CN117353145A - 一种功率稳定的紫外飞秒激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种功率稳定的紫外飞秒激光器，分光镜用于提取激光进入对应的探测模块。第一探测模块探测红外飞秒激光展宽后压缩前的峰值功率，连接控制器反馈控制脉冲展宽器和放大器，实现峰值功率稳定；第一探测模块连接控制器反馈控制第一反射镜，第二探测模块连接控制器反馈控制第二反射镜，实现红外飞秒激光指向性稳定；第二探测模块探测红外飞秒压缩后的峰值功率，连接控制器反馈控制脉冲压缩器，实现压缩后的峰值功率稳定；第三探测模块连接控制器反馈控制三倍频模块，实现移点控制，保证三倍频器件的稳定性；本发明通过多点有效的反馈控制，可以实现功率稳定的紫外飞秒激光。
Description
技术领域
本发明涉及激光器领域，更具体地，涉及一种功率稳定的紫外飞秒激光器。
背景技术
紫外飞秒激光器广泛应用于微电子中的高通量高精度的切割、划线和钻孔，如：OLED(有机发光二极管)切割、晶圆切割、聚合物薄膜和薄膜的切割、挠性电路和低-k材料的加工。随着工业应用的深入，为了提高成品率并保证产品的一致性，需要功率稳定的紫外飞秒激光器。紫外飞秒激光一般由红外飞秒三倍频产生，红外飞秒的功率及脉宽波动会导致紫外功率大幅波动，那么功率稳定的紫外飞秒激光器需要红外飞秒的功率和脉宽都稳定。
中国专利CN112636140B《一种功率、脉宽同时锁定飞秒激光器》，通过红外功率反馈锁定功率保持功率稳定，通过倍频功率反馈锁定脉宽保持脉宽稳定。该专利实际应用中有两个问题：
(1)该专利中有一系列的判断逻辑，且对判断的值给得比较宽泛，计算机实现起来非常占资源，容易死机，不利于实际应用；
(2)红外功率比较容易锁定，但是由于脉冲非常容易受环境、振动、应力的影响，且放大器的变化也会改变脉宽形状，只改变脉冲压缩器的电机位置即改变光栅与反射镜之间的距离无法保证色散与放大器输出的展宽脉冲色散匹配，及无法实现脉宽的锁定，非常容易失锁，无法满足工业激光器应用。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种功率稳定的紫外飞秒激光器，包括锁模种子源、脉冲展宽器、放大器、第一反射镜、第二反射镜、第一分光镜、脉冲压缩器、第二分光镜、三倍频模块、第三分光镜、控制器、第一探测模块、第二探测模块和第三探测模块；
所述锁模种子源产生的红外飞秒激光经过所述脉冲展宽器和所述放大器后进入第一反射镜和第二反射镜到达第一分光镜，所述第一分光镜对红外飞秒激光分光为两部分，一部分进入第一探测模块，所述第一探测模块，用于探测红外飞秒激光展宽后、压缩前的光强信号和光斑位置信号，所述第一探测模块连接控制器，所述控制器，用于根据红外飞秒激光展宽后、压缩前的光强信号控制所述脉冲展宽器和所述放大器，实现红外飞秒激光展宽后、压缩前的光强信号的稳定；以及根据红外飞秒激光展宽后、压缩前的光斑位置信号，控制第一反射镜，实现红外飞秒激光压缩前的指向性稳定；
第一分光镜分光后的另一部分光经过所述脉冲压缩器进行第二分光镜，所述第二分光镜将另一部分红外飞秒激光再次分为两部分，一部分进入第二探测模块，所述第二探测模块，用于探测红外飞秒激光压缩后的光强信息和光斑位置信号，所述第二探测模块连接控制器，所述控制器，用于根据红外飞秒激光压缩后的光强信号控制所述脉冲压缩器，实现红外飞秒激光压缩后的光强信号的稳定；以及根据红外飞秒激光压缩后的光斑位置信号，控制第二反射镜，实现红外飞秒激光压缩后的指向性稳定；
第二分光镜分光后的另一部分压缩后的红外飞秒激光经过三倍频模块形成紫外飞秒激光，进入第三分光镜，所述第三分光镜对紫外飞秒激光分光，一部分进入第三探测模块，所述第三探测模块用于探测紫外飞秒激光的光强信号，所述第三探测模块连接控制器，所述控制器用于根据紫外飞秒激光的光强信号，控制所述三倍频模块，实现三倍频器件稳定。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
可选的，紫外飞秒激光器启动时，所述控制器先控制脉冲展宽器和放大器，实现压缩前的峰值功率稳定，然后再控制第一反射镜和第二反射镜，实现红外飞秒激光指向性稳定，再控制脉冲压缩器实现压缩后的峰值功率稳定，最后控制三倍频模块实现三倍频器件的稳定性。
可选的，所述第一探测模块和第二探测模块均包括透镜、滤波片和四象限双光子探测模块，所述滤波片，用于滤除红外飞秒激光中的可见光，所述四象限双光子探测模块，用于探测双光子荧光的光强信号和光斑位置信号。
可选的，所述第一探测模块和第二探测模块均包括透镜、双光子吸收材料、滤波片和四象限探测模块，所述滤波片，用于滤出双光子吸收材料发射的双光子荧光，所述四象限探测模块，用于探测双光子荧光的光强信号和光斑位置信号。
可选的，当所述第一探测模块探测的光强信号减小时，通过控制器控制所述脉冲展宽器输出脉宽减小，同时控制所述放大器输出功率增大；
当所述第一探测模块探测的光强信号增大时，通过控制器控制所述脉冲展宽器输出脉宽增大，同时控制所述放大器输出功率减小，其中，所述控制器控制所述脉冲展宽器和所述放大器的控制信号保持时间同步。
可选的，所述脉冲展宽器为单光栅Offner展宽器，所述控制器通过控制所述脉冲展宽器中的光栅角度实现脉冲宽度的减小或增大，以及控制所述放大器中泵浦电流实现输出功率的减小或增大。
可选的，所述脉冲压缩器为单光栅Treacy压缩器，所述控制器，用于根据所述第二探测模块探测的光强信号，控制所述脉冲压缩器中的光栅角度，实现脉冲宽度的减小或增大，保证探测的光强信号稳定。
可选的，所述控制器，用于根据所述第一探测模块探测的光斑位置信号控制第一反射镜，使光斑位置稳定在所述第一探测模块的中心位置；以及根据所述第二探测模块探测的光斑位置信号控制所述第二反射镜，使光斑位置稳定在第二探测模块的中心位置。
可选的，当所述第一探测模块和所述第二探测模块探测的光强信号均在预设值附近且所述第三探测模块探测的光强信号低于预设值，控制器控制所述三倍频模块移点，实现三倍频器件稳定。
本发明提供的一种功率稳定的紫外飞秒激光器，具有以下有益效果：
(1)控制逻辑清晰，使计算机更容易实现控制；
(2)第一探测模块连接控制器控制压缩前的峰值功率，第二探测模块连接控制器控制压缩后的峰值功率，第一、二探测模块连接控制器联合控制激光指向性，第三探测模块连接控制器控制三倍频器件的稳定性。多维度的控制可以保证控制的有效性，抵消环境、应力等各方面的影响；
(3)将位置探测器和峰值功率探测器有效的结合在一起，节约了成本和空间，使系统更加简洁，利于长时间的稳定性。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的一种功率稳定的紫外飞秒激光器的结构示意图；
图2为本发明另一个实施例提供的一种功率稳定的紫外飞秒激光器的结构示意图。
附图中，各标号所代表的器件名称如下：
1、锁模种子源、2、脉冲展宽器、3、放大器、4、第一反射镜、5、第二反射镜、6、第一分光镜、7、脉冲压缩器、8、第二分光镜、9、三倍频模块、10、第三分光镜、11、第三探测模块、12、第二探测模块、13、第一探测模块、14、控制器、121、第一透镜、122、第一滤波片、123、第一四象限双光子探测器、124、第一双光子吸收材料、125、第二滤波片、126、第一四象限探测器、131、第二透镜、132、第三滤波片、133、第二四象限双光子探测器、134、第二双光子吸收材料、135、第四滤波片、136、第二四象限探测器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
图1为本发明提供的一种功率稳定的紫外飞秒激光器，其包括锁模种子源1、脉冲展宽器2、放大器3、脉冲压缩器7、三倍频模块9、控制器14、第一反射镜4、第二反射镜5、第一分光镜6、第二分光镜8、第三分光镜10、第一探测模块13、第二探测模块12和第三探测模块11。
其中，所述锁模种子源1产生的红外飞秒激光经过所述脉冲展宽器2和所述放大器3后进入第一反射镜4和第二反射镜5到达第一分光镜6，所述第一分光镜6对红外飞秒激光分光为两部分，一部分进入第一探测模块13，所述第一探测模块13，用于探测红外飞秒激光展宽后、压缩前的光强信号和光斑位置信号，所述第一探测模块13连接控制器14，所述控制器，用于根据红外飞秒激光展宽后、压缩前的光强信号控制所述脉冲展宽器2和所述放大器3，实现红外飞秒激光展宽后、压缩前的光强信号的稳定；以及根据红外飞秒激光展宽后、压缩前的光斑位置信号，控制第一反射镜4，实现红外飞秒激光压缩前的指向性稳定。
第一分光镜6分光后的另一部分光经过所述脉冲压缩器7进行第二分光镜8，所述第二分光镜8将另一部分红外飞秒激光再次分为两部分，一部分进入第二探测模块12，所述第二探测模块12，用于探测红外飞秒激光压缩后的光强信息和光斑位置信号，所述第二探测模块12连接控制器14，所述控制器14，用于根据红外飞秒激光压缩后的光强信号控制所述脉冲压缩器7，实现红外飞秒激光压缩后的光强信号的稳定；以及根据红外飞秒激光压缩后的光斑位置信号，控制第二反射镜5，实现红外飞秒激光压缩后的指向性稳定。
第二分光镜8分光后的另一部分压缩后的红外飞秒激光经过三倍频模块9形成紫外飞秒激光，进入第三分光镜10，所述第三分光镜10对紫外飞秒激光分光，一部分进入第三探测模块11，所述第三探测模块11用于探测紫外飞秒激光的光强信号，所述第三探测模块11连接控制器14，所述控制器14用于根据紫外飞秒激光的光强信号，控制所述三倍频模块9，实现三倍频器件稳定。
本发明通过多点有效的反馈控制，可以产生功率稳定的紫外飞秒激光。
其中，参见图1，第一探测模块13包括第一透镜131、第一滤波片132和第一四象限双光子探测器133。第二探测模块12包括第二透镜121、第三滤波片122、第二四象限双光子探测器123。其中，第一滤波片132和第三滤波片122，用于滤除红外飞秒激光中的可见光，第一四象限双光子探测器133和第二四象限双光子探测器123，用于探测双光子荧光的光强信号和光斑位置信号。
参见图2，第一探测模块13也可以包括第一透镜131、第一双光子吸收材料134、第二滤波片135、第一四象限探测器136，第二探测模块12也可以包括第二透镜121、第二双光子吸收材料124、第四滤波片125和第二四象限探测器126。第二滤波片135和第四滤波片125，用于滤出双光子吸收材料发射的双光子荧光，第一四象限探测器136和第二四象限探测器126，用于探测双光子荧光的光强信号和光斑位置信号。
第一探测模块13的光强信号反馈了红外飞秒激光展宽后、压缩前的峰值功率，通过控制器14控制放大器3功率增大和控制脉冲展宽器2脉宽减小或放大器功率减小和脉冲展宽器脉宽增大，实现红外飞秒激光展宽后、压缩前的峰值功率稳定。第一探测模块13的光斑位置信号反馈了第一反射镜4后的光斑位置信息，通过控制器14控制第一反射镜4使光斑在第一四象限探测器133的中心位置，第二探测模块12的光斑位置信号反馈了第二反射镜5后的光斑位置信息，通过控制器14控制第二反射镜5使光斑在第二四象限探测器123的中心位置，实现红外飞秒激光指向性稳定。第二探测模块12的光强信号反馈了红外飞秒激光压缩后的峰值功率，通过控制器14控制脉冲压缩器7的光栅角度，使脉宽减小或增大，实现红外飞秒激光压缩后的峰值功率稳定。第三探测模块探测紫外飞秒光强信息连接控制器14反馈控制三倍频模块9，实现移点控制，保证三倍频器件的稳定性。
其中，所述脉冲展宽器2为单光栅Offner展宽器，所述控制器14通过控制所述脉冲展宽器2中的光栅角度实现脉冲宽度的减小或增大，以及控制所述放大器3中泵浦电流实现输出功率的减小或增大。所述脉冲压缩器7为单光栅Treacy压缩器，所述控制器14，用于根据所述第二探测模块12探测的光强信号，控制所述脉冲压缩器7中的光栅角度，实现脉冲宽度的减小或增大，保证探测的光强信号稳定。
对于脉冲激光器，峰值功率等于脉冲能量除以脉冲宽度，而脉冲能量等于平均功率除以重复频率，一般重复频率固定，那么，峰值功率正比与平均功率，反比于脉冲宽度。对于第一探测模块13探测的红外飞秒激光展宽后压缩前的峰值功率，通过控制器14控制平均功率增大脉冲宽度减小实现峰值功率增大，通过控制平均功率减小脉冲宽度增大实现峰值功率减小。第一探测模块13的光强信号连接控制器14同时反馈控制平均功率和脉冲宽度，控制器14连接第一探测模块13、放大器3和脉冲展宽器2，接到第一探测模块13的峰值功率信号后，控制器14给放大器3和脉冲展宽器2发送控制信号，控制放大器3的泵浦电流大小实现放大器输出功率的增大和减小，控制脉冲展宽器2中光栅旋转角度实现脉冲宽度的增大和减小。这两路控制信号需要保持时间同步，使其同步同时调控峰值功率，使峰值功率能快速收敛于预期值。
为了保证激光器能稳定运行，紫外飞秒激光器启动时，控制器14首先控制脉冲展宽器2和放大器3，实现压缩前的峰值功率稳定，然后再控制第一反射镜4和第二反射镜5，实现红外飞秒激光指向性稳定，然后再控制脉冲压缩器7实现压缩后的峰值功率稳定，最后控制三倍频模块9实现三倍频器件的稳定性。
第三探测模块11探测第三分光镜10提取的紫外飞秒激光光强。当第一探测模块13和第二探测模块12探测的光强信号都在预设值附近，第三探测模块11探测的信号低于预设值，控制器控制三倍频模块9移点，实现三倍频器件稳定。
本发明提供的一种功率稳定的紫外飞秒激光器，具有以下优点：
(1)每个探测模块反馈的信号功能清晰，没有复杂的判断逻辑，在机器稳定前设置明确的优先级，可以使激光器开机后能快速稳定的运行。
(2)在压缩前引入峰值功率探测器，对脉冲展宽器和放大器同时进行调控，可以补偿放大器非线性产生的色散，保持脉冲的形状，实现更好的色散匹配。
(3)对脉冲展宽器和压缩器都进行调控，且调控光栅的旋转角度，既可以抵消外界的影响，更好的实现色散匹配，保持脉冲稳定，又可以保持光斑指向相对稳定。
(3)引入位置传感器，锁定放大器后的光路，避免光路的漂移带来不能匹配的高阶色散，保持脉冲的稳定。
(4)将位移传感器和峰值功率探测器合二为一，减少了探测器的使用，节约了激光器中的资源，使系统更加简洁，利于长时间的稳定性。
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种功率稳定的紫外飞秒激光器，其特征在于，包括锁模种子源、脉冲展宽器、放大器、第一反射镜、第二反射镜、第一分光镜、脉冲压缩器、第二分光镜、三倍频模块、第三分光镜、控制器、第一探测模块、第二探测模块和第三探测模块；
所述锁模种子源产生的红外飞秒激光经过所述脉冲展宽器和所述放大器后进入第一反射镜和第二反射镜到达第一分光镜，所述第一分光镜对红外飞秒激光分光为两部分，一部分进入第一探测模块，所述第一探测模块，用于探测红外飞秒激光展宽后、压缩前的光强信号和光斑位置信号，所述第一探测模块连接控制器，所述控制器，用于根据红外飞秒激光展宽后、压缩前的光强信号控制所述脉冲展宽器和所述放大器，实现红外飞秒激光展宽后、压缩前的光强信号的稳定；以及根据红外飞秒激光展宽后、压缩前的光斑位置信号，控制第一反射镜，实现红外飞秒激光压缩前的指向性稳定；
第一分光镜分光后的另一部分光经过所述脉冲压缩器进行第二分光镜，所述第二分光镜将另一部分红外飞秒激光再次分为两部分，一部分进入第二探测模块，所述第二探测模块，用于探测红外飞秒激光压缩后的光强信息和光斑位置信号，所述第二探测模块连接控制器，所述控制器，用于根据红外飞秒激光压缩后的光强信号控制所述脉冲压缩器，实现红外飞秒激光压缩后的光强信号的稳定；以及根据红外飞秒激光压缩后的光斑位置信号，控制第二反射镜，实现红外飞秒激光压缩后的指向性稳定；
第二分光镜分光后的另一部分压缩后的红外飞秒激光经过三倍频模块形成紫外飞秒激光，进入第三分光镜，所述第三分光镜对紫外飞秒激光分光，一部分进入第三探测模块，所述第三探测模块用于探测紫外飞秒激光的光强信号，所述第三探测模块连接控制器，所述控制器用于根据紫外飞秒激光的光强信号，控制所述三倍频模块，实现三倍频器件稳定。
2.根据权利要求1所述的紫外飞秒激光器，其特征在于，紫外飞秒激光器启动时，所述控制器先控制脉冲展宽器和放大器，实现压缩前的峰值功率稳定，然后再控制第一反射镜和第二反射镜，实现红外飞秒激光指向性稳定，再控制脉冲压缩器实现压缩后的峰值功率稳定，最后控制三倍频模块实现三倍频器件的稳定性。
3.根据权利要求1所述的紫外飞秒激光器，其特征在于，所述第一探测模块和第二探测模块均包括透镜、滤波片和四象限双光子探测模块，所述滤波片，用于滤除红外飞秒激光中的可见光，所述四象限双光子探测模块，用于探测双光子荧光的光强信号和光斑位置信号。
4.根据权利要求1所述的紫外飞秒激光器，其特征在于，所述第一探测模块和第二探测模块均包括透镜、双光子吸收材料、滤波片和四象限探测模块，所述滤波片，用于滤出双光子吸收材料发射的双光子荧光，所述四象限探测模块，用于探测双光子荧光的光强信号和光斑位置信号。
5.根据权利要求1所述的紫外飞秒激光器，其特征在于，当所述第一探测模块探测的光强信号减小时，通过控制器控制所述脉冲展宽器输出脉宽减小，同时控制所述放大器输出功率增大；
当所述第一探测模块探测的光强信号增大时，通过控制器控制所述脉冲展宽器输出脉宽增大，同时控制所述放大器输出功率减小，其中，所述控制器控制所述脉冲展宽器和所述放大器的控制信号保持时间同步。
6.根据权利要求5所述的紫外飞秒激光器，其特征在于，所述脉冲展宽器为单光栅Offner展宽器，所述控制器通过控制所述脉冲展宽器中的光栅角度实现脉冲宽度的减小或增大，以及控制所述放大器中泵浦电流实现输出功率的减小或增大。
7.根据权利要求1所述的紫外飞秒激光器，其特征在于，所述脉冲压缩器为单光栅Treacy压缩器，所述控制器，用于根据所述第二探测模块探测的光强信号，控制所述脉冲压缩器中的光栅角度，实现脉冲宽度的减小或增大，保证探测的光强信号稳定。
8.根据权利要求1所述的紫外飞秒激光器，其特征在于，所述控制器，用于根据所述第一探测模块探测的光斑位置信号控制第一反射镜，使光斑位置稳定在所述第一探测模块的中心位置；以及根据所述第二探测模块探测的光斑位置信号控制所述第二反射镜，使光斑位置稳定在第二探测模块的中心位置。
9.根据权利要求1所述的紫外飞秒激光器，其特征在于，当所述第一探测模块和所述第二探测模块探测的光强信号均在预设值附近且所述第三探测模块探测的光强信号低于预设值，控制器控制所述三倍频模块移点，实现三倍频器件稳定。
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|---|---|---|---|
| CN202311290137.0A CN117353145A (zh) | 2023-09-29 | 2023-09-29 | 一种功率稳定的紫外飞秒激光器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117353145A true CN117353145A (zh) | 2024-01-05 |
Family
ID=89360602
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311290137.0A Pending CN117353145A (zh) | 2023-09-29 | 2023-09-29 | 一种功率稳定的紫外飞秒激光器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117353145A (zh) |
-
2023
- 2023-09-29 CN CN202311290137.0A patent/CN117353145A/zh active Pending
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