CN116845678A - 一种高效稳定的全固态紫外激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效稳定的全固态紫外激光器，包括：泵浦源、聚焦系统、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；泵浦源发射的泵浦光依次经过聚焦系统、谐振腔输入镜，照射在激光晶体上，再由倍频输出镜反射聚焦，经过倍频晶体倍频入射至倍频全反镜，经倍频全反镜反射再次经过倍频晶体，最终经激光输出镜输出；谐振腔输入镜、倍频输出镜和倍频全反镜组成三镜谐振腔；激光晶体和倍频晶体均采用长晶体,且分别置于三镜谐振腔的两臂束腰处。本发明基于ABCD矩阵计算谐振腔内束腰面积大小，能够提升谐振腔基频光功率密度，同时，结合对不同长度晶体的适用选择，能够实现激光器的高效稳定工作。
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高效稳定的全固态紫外激光器。
背景技术
目前，激光二极管泵浦的固体激光器(DPSSL)具有体积小、效率高、结构简单、使用寿命长等诸多优点，成为近年来研究的热点，在科研、医疗以及军事等领域有着广泛的应用。在众多的DPSSL研究领域中，紫外倍频输出是一个重要方向。
在以DPSSL技术为基础的变频激光器中，利用非线性光学晶体的倍频、和频等效应，可以将位于近红外波段的基频光变频到可见、紫外甚至深紫外波段，满足不同领域的更多需要，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。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，输出的倍频光功率越高，通过使用三凹的谐振腔镜，缩小谐振腔模式束腰，增大基频光功率密度。但极小的腔模束腰会导致激光晶体与倍频晶体的端面损伤，因此需要增长晶体长度来增大晶体端面光斑面积，减缓晶体端面损伤，提高激光器的稳定性。因此，对于激光二极管泵浦的全固态倍频激光器而言，包含泵浦光到基频光，基频光到倍频光的能量转换过程，当谐振腔模式束腰太大时会导致倍频效率降低，极小的腔模束腰会损伤晶体端面，这些因素累积到一起造成最终输出的变化更加显著，因此内高效稳定工作更加困难。
因此，如何实现谐振腔基频光功率密度的提升和减缓晶体端面的光损伤，使激光器能够在紫外波段高效稳定工作是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高效稳定的全固态紫外激光器及倍频激光器，基于ABCD矩阵，计算谐振腔内束腰面积大小，实现谐振腔基频光功率密度的提升，结合晶体长度的改变，使激光器能够高效稳定工作。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高效稳定的全固态紫外激光器，包括：泵浦源、聚焦系统、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；
所述泵浦源发射的泵浦光依次经过所述聚焦系统、所述谐振腔输入镜，照射在所述激光晶体上，产生基频可见激光；由所述倍频输出镜反射聚焦，入射至所述倍频晶体将基频可见激光进行倍频使其倍频光的波长位于深紫外波段,并经所述倍频全反镜，经所述倍频全反镜反射再次经过所述倍频晶体，最终经所述激光输出镜输出；
其中，所述谐振腔输入镜、倍频输出镜和倍频全反镜组成三镜谐振腔；所述激光晶体和倍频晶体均采用长晶体,且分别置于所述三镜谐振腔的两臂束腰处。
优选的，所述Pr3+掺杂氟化物晶体，包括：
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，或掺镨铝酸钇晶体Pr3+:YAlO3。
优选的，所述Pr3+掺杂氟化物晶体，所涉及的能级跃迁为Pr3+离子的3P1→3H5，发射波长位于522nm附近；所述激光晶体两个通光端面均镀有400-800nm增透膜。
优选的，所述泵浦源为中心波长444nm的分布式反馈LD。
优选的，所述聚焦系统包含多个透镜，用于将泵浦光束聚焦至所述激光晶体内；
各个透镜的参数基于所述三镜谐振腔参数进行设置，使得泵浦光与基频光的光束尺寸相匹配。
优选的，所述谐振腔输入镜为平凹镜，所述谐振腔输入镜靠近所述泵浦源的平面镀以对444nm泵浦光增透的介质膜，凹面镀以444nm增透、600-800nm增透、522nm高反的介质膜，所述谐振腔输入镜凹面的曲率半径为50mm；
所述倍频输出镜为平凹镜，所述倍频输出镜的凹面镀以对261nm增透、522nm高反、600-800nm增透的介质膜，平面镀以200-800nm增透膜，所述倍频输出镜凹面的曲率半径为50mm；
所述倍频全反镜为平凹镜，所述倍频全反镜凹面镀以对261nm、522nm高反，600-800nm增透的介质膜，平面镀以600-800nm增透膜，所述倍频全反镜凹面的曲率半径为50mm。
优选的，所述激光晶体和倍频晶体长度为10mm。
优选的，所述倍频晶体为非线性光学晶体，两通光端面均镀有200-800nm增透膜。
优选的，所述三镜谐振腔内设置有脉冲调制器，且位于所述激光晶体与倍频输出镜中间的光路上；
所述脉冲调制器包括：电光调Q开关、声光调Q开关和用于可见光波段被动调Q运转的可饱和吸收体。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种一种高效稳定的全固态紫外激光器，包括：泵浦源、聚焦系统、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三镜谐振腔；激光晶体和倍频晶体均采用长晶体,且分别置于所述三镜谐振腔的两臂束腰处；本发明基于ABCD矩阵计算谐振腔内束腰面积大小，能够提升谐振腔基频光功率密度，同时，结合对不同长度晶体的适用选择，能够实现激光器的高效稳定工作。
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Pr3+离子能级结构示意图；
图2附图为本发明实施例1和实施例3的全固态连续波261nm激光器结构示意图；
图3附图为本发明实施例2的全固态脉冲波深紫外激光器结构示意图；
其中，1为泵浦源，2为聚焦系统，3为谐振腔输入镜，4为激光晶体，5为BBO倍频晶体，6为倍频输出镜，7为倍频全反镜，8为脉冲调制器。
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。
如图1所示，本发明实施例公开了一种高效稳定的全固态紫外激光器，包括：泵浦源1、聚焦系统2、谐振腔输入镜3、激光晶体4、BBO倍频晶体5、倍频输出镜6、倍频全反镜7；
泵浦源1发射的泵浦光依次经过聚焦系统2、谐振腔输入镜3，照射在激光晶体4上，产生基频可见激光；由倍频输出镜6反射聚焦，入射至倍频晶体5将基频可见激光进行倍频使其倍频光的波长位于深紫外波段,并经倍频全反镜7，经倍频全反镜7反射再次经过所述倍频晶体5，最终经激光输出镜6输出；
其中，谐振腔输入镜3、倍频输出镜6和倍频全反镜7组成三镜谐振腔；激光晶体4和倍频晶体5均采用长晶体,且分别置于三镜谐振腔的两臂束腰处。
为进一步优化上述技术方案，激光晶体4为Pr3+掺杂氟化物晶体，包括：
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，或掺镨铝酸钇晶体Pr3+:YAlO3。
所涉及的能级跃迁为Pr3+离子的3P1→3H5，发射波长位于522nm附近；激光晶体4两个通光端面均镀有400-800nm增透膜。
为进一步优化上述技术方案，泵浦源1为中心波长444nm的分布式反馈LD。
为进一步优化上述技术方案，聚焦系统2包含多个透镜，用于将泵浦光束聚焦至所述激光晶体4内；
各个透镜的参数基于所述三镜谐振腔参数进行设置，使得泵浦光与基频光的光束尺寸相匹配。
为进一步优化上述技术方案，谐振腔输入镜3为平凹镜，谐振腔输入镜3靠近泵浦源1的平面镀以对444nm泵浦光增透的介质膜，凹面镀以444nm增透、600-800nm增透、522nm高反的介质膜，谐振腔输入镜(3)凹面的曲率半径为50mm；
倍频输出镜6为平凹镜，倍频输出镜6的凹面镀以对261nm增透、522nm高反、600-800nm增透的介质膜，平面镀以200-800nm增透膜，倍频输出镜6凹面的曲率半径为50mm；
倍频全反镜7为平凹镜，倍频全反镜7凹面镀以对261nm、522nm高反，600-800nm增透的介质膜，平面镀以600-800nm增透膜，倍频全反镜7凹面的曲率半径为50mm。
为进一步优化上述技术方案，激光晶体4和倍频晶体5长度为10mm。
为进一步优化上述技术方案，倍频晶体5为非线性光学晶体，包括LiB3O5、CsLiB6O10、KBe2BO3F2，具体的，非线性光学晶体可采用β-BaB2O4，沿522nm的I类倍频方向加工，切角为θ＝49°，φ＝0°，两通光端面均镀有200-800nm增透膜。
为进一步优化上述技术方案，三镜谐振腔内设置有脉冲调制器8，且位于激光晶体4与倍频输出镜6中间的光路上；
脉冲调制器8包括：电光调Q开关、声光调Q开关和用于可见光波段被动调Q运转的可饱和吸收体，获得脉冲形式的可见基频光。
谐振腔内束腰面积的计算
ABCD矩阵也被称作光线传输矩阵(Ray transfer matrix)。其本质就是把近轴光线追迹公式在不同折射面之间的交替运算，用线性代数的方式转换成矩阵之间的运算。ABCD矩阵或者光线传输矩阵是一个2*2矩阵，描述某一光学元件在激光光束中的作用。可以用于光线光学，其中光以几何的射线传输，或者在高斯光束传输时可以用到。
当角度很小时(傍轴近似)，在经过光学元件之前与之后，坐标r和θ之间具有线性关系。下面的矩阵方程可以用来计算该光学元件对参数的改变情况：
其中r为横向偏移，θ为偏移角，球面镜反射矩阵为其中，R表示球面镜的曲率半径,凸面镜取正值,凹面镜取负值，由公式(1)我么可以计算球面镜腔中往返一周的光线矩阵：
其中：
其中，R1,R2为谐振腔两个镜子的曲率半径,L为谐振腔长。
由公式(2)进一步推算往返n次后的光线矩阵，最终得到：
其中：
表示腔内激光傍轴传播是的夹角。
而光在两反射镜之间来回不断反射，必须要保证光在腔内来回反射过程中始终不离开谐振腔的腔，即稳定腔，其稳定条件为：
由以上公式可以看出，必须要保证谐振腔为稳定腔，再将腔内束腰尽量缩小，获得更高的光功率密度，为此我们选择三个曲率半径为50mm的凹镜作为谐振腔镜，采用的腔型为共心临界腔。并将两块晶体分别放置在谐振腔两臂的束腰最小处，获得更小的光斑，提高激光器的光转换效率。
(2)倍频激光器的高效稳定工作
对于倍频激光器，需考虑倍频转换环节，即非线性光学晶体的高效性。目前可以实现522nm倍频的非线性光学晶体有β-BaB2O4(β-BBO)、LBO(LiB3O5)、CLBO(CsLiB6O10)、KBBF(KBe2BO3F2)等，其中β-BBO、LBO综合性能优良，生长工艺成熟，市场使用普遍。在这四种晶体中，又以β-BBO晶体的非线性光学系数最大，转换效率最高，折射率温度系数最小，倍频温度带宽最大，因而最能满足本发明对于高效稳定的需要。从相位匹配的角度考虑，与I类倍频相位匹配过程相关的是两个折射率(基频慢光、倍频快光)，而与II类倍频相位匹配过程相关的是三个折射率(基频慢光、基频快光、倍频快光)，温度变化引起的折射率改变对后者的影响更大，因此I类倍频相位匹配比II类倍频相位匹配具有更大的温度带宽，更能满足本发明对于提升稳定的需要。为此，本发明的深紫外倍频应用优选β-BBO作为变频晶体，沿522nm的I类倍频方向加工，切角为(θ＝49o,φ＝0o)，为了提升激光器的整机高效稳定性，应该尽量缩小谐振腔内模式束腰，对于激光晶体，经理论计算，腔内束腰大小为直径102μm，采用长度为5mm的BBO晶体，其晶体端面的光斑直径为104μm，采用长度为10mm的BBO晶体，其晶体端面的光斑直径为111μm。因此，本发明优选长度为10mm的BBO晶体作为倍频晶体，能够有效避免端面损伤。它与长的Pr3+掺杂氟化物晶体一起，构成本发明激光器高效稳定工作的优选技术方案。
实施例1：一种可以高效稳定工作的全固态连续波261nm激光器。
如图2所示，该装置包括泵浦源1、泵浦光聚焦系统2、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。所述泵浦源1选用中心波长为444nm的DFB蓝光LD，最高功率3.5W；聚焦系统2是由多个透镜组成的，包括凹平柱形透镜、凸平柱形透镜，以及一个焦距40mm的双凸圆形透镜；谐振腔输入镜3是曲率50mm的平凹镜，其表面镀有417-446nm增透，485-800nm高反的介质膜；激光晶体4是Pr3+:LiYF4晶体，Pr3+离子的掺杂浓度为0.5％，长度为10mm，晶体两通光端面抛光但没有镀膜；倍频晶体5为BBO晶体，切割角度为θ＝49o，φ＝0o，非线性光学晶体的两通光端面均镀有200-800nm增透的介质膜；倍频输出镜6是曲率50mm的平凹镜，用于反射522nm激光，其凹面镀有522nm全反射膜(R＝99％)、261nm增透膜(T＝95％)、600-800nm增透的介质膜(用以抑制600-800nm激光波长的振荡)，平面镀有200-800nm增透的介质膜；倍频全反镜7为曲率50mm的平凹镜，凹面镀有261nm、522nm高反、600-800nm增透的介质膜(用以抑制600-800nm激光波长的振荡)，平面镀有600-800nm增透的介质膜。
在本实施例中，当泵浦功率上升时，激光输出也在上升，这项测试表明，本发明具有高效稳定工作的显著优势。
实施例2：一种可以高效稳定工作的高功率全固态脉冲波深紫外激光器。
如图3所示，该装置包括泵浦源1、泵浦光聚焦系统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以及脉冲调制器8。该实施例的元件1-7与实施例1相同，所不同的是，在激光晶体4之后增加脉冲调制器8，脉冲调制器8可以是电光调Q开关，或者声光Q开关，或者其它能够用于可见光波段被动调Q的可饱和吸收体。DFB蓝光LD泵浦激光晶体4产生522nm可见基频光，经过脉冲调制器8在输入镜3、倍频输出镜6、倍频全反镜7围成的谐振腔内形成脉冲基频光，在倍频晶体5处发生倍频，产生波长为261nm的脉冲深紫外激光，从倍频输出镜6处输出腔外。
实施例3：一种可以高效稳定工作的全固态连续波深紫外激光器。
如图1所示，该装置包括泵浦源1、泵浦光聚焦系统2、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。该实施例的元件1-7与实施例1相同，所不同的是，本实施例中倍频晶体5为BBO晶体，切割角度为θ＝37.4o，φ＝0o，非线性光学晶体的两通光端面均镀有200-800nm增透的介质膜；倍频输出镜6是曲率50mm的平凹镜，用于反射640nm激光，其凹面镀有640nm全反射膜(R＝99％)、320nm增透膜(T＝95％)、500-630nm和650-800nm增透的介质膜(用以抑制500-630nm和650-800nm激光波长的振荡)，平面镀有200-800nm增透的介质膜；倍频全反镜13为曲率50mm的平凹镜，凹面镀有320、640nm高反、500-630nm和650-800nm增透的介质膜(用以抑制500-630nm和650-800nm激光波长的振荡)，平面镀有500-630nm和650-800nm增透的介质膜。DFB蓝光LD泵浦激光晶体4产生640nm可见基频光，经过倍频晶体5第一次产生320nm深紫外激光，经倍频全反镜7反射后，剩余基频光再次经过倍频晶体5并第二次产生320nm深紫外激光，两次产生的深紫外激光从倍频输出镜6输出腔外。
本发明采用缩小谐振腔模式束腰，增长晶体长度来，提高倍频转换效率度，减缓晶体端面损伤。采用三凹镜谐振腔，获得极小的谐振腔模式束腰，增大了光功率密度，提高的倍频转换效率。运用长的晶体，增大晶体端面的光斑面积，减缓晶体端面的光损伤。能够在高功率水平下长时间稳定工作，延长了全固态激光器的使用寿命，拓展了该类激光器的应用范围。采用808nm的LD泵浦掺Nd3+激光晶体产生1064nm基频光，再经过两块倍频晶体产生266nm四倍频激光为传统深紫外激光器结构，该类结构需要经过两次倍频过程，所以其转换效率低。本发明激光器仅经过一次倍频，转换效率更高。由此可见，与传统固体激光技术相比本发明技术方案具有高效稳定工作的显著优势。除此之外，本发明还具有结构简单、体积小、重量轻等优点，有利于产业化及批量生产。
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 (9)
1.一种高效稳定的全固态紫外激光器，其特征在于，包括：泵浦源(1)、聚焦系统(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)；
所述泵浦源(1)发射的泵浦光依次经过所述聚焦系统(2)、所述谐振腔输入镜(3)，照射在所述激光晶体(4)上，产生基频可见激光；由所述倍频输出镜(6)反射聚焦，入射至所述倍频晶体(5)将基频可见激光进行倍频使其倍频光的波长位于深紫外波段,并经所述倍频全反镜(7)，经所述倍频全反镜(7)反射再次经过所述倍频晶体(5)，最终经所述激光输出镜(6)输出；
其中，所述谐振腔输入镜(3)、倍频输出镜(6)和倍频全反镜(7)组成三镜谐振腔；所述激光晶体(4)和倍频晶体(5)均采用长晶体,且分别置于所述三镜谐振腔的两臂束腰处。
2.根据权利要求1所述的一种高效稳定的全固态可见光激光器，其特征在于，所述Pr3+掺杂氟化物晶体，包括：
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，或掺镨铝酸钇晶体Pr3+:YAlO3。
3.根据权利要求2所述的一种高效稳定的全固态紫外激光器，其特征在于，所述Pr3+掺杂氟化物晶体，所涉及的能级跃迁为Pr3+离子的3P1→3H5，发射波长位于522nm附近；所述激光晶体(4)两个通光端面均镀有400-800nm增透膜。
4.根据权利要求1所述的一种高效稳定的全固态紫外激光器，其特征在于，所述泵浦源(1)为中心波长444nm的分布式反馈LD。
5.根据权利要求1所述的一种高效稳定的全固态紫外激光器，其特征在于，所述聚焦系统(2)包含多个透镜，用于将泵浦光束聚焦至所述激光晶体(4)内；
各个透镜的参数基于所述三镜谐振腔参数进行设置，使得泵浦光与基频光的光束尺寸相匹配。
6.根据权利要求1所述的一种高效稳定的全固态紫外激光器，其特征在于，
所述谐振腔输入镜(3)为平凹镜，所述谐振腔输入镜(3)靠近所述泵浦源(1)的平面镀以对444nm泵浦光增透的介质膜，凹面镀以444nm增透、600-800nm增透、522nm高反的介质膜，所述谐振腔输入镜(3)凹面的曲率半径为50mm；
所述倍频输出镜(6)为平凹镜，所述倍频输出镜(6)的凹面镀以对261nm增透、522nm高反、600-800nm增透的介质膜，平面镀以200-800nm增透膜，所述倍频输出镜(6)凹面的曲率半径为50mm；
所述倍频全反镜(7)为平凹镜，所述倍频全反镜(7)凹面镀以对261nm、522nm高反，600-800nm增透的介质膜，平面镀以600-800nm增透膜，所述倍频全反镜(7)凹面的曲率半径为50mm。
7.根据权利要求1所述的一种高效稳定的全固态紫外激光器，其特征在于，所述激光晶体(4)和倍频晶体(5)长度为10mm。
8.根据权利要求1所述的一种高效稳定的全固态紫外激光器，其特征在于，所述倍频晶体(5)为非线性光学晶体，两通光端面均镀有200-800nm增透膜。
9.根据权利要求1所述的一种高效稳定的全固态紫外激光器，其特征在于，所述三镜谐振腔内设置有脉冲调制器(8)，且位于所述激光晶体(4)与倍频输出镜(6)中间的光路上；
所述脉冲调制器(8)包括：电光调Q开关、声光调Q开关和用于可见光波段被动调Q运转的可饱和吸收体。
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