CN117498138A - 基于532nm泵浦源的全固态290-340nm紫外可调谐光源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于532nm泵浦源的全固态290‑340nm紫外可调谐光源。包括532nm泵浦源、谐振腔、和频模块和滤波模块；所述532nm泵浦源用于输出532nm的基频光；所述谐振腔包括第一平面镜、第二平面镜以及设置在两个平面镜之间的工作物质；所述工作物质为非线性晶体、激光晶体；所述谐振腔用于将入射的532nm的基频光转换成650‑940nm的信号光；所述和频模块用于将谐振腔输出的650‑940nm的信号光与532nm的基频光进行和频，形成290‑340nm和频光。本申请通过和频的非线性光学频率变换方式，实现大能量290‑340nm可调谐激光输出，结构简单，易于操作。
Description
技术领域
本发明涉及可调谐激光器技术领域，尤其涉及一种基于532nm泵浦源的全固态290-340nm紫外可调谐光源。
背景技术
波长为290-340nm中波紫外光位于UV-B范围内，是光纤光栅刻写、脉冲沉积镀膜、激光医疗的重要波段。目前紫外波段大能量激光较为直接且成熟的产生方式为准分子激光。例如308nm准分子激光，由氯化氙(XeCl)准分子激光器产生。氯化氙准分子气体激光器较为成熟，但存在维护成本高、体积庞大、价格高、工作物质有毒等问题。全固态激光器具有结构紧凑、光束质量好、峰值功率高、波长可调谐、重复频率可调等优势，是良好的紫外波段光源。
目前较为常用的紫外波段固体激光器为355nm、266nm激光器，通过对1064nm固体激光进行三倍频或四倍频实现，但此方式难以实现目标波段可调谐输出。专利CN116093725A介绍了一种通过增益介质实现1000-1100nm基频光输出，并通过四倍频的方式实现250-275nm激光输出的方法。利用激光增益介质实现波长变换过程中需抑制其他波长的产生，存在增益竞争的问题。且激光晶体波长调节范围相比于光学参量振荡器较为有限，难以实现大能量连续可调谐紫外波段输出；专利CN115498492A介绍了一种通过532nm泵浦拉曼增益介质得到573nm一阶斯托克斯光并和频得到372nm的方法。拉曼晶体的自聚焦效应和热致双折射效应会影响拉曼光功率稳定性及指向稳定性，在与非线性晶体和频产生372nm时会导致相位失配，转化效率较差。此方法产生的波长远离UV-B波段，并且无法实现波长连续精准调谐；专利CN114142329A介绍了一种利用444nm泵浦增益介质得到522nm并倍频得到261nm紫外激光输出的方法。444nm泵浦源波长不易得到，系统稳定性受限。且此方法中提到通过更换激光晶体和倍频晶体实现输出波长变换，方式复杂，不能实现波长连续调谐；专利CN112234424A介绍了一种利用1064nm Nd:YAG激光器三倍频后得到的355nm与1645nm Er:YAG激光器二倍频后得到的822.5nm和频得到248nm的方法。此方法利用两台激光器体积较大，功率消耗较高，且两台激光器分别经过多个非线性频率变换过程，系统复杂。相比于上述方法，本发明所用的泵浦源为532nm激光器，发展较为成熟，增加了装置的稳定性及实用性。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种基于532nm泵浦源的全固态290-340nm紫外可调谐光源，通过稳定的结构实现了实现大能量290-340nm连续可调谐紫外波段输出。
为了实现上述目的，本发明的一种基于532nm泵浦源的全固态290-340nm紫外可调谐光源，包括532nm泵浦源、谐振腔、和频模块和滤波模块；
所述532nm泵浦源用于输出532nm的基频光；
所述谐振腔包括第一平面镜、第二平面镜以及设置在两个平面镜之间的非线性晶体或可调谐激光晶体；所述x谐振腔为平面镜与非线性晶体，可调谐激光谐振腔为平面镜与钛宝石等激光晶体；所述谐振腔用于将入射的532nm的基频光转换成650-940nm的可调谐激光；
所述和频模块用于将谐振腔输出的650-940nm的信号光与532nm的基频光进行和频，形成290-340nm激光；
所述滤波模块用于滤除闲频光及剩余的基频光或信号光，将形成的290-340nm激光透射输出。
进一步优选的，所述532nm泵浦源与谐振腔之间设有第一准直模块，所述第一准直模块包括凸透镜和平凹镜，所述凸透镜和平凹镜用于使532nm的基频光聚焦到非线性晶体或激光晶体上。
再进一步，所述谐振腔中为激光晶体时，所述激光晶体选用钛宝石或翠绿宝石晶体，所述激光晶体，相对于泵浦激光以布儒斯特角放置于半导体制冷器上控制的紫铜热沉上，铜块的温度设置为17摄氏度；
所述谐振腔还包括棱镜，所述第一平面镜、棱镜依次与激光晶体同光轴设置。
再进一步，所述谐振腔与和频模块之间设有第二准直模块。
进一步优选的，所述532nm泵浦源与谐振腔之间设有分光模块，所述分光模块用于将输入的532nm基频光分别输入基频支路和谐振支路；所述谐振腔设置在谐振支路上，用于输出650-940nm的信号光，所述基频支路和谐振支路的输出信号，输入和频模块，利用和频模块和频形成290-340nm激光。
进一步优选的，6.根据权利要求2所述的基于532nm泵浦源的全固态290-340nm紫外可调谐光源，其特征在于，所述532nm泵浦源与第一准直模块之间设有隔离装置，所述谐振腔中设置谐波镜，所述谐波镜设置在光学参量振荡器与和频模块之间；所述谐波镜镀有532nm高透、650-940nm高透、290-340nm高反膜系。
再进一步，所述隔离装置前后分别设有一个半波片；所述半波片用于调整532nm基频光进出隔离装置的偏振方向。
再进一步，所述隔离装置选用法拉第隔离器。
进一步优选的，所述和频模块采用和频晶体，所述和频晶体为LBO或BBO非线性晶体，用于将532nm基频光与650-940nm信号光和频产生290-340nm和频光，所述和频晶体前后表面镀有532nm及650-940nm、290-340nm增透膜。
进一步优选的，所述非线性晶体为BBO、LBO等非线性晶体，用于产生650-940nm信号光，两端镀有532nm及650-940nm增透保护膜。
本申请公开的基于532nm泵浦源的全固态290-340nm紫外可调谐光源，相比于现有技术，至少具有以下优点：
1、本申请以大能量532nm脉冲激光器泵浦的光学参量振荡器为基础，通过和频的非线性光学频率变换方式，实现大能量290-340nm可调谐激光输出，结构简单，易于操作。
2、通过在532泵浦源的基础上，采用偏振分光的方式调节泵浦光功率比例，提高转化效率，降低损伤风险。
3、利用大能量532nm脉冲激光器泵浦的光学参量振荡器内腔和频的方式，实现大能量290-340nm可调谐激光输出，经过隔离器并进行缩束后泵浦光学参量振荡器，和频后剩余的532nm通过反射，再次进行利用，提升了光光转化效率。
附图说明
图1为本发明基于532nm泵浦源的全固态290-340nm紫外可调谐光源的结构示意图。
图2为实施例1中紫外可调谐光源的结构示意图。
图3为实施例2中紫外可调谐光源的结构示意图。
图4为实施例3中紫外可调谐光源的结构示意图。
图5为实施例4中紫外可调谐光源的结构示意图。
具体实施方式
以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明一方面实施例提供的基于532nm泵浦源的全固态290-340nm紫外可调谐光源，包括532nm泵浦源1、谐振腔2、和频模块3和滤波模块4；
所述532nm泵浦源1用于输出532nm的基频光；
所述谐振腔包括第一平面镜201、第二平面镜202以及设置在两个平面镜之间的工作物质203；所述工作物质为非线性晶体或激光晶体；所述谐振腔用于将入射的532nm的基频光转换成650-940nm的信号光；
所述和频模块3用于将谐振腔输出的650-940nm的信号光与532nm的基频光进行和频，形成290-340nm激光；
所述滤波模块4用于将形成的290-340nm激光透射输出，并将其他波段的激光滤除。需要说明的是，和频模块可以设置在谐振腔内部也可以设置在谐振腔外部。
实施例1，本实施例中，和频模块设置在谐振腔外部。
如图2所示，532nm泵浦源与谐振腔之间设有第一准直模块5，第一准直模块5包括凸透镜501和平凹镜502，所述凸透镜和平凹镜用于使532nm的基频光聚焦到非线性晶体或激光晶体上。
即泵浦源1后依次设有第一准直模块5，谐振腔包括第一平面镜201、第二平面镜202以及工作物质203，此时工作物质203选用非线性晶体；第一45度镜701、和频模块3选用和频晶体，滤波模块4选用第二45度镜702。
泵浦源1发出532nm基频光，经过凸透镜501和平凹镜502进行准直聚焦到非线性晶体上，非线性晶体在第一平面镜201和第二平面镜202组成的谐振腔中形成光学参量振荡产生650-940nm信号光。设置第一45度镜701将工作物质产生的闲频光滤除，剩余基频光及信号光透射输出，入射到和频模块3上和频产生290-340nm和频光。剩余基频光和信号光经第二45度镜702反射输出，290-340nm和频光经过第二45度镜702透射输出。
本实施例中，优选地，泵浦源1中心波长为532nm，重复频率可调。
优选地，第一平面镜201为全反射平面镜，镀有532nm高透和650-940nm高反的膜系。第二平面镜202为平面镜，镀有532nm高透和650-940nm部分透膜系。
优选地，工作物质为非线性晶体BBO、LBO等，用于产生650-940nm信号光，两端镀有532nm及650-940nm增透保护膜。
优选地，第一45度镜701为平面镜，镀有532nm、650-940nm高透和1200-3000nm高反膜系。
和频晶体为LBO、BBO等和频晶体，用于将532nm基频光与650-940nm信号光和频产生290-340nm和频光，前后表面镀有532nm及650-940nm、290-340nm增透膜系。
第二45度镜702为平面镜，镀有532nm、650-940nm高反膜系，290-340nm高透膜系。
实施例2
如图3所示，与上述实施例不同的是，532nm泵浦源与谐振腔之间设有分光模块，分光模块用于将输入的532nm基频光分别输入基频支路和谐振支路；谐振腔设置在谐振支路上，用于输出650-940nm的信号光，基频支路和谐振支路的输出信号，输入和频模块，利用和频模块和频形成290-340nm激光。
泵浦源1发出532nm基频光，经第一半波片101调整偏振方向配合偏振分光棱镜9实现能量比例可调的分束，一束经过第一准直模块5进行准直聚焦谐振腔2的工作物质203上，工作物质203选择激光晶体，产生650-940nm。
采用激光晶体选用钛宝石或翠绿宝等激光晶体，用于产生650-940nm可调谐激光；激光晶体，相对于泵浦激光以布儒斯特角放置于半导体制冷器控制的紫铜热沉上，铜块的温度设置为17摄氏度；此时谐振腔还包括棱镜204，第一平面镜201、棱镜204依次与激光晶体同光轴设置。
闲频光经第三45度镜703透射输出，激光经第三45度镜703反射、第二半波片102调整信号光的偏振方向并经过第二准直模块6聚焦后通过第四45度镜704反射，入射到和频晶体上；
另一路，532nm基频光经偏振分光棱镜9分束后的反射光经过第五45度镜705改变传输方向，通过第三半波片103调整偏振方向并经过第三准直模块8准直聚焦后通过第四45度镜704透出，入射到和频模块3上与650-940nm可调谐激光进行和频。剩余基频光和可调谐激光经第二45度镜702反射输出，290-340nm倍频光经第二45度镜702透射输出。
本实施例中，优选地，泵浦源1中心波长为532nm，重复频率可调。
优选地，第三45度镜703为平面镜，镀有532nm、650-940nm高反和1200-3000nm高透膜系。
优选地，第四45度镜704为平面镜，镀有650-940nm高反膜系，532nm高透膜系。
优选地，和频模块3为BBO等和频晶体，用于将1064nm基频光与650-940nm可调谐激光和频产生290-340nm和频光，前后表面镀有532nm及650-940nm、290-340nm增透膜系。
实施例3，为进一步提升光转化效率，本申请提供了一种具体方案，利用大能量532nm脉冲激光器泵浦的光学参量振荡器内腔和频的方式，实现大能量290-340nm可调谐激光输出。
如图4所示，532nm泵浦源与第一准直模块之间设有隔离装置，和频模块与滤波模块之间设有谐波镜11；所述谐波镜11镀有532nm高透、650-940nm高透、290-340nm高反膜系。
隔离装置前后分别设有一个半波片；半波片用于调整532nm基频光进出隔离装置的偏振角度。隔离装置选用法拉第隔离器。
泵浦源1发出532nm基频光，经过半波片调整偏振方向后进入隔离器10，经隔离器10射出后，并经过后半波片调整为光学参量振荡所需的偏振角度后经过第一准直模块5进行缩束到，入射到第一平面镜201和第二平面镜202形成的谐振腔中，产生650-940nm信号光。和频模块3将基频光与信号光和频产生290-340nm和频光。谐波镜11将反向的和频光反射至同向输出。第六45度镜706将光学参量振荡器产生的闲频光滤除，将290-340nm和频光透射输出。
优选的，光学参量振荡器中选用的晶体为BBO、LBO等非线性晶体，用于产生650-940nm信号光，两端镀有532nm及650-940nm增透保护膜。
优选地，和频模块3为LBO、BBO等非线性晶体，用于将532nm基频光与650-940nm信号光和频产生290-340nm和频光，前后表面镀有532nm及650-940nm、290-340nm增透膜系。
优选地，第六45度镜706为平面镜，镀有650-940nm、1200-3000nm高反和290-340nm高透膜系。
和频模块采用和频晶体，和频晶体为LBO或BBO非线性晶体，用于将532nm基频光与650-940nm信号光和频产生290-340nm和频光，和频晶体前后表面镀有532nm及650-940nm、290-340nm增透膜。
进一步优选的，所述非线性晶体为BBO、LBO等非线性晶体，用于产生650-940nm信号光，两端镀有532nm及650-940nm增透保护膜。
实施例4：与上述实施例3不同的是本实施例采用V型腔内腔和频优化光斑分布。利用大能量532nm脉冲激光器泵浦的光学参量振荡器V型腔内腔和频的方式，实现大能量290-340nm可调谐激光输出。
532nm泵浦源出射激光，经过隔离器并进行缩束后，和频晶体置于光学参量振荡器V型腔内，光学参量振荡器产生的信号光与基频光和频，并通过谐波镜同向输出，实现紫外可调谐脉冲激光输出。
如图5所示：本实施例包括泵浦源1，所述泵浦源1后依次设有偏振隔离模块、准直模块、第一平面镜201、工作物质203、第三平面镜205、和频模块3、第二平凹镜12、谐波镜11。
泵浦源1发出532nm基频光，经过偏振隔离模块调整为光学参量振荡所需的偏振后经准直模块进行缩束到光学参量振荡晶体203上，光学参量振荡晶体203在第一平面镜201和第三平面镜205组成的谐振腔中形成光学参量振荡产生650-940nm信号光。和频模块3采用和频晶体将基频光与信号光和频产生290-340nm和频光经第二平凹镜12输出。290-340nm和频由谐波镜11反射同向经第三平面镜205射输出。通过将谐振腔的结构设置为V型，采用V型腔内腔和频优化光斑分布，使腔内基频光与参量光实现更好的模式匹配，并进一步增加非线性晶体处的能量密度，从而实现更高的转化效率。
本实施例中，泵浦源1中心波长为532nm，重复频率可调。
隔离器3为法拉第隔离器，防止532nm回光打坏激光源内增益介质。第一平面镜201为输入镜，镀有532nm高透、650-940nm高反膜系。第三平面镜205为输出镜，镀有532nm高反、650-940nm高反、290-340nm高透膜系。第二平凹镜12为输出镜，镀有532nm高反、650-940nm高反膜系。谐波镜11镀有532nm高透、650-940nm高透、290-340nm高反膜系。设置第二平凹镜使非线性晶体处的光斑尺寸变小，提高能量密度进而提高转化效率。
优选地，光学参量振荡晶体203为BBO、LBO等非线性晶体，用于产生650-940nm信号光，两端镀有532nm及650-940nm增透保护膜。
和频晶体为BBO等非线性晶体，用于将532nm基频光与650-940nm信号光和频产生290-340nm和频光，前后表面镀有532nm及650-940nm、290-340nm增透膜系。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于532nm泵浦源的全固态290-340nm紫外可调谐光源，其特征在于，包括532nm泵浦源、谐振腔、和频模块和滤波模块；
所述532nm泵浦源用于输出532nm的基频光；
所述谐振腔包括第一平面镜、第二平面镜以及设置在两个平面镜之间的工作物质；所述工作物质为非线性晶体、激光晶体；所述谐振腔用于将入射的532nm的基频光转换成650-940nm的信号光；
所述和频模块用于将谐振腔输出的650-940nm的信号光与532nm的基频光进行和频，形成290-340nm和频光；
所述滤波模块用于滤除闲频光及剩余的基频光或信号光，将形成的290-340nm和频光透射输出。
2.根据权利要求1所述的基于532nm泵浦源的全固态290-340nm紫外可调谐光源，其特征在于，所述532nm泵浦源与谐振腔之间设有第一准直模块，所述第一准直模块包括凸透镜和平凹镜，所述凸透镜和平凹镜用于使532nm的基频光聚焦到非线性晶体或激光晶体上。
3.根据权利要求2所述的基于532nm泵浦源的全固态290-340nm紫外可调谐光源，其特征在于，所述谐振腔中工作物质为激光晶体时，所述激光晶体选用钛宝石或翠绿宝石晶体，所述激光晶体，相对于泵浦激光以布儒斯特角放置于半导体制冷器上控制的紫铜热沉上，铜块的温度设置为17摄氏度；
所述谐振腔还包括棱镜，所述第一平面镜、棱镜依次与激光晶体同光轴设置。
4.根据权利要求3所述的基于532nm泵浦源的全固态290-340nm紫外可调谐光源，其特征在于，所述谐振腔与和频模块之间设有第二准直模块。
5.根据权利要求3所述的基于532nm泵浦源的全固态290-340nm紫外可调谐光源，其特征在于，所述532nm泵浦源与谐振腔之间设有分光模块，所述分光模块用于将输入的532nm基频光分别输入基频支路和谐振支路；所述谐振腔设置在谐振支路上，用于输出650-940nm的激光，所述基频支路和谐振支路的输出信号，输入和频模块，利用和频模块和频形成290-340nm和频光。
6.根据权利要求2所述的基于532nm泵浦源的全固态290-340nm紫外可调谐光源，其特征在于，所述532nm泵浦源与第一准直模块之间设有隔离装置，所述谐振腔中设置谐波镜，所述谐波镜设置在工作物质与和频模块之间；所述谐波镜镀有532nm高透、650-940nm高透、290-340nm高反膜系。
7.根据权利要求6所述的基于532nm泵浦源的全固态290-340nm紫外可调谐光源，其特征在于，所述隔离装置前后分别设有一个半波片；所述半波片用于调整532nm基频光进出隔离装置的偏振方向。
8.根据权利要求6或7任一项所述的基于532nm泵浦源的全固态290-340nm紫外可调谐光源，其特征在于，所述隔离装置选用法拉第旋光隔离器。
9.根据权利要求1-7中任意一项所述的基于532nm泵浦源的全固态290-340nm紫外可调谐光源，其特征在于，所述和频模块采用和频晶体，所述和频晶体为LBO或BBO非线性晶体，用于将532nm基频光与650-940nm信号光和频产生290-340nm和频光，所述和频晶体前后表面镀有532nm及650-940nm、290-340nm增透膜。
10.根据权利要求2、6或7中任意一项所述的基于532nm泵浦源的全固态290-340nm紫外可调谐光源，其特征在于，所述非线性晶体为BBO、LBO等非线性晶体，用于产生650-940nm信号光，两端镀有532nm及650-940nm增透保护膜。
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