率，然而，不会增加该部分内的功率密度，这提高了诸如SPM、SRS和FWM之类的光学非线性效应的阈值。输出模式转换纤芯区域7B可以与纤芯区域7A相同地配置，以绝热地减小基频下的放大泵浦光的模场直径。然后，放大的SM光被耦合到输出SM无源光纤9中。

锁模fs激光器612(本文中也被称为主振荡器(如参考图5的激光源510的512)或被称为超快种子激光器或脉冲发生器或被简称为锁模激光源)还可以包括被动锁模光纤激光源。在一个实施例中，锁模fs激光器512或612被配置为被动锁模光纤环形腔。这种被动锁模配置依赖于具有对增加峰值强度的非线性响应的至少一个部件在环形腔中的存在。

根据至少一个实施例，锁模激光源512、612被配置为被动锁模光纤环形腔，该被动锁模光纤环形腔被配置为生成亚纳秒巨型啁啾脉冲。环形光纤波导或腔包括多个光纤放大器、啁啾光纤部件、以及被配置有以不同中心波长为中心的光谱带通的光谱滤波器，以便响应于环形腔中引起的非线性过程而提供沿环形腔的光泄漏。滤波器彼此结合工作以产生非线性响应，这实现了稳定锁模操作模式。这种配置的一个示例在共同拥有的美国申请No.15/536,170(现在的美国专利No.10/193,296)中进行了描述，该专利通过引用并入本文并在本文中被称为‘170申请。

图8是‘170申请中描述的脉冲发生器的示意性表示，并且是适合于本发明的一个或多个实施例的锁模fs激光源512、612的示例。全光纤架构使激光源环境稳定，并被配置为在一个方向上引导光的环形光纤波导或腔。光纤隔离器28提供环形光纤波导内光传播的期望方向性。环形腔被配置为使得第一光纤放大器12和第二光纤放大器20之一的输出作为另一光纤放大器的种子。在第一放大器12和第二放大器20之间，两个或更多个相同的光纤元件组或链耦合在一起以限定环形腔。除了光纤放大器之外，每个链还包括：光纤线圈16、22，其提供信号的相应周期性光谱和时间展宽；以及窄线滤波器18、24，其可操作以对展宽的信号进行光谱滤波。因此，整个环形激光腔包括彼此提供非常弱的种子的两个腔，即线性子腔。整个环形激光腔没有纵模，因为信号在两个滤波器的透射率范围内强衰减，这是区分自发CW激光所需要的。

这里概括地描述了总体架构。光纤放大器12、20之一被配置为提供比另一放大器高得多的增益。较高的泵浦放大器为由于SPM引起的强脉冲展宽创造了条件，从而使脉冲正向啁啾并具有宽广且平滑的光谱。该光谱完全填充位于其下游的滤波器的通带，使得其复制品随后在腔中演化。另一较低的泵浦放大器确保稳定的性能，即，将激光器锁定在稳定的平衡状态，当稍微偏离该状态时，产生使其返回到目标状态的动作。到达较低的泵浦放大器下游的滤波器的光谱并未完全填充该滤波器的通带，这在发生偏离时产生使激光器返回目标状态的力。为了使激光脉冲在环形腔内循环并演化，其强度必须足以使脉冲经历非线性光谱展宽并在每次沿该腔穿过之后恢复强度。具有弱光谱重叠的两个滤波器18、24的组合用作有效的可饱和吸收器。弱光谱重叠允许区分CW，有利于具有足够强度进行光谱展宽的脉冲。当峰值强度达到足以展宽脉冲光谱的水平时，新获取的光谱分量的损耗随着这些分量向滤波器通带的中心扩展而下降。应当理解，可以发生沿该腔的脉冲的稳定且可再现的循环，而没有滤波器18、24的任何光谱重叠，但重叠可以允许容易地启动激光脉冲。

滤波器18和24均被配置为仅通过期望的光谱范围，并且如果需要，引入正常色散或异常色散。滤波器之一可以被配置有比另一滤波器的带通最多宽五(5)倍的带通。此外，每个滤波器的带通可以比输出脉冲55的带通窄2至10倍。然而，在一些情况下，期望的脉冲宽度可以比滤波器的带通窄。光谱展宽和滤波的序列生成具有巨大啁啾的脉冲，具有期望光谱宽度、脉冲持续时间和能量。

环形波导还包括紧邻光纤线圈16下游定位的输出耦合器30，其将啁啾脉冲55引导至环形波导外部。为了在放大器的增益介质中产生期望的粒子数反转，即，为了开始脉冲发生器的操作，一个或两个CW泵26光学耦合到相应的放大器。所有上述部件都通过单横模(SM)光纤互连。激光源510和610两者是全光纤配置。

实验

基于下面描述的实验可以更充分地理解本文公开的系统和方法的实施例的功能和优点。实验旨在说明所公开的DUV激光系统的各个方面。

实验1–NLO晶体中发生的时间延迟

图9是示出了为检查I型和II型SHG和THG NLO晶体中发生的时间延迟而进行的实验的实验参数和结果的表。SHG和THG非线性晶体由LBO材料制成。结果指示：SHG中谐波脉冲之间的时间延迟随着光束强度的改变而改变并因此是强度相关的。图9的表是在35℃至190℃的温度范围内可以补偿多少时间延迟的指示符。发明人发现：对于TDC板，可以用更高的烘箱温度来实现更大的补偿。例如，当烘箱温度高达500℃时，可以实现更大范围的时间延迟。此外，随着强度的增加，具有不同厚度的晶体和/或第二TDC板需要更大的时间延迟范围。

实验2–沿Z轴与沿Y轴切割的LBO中的时间延迟补偿

进行实验以检查沿z轴(TDC_0/0)与沿y轴(TDC_90/90)切割的LBO材料中的时间延迟补偿，其中实验参数和结果在图10a(z轴结果)和图10b(y轴结果)中示出。这些实验的结果指示：由于较低的热点形成和吸收，沿z轴切割的LBO展现出最高TDC动态范围。沿y轴切割的LBO展现出比沿z轴切割的LBO低得多的TDC动态范围，但也具有比z轴切割的LBO更高的绝对TD值，并具有最低的热点形成和吸收。

本文描述的DUV激光系统具有许多潜在用途。由于穿透深度太小(即，小于一微米)，输出波长和功率的范围足以消灭微生物和病毒病原体，但不会伤害人类。这意味着该系统可以在有人居住的室内环境(例如，学校、飞机和其他交通方式(例如，地铁、火车、公共汽车等)、商店和购物中心、会议中心、餐馆等)中连续运行。还可以针对特定环境和/或应用来调整输出功率和功率密度。相干激光源允许在要消毒的空间上精确(且瞬时)应用光能和体积。使用常规灯无法获得该精度。根据至少一个实施例，本文所公开的系统和方法可以包括用五次谐波激光束照射微生物或病毒病原体中的至少一种。

根据本发明的本文公开的方面不限于它们对在以下描述中阐述或在附图中示出的部件的构造和布置的细节的应用。这些方面能够假设其他实施例并且能够以各种方式实践或实施。本文仅出于说明目的提供了具体实现的示例，并且不旨在限制性的。具体地，结合任何一个或多个实施例讨论的动作、部件、元件和特征不旨在被排除在任何其他实施例中的类似作用。

此外，本文使用的短语和术语用于描述的目的，并且不应被视为限制。对本文以单数形式提及的系统和方法的示例、实施例、部件、元件或动作的任何引用也可以涵盖包括复数的实施例，并且对本文中的任何实施例、部件、元件或动作的任何复数引用也可以涵盖仅包括单数的实施例。单数或复数形式的引用不旨在限制当前公开的系统或方法、它们的部件、动作或元件。本文使用的“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”、“涉及”及其变体意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。对“或”的引用可以被解释为包括性的，使得使用“或”描述的任何术语可以指示单个、多于一个和所有描述的术语中的任何一个。此外，在本文件与通过引用并入本文的文件之间的术语的使用不一致的情况下，并入的参考文献中的术语使用是对本文件的术语使用的补充；对于不可调和的不一致，以本文件中的术语使用为准。此外，为了方便读者，可以在说明书中使用标题或副标题，这不会影响本发明的范围。

已经如此描述了至少一个示例的若干个方面，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。例如，本文公开的示例也可以用于其他上下文中。这种改变、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本文讨论的示例的范围内。因此，前面的描述和附图仅作为示例。

Claims

1.一种深紫外DUV激光系统，包括：

光纤激光源，被配置为发射近红外基波波长的激光束，基波激光束被配置为具有小于400飞秒(fs)的脉冲持续时间的多个脉冲；

非线性晶体组件，包括第一非线性晶体、第二非线性晶体和第三非线性晶体，并被配置为转换所述基波激光束以产生波长在200纳米(nm)至230nm范围内的五次谐波激光束；以及

至少一个补偿板，设置在所述第一非线性晶体、所述第二非线性晶体和所述第三非线性晶体中的至少一个非线性晶体之前的至少一个位置中，并且被配置为使得通过所述至少一个补偿板传输的一对脉冲激光束在所述第一非线性晶体、所述第二非线性晶体和所述第三非线性晶体中的所述至少一个非线性晶体内在空间上和时间上重叠。

2.根据权利要求1所述的DUV激光系统，还包括至少一个烘箱，每个烘箱被配置为调整所述至少一个补偿板的温度。

3.根据权利要求2所述的DUV激光系统，其中，调整所述烘箱的温度以补偿所述一对脉冲激光束之间的时间延迟。

4.根据权利要求2所述的DUV激光系统，还包括控制器，所述控制器被配置为基于从所述光纤激光源发射的激光束的强度值来控制所述温度。

5.根据权利要求1所述的DUV激光系统，其中，

所述第一非线性晶体接收所述基波激光束，并被配置为转换所述基波激光束以发射二次谐波激光束和所述基波激光束，

所述第二非线性晶体接收所述基波激光束和所述二次谐波激光束，并被配置为执行所述基波激光束和所述二次谐波激光束的和频混合以产生三次谐波激光束和所述二次谐波激光束，以及

所述第三非线性晶体接收所述二次谐波激光束和所述三次谐波激光束，并被配置为执行二次谐波光束和三次谐波光束的和频混合以产生所述五次谐波激光束。

6.根据权利要求5所述的DUV激光系统，其中，所述至少一个补偿板包括设置在所述第一非线性晶体和所述第二非线性晶体之间的第一补偿板、以及设置在所述第二非线性晶体和所述第三非线性晶体之间的第二补偿板。

7.根据权利要求6所述的DUV激光系统，还包括位于所述第一补偿器板和所述第二非线性晶体之间的半波片。

8.根据权利要求7所述的DUV激光系统，其中，所述第二非线性晶体是LBO的I型晶体。

9.根据权利要求6所述的DUV激光系统，其中，所述第二非线性晶体是LBO的II型晶体。

10.根据权利要求6所述的DUV激光系统，还包括位于所述第二补偿器板和所述第三非线性晶体之间的半波片。

11.根据权利要求5所述的DUV激光系统，其中，所述第一非线性晶体、所述第二非线性晶体和所述第三非线性晶体分别包括LBO、LBO和BBO。

12.根据权利要求5所述的DUV激光系统，其中，所述至少一个补偿板包括设置在所述第一非线性晶体之前的位置中的第一补偿板、以及设置在所述第二非线性晶体和所述第三非线性晶体之间的第二补偿板。

13.根据权利要求12所述的DUV激光系统，还包括设置在所述第一补偿板之前的位置中的半波片。

14.根据权利要求13所述的DUV激光系统，其中，所述第二非线性晶体是LBO的I型晶体。

15.根据权利要求5所述的DUV激光系统，还包括位于所述第一非线性晶体上游的至少一个伸缩透镜，其中，所述至少一个伸缩透镜被配置为使得入射在所述至少一个伸缩透镜上的光束作为第一直径的光束进入所述至少一个伸缩透镜并且作为第二直径的光束从所述至少一个伸缩透镜离开。

16.根据权利要求15所述的DUV激光系统，其中，所述至少一个伸缩透镜包括一对伸缩透镜。

17.根据权利要求1所述的DUV激光系统，其中，

所述第一非线性晶体被配置为接收所述基波激光束，并转换所述基波激光束以发射二次谐波激光束和所述基波激光束，

所述第二非线性晶体被配置为转换所述二次谐波激光束以产生四次谐波激光束，以及

所述第三非线性晶体被配置为接收所述基波激光束和所述四次谐波激光束，并执行所述基波激光束和所述四次谐波激光束的和频混合以产生所述五次谐波激光束。

18.根据权利要求17所述的DUV激光系统，其中，所述至少一个补偿板设置在所述第一非线性晶体和所述第二非线性晶体之间。

19.根据权利要求17所述的DUV激光系统，其中，所述第一非线性晶体、所述第二非线性晶体和所述第三非线性晶体分别包括LBO、BBO和BBO。

20.根据权利要求1所述的DUV激光系统，还包括用于调整所述非线性晶体组件的非线性晶体的温度的至少一个烘箱。

21.根据权利要求20所述的DUV激光系统，其中，调整所述非线性晶体的温度，使得所述非线性晶体处于最佳温度，在所述最佳温度下由所述至少一个非线性晶体的晶体材料进行的非线性多光子吸收被最小化。

22.根据权利要求20所述的DUV激光系统，其中，所述至少一个烘箱被配置为加热到10℃至500℃范围内的温度。

23.根据权利要求1所述的DUV激光系统，其中，所述五次谐波激光束具有约206nm的波长。

24.根据权利要求1所述的DUV激光系统，其中，所述基波激光束是宽带激光束。

25.根据权利要求24所述的DUV激光系统，其中，所述基波激光束具有至少2.8nm的带宽。

26.根据权利要求1所述的DUV激光系统，其中，所述至少一个补偿板由LBO制成。

27.根据权利要求1所述的DUV激光系统，其中，所述五次谐波激光束具有至少1瓦特(W)的平均输出功率。

28.根据权利要求1所述的DUV激光系统，其中，所述光纤激光源包括被配置用于啁啾脉冲放大的锁模光纤激光器和啁啾脉冲放大器，所述啁啾脉冲放大器包括脉冲展宽器和脉冲压缩器。

29.一种用于生成深紫外DUV激光的方法，包括：

在光纤激光源中生成近红外基波波长且脉冲持续时间小于400飞秒(fs)的激光束；

引导所述基波激光束通过非线性晶体组件，所述非线性晶体组件包括第一非线性晶体、第二非线性晶体和第三非线性晶体，并被配置为将所述基波激光束转换为波长在200纳米(nm)至230nm范围内的五次谐波激光束；以及

将至少一个补偿板设置在所述第一非线性晶体、所述第二非线性晶体和所述第三非线性晶体中的至少一个非线性晶体之前的至少一个位置中，所述至少一个补偿板被配置为使得通过所述至少一个补偿板传输的一对脉冲激光束在所述第一非线性晶体、所述第二非线性晶体和所述第三非线性晶体中的所述至少一个非线性晶体内在空间上和时间上重叠。

30.根据权利要求29所述的方法，还包括：将所述至少一个补偿板定位在烘箱中，所述烘箱被配置为调整所述至少一个补偿板的温度。

31.根据权利要求30所述的方法，还包括：提供所述烘箱。

32.根据权利要求30所述的方法，还包括：控制所述烘箱，使得所述至少一个补偿板的温度补偿所述一对脉冲激光束之间的时间延迟。

33.根据权利要求29所述的方法，还包括：将半波片设置在所述非线性晶体组件的第一晶体、第二晶体和第三晶体中的至少一个晶体之前的位置中。

34.根据权利要求29所述的方法，还包括：将一对伸缩透镜设置在所述第一非线性晶体之前的位置中。

35.根据权利要求29所述的方法，其中，所述五次谐波激光束具有206nm的波长和至少1瓦特(W)的平均输出功率。

36.根据权利要求29所述的方法，还包括：提供所述至少一个补偿板。

37.根据权利要求36所述的方法，其中，所述至少一个补偿板由LBO制成。

38.根据权利要求29所述的方法，还包括：提供所述非线性晶体组件。

39.根据权利要求29所述的方法，还包括：提供所述光纤激光源，其中，所述光纤激光源包括被配置用于啁啾脉冲放大的锁模光纤激光器和啁啾脉冲放大器，所述啁啾脉冲放大器包括脉冲展宽器和脉冲压缩器。

40.根据权利要求29所述的方法，还包括：将所述第一非线性晶体、所述第二非线性晶体和所述第三非线性晶体中的至少一个非线性晶体定位在烘箱中，所述烘箱被配置为调整所述至少一个非线性晶体的温度。

41.根据权利要求40所述的方法，还包括：控制所述烘箱，使得所述至少一个非线性晶体的温度处于最佳温度，在所述最佳温度下由所述至少一个非线性晶体的晶体材料进行的非线性多光子吸收被最小化。

42.根据权利要求40所述的方法，还包括：控制所述烘箱以加热到10℃至500℃范围内的温度。

43.根据权利要求29所述的方法，还包括：用所述五次谐波激光束照射微生物病原体或病毒病原体中的至少一种。

44.一种深紫外DUV激光系统，包括：

光纤激光源，被配置为发射近红外基波波长的激光束，其中，基波激光束是宽带激光束，并被配置为具有小于400飞秒(fs)的脉冲持续时间的多个脉冲；以及

非线性晶体组件，包括第一非线性晶体、第二非线性晶体和第三非线性晶体，并被配置为转换所述基波激光束以产生波长在200纳米(nm)至230nm范围内的五次谐波激光束。

45.根据权利要求44所述的DUV激光系统，其中，所述基波激光束具有至少2.8nm的带宽。

46.根据权利要求44所述的DUV激光系统，其中，所述五次谐波激光束具有至少1瓦特(W)的平均输出功率。

47.根据权利要求44所述的DUV激光系统，其中，所述五次谐波激光束具有约206nm的波长。

48.根据权利要求44所述的DUV激光系统，其中，所述光纤激光源包括被配置用于啁啾脉冲放大的锁模光纤激光器和啁啾脉冲放大器，所述啁啾脉冲放大器包括脉冲展宽器和脉冲压缩器。