CN116780335A - 一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光技术领域，具体公开了一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器，包括边发射半导体激发光源、面发射半导体增益介质以及基频振荡和频率转换部件，面发射半导体增益介质以及基频振荡和频率转换部件形成谐振腔；边发射半导体激发光源发出的激发光能够投射到面发射半导体增益介质上；面发射半导体增益介质能够吸收边发射半导体激发光源所发出的激发光的光子能量，并产生激光波长的受激辐射；受激辐射在谐振腔中形成基频激光振荡，并完成频率转换，最终输出为紫外激光。所用的激发光源及增益介质均为半导体材料，即激光器为全半导体激光器，从而使得激光器的转换效率高、功耗低、寿命长、体积小，具有技术优势和应用价值。

Description

一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器。

背景技术

紫外激光器具有激光波长短，单光子能量大，能聚焦到很小光斑等独特优点，在集成电路工艺、精细激光加工、生命科学等众多方面具有独特的应用价值。比如在集成电路的光刻工艺中，波长越短的紫外激光，可以获得越高的分辨率；在激光精细加工中，紫外光的单光子能量大，可以直接破坏材料的分子健或原子间连接，对材料的加工属于冷加工，不会产生熔融、碎屑、裂纹等热加工中经常出现的缺陷，因而加工质量极高。

目前获得紫外激光的途径主要包括：固体紫外激光器、气体紫外激光器和半导体紫外激光器。其中，固体紫外激光器由于可供使用的固体激活离子有限，所以固体紫外激光器能够获得的波长极其有限，最常见和最成熟的就是355nm和266nm紫外波长；此外，固体紫外激光器的转换效率普通偏低，典型值在1％左右，因此其能耗相当高。气体紫外激光器的不足之处是它需要高压放电激励，设备的体积庞大，功耗高，寿命短，使用很不方便；气体紫外激光器的另外一个缺点是它的掩膜损耗很大，光束的指向性不好，功率的稳定性也一直是一个问题。相比而言，半导体紫外激光器的体积小，寿命长，转换效率高，但是由于半导体紫外激光器所使用的GaN系列材料的外延生长非常困难，激光器的内部光损耗很大，从而导致激光器的阈值电流增大，斜率效率降低；由于相关材料外延生长的问题，目前半导体紫外激光器所能够发射的激光波长也非常有限；此外，和其它边发射半导体激光器一样，目前的半导体紫外激光器本身不可克服的一大缺点就是它的光束质量很差，在光刻等众多紫外激光器的应用中，目前的半导体紫外激光器的光束都不能符合要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器，以解决现有的固体紫外激光器存在的发射波长极其有限、转换效率低能耗高的问题，气体紫外激光器存在的体积庞大、功耗高、功率不稳定的问题，半导体紫外激光器存在的发射波长有限、光束质量不好的问题。本发明能够提升紫外激光器的光束质量，扩展紫外激光器的发射波长，扩大紫外激光器的应用领域。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器，包括边发射半导体激发光源、面发射半导体增益介质以及基频振荡和频率转换部件，所述面发射半导体增益介质以及基频振荡和频率转换部件形成谐振腔；所述边发射半导体激发光源发出的激发光能够投射到面发射半导体增益介质上；所述面发射半导体增益介质能够吸收边发射半导体激发光源所发出的激发光的光子能量，并产生激光波长的受激辐射；所述受激辐射在所述谐振腔中形成基频激光振荡，并完成频率转换，最终输出为紫外激光。

进一步，所述基频振荡和频率转换部件包括偏振及滤波器、第一反射镜、频率转换组件和第二反射镜；

所述偏振及滤波器用于将基频激光变成线偏振光并对基频激光进行滤波；

所述第一反射镜用于将所述偏振及滤波器发出的线偏振光反射至所述频率转换组件；

所述频率转换组件用于将基频激光转换为紫外波段的紫外激光；

所述第二反射镜用于输出紫外激光。

进一步，所述频率转换组件包括第一非线性晶体、第三反射镜、第四反射镜和第二非线性晶体；

所述第一反射镜用于将所述偏振及滤波器发出的线偏振光反射至所述第一非线性晶体；

所述第一非线性晶体用于将基频激光波长转换为可见光激光波长并能够透过所述基频激光和可见光激光；

所述第三反射镜用于将第一非线性晶体发出的可见光激光反射至所述第四反射镜；

所述第四反射镜用于将第三反射镜反射的激光反射至所述第二非线性晶体；

所述第二非线性晶体用于将所述第一非线性晶体中转换产生的可见光激光再次转换，产生紫外波段的紫外激光；

所述第二反射镜用于输出紫外激光并用于反射所述基频激光和可见光激光；

所述第二反射镜反射的基频激光和可见光激光经过第二非线性晶体、第一非线性晶体后从所述第一反射镜输出。

进一步，所述频率转换组件包括第三非线性晶体；所述第三非线性晶体用于将基频激光波长转换为紫外激光。

进一步，所述边发射半导体激发光源和面发射半导体增益介质之间设有光束重整器，所述光束重整器用于将边发射半导体激发光源发出的激发光的光束进行重整，使其投射在面发射半导体增益介质上的光斑大小与激光模式相匹配。

进一步，所述第三反射镜与第一反射镜之间的光束束腰、第四反射镜与第二反射镜之间的光束束腰能够通过调节第三反射镜和第四反射镜的位置进行调节。

进一步，所述面发射半导体增益介质包括集成反射镜、激光波长增益区和载流子限制层；

所述集成反射镜能对激光波长增益区发射的激光波长进行反射；所述集成反射镜包括多个激光波长反射单元，每个所述激光波长反射单元包括高反射率层和低反射率层，入射光的激光波长在层与层之间的界面上的反射光的相位相同；

所述激光波长增益区能对基频激光波长提供增益；所述激光波长增益区包括多个激光波长发射单元，每个所述激光波长发射单元包括依次设置的第一激发光吸收层、激光波长发射层和第二激发光吸收层；所述第一激发光吸收层和第二激发光吸收层的带隙能大于激光波长发射层的带隙能；所述第一激发光吸收层和第二激发光吸收层均能吸收所述边发射半导体激发光源所发出的光子能量并产生自由载流子；所述激光波长发射层能够俘获第一激发光吸收层和第二激发光吸收层中的自由载流子，并发射出激光波长；

所述载流子限制层的带隙能大于激发光的光子能量。

进一步，所述面发射半导体增益介质还包括保护层，所述保护层(16)用于防止所述面发射半导体增益介质的表面发生氧化和退化。

进一步，所述第一反射镜上镀有对基频激光进行反射、对可见光激光进行透射的第一膜层；所述第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜均镀有对基频激光和可见光激光进行反射的第二膜层；所述第二反射镜上还设有对紫外激光波长进行透射的第三膜层。

进一步，所述第一非线性晶体两端的通光面上均镀有对基频激光和可见光激光进行透射的第四膜层；所述第二非线性晶体两端的通光面上均镀有对基频激光、可见光激光和紫外激光进行透射的第五膜层。

本技术方案的工作原理在于：

从边发射半导体激发光源发出的激发光，经过光束重整器后投射在面发射半导体增益介质上，形成与激光模式匹配的激发光斑。面发射半导体增益介质中的激光波长增益区吸收激发光的能量，并发射基频激光波长。谐振腔由面发射半导体增益介质中的集成反射镜，以及后续的偏振及滤波器、第一反射镜、第一非线性晶体、第三反射镜、第四反射镜、第二非线性晶体和第二反射镜一起构成(或由集成反射镜、谐振及滤波器、第一反射镜、第三非线性晶体、第二反射镜构成)；由面发射半导体增益介质中的激光波长增益区发射出的基频激光波长在谐振腔中产生振荡，并经过第一非线性晶体和第二非线性晶体的频率转换(或经过第三非线性晶体的频率转换)，最终产生紫外激光波长并输出；谐振腔同时对激光器的模式进行选择，最终输出高光束质量的紫外激光器光束。

在激光器的工作过程中，偏振及滤波器将面发射半导体增益介质中的激光波长增益区发射出的基频激光变为线偏振光，并同时对基频激光的线宽进行压窄，以提高后续在第一非线性晶体和第二非线性晶体中频率转换的效率(或提高后续在第三非线性晶体中频率转换的效率)。第一反射镜和第三反射镜起到折叠光路的作用，同时二者配合使用，以便在两者之间形成合适的光束束腰，提高在第一非线性晶体中频率转换的效率。第四反射镜和第二反射镜分别起到折叠光路和终止光路的作用，同时二者配合使用，以便在两者之间形成合适的光束束腰，提高在第二非线性晶体中频率转换的效率。在第一非线性晶体中完成频率转换所得到的可见光激光，在通过第二非线性晶体完成转换后，被第二反射镜反射回光路，在第一反射镜处输出，以免返回到面发射半导体增益介质，从而被其吸收，产生冗余热量；可见光激光在第二非线性晶体中完成频率转换后，变为紫外波段激光，立即从第二反射镜输出。

本技术方案的有益效果在于：

通过改变面发射半导体增益介质的激光波长增益区的材料种类及材料组分，最终获得的紫外激光的波长范围很宽，覆盖了长波紫外、中波紫外和短波紫外的范围。谐振腔不仅能形成对基频激光的振荡和完成最终所需紫外激光的频率转换，同时谐振腔能很好地对激光的模式进行选择，所以输出的紫外激光光束的光束质量很高，方便绝大多数应用场景下的直接应用。所用的激发光源及增益介质均为半导体材料，即激光器为全半导体激光器，从而使得激光器的转换效率高、功耗低、寿命长、体积小，具有极大的技术优势和应用价值。

附图说明

图1为本发明一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器实施例一的原理图；

图2为本发明一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器实施例二的原理图；

图3为图1或图2中面发射半导体增益介质的结构图；

图4为图3中集成反射镜的结构图；

图5为图3中激光波长发射区的结构图；

图6为图3中激光波长发射区能量与位置图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：边发射半导体激发光源1、光束重整器2、面发射半导体增益介质3、偏振及滤波器件4、第一反射镜5、第一非线性晶体6、第三反射镜7、第四反射镜8、第二非线性晶体9、第二反射镜10、紫外激光束11、可见光激光束12、集成反射镜13、激光波长增益区14、载流子限制层15、保护层16、激光波长反射单元17、高反射率层18、低反射率层19、激光波长发射单元20、第一激发光吸收层21、激光波长发射层22、第二激发光吸收层23、第三非线性晶体24。

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。

实施例一

基本如附图1、3-6所示：一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器，包括边发射半导体激发光源1、面发射半导体增益介质3以及基频振荡和频率转换部件，面发射半导体增益介质3以及基频振荡和频率转换部件形成谐振腔。边发射半导体激发光源1发出的激发光能够投射到面发射半导体增益介质3上；边发射半导体激发光源1和面发射半导体增益介质3之间设有光束重整器2，光束重整器2用于将边发射半导体激发光源1发出的激发光的光束进行重整，使其投射在面发射半导体增益介质3上的光斑大小与激光模式相匹配。面发射半导体增益介质3能够吸收边发射半导体激发光源1所发出的激发光的光子能量，并产生激光波长的受激辐射；受激辐射在谐振腔中形成基频激光振荡，并完成频率转换，最终输出为紫外激光。

面发射半导体增益介质3包括集成反射镜13、激光波长增益区14、载流子限制层15和保护层16。集成反射镜13能对激光波长增益区14发射的激光波长进行反射；集成反射镜13包括多个激光波长反射单元17，每个激光波长反射单元17包括高反射率层18和低反射率层19，入射光的激光波长在层与层之间的界面上的反射光的相位相同。

激光波长增益区14能对基频激光波长提供增益；激光波长增益区14包括多个激光波长发射单元20，每个激光波长发射单元20包括依次设置的第一激发光吸收层21、激光波长发射层22和第二激发光吸收层23；第一激发光吸收层21和第二激发光吸收层23的带隙能大于激光波长发射层22的带隙能；第一激发光吸收层21和第二激发光吸收层23均能吸收边发射半导体激发光源1所发出的光子能量并产生自由载流子；激光波长发射层22能够俘获第一激发光吸收层21和第二激发光吸收层23中的自由载流子，并发射出激光波长。

载流子限制层15的带隙能大于激发光的光子能量。保护层16用于防止面发射半导体增益介质3的表面发生氧化和退化。

基频振荡和频率转换部件包括依次设置的偏振及滤波器、第一反射镜5、第一非线性晶体6、第三反射镜7、第四反射镜8、第二非线性晶体9和第二反射镜10；偏振及滤波器用于将基频激光变成线偏振光并对基频激光进行滤波。第一反射镜5用于将偏振及滤波器发出的线偏振光反射至第一非线性晶体6。第一非线性晶体6用于将基频激光波长转换为可见光激光波长并能够透过基频激光和可见光激光。第三反射镜7用于将第一非线性晶体6发出的可见光激光反射至第四反射镜8。第四反射镜8用于将第三反射镜7反射的激光反射至第二非线性晶体9。第二非线性晶体9用于将第一非线性晶体6中转换产生的可见光激光再次转换，产生紫外波段的紫外激光。第二反射镜10用于输出紫外激光并用于反射基频激光和可见光激光。第二反射镜10反射的基频激光和可见光激光经过第二非线性晶体9、第一非线性晶体6后从第一反射镜5输出。第三反射镜7与第一反射镜5之间的光束束腰、第四反射镜8与第二反射镜10之间的光束束腰能够通过调节第三反射镜7和第四反射镜8的位置进行调节。

第一反射镜5上镀有对基频激光提供高反射率、对可见光激光提供高透过率的第一膜层；第二反射镜10、第三反射镜7和第四反射镜8均镀有对基频激光和可见光激光提供高反射率的第二膜层；第二反射镜10上还设有对紫外激光波长提供高透过率的第三膜层。第一非线性晶体6两端的通光面上均镀有对基频激光和可见光激光提供高透过率的第四膜层；第二非线性晶体9两端的通光面上均镀有对基频激光、可见光激光和紫外激光提供高透过率的第五膜层。

下面以一个实例进行说明：

高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器的结构图如图1所示。边发射半导体激发光源1为波长是808nm的光纤耦合输出半导体激光器，光束重整器2由光束准直镜和光束聚焦镜两部分组成，对808nm激发光进行准直和聚焦，然后投射在面发射半导体增益介质3上面。

面发射半导体增益介质3的结构如图3所示，包括集成反射镜13、激光波长增益区14、载流子限制层15和保护层16四个部分。其中的集成反射镜13的结构如图4所示，包含30个激光波长反射单元17。激光波长反射单元17中的高反射率层18为GaAs材料，厚度为70nm；低反射率层19为AlAs材料，厚度为82nm。整个集成反射镜13在980nm的基频激光波长处的反射率大于99.99％，反射带宽大于50nm。

面发射半导体增益介质3中的激光波长增益区14由15个激光波长发射单元20构成。激光波长发射单元20的结构如图5、6所示，其中的第一激发光吸收层21为GaAs材料，厚度为68nm；激光波长发射层22为In(0.185)GaAs材料，厚度为8nm；第二激发光吸收层23为GaAs材料，厚度为68nm。激光波长发射单元20发射的基频激光波长为980nm。

面发射半导体增益介质3中的载流子限制层15为Al(0.6)GaAs材料，厚度为165nm。面发射半导体增益介质3中的保护层16为GaAs材料，厚度为20nm。

偏振及滤波器为厚度为2mm的融石英双折射滤波片，以布儒斯特角放置在谐振腔中，同时起到对基频激光进行起偏，和对基频激光进行线宽压窄的作用。

第一非线性晶体6为3mm×3mm×10mm的LBO晶体，针对980nm基频激光和490nm倍频激光作切割，I类相位匹配，室温下使用。两个通光面镀膜为980nm@490nmAR。

第二非线性晶体9为3mm×3mm×5mm的BBO晶体，针对980nm基频激光、490nm倍频激光、327nm三倍频激光作切割，II类相位匹配，室温下使用。两个通光面镀膜为980nm@490nm@327nmAR。

第一反射镜5为曲率半径为100mm的平凹反射镜，S1面镀膜为980nmHR@490nmAR，S2面镀膜为490nmAR。此处输出的可见光激光束12为波长为490nm的激光。

第三反射镜7为曲率半径为50mm的平凹反射镜，S1面镀膜为980nm@490nmHR，S2面无镀膜。

第四反射镜8为曲率半径为100mm的平凹反射镜，S1面镀膜为980nm@490nmHR，S2面无镀膜。

第二反射镜10为曲率半径为150mm的平凹反射镜，S1面镀膜为980nm@490nmHR，327nmAR，S2面镀膜为327nmAR。此处输出的紫外激光束11为波长是327nm的中波紫外激光。

具体实施过程如下：

使用电驱动的边发射半导体激发光源1发出的激发光，通过光束重整器2后投射到面发射半导体增益介质3上，调节光束重整器2可使投射光斑变成较为理想的圆形形状，以便与激光模式匹配。面发射半导体增益介质3中的激光波长增益区14中的第一激发光吸收层21和第二激发光吸收层23的材料带隙能小于激发光的光子能量，因此可以吸收激发光的光子能量并产生光生载流子。而面发射半导体增益介质3中的激光波长增益区14中的激光波长发射层22的材料带隙能比第一激发光吸收层21和第二激发光吸收层23的材料带隙能更小，所以能俘获第一激发光吸收层21和第二激发光吸收层23中产生的光生载流子，并发射出基频激光波长。

面发射半导体增益介质3中的集成反射镜13作为前端镜，第二反射镜10作为后端镜，构成了基频激光振荡和频率转换的谐振腔。谐振腔中还包含了偏振及滤波器件4、第一反射镜5、第一非线性晶体6、第三反射镜7、第四反射镜8和第二非线性晶体9。面发射半导体增益介质3所发射的基频激光波长在谐振腔中形成基频激光振荡，在第一非线性晶体6中完成频率转换，变成可见光波段范围的激光。剩余基频激光和完成第一次频率转换的可见光激光，在第二非线性晶体9中完成第二次频率转换，变成紫外波段激光，并从第二反射镜10处输出。剩余的可见光激光经过第二反射镜10的反射，再通过第四反射镜8和第三反射镜7的反射，从第一反射镜5处输出，为可见光激光束12。

谐振腔使面发射半导体增益介质3所发射的基频激光波长在其中形成振荡并完成频率转换的同时，对基频激光的模式进行选择，以使得激光器在第二反射镜10处输出具有良好光束质量的的紫外激光束11。

在激光器的工作过程中，偏振及滤波器将面发射半导体增益介质3中的激光波长增益区14发射出的基频激光变为线偏振光，并同时对基频激光的线宽进行压窄，以提高后续在第一非线性晶体6和第二非线性晶体9中频率转换的效率。第一反射镜5和第三反射镜7起到折叠光路的作用，同时二者配合使用，以便在两者之间形成合适的光束束腰，提高在第一非线性晶体6中频率转换的效率。第四反射镜8和第二反射镜10分别起到折叠光路和终止光路的作用，同时二者配合使用，以便在两者之间形成合适的光束束腰，提高在第二非线性晶体9中频率转换的效率。在第一非线性晶体6中完成频率转换所得到的可见光激光，在通过第二非线性晶体9完成转换后，被第二反射镜10反射回光路，在第一反射镜5处输出，以免返回到面发射半导体增益介质3，从而被其吸收，产生冗余热量；可见光激光在第二非线性晶体9中完成频率转换后，变为紫外波段激光，立即从第二反射镜10输出。

实施例二：

基本如附图2-6所示：一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器，包括边发射半导体激发光源1、面发射半导体增益介质3以及基频振荡和频率转换部件，面发射半导体增益介质3以及基频振荡和频率转换部件形成谐振腔。边发射半导体激发光源1发出的激发光能够投射到面发射半导体增益介质3上；边发射半导体激发光源1和面发射半导体增益介质3之间设有光束重整器2，光束重整器2用于将边发射半导体激发光源1发出的激发光的光束进行重整，使其投射在面发射半导体增益介质3上的光斑大小与激光模式相匹配。面发射半导体增益介质3能够吸收边发射半导体激发光源1所发出的激发光的光子能量，并产生激光波长的受激辐射；受激辐射在谐振腔中形成基频激光振荡，并完成频率转换，最终输出为紫外激光。

面发射半导体增益介质3包括集成反射镜13、激光波长增益区14、载流子限制层15和保护层16。集成反射镜13能对激光波长增益区14发射的激光波长进行反射；集成反射镜13包括多个激光波长反射单元17，每个激光波长反射单元17包括高反射率层18和低反射率层19，入射光的激光波长在层与层之间的界面上的反射光的相位相同。

激光波长增益区14能对基频激光波长提供增益；激光波长增益区14包括多个激光波长发射单元20，每个激光波长发射单元20包括依次设置的第一激发光吸收层21、激光波长发射层22和第二激发光吸收层23；第一激发光吸收层21和第二激发光吸收层23的带隙能大于激光波长发射层22的带隙能；第一激发光吸收层21和第二激发光吸收层23均能吸收边发射半导体激发光源1所发出的光子能量并产生自由载流子；激光波长发射层22能够俘获第一激发光吸收层21和第二激发光吸收层23中的自由载流子，并发射出激光波长。

载流子限制层15的带隙能大于激发光的光子能量。保护层16用于防止面发射半导体增益介质3的表面发生氧化和退化。

基频振荡和频率转换部件包括依次设置的偏振及滤波器、第一反射镜5、第三非线性晶体24和第二反射镜10；偏振及滤波器用于将基频激光变成线偏振光并对基频激光进行滤波。第一反射镜5用于将偏振及滤波器发出的线偏振光反射至第三非线性晶体24。第三非线性晶体24用于将基频激光波长转换为紫外激光。第二反射镜10用于输出紫外激光。第二反射镜10与第一反射镜5之间的光束束腰能够通过调节第一反射镜5和第二反射镜10的位置进行调节。

第一反射镜5上镀有对基频激光提供高反射率的第六膜层；第二反射镜10上镀有对紫外激光波长提供高透过率的第七膜层。

以下以一个实例进行说明：

高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器的结构图如图2所示。边发射半导体激发光源1为波长是530nm的光纤耦合输出半导体绿光激光器，光束重整器2由光束准直镜和光束聚焦镜两部分组成，对530nm激发光进行准直和聚焦，然后投射在面发射半导体增益介质3上面。

面发射半导体增益介质3的结构如图3所示，包括集成反射镜13、激光波长增益区14、载流子限制层15和保护层16四个部分。其中的集成反射镜13的结构如图4所示，包含30个激光波长反射单元17。激光波长反射单元17中的高反射率层18为Al(0.35)GaAs材料，厚度为50nm；低反射率层19为AlAs材料，厚度为57nm。整个集成反射镜13在680nm的基频激光波长处的反射率大于99.99％，反射带宽大于40nm。

面发射半导体增益介质3中的激光波长增益区14由16个激光波长发射单元20构成。激光波长发射单元20的结构如图5、6所示，其中的第一激发光吸收层21为InGaP材料，厚度为49nm；激光波长发射层22为(Al0.3Ga)(0.51)InP材料，厚度为8nm；第二激发光吸收层23为InGaP材料，厚度为49nm。激光波长发射单元20发射的基频激光波长为红光波段的680nm激光。

面发射半导体增益介质3中的载流子限制层15为(Al0.6Ga)(0.51)InP材料，厚度为97nm。面发射半导体增益介质3中的保护层16为GaAs材料，厚度为20nm。

偏振及滤波器为厚度为2mm的融石英双折射滤波片，以布儒斯特角放置在谐振腔中，同时起到对基频激光进行起偏，和对基频激光进行线宽压窄的作用。

第三非线性晶体24为3mm×3mm×10mm的LBO晶体，针对680nm基频激光和340nm倍频激光作切割，I类相位匹配，室温下使用。两个通光面镀膜为680nm@340nmAR。680nm红光激光在经过第一非线性晶体6后，即转变为紫外波段的紫外激光。

第一反射镜5为曲率半径为100mm的平凹反射镜，S1面镀膜为680nmHR，S2面无镀膜。

第二反射镜10为曲率半径为50mm的平凹反射镜，S1面镀膜为680nmHR@340nmAR，S2面镀膜为340nmAR。经过第三非线性晶体24后产生的紫外激光束11在此处输出。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器，其特征在于：包括边发射半导体激发光源(1)、面发射半导体增益介质(3)以及基频振荡和频率转换部件，所述面发射半导体增益介质(3)以及基频振荡和频率转换部件形成谐振腔；所述边发射半导体激发光源(1)发出的激发光能够投射到面发射半导体增益介质(3)上；所述面发射半导体增益介质(3)能够吸收边发射半导体激发光源(1)所发出的激发光的光子能量，并产生激光波长的受激辐射；所述受激辐射在所述谐振腔中形成基频激光振荡，并完成频率转换，最终输出为紫外激光。

2.根据权利要求1所述的一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器，其特征在于：所述基频振荡和频率转换部件包括偏振及滤波器、第一反射镜(5)、频率转换组件和第二反射镜(10)；

所述偏振及滤波器用于将基频激光变成线偏振光并对基频激光进行滤波；

所述第一反射镜(5)用于将所述偏振及滤波器发出的线偏振光反射至所述频率转换组件；

所述频率转换组件用于将基频激光转换为紫外波段的紫外激光；

所述第二反射镜(10)用于输出紫外激光。

3.根据权利要求2所述的一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器，其特征在于：所述频率转换组件包括第一非线性晶体(6)、第三反射镜(7)、第四反射镜(8)和第二非线性晶体(9)；

所述第一反射镜(5)用于将所述偏振及滤波器发出的线偏振光反射至所述第一非线性晶体(6)；

所述第一非线性晶体(6)用于将基频激光波长转换为可见光激光波长并能够透过所述基频激光和可见光激光；

所述第三反射镜(7)用于将第一非线性晶体(6)发出的可见光激光反射至所述第四反射镜(8)；

所述第四反射镜(8)用于将第三反射镜(7)反射的激光反射至所述第二非线性晶体(9)；

所述第二非线性晶体(9)用于将所述第一非线性晶体(6)中转换产生的可见光激光再次转换，产生紫外波段的紫外激光；

所述第二反射镜(10)用于输出紫外激光并用于反射所述基频激光和可见光激光；

所述第二反射镜(10)反射的基频激光和可见光激光经过第二非线性晶体(9)、第一非线性晶体(6)后从所述第一反射镜(5)输出。

4.根据权利要求2所述的一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器，其特征在于：所述频率转换组件包括第三非线性晶体(24)；所述第三非线性晶体(24)用于将基频激光波长转换为紫外激光；。

5.根据权利要求1所述的一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器，其特征在于：所述边发射半导体激发光源(1)和面发射半导体增益介质(3)之间设有光束重整器(2)，所述光束重整器(2)用于将边发射半导体激发光源(1)发出的激发光的光束进行重整，使其投射在面发射半导体增益介质(3)上的光斑大小与激光模式相匹配。

6.根据权利要求2所述的一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器，其特征在于：所述第三反射镜(7)与第一反射镜(5)之间的光束束腰、第四反射镜(8)与第二反射镜(10)之间的光束束腰能够通过调节第三反射镜(7)和第四反射镜(8)的位置进行调节。

7.根据权利要求1所述的一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器，其特征在于：所述面发射半导体增益介质(3)包括集成反射镜(13)、激光波长增益区(14)和载流子限制层(15)；

所述集成反射镜(13)能对激光波长增益区(14)发射的激光波长进行反射；所述集成反射镜(13)包括多个激光波长反射单元(17)，每个所述激光波长反射单元(17)包括高反射率层(18)和低反射率层(19)，入射光的激光波长在层与层之间的界面上的反射光的相位相同；

所述激光波长增益区(14)能对基频激光波长提供增益；所述激光波长增益区(14)包括多个激光波长发射单元(20)，每个所述激光波长发射单元(20)包括依次设置的第一激发光吸收层(21)、激光波长发射层(22)和第二激发光吸收层(23)；所述第一激发光吸收层(21)和第二激发光吸收层(23)的带隙能大于激光波长发射层(22)的带隙能；所述第一激发光吸收层(21)和第二激发光吸收层(23)均能吸收所述边发射半导体激发光源(1)所发出的光子能量并产生自由载流子；所述激光波长发射层(22)能够俘获第一激发光吸收层(21)和第二激发光吸收层(23)中的自由载流子，并发射出激光波长；

所述载流子限制层(15)的带隙能大于激发光的光子能量。

8.根据权利要求7所述的一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器，其特征在于：所述面发射半导体增益介质(3)还包括保护层(16)，所述保护层(16)用于防止所述面发射半导体增益介质(3)的表面发生氧化和退化。

9.根据权利要求2所述的一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器，其特征在于：所述第一反射镜(5)上镀有对基频激光进行反射、对可见光激光进行透射的第一膜层；所述第二反射镜(10)、第三反射镜(7)和第四反射镜(8)均镀有对基频激光和可见光激光进行反射的第二膜层；所述第二反射镜(10)上还设有对紫外激光波长进行透射的第三膜层。

10.根据权利要求2所述的一种高光束质量和宽波长范围的全半导体紫外激光器，其特征在于：所述第一非线性晶体(6)两端的通光面上均镀有对基频激光和可见光激光进行透射的第四膜层；所述第二非线性晶体(9)两端的通光面上均镀有对基频激光、可见光激光和紫外激光进行透射的第五膜层。