CN1635670A - 激光二极管泵浦全固态紫外脉冲激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光二极管泵浦全固态紫外脉冲激光器，包括半导体激光器出射的泵浦光通过耦合光纤输出，由自聚焦透镜将泵浦光通过激光晶体的泵浦端面镀膜形成平面反射镜后聚焦到激光晶体的泵浦端面上。激光晶体吸收泵浦光能量后产生受激荧光辐射，辐射的荧光在谐振腔内来回振荡形成基频光束。激光由平面反射镜，经过激光晶体、声光调Q晶体，入射到平凹全反镜上，通过平面分色镜、和频晶体、倍频晶体后，入射到平凹反射镜上。平面分色镜将光引出谐振腔后，由透镜会聚，经过石英棱镜折射，在由紫外激光反射镜引出激光器。具有结构紧凑、输出脉冲平均功率高、脉冲重复频率大范围内可调等优点，在各个领域都有着广阔的应用空间和良好的市场前景。

Description

激光二极管泵浦全固态紫外脉冲激光器
技术领域
本发明涉及一种激光器，特别涉及激光二极管泵浦全固态紫外脉冲激光器。
背景技术
紫外脉冲激光器在许多领域都有着广泛的应用，如微电子技术中的超大规模集成电路的电子元件封装、超大规模集成电路芯片的紫外光刻、IT产业中的高密度光盘存储技术、医疗中的紫外光激光刀、器械的微细加工、工程材料的激光改性，如：塑料的永久性冷标刻，以及树脂的立体快速立体成型、现代生物中DNA基因工程、生物芯片技术的应用、农业生物技术中的育种，改良、印刷行业中的曝光光源、激光核聚变等，因此紫外脉冲激光器在应用上有着良好的市场前景。
当今普遍使用的气体紫外激光器或灯泵浦的紫外激光器，气体紫外激光器诸设备庞大、效率低、寿命短和稳定性差，维护操作较复杂等问题；灯泵浦激光增益介质时的吸收效率低、热效应明显。国内已有采用谐振腔外和频技术产生紫外脉冲激光的报道，但是众所周知谐振腔外的倍频产生效率都较低，极大地制约了紫外脉冲激光的产生效率。美国专利U6002695中涉及使用激光二极管阵列侧面泵浦激光晶体技术以及立体式驻波谐振腔结构，此谐振腔存在着调整难度大、基频光模式难以控制等缺点。美国专利US2002080841中涉及两个激光二极管激光器双端泵浦激光晶体以及采用四镜折叠腔结构，不仅增大了激光器的成本，而且谐振腔存在的两处折叠增加了腔内的像散，降低了紫外脉冲激光的产生效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光二极管泵浦全固态紫外脉冲激光器，具有体积小、效率高、结构紧凑、工作安全的优点。
实现本发明的技术方案是这样解决的：一种激光二极管泵浦全固态紫外脉冲激光器，包括半导体激光器、自聚焦透镜、激光晶体、倍频晶体、和频晶体、声光调Q晶体，半导体激光器出射的泵浦光通过耦合光纤输出，由自聚焦透镜将泵浦光通过激光晶体的泵浦端面镀膜形成平面反射镜后聚焦到激光晶体的泵浦端面上，激光晶体吸收泵浦光能量后产生受激荧光辐射，辐射的荧光在激光谐振腔内来回振荡形成基频光束，基频光束由平面反射镜，经过激光晶体、声光调Q晶体，入射到平凹全反镜上，通过平面分色镜、出射光射入和频晶体、和频晶体的出射光经过倍频晶体后，入射到平凹反射镜上；平面分色镜将产生的紫外激光引出激光谐振腔后，由透镜会聚，经过石英棱镜折射后将倍频的绿光激光束与和频后的紫外激光束分离，再由紫外激光反射镜引出激光器。
激光晶体的泵浦端面镀膜形成平面反射镜、平凹全反镜、平凹反射镜构成激光器谐振腔；平面反射镜将光反射到平凹全反镜，平凹全反镜将光射入平凹反射镜。
激光晶体、倍频晶体、和频晶体的侧面均涂抹有银粉，并用铟箔包裹后放入水冷散热铜块中。
平凹全反镜、平凹反射镜、平面分色镜、透镜、紫外激光反射镜均安装在二维调整架上，保证镜面法线方向与激光晶体辐射的荧光光轴方向共线。
平面反射镜与平凹全反镜调整距离范围在220～275mm之间；平凹全反镜与平凹反射镜的调整距离范围在90～120mm之间；自聚焦透镜与激光晶体泵浦端面也就是平面反射镜的调整距离范围为1～4mm。
自聚焦透镜两个通光面均镀有808nm增透膜，透过率大于99.9％；激光晶体的两通光面均镀有808nm的增透膜，一面镀有1.064μm的全反膜，另一面镀有1.064μm的增透膜；声光调Q晶体的两通光面均镀有1064nm的增透膜；平面分色镜为熔石英片，一面镀有“P”方向上的355nm高反膜，反射率大于90％和1.064μm增透膜，透过率大于99.9％，另一面镀有“P”方向上1.064μm增透膜，透过率大于99.9％；倍频晶体的两通光面均镀有532nm和1.064μm的双色增透膜；和频晶体的两通光面均镀有355nm、532nm和1.064μm的三色增透膜；平面反射镜镀有808nm的增透膜和1.064μm高反膜；平凹全反镜镀有532nm和1.064μm高反膜，反射率大于99.9％，曲率半径选取范围为80～200mm，平凹反射镜镀有532nm和1.064μm高反膜，反射率大于99.9％，曲率半径选取范围为40～60mm；
倍频晶体选用角度调节相位匹配的非线性光学晶体LBO I，和频晶体选用角度调节相位匹配的非线性光学晶体LBO II。
本发明利用自聚焦透镜耦合激光二极管发射的泵浦光束，不仅提高了泵浦光的耦合传输效率与光束质量，而且使得泵浦光与谐振腔内振荡的基频光之间达到了较好的模式匹配；采用单个激光二极管激光器端面泵浦形式，不仅降低了整机的成本，而且激光器具有输出光束模式稳定等特点；简单的三镜折叠腔结构，不仅方便易调节，而且极大地减小了腔内基频光的像散；两个凹面反射镜确保了谐振腔内在倍频与和频处有着较细的腰斑，可极大地提高紫外脉冲激光的产生效率。本发明不仅可以有效地提高谐振腔内基频光的三次谐波转换效率，而且紫外脉冲重复频率在较大范围内都可以连续可调。
附图说明
附图为本发明的结构示意图。
具体实施方式
附图为本发明的具体实施例；
下面结合附图对本发明的内容作进一步说明：
参见附图所示，自聚焦透镜耦合的全固态调Q 355nm紫外脉冲激光器的其中一条光路为：半导体激光器1出射的泵浦光通过耦合光纤2输出，由自聚焦透镜3将泵浦光通过激光晶体4的泵浦端面镀膜形成平面反射镜9后聚焦到激光晶体4的泵浦端面上。激光晶体4吸收泵浦光能量后产生受激荧光辐射，辐射的荧光在由激光晶体4的泵浦端面镀膜形成平面反射镜9、平凹全反镜10、平凹反射镜11构成的谐振腔内来回振荡形成基频光束。激光由平面反射镜9，经过激光晶体4、声光调Q晶体5，入射到平凹全反镜10上，通过平面分色镜6、和频晶体8、倍频晶体7后，入射到平凹反射镜11上。另一条光路由紫外激光的引出光路构成，平面分色镜6将产生的紫外激光引出谐振腔后，由透镜12会聚，经过石英棱镜13折射后将倍频的绿光激光束与和频后的紫外激光束分离，在由紫外激光反射镜14引出激光器。
自聚焦透镜3两个通光面均镀有808nm增透膜(透过率大于99.9％)；自聚焦透镜3支架下设有水平移动平台旋钮，通过调整水平移动平台旋钮可调节自聚焦透镜到激光晶体泵浦端面的距离。自聚焦透镜3与激光晶体4的泵浦端面也就是平面反射镜9的调整距离范围为1～4mm。
激光晶体4的侧面用铟箔包裹后置入水冷散热铜块中，激光晶体4的泵浦端面镀有808nm增透膜(透过率大于99.9％)和1.064μm高反膜(反射率大于99.9％)形成平面反射镜9；激光晶体4的另一端面镀1.064μm增透膜(透过率大于99.9％)；激光晶体的冷却控制温度调节范围在16℃～22℃之间。激光晶体4的水冷散热铜块的左端面与自聚焦透镜3的调整距离范围为1～4mm，其右端面与声光调Q晶体5的左端面调整距离范围为5～40mm。
声光调Q晶体5的两个通光端面镀有1.064μm增透膜(透过率大于99.9％)，声光晶体受驱动源控制，其中声光调Q晶体装置设有控制接口，通过电缆线和射频控制线与驱动源连接。
平面分色镜6为熔石英片，一面镀有“P”方向上的355nm高反膜(反射率大于90％)和1.064μm增透膜(透过率大于99.9％)，另一面镀有“P”方向上1.064μm增透膜(透过率大于99.9％)。这样平面分色镜12可以起到两方面的作用，其一为偏振鉴别器，强迫谐振腔内的1.064μm基频光运转在“P”偏振方向；其二引出355nm的紫外激光。
倍频晶体7和和频晶体8均采用角度调节相位匹配方式。倍频晶体7和和频晶体8长度选择范围在6mm～8mm之间。倍频晶体LBO I在倍频时，产生的二次谐波的偏振方向与基频光的偏振方向垂直，即如果1.064μm基频光的偏振方向处于“P”方向，则二次谐波532nm的偏振方向处于“S”方向。二次谐波与基频光在和频晶体8内，满足位相匹配条件时，发生和频效应，产生355nm的三次谐波。并且经过和频晶体8后三次谐波的偏振方向与基频光的偏振方向相同，即如果1.064μm基频光的偏振方向沿着“P”方向，二次谐波的偏振方向处于“S”方向，则三次谐波的偏振方向沿着“P”方向。
平面反射镜9与平凹全反镜10允许调整距离范围可以在220～275mm之间变化；平凹全反镜10与平凹反射镜11的允许调整距离范围可以在90～120mm之间变化。透镜12镀有355nm高透膜(透过率大于90％)。紫外激光反射镜14镀有355nm高反膜(反射率大于99.9％)。并且平凹全反镜10、平凹反射镜11、平面分色镜6、透镜12、紫外激光反射镜14均安装在二维调整架上，保证镜面法线方向与谐振腔基频激光的光轴方向共线。
平凹全反镜10曲率半径R选取范围为80～200mm，镀有532nm和1.064μm高反膜(反射率大于99.9％)。平凹反射镜11(M3)曲率半径R选取范围为40～60mm，镀有532nm和1.064μm高反膜(反射率大于99.9％)。
倍频晶体7的水冷散热铜块的左端面与平凹全反镜11的调整距离范围为8～30mm，倍频晶体7的水冷散热铜块的右端面与和频晶体8的水冷散热铜块左端面的调整距离范围为5～20mm，和频晶体8的水冷散热铜块的右端面与平面反射镜10中心的调整距离范围为30～60mm。
工作过程：半导体激光器1通过耦合输出光纤2与自聚焦透镜3相连，自聚焦透镜3固定于三维调整架上，三维调整架固定于水平移动平台上。半导体激光器1出射的泵浦光经过自聚焦透镜3聚焦后，入射到激光晶体4的左端面上。激光晶体4侧壁涂抹有银粉，用铟箔包裹后装入通有循环冷却水的散热铜块中。通水散热铜块经过进水口和出水口分别与恒温冷却器的进水管和出水管相连。激光晶体4吸收半导体激光器泵浦光能量后产生受激荧光辐射。受激辐射的荧光在组建的谐振腔中来回振荡形成基频激光，也就是说，受激辐射荧光由激光晶体的泵浦端面镀膜形成平面反射镜9、平凹全反镜10、平凹反射镜11构成的谐振腔内来回振荡形成基频光束。基频激光由平面反射镜9，经过激光晶体4、声光调Q晶体5，入射到平凹全反镜10上，通过平面分色镜6、和频晶体8、倍频晶体7后，入射到平凹反射镜11上。另外紫外激光由平面分色镜6引出谐振腔后，由透镜12会聚，经过石英棱镜13折射后将倍频的绿光激光束与和频后的紫外激光束分离，在由紫外激光反射镜14引出激光器。实现本发明激光二极管泵浦355nm紫外激光。
其中可以用做激光二极管泵浦的激光增益介质，诸如Nd:YVO4(掺钕钒酸钇)、Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)、Nd:GdVO4(掺钕钒酸钆)等激光晶体材料。
其中可以用做光束变频的非线性光学晶体，包括腔内倍频使用的晶体、腔内和频使用的晶体，诸如LBO(三硼酸锂)、KTP(磷酸氧钛钾)、BBO(偏硼酸钡)等非线性光学晶体材料。
其中声光调Q晶体受到驱动源的控制，在声光调Q晶体装置中设有控制接口，可通过电缆线和射频控制线与驱动源连接。驱动源工作时，发射超声波激发声光调Q晶体工作。通过调节驱动源的输出设置，达到控制声光调Q晶体的工作状态的目的。

Claims (7)

1、一种激光二极管泵浦全固态紫外脉冲激光器，包括：半导体激光器(1)、自聚焦透镜(3)、激光晶体(4)、倍频晶体(7)、和频晶体(8)、声光调Q晶体(5)，其特征在于，半导体激光器(1)出射的泵浦光通过耦合光纤(2)输出，由自聚焦透镜(3)将泵浦光通过激光晶体的泵浦端面镀膜形成平面反射镜(9)后聚焦到激光晶体(4)的泵浦端面上，激光晶体(4)吸收泵浦光能量后产生受激荧光辐射，辐射的荧光在激光器谐振腔内来回振荡形成基频光束，基频光束由平面反射镜(9)，经过激光晶体(4)、声光调Q晶体(5)，入射到平凹全反镜(10)上，通过平面分色镜(6)、出射光射入和频晶体(8)、和频晶体(8)的出射光经过倍频晶体(7)后，入射到平凹反射镜(11)上；平面分色镜(6)将产生的紫外激光引出激光谐振腔后，由透镜(12)会聚，经过石英棱镜(13)折射后将倍频的绿光激光束与和频后的紫外激光束分离，再由紫外激光反射镜(14)引出激光器。
2、根据权利要求1所述的激光二极管泵浦全固态紫外脉冲激光器，其特征在于，激光晶体的泵浦端面镀膜形成的平面反射镜(9)、平凹全反镜(10)、平凹反射镜(11)构成激光器谐振腔；平面反射镜(9)将基频光反射到平凹全反镜(10)上，平凹全反镜(10)将光射入平凹反射镜(11)。
3、根据权利要求1所述的激光二极管泵浦全固态紫外脉冲激光器，其特征在于，激光晶体(4)、倍频晶体(7)、和频晶体(8)的侧面均涂抹有银粉，并用铟箔包裹后放入水冷散热铜块中。
4、根据权利要求1所述的激光二极管泵浦全固态紫外脉冲激光器，其特征在于，平凹全反镜(10)、平凹反射镜(11)、平面分色镜(6)、透镜(12)、紫外激光反射镜(14)均安装在二维调整架上，保证镜面法线方向与激光晶体(4)辐射的荧光光轴方向共线。
5、根据权利要求1所述的激光二极管泵浦全固态紫外脉冲激光器，其特征在于，平面反射镜(9)与平凹全反镜(10)调整距离范围在220～275mm之间；平凹全反镜(10)与平凹反射镜(11)的调整距离范围在90～120mm之间；自聚焦透镜(3)与激光晶体泵浦端面也就是平面反射镜(9)的调整距离范围为1～4mm。
6、根据权利要求1所述的激光二极管泵浦全固态紫外脉冲激光器，其特征在于，自聚焦透镜(3)两个通光面均镀有808nm增透膜，透过率大于99.9％；激光晶体(4)的两通光面均镀有808nm的增透膜，一面镀有1.064μm的全反膜，另一面镀有1.064μm的增透膜；声光调Q晶体(5)的两通光面均镀有1064nm的增透膜；平面分色镜(6)为熔石英片，一面镀有“P”方向上的355nm高反膜，反射率大于90％和1.064μm增透膜，透过率大于99.9％，另一面镀有“P”方向上1.064μm增透膜，透过率大于99.9％；倍频晶体(7)的两通光面均镀有532nm和1.064μm的双色增透膜；和频晶体(8)的两通光面均镀有355nm、532nm和1.064μm的三色增透膜；平面反射镜(9)镀有808nm的增透膜和1.064μm高反膜；平凹全反镜(10)镀有532nm和1.064μm高反膜，反射率大于99.9％，曲率半径选取范围为80～200mm，平凹反射镜(11)镀有532nm和1.064μm高反膜，反射率大于99.9％，曲率半径选取范围为40～60mm；
7、根据权利要求1所述的激光二极管泵浦全固态紫外脉冲激光器，其特征在于，倍频晶体(7)选用角度调节相位匹配的非线性光学晶体LBOI，和频晶体(8)选用角度调节相位匹配的非线性光学晶体LBOII。
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