CN101933201A - 用于脉冲式谐波紫外激光器的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于脉冲式谐波紫外激光器的方法和装置。一种装置用于产生相干的脉冲式紫外光，所述紫外光具有范围在1ps到1微秒之间的脉冲时间，该装置包括可见光的或近红外的频率范围中的一个或多个源激光器。该装置还包括一个或多个FC级，这一个或多个FC级中的至少一者包括非线性FC器件以及一个或多个光学元件。所述光学元件包括：反射器、聚焦元件、偏振控制光学器件、波长分离器或光纤光学元件。FC器件包括碳酸钙镁石型硼酸铝复盐非线性光学材料，该材料构造成产生具有190到350nm之间波长的FC光，该非线性光学材料由在190到350nm的波长范围上大于70％的光学透射率来表征。

Description

用于脉冲式谐波紫外激光器的方法和装置
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2007年08月01日提交的题为“Method and Apparatus for Quasi-Continuous Wave Harmonic Lasers”的美国临时专利申请No.60/953,402以及2007年09月27日提交的题为“Method and Apparatus for Pulsed Harmonic Ultraviolet Lasers”的美国临时专利申请No.60/975,804的优先权，这些申请的全部内容为了所有目的而通过引用方式结合于此。
技术领域
本发明一般地涉及高性能激光源，该激光源在内部使用非线性光学处理将激光转换到更高的频率。仅作为示例，本发明的一些实施例提供了用于产生相干脉冲式紫外(UV)光的装置，该紫外光的波长范围在190到350nm之间，脉冲持续时间范围在1ps到300ps之间，每秒有1千万个或更多个脉冲。作为另一种示例，本发明的一些实施例提供了用于产生脉冲的装置，所述脉冲的持续时间在300ps到100ns之间，并且每秒发生10万到5百万次。在再一种示例中，脉冲包(packet)具有多个更短的脉冲，每个包具有1ns到1μs之间的持续时间，并且每秒发生10万到1亿个包。但是，本发明的范围不限于这些具体实施方式，而有更广泛的应用范围。
背景技术
对应许多工业和研究应用而言，越来越需要发射波长范围在190-350nm的光的紫外激光器。UV源具有比可见光源或近红外(NIR)源更高的分辨能力，所以对于需要高分辨率成像或散射的应用而言更为理想。UV源还具有比可见光源或NIR源更高的每光子能量，因此使得更多需要将材料去除或使材料改变的应用能够进行。
在复合受激态(exciplex)激光器中，由电子跃迁直接产生UV光；而除了复合受激态激光器之外，紫外激光器使用对于至少一个更低频率的源激光器进行的频率转换(FC)。频率转换处理包括二次谐波产生(SHG)、和频产生(SFG)以及差频产生(DFG)。频率转换激光器包含一个或多个源激光器，这些源激光器的输出被导入SHG或SFG的一个或多个FC级。这些级经常以串联方式级联以获得越来越高的频率。SHG级将输入光的一部分转换成两倍于输入光频率(输入光的一半波长)的光。SFG级取得两个不同频率的输入光，并将该输入光的一部分转换成这样的光：所述光的频率是这些输入频率的和。
SHG和SFG FC级是用专门的非线性光学(NLO)材料来实现的，所述材料通过目前已经令人满意地了解并归类在“非线性光学”主题之下的处理来产生更高频率的光。在许多情况下，NLO器件是非线性光学材料的单晶，被精密地切割和定向，从而为了所选的目的而工作。比单晶更为复杂的NLO器件的示例包括周期性极化的准相位匹配(QPM)器件、具有走离(walk-off)补偿的器件、以及由两个NLO材料光学地接触在一起以在一个光学元件中实现两个FC级。需要非常仔细以使NLO器件满足相位匹配条件、与材料定向有关的物理要求、(一个或多个)输入光束的定向、(一个或多个)输入光束的偏振态、以及材料温度。本领域已知用于相位匹配的多种手段，包括临界相位匹配、非临界相位匹配(NCPM)和准相位匹配。
当以高峰值功率的短脉冲方式递送时间平均(time-averaged)的输入功率时，与以恒定幅度的连续波(CW)方式相比，SHG级将光转换成二次谐波(SH)的能量效率大大增加。事实上，当该级在低转换效率(低于10％)的体制下工作时(正如由于各种约束条件所造成的情况)，固定的时间平均输入功率的转换效率与脉冲式源的占空比(duty cycle)大体上成反比。因此，在频率转换式激光***中，使用脉冲式源而不是CW源，是非常有利的。实际上，使用CW源的FC激光***需要使用腔谐振器以通过来回激光辐射的相长干涉来增强输入场强。在激光器增益腔内，虽然腔内***FC器件可以足够强劲，但是外部的Fabry-Perot外部谐振器对于对准和扰动情况极其敏感。这样的腔造成了显著的工程性难题，需要快速的光学-机械控制以及极端的措施来对抗热血噪声和振动噪声。在将一系列谐振腔耦合以实现更高阶光学谐振时，在工程上极其困难。
对于名义上需要CW UV激光器的许多应用而言，一种理想的方案是在频率转换激光***中使用称为准连续波(QCW)源的快速脉冲式源。只要重复速率高于使用该***的物理***的响应频率，则这种激光***的脉冲式输出信号看起来像是“连续波”。QCW频率转换激光装置具有高的源峰值功率的优点，因此具有更好的内部频率转换，同时还具有足够高的重复速率以在使用这些装置的应用中看起来是“CW”。
典型的QCW激光***使用锁模技术。锁模通过那些相位锁定的激光腔模式之间的相长干涉而产生相干脉冲。锁模的一个主要优点是能够维持随时间稳定的输出。在由腔长度预先限定的固定重复速率下，脉冲宽度将决定峰值功率。半导体可饱和吸收镜(SESAM)是提供短脉冲长度的锁模激光器所用的无源器件的一种示例。这些器件是自起动(self-starting)式锁模元件。用于锁模的其他技术包括有源的类型，例如频率调制器(电光效应)、幅度调制器(声光效应)，以及无源Kerr棱镜锁模。锁产生的脉冲长度通常小于几十皮秒(ps)但长于几百飞秒(fs)。这样的脉冲长度和重复速率会给QCW源赋予所需的特性。
美国专利No.7088,744中描述的激光***的示例由锁模二极管泵浦固态(DPSS)激光源构成，该激光源在Fabry-Perot光学腔中使用传统的激光增益晶体。在腔内使用了SESAM对增益进行调制。还可以在腔内安装任选的频率转换器，通过使用NCPM三硼酸锂(LBO)晶体而将1064nm的基础波长转换到532nm。然后，输出的532nm激光波长可以作为源而用在转换成266nm波长的另一个FC级中。这种完整的处理形成了锁模UVQCW激光***。
高的峰值功率和紧密地聚焦的输入光束一般有利于频率转换，这两者都增大了非线性光学材料内的输入和输出光束的强度。对频率转换UV激光***的使用造成限制的最重要因素之一是NLO材料在用于产生UV的条件下的寿命。现有技术的商用UV NLO器件通常是由BBO和CLBO晶体制造的。这些NLO器件由于在存在潮湿的情况下固有的弱点而不能支持长期、高输出的UV光。水与材料的表面反应，并穿透到材料本体中，造成高强度激光束损坏。在一些***中，通过由气密室进行环境隔离、提高温度以减少水的吸收、清洁性的干燥气体、以及由机械装置使晶体相对于激光束的位置进行偏移来处理这种失效模式。每一种方法都试图克服BBO和CLBO的固有缺点并解决UV NLO处理的寿命问题，但是在不同的程度上并不完全成功。因此，现有技术中需要一种使水不能进入的UV频率转换器。
与BBO和CLBO的吸湿性有关的一个结果：这些NLO材料在能够支持高强度辐射的程度方面受到限制。在由高强度输入光束提供激活能量的情况下，经抛光的表面上的表面损伤在存在水的情况下被迅速地促进。这种劣化在高强度激光束的驱使下沿着光束路径传播到本体器件中。这种现象限制了通过频率转换器的输入激光辐射的量和持续时间。结果，转换效率大大低于最佳情况，器件的工作寿命被显著地损害。
已经表明，在NLO器件中产生UV光的FC效率达到了增加输入强度不能产生所需UV输出强度这样的阈值。这种情况可以由热学移相(dephasing)的现象来解释，在这种现象中，NLO器件内的光学吸收造成了局部发热；这使得材料的折射率随着温度改变而改变，从而破坏了器件内的最佳相位匹配条件。因此，现有技术中需要一些减少热学移相的方法。
发明内容
本发明一般地涉及激光装置，该激光装置产生波长范围在190到350nm之间的相干脉冲式UV光，一种QCW实现方式具有范围在1ps到300ps之间的脉冲时间以及每秒递送的1千万或更多个脉冲，一种脉冲式实现方式具有范围在300ps到100nm之间的脉冲时间并且每秒发生10万到5百万次，一种选通(gated)脉冲包实现方式包含多个更短的脉冲，每个包具有1nm到1μs之间的持续时间并且每秒发生10万到1亿个包。更具体而言，该装置包含一个或多个源激光器，所述源激光器发射可见光的到近红外的光，并使用FC级将来自所述(一个或多个)源激光器的光的一部分转换成处于UV波长的输出光。转换处理可以涉及、也可以不涉及中间光频率和多个FC级。更具体而言，这些FC处理中的至少之一在装置的工作过程中利用NLO器件产生190-350nm的UV光，所述NLO器件完全地或部分地由碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料组成，该材料具有由RAl3B4O12给出的组成，其中R由元素{Sc、La、Y、Lu}中的一种或多种组成，并且该材料在光学上透射深紫外(DUV)辐射。
根据本发明的一种实施例，提供了用于产生相干的脉冲式紫外光的装置，所述脉冲式紫外光具有1ps到1μs之间的脉冲时间。该装置包括一个或多个处于可见光的或近红外的频率范围内的源激光器和一个或多个包括非线性FC器件的FC级。所述一个或多个FC级还包括一个或多个光学元件，所述光学元件包括反射器、聚焦元件、偏振控制光学器件、波长分离器或光纤光学元件。所述FC器件包括被构造来产生波长在190nm到350nm之间的经频率转换的光的碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料。碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料具有由RAl3B4O12给出的组成，其中R包括元素{Sc、La、Y、Lu}中的一种或多种。所述碳酸钙镁石型硼酸铝复盐非线性光学材料的特征在于在190-350nm的波长范围内具有大于70％的透光率。
根据本发明的一种实施例，提供了用于产生相干的脉冲式紫外光的装置。该装置包括一个或多个被构造来提供可见光的或近红外的输出辐射的源激光器。该装置还包括一个或多个FC级，所述FC级包括非线性FC器件和一个或多个光学元件。所述一个或多个光学元件包括反射器、聚焦元件、偏振控制光学器件、波长分离器或光纤光学元件。所述非线性FC器件包括非线性光学材料，该材料产生具有190到350nm之间波长的、经过频率转换的光。所述非线性光学材料在工作过程中受到大于5GW/cm2的局部峰值强度。
根据本发明的具体实施例，提供了用于产生相干的脉冲式紫外光的装置。该装置包括一个或多个源激光器以及一个或多个FC级，所述源激光器具有可见光的或近红外的输出辐射，所述FC级包括非线性FC器件以及一个或多个光学元件。所述一个或多个光学元件包括：反射器、聚焦元件、偏振控制光学器件、波长分离器或光纤光学元件。所述非线性FC器件包括非线性光学材料，所述非线性光学材料被构造成产生具有190到350nm之间波长的、经过频率转换的光。另外，所述非线性光学材料以大于约50MW/cm2的时间平均局部光强度工作。
根据本发明的另一种具体实施例，提供了用于产生相干的脉冲式紫外光的装置。该装置包括一个或多个源激光器以及一个或多个FC级，所述源激光器发射可见光的或近红外频率范围中的辐射。所述一个或多个FC级包括非线性FC器件以及一个或多个光学元件，所述非线性FC器件被构造成接收沿着传播轴线而传播的光，所述一个或多个光学元件包括：反射器、聚焦元件、偏振控制光学器件、波长分离器或光纤光学元件。所述非线性FC器件包括导热安装座，导热安装座具有第一侧、与第一侧相反的第二侧、从第一侧延伸到第二侧的通道。所述通道限定了安装表面。所述非线性FC器件还包括非线性光学晶体，该晶体具有彼此相对的小平面并具有外表面，彼此相对的小平面具有与传播轴线垂直的部分，所述外表面在非线性光学晶体的周边处在相对的小平面之间延伸。非线性光学晶体被安装在导热安装座中。所述非线性FC器件还包括焊剂，焊剂包含金属材料，并布置在导热安装座的安装表面与非线性光学晶体的外表面之间。
提供了用于产生相干的脉冲式紫外(UV)光的装置和方法，该紫外光具有范围在190到350nm之间的波长、范围在1ps到1μs之间的脉冲时间、以及每秒递送的1千万个或更多个脉冲。该装置包含一个或多个源激光器，源激光器发射可见的到近红外的光，并使用FC级将来自所述(一个或多个)源激光器的光的一部分转换成UV辐射。在装置的工作过程中产生190-350nm的UV光的这些FC处理中的至少之一是通过NLO器件而发生的，该NLO器件完全地或部分地由碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料组成，该材料具有由RAl3B4O12给出的组成，其中R由元素{Sc、La、Y、Lu}中的一种或多种组成，并且该材料在光学上透射DUV辐射。该激光装置还可以包含非线性材料，所述非线性材料构成至少一个FC级，所述FC级通过NLO器件产生光，其中，工作的光学脉冲峰值强度局部地大于约5GW/cm2和/或时间平均光强度局部地大于约50MW/cm2。还描述了用于有效地进行热接触的方法以及对这样的装置中所用的非线性晶体进行的控制。
在另一种实施例中，激光装置包含非线性材料，该材料构成至少一个FC级，所述FC级通过NLO器件产生光，其中，工作的光学脉冲峰值强度局部地大于约5GW/cm2和/或时间平均光强度局部地大于约50MW/cm2。
在另一种实施例中，激光装置包含非线性光学材料并安装在热模制的金属模中以在工作负荷下增强热接触和传导，所述非线性光学材料构成至少一个FC级，所述FC级通过NLO器件产生光。
根据本发明的实施例，提供了用于产生相干的脉冲式紫外光的装置，所述紫外光具有范围在190到350nm之间的波长、范围在1ps到1μs之间的脉冲时间以及每秒递送的1千万个或更多个脉冲。该装置包括可见光的或近红外的频率范围中的一个或多个源激光器，以及一个或多个FC级，所述FC级包括下列一项或多项：反射器、聚焦装置、偏振控制光学器件、波长分离装置、光纤光学元件和非线性FC器件，并且所述FC级中的至少一者使用碳酸钙镁石型硼酸铝复盐非线性光学材料来产生光。光可以是装置的输出光，也可以不是。光具有190到350nm之间的波长。所述碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料具有由RAl3B4O12给出的组成，其中R包括元素{Sc、La、Y、Lu}中的一种或多种。所述碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料光学地透射DUV辐射。
根据可替换的实施例，产生波长范围在190到350nm之间的光的FC级中的至少一者使用碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料，该碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料具有由Y(1-x)LaxAl3B4O12给出的组成，0≤x≤0.4。或者，产生波长范围在190到350nm之间的光的FC级中的至少一者使用碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料，该材料具有由Lu(1-x)LaxAl3B4O12给出的组成，0≤x≤0.4。或者，产生波长范围在190到350nm之间的光的FC级中的至少之一使用碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料，该材料具有由YAl3B4O12给出的组成。
在一种实施例中，来自单一的源激光器的辐射经历一个二次谐波产生级，该级使用碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料产生波长在190到350nm之间的光。或者，来自单一的源激光器的辐射经历两个二次谐波产生级，第二级使用碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料产生波长在190到350nm之间的光。或者，来自单一的源激光器的辐射经历一个二次谐波产生级，随后经历一个和频产生级，最后这级使用碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料产生波长在190到350nm之间的光。或者，来自单一的源激光器的辐射经历两个二次谐波产生级，随后经历和频产生级，最后这级使用碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料产生波长在190到350nm之间的光。
在一种具体实施例中，使用具有名义角频率ω的单一的源激光器，输出光束可以包含源频率的光，也可以不包含，输出光束包含显著量的处于下列名义角频率中一者或多者的光：2ω、3ω、4ω、5ω、6ω、7ω或8ω。至少一个碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料器件可以是单晶，所述单晶定向成使得具有FC处理中涉及到的频率中的一者或多者的光以接近布儒斯特角进入和/或离开材料的表面，并且相对于该表面是名义p偏振态，从而减小损耗。至少一个碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料器件可以在入射和/或出射面上受到光学涂敷，以将Fresnel反射损耗减少到在一个或多个谐波频率下每个表面小于3％，从而减小损耗。在一种实施例中，用光纤激光器作为这些源激光器之一，而在另一种实施例中用二极管泵浦的固态激光器作为源激光器之一。
该装置可以被包括到用于缺陷检测的光学***中：尤其是用于亮场照明、暗场照明、光掩膜、光罩、晶片和/或玻璃检测。该装置可以被包括到微加工***中，所述***用于切割、钻孔、烧蚀(ablating)、熔融、划线，或者对各种导体、半导体或电介质材料(例如半导体、半导体晶片、光伏器件、金属、陶瓷、塑料、玻璃、无定形材料、薄膜或晶体)进行光学处理。该装置可以被包括到光学仪器中，所述仪器用于对物理现象进行辨识、定性和/或定量的分析，所述物理现象包括干涉的、散射的和/或光谱的技术。该装置可以被包括到光学***中，所述***用于对生物学样品进行辨识、定性和/或定量的分析，所述生物学样品包括毛细电泳、细胞学、DNA操纵和/或流动血细胞计数。该装置可以被包括到光学***中，所述***将激光装置的定向光学能量与目标材料耦合，以产生波长范围在1-100nm的极紫外电磁辐射。该装置可以被包括到光学***中，所述***将激光装置的定向光学能量与目标材料耦合，以产生波长范围在10-300μm的太赫兹电磁辐射。
根据本发明的一种具体实施例，一种用于产生相干的脉冲式紫外光的装置包括一个或多个具有可见的或近红外的输出辐射的源激光器；一个或多个FC级，这些FC级包括下列一项或多项：反射器、聚焦装置、偏振控制光学器件、波长分离装置、光纤光学元件和非线性FC器件；这些FC级中的至少之一使用非线性光学材料产生具有190到350nm之间波长的光，所述光可以是装置的输出光，也可以不是。FC级中的非线性光学材料可以以约5-10GW/cm2的范围中的局部峰值光强度来工作。FC级中的局部最大光强度可以在约10-20GW/cm2的工作范围中。FC级中的局部最大光强度可以在约20-30GW/cm2的工作范围中。FC级中的局部最大光强度可以在约30-50GW/cm2的工作范围中。在一种实施例中，FC级中具有局部峰值光强度的局部最大光强度大于50GW/cm2。
FC级中的非线性光学元件中的至少之一可以完全地或部分地由碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料组成，该材料具有由RAl3B4O12给出的组成，其中R由元素{Sc、La、Y、Lu}中的一种或多种组成。FC级中的非线性光学元件中的至少之一可以具有由Y(1-x)LaxAl3B4O12给出的组成，其中0≤x≤0.4。FC级中的至少之一可以产生波长在190到350nm之间的光，其使用碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料，该材料具有由Lu(1-x)LaxAl3B4O12给出的组成，其中0≤x≤0.4。FC级中的非线性光学元件中的至少之一可以具有由YAl3B4O12给出的组成。
在一种实施例中，使用具有名义角频率ω的单一的源激光器，输出光束可以包含源频率的光，也可以不包含，输出光束包含显著量的处于下列名义角频率中一者或多者的光：2ω、3ω、4ω、5ω、6ω、7ω或8ω。
根据本发明的另一种具体实施例，用于产生相干的脉冲式紫外光的装置包括一个或多个具有可见的或近红外的输出辐射的源激光器；一个或多个FC级，所述FC级包括下列一项或多项：反射器、聚焦装置、偏振控制光学器件、波长分离装置、光纤光学元件和非线性FC器件；FC级中的至少之一使用非线性光学材料来产生光。光可以是该装置的输出，也可以不是。光具有190到350nm之间的波长。非线性光学材料可以以大于50MW/cm2的范围中的时间平均局部光强度来工作。在各种实施例中，时间平均局部光强度的范围可以从50-100MW/cm2、100-250MW/cm2、250-500MW/cm2或者大于约500MW/cm2。
根据本发明的可替换实施例，提供了用于产生相干的脉冲式紫外光的装置。该装置包括一个或多个源激光器和一个或多个FC级，所述源激光器发射可见光的或近红外频率范围中的辐射，所述FC级别包括多个反射器、聚焦装置、偏振控制光学器件、波长分离装置、光纤光学元件和非线性FC器件。这些FC级中的一者或多者使用非线性光学材料来产生波长在190到350nm之间的光，所述光可以是该装置的输出，也可以不是。非线性光学材料在工作过程中经受大于50MW/cm2的平均光强度。该装置还包括一个或多个导热晶体安装座元件，该座元件部分地包封非线性光学器件，以使其接触区域上的间隙尽可能小、与非线性光学器件的表面接触面积尽可能大、维持经过该装置的透明传播轴线、并使该座与晶体之间的热传导尽可能大。该装置还包括金属焊剂，所述焊剂填充机械式导热安装座与非线性光学器件的表面之间的间隙，在低于900K下熔融，并且与润湿剂或助熔剂组合，所述润湿剂或助熔剂可溶于水或可溶于溶剂，从而以通过用水或溶液清洗该座和非线性光学器件而从组件除去润湿剂或助熔剂，并使非线性光学器件的激光束传播入射面和出射面变得清洁。
一种实施例通过将器件紧密地安装在固定件中而减少或消除了热学移相，所述固定件以使得沿传播激光束的热梯度均等的方式耦合并散逸残余热量。
在一种实施例中，FC级中的非线性光学元件中的至少之一完全地或部分地由碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料组成，该碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料具有由RAl3B4O12给出的组成，其中R由元素{Sc、La、Y、Lu}中的一种或多种组成。在另一种实施例中，FC级中的产生范围在190到350nm之间的波长的光的至少一者使用碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料，该材料具有由Y(1-x)LaxAl3B4O12给出的组成，其中0≤x≤0.4。在另一种实施例中，FC级中的产生波长范围在190到350nm之间的光的至少一者使用碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料，该材料具有由Lu(1-x)LaxAl3B4O12给出的组成，0≤x≤0.4。在一种具体实施例中，FC级中的产生波长范围在190到350nm之间的光的至少一者使用碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料，该材料具有由YAl3B4O12给出的组成
该装置可以提供范围在1ps到1μs之间的脉冲时间。碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料可以具有由RxAl3B4O12给出的组成，其中R由元素{Sc、La、Y、Lu}中的一种或多种组成，x的范围从0.9到1.1。
使用本发明获得了优于传统技术的多种优点。例如，根据本发明的一种实施例提供的激光装置产生了有利于制造操作的UV脉冲。另外，本申请中所述的各种实施例与传统设计相比增大了工作寿命和可靠性。把由本申请中所述各种材料制造的新颖的UV频率转换晶体包括到脉冲式激光器***中与传统激光器相比增大了DUV输出。这种新颖的UV FC器件还在机械上是结实的，使之能够由金属焊剂附接到导热安装座。因此，本发明的各种实施例可用在用于FC器件的预定的热学环境中，减少了经受高的光学输入功率时的热学移相效应。取决于实施方式，可以获得这些优点中的一项或多项。这些以及其他的优点已在这份说明书全文中进行了说明，下文中更为详细。
附图说明
图1示出了与本发明的实施例所提供的材料相比，传统材料中对于UV光的SHG典型的随时间变化的行为；
图2图示了制造根据本发明实施例的材料的过程方法；
图3的简化示意图示出了光学化合物的光学透射特性，该化合物是根据本发明实施例提供的材料的代表；
图4图示了根据本发明实施例用于四次谐波产生的紫外激光装置；
图5图示了根据本发明实施例用于五次谐波产生的紫外激光装置；
图6图示了根据本发明实施例用于产生257nm辐射的紫外激光装置；
图7A是根据本发明的实施例由用于增强热接触的热模制的金属模进行热学控制的晶体安装座组件的简化示意图；
图7B是图7A所示热学安装座组件的分解图；
图8图示了根据本发明实施例从热模制的金属模制造晶体安装座的过程方法；
图9的示意图图示了根据本发明实施例，锁模激光源与幅度调制器的组合。
具体实施方式
下面在不对本发明的实施形式进行限制的情况下提供与本申请的说明有关的术语表。
布儒斯特角：相对于两种材料之间的给定界面、在对于界面哪一侧是入射侧给定了选择的情况下的入射角度，对于该角度，以电场处于入射面内的情况偏振的光在理论上透射经过该界面，没有光被反射。这种具体偏振态有时称为p偏振或TM偏振。
腔：由两个或更多个反射表面限定的、或者由波导或光纤限定的光学路径，光能够沿该光学路径往复或来回。与该光学路径相交的物体被称为处在腔内。
连续波(CW)激光器：发射在时间上连续的辐射、而不是像脉冲式激光器中那样的短脉冲式辐射的激光器。
深紫外(DUV)：电磁波谱中波长范围在100-315nm的部分。
二极管激光器：指被设计成使用受激发射来产生相干光输出的发光二极管。二极管激光器也称为激光二极管或半导体激光器。
二极管泵浦的激光器：指具有由二极管激光器泵浦的增益介质的激光器。
极紫外(EUV)：指电磁波谱中波长范围在1-100nm的部分。
小平面(facet)：指光学器件的下述表面：光线能够经过该小平面表面以足够的光学透射效率进入或离开器件从而使器件能够工作。
频率转换或频率转换器(FC)：指以谐波方式产生光的非线性光学器件。
谐波产生：对于辐射能量，使具有给定频率的电磁辐射向具有该频率几倍频率的辐射进行的转换。这可以发生在强定向光束经过非线性光学介质的时候。
红外辐射：指具有约700nm到约5000nm之间的波长的电磁辐射。
激光：指受激辐射的光放大的首字母缩写。激光器是包含任何材料——晶体、玻璃、液体、染料或气体——的腔，其中，该材料的原子能够被泵浦能量(例如由光或放电))激发到亚稳态。在其返回其能量基态时由该原子的电子发射的光能够促进介质中其他原子的受激发射。这种光(本申请中称为受激辐射)在经过腔进行多次来回行程的过程中强度连续地增大。
光：指频率范围从红外到紫外(名义上对应于从约100nm到约15μm范围)的电磁辐射；光学辐射。
线宽：a)频率或波长的范围，在特定的一对原子能级之间的跃迁中吸收或发射该频率或波长范围的辐射。全宽度被确定为线的半功率点之间，b)在激光器中，大部分光束能量分布于其上的频率范围。
近红外辐射：指具有约700nm到约2000nm之间的波长的电磁辐射。
非线性效应：指一类光学现象，这些现象通常只对于接近单色的定向光束(例如由激光器产生的光)才能观察到。谐波发生(例如二次、三次、四次谐波的发生等)、光学参量振荡、和频发生、差频发生、光学参量放大、受激Raman现象都是示例。
非线性材料：指对于能够造成非线性现象的光学辐射拥有非零的非线性介质响应的材料。非线性材料的示例包括铌酸锂(LiNbO3)晶体、三硼酸锂(LiB3O5或LBO)晶体、β-硼酸钡(β-BaB2O4或BBO)晶体、硼酸锂铯(CsLiB6O10或CLBO)晶体、硼酸钇铝(YAl3B4O12)晶体，及其同构体以及准相位匹配材料。
相位匹配：指多波非线性光学处理中用来增大下述距离的技术：在所述距离上，各个波之间所期望的能量传递是可行的。例如，三波处理在k1+k2＝k3(其中，ki是该处理中传播的第i个波的波矢量)时被称为相位匹配的。例如在倍频中，当基础相速度与二次谐波相速度匹配时，该处理最高效。
脉冲宽度：指由脉冲式激光器发射的脉冲的时间或持续时间，以秒为单位。也称为脉冲长度。
准相位匹配(QPM)材料：当基础辐射和高次谐波辐射并非相位匹配时，而是QPM光栅进行补偿。在QPM材料中，基波和高次谐波可以具有相同的偏振态，通常改善了效率。准相位匹配材料的示例包括周期性极化的钽酸锂、周期性极化的铌酸锂(PPLN)或周期性极化的磷酸钛氧钾(PPKTP)。
源激光器：用作一个或多个FC级的光源的激光器。(一个或多个)源激光器可以是商用产品本身，也可以构造成UV激光装置的一体部分，可能集成为使得这些源激光器不以单独的实体单元形式出现。(如果商用源激光器单元在发生激光现象的腔的外部包含一个或多个FC级，则本申请中所用的术语“源激光器”指该商用激光器中发生激光现象的部分。在此情况下，该商用源的外部FC部分被包含作为整体UV激光装置的FC部分的一部分。)
太赫兹(THz)辐射：指电磁波谱中波长在10-300μm范围内的部分。
腰：1)名义高斯光束的最窄部分；2)高斯光束在最窄点处的半径。高斯光束半径是名义高斯光束的强度是中心峰值强度的1/e2处的半径。
许多显著的应用需要UV激光器具有产生下述脉冲的能力：这些脉冲以具有下列全部特性的方式唯一地发射相干辐射：稳定的线偏振态、高的峰值功率、脉冲时间从1ps到1μs、窄的光谱带宽、一个空间模式占支配地位。这些特性的总和有利于由NLO光学器件进行高效的激光FC。另外，UV源对于长期耐久性和稳定性的需要对于连续工作而言是极其重要的。但是，目前可用的发射DUV的激光器受到劣化、频繁的整修、以及耗时的对准等问题的影响，在被安装在机器中时，这些问题是不能忍受的。这些***的主要失效点集中在目前可用的脆弱NLO FC器件上。
本发明一般地涉及具有有利的光学特性和物理特性的某些化合物。具体而言，本发明涉及由RAl3B4O12表示的化合物，其中R由元素{Sc、La、Y、Lu}中的一种或多种组成，并拥有在350nm以下作为频率转换器工作的能力。具体而言，作为示例，本发明提供了用于选定波长的电磁辐射的产生的、包括M(1-x)M′xAl3B4O12的具体化合物。x大于或等于0，并且小于或等于0.4，M和M′是从由Sc、Y、La和Lu构成的组中选择的元素。这些新的UV级碳酸钙镁石(huntite)型硼酸铝复盐(aluminum doubleborate)材料在本申请中被称为“优选材料”。尤其是，本发明的某些实施例的一种对象利用优选材料的下述成分：该成分满足Y(1-x)M′xAl3B4O12(其中，M′＝Sc、La或Lu，0≤x≤0.4)，并且利用消除或显著减少了对于器件在UV波谱中的有效使用造成抑制的污染物的方法来制造。更具体而言，本发明的某些实施例基本上从该材料中排除了过渡金属，以用在350nm以下的UV中。优选材料是由该激光装置可靠地产生UV QCW或脉冲式激光辐射的关键要素，因此，本发明尤其被设计成利用了它们固有的光学、热学和其他方面的物理特性的优点。
本发明的一些实施例涉及包括一个或多个激光源以及一个或多个FC器件的激光装置，其中，至少一个这样的FC器件是由优选材料的组成成员制造的；这些要素作为***而一起工作以产生190-350nm的QCW或脉冲式UV光。在第一实施例中，来自(一个或多个)激光源的脉冲具有1ps到300ps之间的脉冲时间，并且重复速率足够高(10MHz到1GHz)以使得激光装置的输出能够在效果上对于多种应用而言是连续波。在许多情况下，通过施加线性啁啾而使这些脉冲伸展，这些被拉长的脉冲然后在前置放大器和功率放大级中受到加强，然后被向下压缩回低的皮秒体制。这用来在维持QCW脉冲重复速率的同时增大脉冲峰值功率，以产生足够的峰值功率来有效地驱动随后的FC器件。
在第二实施例中，提供了一种相干脉冲式UV光源，其波长范围在190到350nm之间。光束由持续时间在300ps到100ns之间、脉冲重复速率为100kHz到5MHz的脉冲组成。该脉冲式激光器设计在平均功率方面与QCW激光器架构相当，进行了用低重复速率代替长脉冲时间的折中。
在第三实施例中，为了以1ns到1μs持续时间的脉冲的形式产生更高的脉冲能量，一种专门的主振荡器功率放大器源激光器架构具有锁模的种子激光器和均匀的脉冲速率，该脉冲速率能够被调制以产生选通脉冲包，这些包随后在高度饱和的激光放大器中受到放大。通过产生包含多个更短脉冲的脉冲包，该激光器设计比非调制的设计方案降低了占空比，从而提高了随后的FC级中的效率和脉冲峰值功率。
脉冲包的重复速率通常是100kHz到100MHz，包内的振荡器脉冲是10MHz到1GHz。该激光装置中所用的(一个或多个)源激光器被设计成获得通常比现有技术的频率转换激光器中所用的峰值功率更大的峰值功率。在将这样的包式脉冲激光器设计与含有由优选材料制造的NLO器件的UV FC级耦合时，总体上高强度的UV激光***很好地利用了具有高损伤阈值并对光学劣化具有高耐受性的UV FC晶体。产生了具有相对较高功率的190-350nm的脉冲式UV光。
本申请中描述的激光装置设计使用了FC技术来产生UV光，该UV光是输入基础激光频率的整数倍。可以将多个激光源在FC器件内混合，但是最普通的使用情况是对于一个基础光学频率源使用一个激光器。SHG是最为惯用的转换方案，但是SFM也是一种常见的替换形式。例如，本申请中所述的一些实施例使用SHG将绿色激光转换到266nm以及1030nm和257nm的SFM来产生206nm的光。FC技术采用经过加倍和/或相加的不同频率来产生目标频率的光束。因此，虽然本申请中的这些实施例可以使用一个或多个源激光器，但是最普通的使用情况是一个源激光器。
使用具有更高峰值功率的激光源(由于优选材料的高光学耐久性的特性而独特地能够如此)接着有利于使NLO器件的长度比现有技术的频率转换激光器中所用的更短——因为随着峰值功率的增大，要获得给定的转换效率只需要较少的传播长度。对于单晶体NLO器件，能够使用较短的晶体具有许多与相位匹配有关的非常重要的优点。通过将晶体长度减小到小于4mm(例如1-3mm)，FC处理拥有更大的光谱接受带宽，更大的热接受带宽，以及更大的角度接受带宽。更大的光谱接受带宽加大了可用的源激光器设计的范围，因为输入的光能够具有更宽的光谱线宽。另外，更大的热接受带宽减小了相位匹配对于纵向和横向热梯度的敏感性，所述梯度是由光的吸收(通常是在所产生的波长)产生的。在使用较短的晶体时还减小了线性损耗和双光子吸收损耗。对于较短的晶体，除了减小对于热梯度的敏感性之外，晶体内部的温度范围本身对于较短的晶体也可望更小。因此，本发明中大大地减小了热学移相问题。在4mm或更小长度的优选材料晶体中，为了维持给定的平均晶体温度而进行的热控制是可选的。使用较短晶体的另一个显著优点是减小了由于双折射造成的光束在横向上的走离。走离降低了FC效率并使所产生的光束的横向分布显著变形(加长)。
优选材料是基本上坚硬的，并且容易接受精细光学抛光。可以毫无难度地给优选材料涂敷光学涂层(例如AR涂层)。但是，在以高强度工作以获得最佳的NLO性能时，与优选材料的经过精细抛光的表面相比，没有已知的光学涂层能够承受那么大的程度或具有那么长的寿命。以合适的布儒斯特角制造输入和/或输出面能够在未涂敷的情况下减小表面反射损耗，对于非常高的强度，可以优选使用正入射面。
除了支持具有比通常的晶体更短的长度的晶体之外，优选材料还能够显著地简化激光装置的机械设计：略去了材料周围的环境隔离室。由于吸湿性，对于采用CLBO或BBO的UV激光器而言，经过净化或密封的环境室通常是必须的。相比之下，优选材料对于水的存在保持了不敏感性。因此，对于这些材料，基于水的光学劣化并未表现得明显，因此它们的非吸湿性直接赋予了作为激光装置组成要素的工作长寿命。优选材料表现为缺乏潮气吸收性，在未经控制的环境条件下，它们没有表现出长期劣化情况。相比之下，现有技术的材料BBO和CLBO是不良的，因为它们由于与水蒸气反应而随时间受损。
图1示出了从UV级碳酸钙镁石、BBO和CLBO晶体器件产生的266nm辐射的典型长期行为。在大约几分钟的工作中，仅仅大气中的潮气就足以造成商用UV NLO材料的劣化。这种情况对于在激光器中使用BBO和CLBO FC器件是非常严重的，激光装置受累于工作长期性的降低，并且需要重大的设计复杂性/折中性来处理FC晶体问题。消除了对于环境隔离的需求使得显著降低了FC激光器件的复杂性、成本以及所需的维护，并且对于激光器件的设计和工作表现出总体的改善。
本发明的一些实施例受益于由优选材料制成的NLO器件的另一特性，即没有对UV造成抑制的污染物：在功能上改善了UV的光学透射性。有助于透射损耗的污染物在NLO器件中造成了局部生热以及热学移相。尽管本发明的主要努力针对的是减少NLO器件内的吸收性成分(例如过渡金属原子)，但是本发明中包含的新颖成分减少了纵向热梯度并预防了显著的热学移相。本申请中描述了NLO元件的这样一种新颖的热学接触：通过将金属模围绕NLO器件外部熔融并将NLO器件保持在导热支撑件中，来安装NLO器件。通过用水或溶剂对它们进行清洗来执行将焊接所用的助熔剂(润湿剂)除去的后续过程。这样，在这种安装中减少了由吸收造成的纵向热梯度(这种纵向热梯度会接着影响聚焦光束的相位匹配质量)。由于这种新颖的安装方案，通过对晶体的热学环境进行控制来减少热学移相，而改善了FC效率：NLO器件密切的金属化接触减小了器件中由残余的内在光学吸收所造成的温度梯度。
通过频率转换器件内光强度的独特配置来描述本发明的一个具体方面。优选材料允许使用迄今为止对于高性能商用激光器***难以达到的设计参数空间：高的峰值功率脉冲与紧密地聚焦的束腰相结合而在NLO材料内产生非常高的强度以有高的转换效率；较短的晶体来改善光谱的、热学的、角度的接受性以用于相位匹配；减少走离变形和吸收损耗；环境上和机械上的坚固性放宽了对于晶体及其周边进行复杂处理的常规需要。所有这些特性相结合限定了这种激光装置发明的其他方面：用来产生UV光的NLO器件之一会具有超过5GW/cm2的工作局部脉冲峰值强度。这种发明的另一个要素：用来产生UV光的NLO器件之一会具有超过50MW/cm2的工作局部时间平均强度。
在本发明的另一个方面，对于NLO器件设计的考虑包括现有的公知方法，并可以应用到频率转换激光装置中由优选材料制造的(一个或多个)NLO器件。指定了(一种或多种)NLO器件材料、尺寸、方向、面角度。指定了输入光的有利的偏振态和横向场分布，以及(a)I类或II类转换方法，(b)临界的、非临界的或准相位匹配的方法，(c)与入射光正交的输入/输出面，(d)布儒斯特角或任何其他的非正交角度输入和/或输出面，和/或(e)复合单块式结构。
本发明的一些实施例包括将现有技术中已知的NLO元件设计的任何和全部技术应用到本申请中所述优选材料的用途。另外，本申请中所述的与应用于其他非线性材料一样的技术的用途可以在本发明中用来实施不包含优选材料的FC处理(如果有的话)。
本发明的一些实施例的一个目的是提供用于制造非线性光学材料的方法，所述非线性光学材料满足不具有有害的UV吸收性的上述成分。一种实施例包括形成下述混合物：该混合物包括从约10到约30mol％的Y源、从约10到约40mol％的M，从约15到约40mol％的Al源以及从约25到约50mol％的氧化硼。如果M是Sc，则M源一般是氧化钪；如果M是La，则M源一般是氧化镧；如果M是Lu，则M源一般是氧化镥。该混合物被加热到足以形成NLO材料的温度和时间长度。例如，加热步骤可以包括将该混合物加热到至少850K并且一般大于约850K的第一温度。然后该混合物被冷却。在冷却之后，该混合物被粉碎(磨成精细粉末，例如通过用研钵和碾槌进行研磨)，然后被加热到至少1300K并且一般大于约1300K的第二温度。
形成这些晶体材料的另一种方法可以是(但不限于)如图2所示的顶部籽晶(top-seeded)溶液生长。该方法包括下列处理：
1.高纯度氧化物粉末和化学品被计量并以适当比例混合。
2.将混合物装载到坩锅中并置于炉子中。
3.将混合物加热并使之熔融成液体。
4.随后，使熔融物温度接近其凝固点。
5.引入冷指(cold finger)材料或籽晶以引发结晶。
6.修改并监视熔融物温度和装置条件，以促进晶体生长。
7.在合适的时候将***降到室温。
8.从***中取出晶体。
例如，(Y，La)Al3B4O12的合成可以用下述方式执行。从经销商(例如Aesar和Stanford Materials)处购买纯度大于99.9％的氧化钇(Y2O3)、纯度大于99.9％的氧化镧(La2O3)、纯度大于99.9％的氧化铝(Al2O3)以及纯度大于99.9％的氧化硼(B2O3)。形成包括约14wt％的氧化钇、约30wt％的氧化镧、约19wt％的氧化铝以及约37wt％的氧化硼的混合物。
如本申请中所述，本发明的某些实施例涉及非线性光学(NLO)器件和电光器件，以及在350nm以下采用这些器件的能力。本发明的一些实施例涉及这样的非线性光学材料：这些材料满足通式Y(1-x)M′xAl3B4O12(M′＝Sc、La或Lu，并且0≤x≤0.4)并且是在没有下述污染物的情况下制备的：所述污染物阻碍了在电磁波谱的紫外(UV)段中的使用。在另一种实施例中，非线性光学材料满足通式Lu(1-x)M′xAl3B4O12(M′＝Sc、Y或La，并且0≤x≤0.4)，并且是在没有下述污染物的情况下制备的：所述污染物阻碍了在电磁波谱的紫外(UV)段中的使用。
根据本发明的一些实施例，非线性光学材料Y(1-x)M′xAl3B4O12(M′＝Sc、La或Lu，并且0≤x≤0.4)被用于NLO器件以工作在350nm以下。在另一种实施例中，这种非线性光学材料被用于激光源，该激光源被用在产生350nm以下的光学辐射的装置中。在另一种示例中，这种非线性光学材料被用于光源，该光源被用在产生350nm以下的光学辐射的装置中。在另一种示例中，这种非线性光学材料被形成为用于350nm以下的三角系晶族(trigonal crystal class)。在另一种示例中，这种非线性光学材料被形成为用于350nm以下的空间群(space group)R32。
在本发明的某些实施例中，非线性光学材料满足Sc(1-x)M′xAl3B4O12(M′＝Y、La或Lu，并且0≤x≤0.4)或Lu(1-x)M′xAl3B4O12(M′＝Sc、La或Lu，并且0≤x≤0.4)。
纯的YAl3B4O12(YAB)尚未商业生产。传统的实验室生长方法产生了小的晶体，这些小的晶体包含大量的非化学计量的金属污染物并且表现出不合规格的晶体质量。此外，所用的溶剂引入了显著量的污染物，所述污染物阻碍了装置在350nm以下的UV中工作。对于碳酸钙镁石硼复盐的一些工作描述了一种助熔剂***，该***保留了生产YAB及其同族成员(即钼酸钾K2MoO4和K2Mo3O10)的主要方法。但是，这些溶剂配方对于大规模晶体生长具有严重的限制：a)高的熔剂挥发性，b)小的晶体产率，c)在目标的硼酸盐钙镁石结构中大量包含了Mo原子。因此，尚未出现纯YAB的商业晶体生产，YAB也没有被用在激光器产品中作为专用频率转换器。
本发明的某些实施例的一个目的是生产和使用下述非线性材料：这些材料满足由碳酸钙镁石结构型硼酸铝复盐表示、并具有由RAl3B4O12给出的组成的族类，其中R由元素{Sc、La、Y、Lu}的一种或多种组成。优选材料结晶成菱面体原胞晶类(primitive rhombohedral class)、空间群R32，与矿物碳酸钙镁石(huntite)是同构的。在以上列出的式子中，符号R意在表示所列出的组中的元素中的一种或多种，以在碳酸钙镁石晶体结构中占据相同的晶格位置，即Wyckoff位置标记3a。类似地，Al原子一般占据碳酸钙镁石中的Wyckoff位置9d。这样，在一种实施例中，R是{Y、La、Lu}，提供了碳酸钙镁石型硼酸铝复盐晶体，其中元素{Y、La、Lu}共同占据3a，其摩尔总和为1。尤其是，M(1-x)M′xAl3B4O12，其中0≤x≤0.4，M和M′＝(Sc、Y、La或Lu中的一种或多种)。在这个第二式子中，符号M和M′意在表示占据晶格位置3a的原子，而Al原子占据碳酸钙镁石结构中的Wyckoff位置9d。这样，在一种实施例中，M是Y而M′是La，提供了用高至40％的La代替Y的硼酸铝复盐晶体。这样，在这份说明书全文提供的元素列表中，尽管一些实施例只使用了晶体组分中各种元素中的两种，但这并不是本发明的其他实施例所必需的。
具体而言，本发明的一些实施例基本上从器件中排除了金属(例如6族金属)，以用在小于350nm的UV中。避免包括6族杂质(例如Mo)扩展了选择硼酸盐碳酸钙镁石的UV透射性。另外，主要晶体组分中不存在多余的金属还在整个透明范围(例如从165到2700nm)上减少了总的本体光谱吸收。利用本申请中所述的实施例，与现有技术中描述的方法相比，可以独特地实现固有的UV透明性。
如本申请中所说的那样，本发明一些实施例的一个目的是提供用于制造非线性光学材料的方法，这些非线性光学材料满足M(1-x)M′xAl3B4O12，其中0≤x≤0.4，M和M′＝(Sc、Y、La、Lu)而不存在有害的UV吸收。一种实施例包括形成这样的混合物：该混合物包括从约10到约30mol％的M源，从约10到约40mol％的M′，从约15到约40mol％的Al源以及从约25到约50mol％的氧化硼。如果M或M′是Sc，则M或M′的源一般是氧化钪；如果M或M′是Y，则M或M′的源一般是氧化钇；如果M或M′是La，则M或M′的源一般是氧化镧；如果M或M′是Lu，则M或M′的源一般是氧化镥。该混合物被加热到足以形成NLO材料的温度和时间长度。例如，加热的步骤可以包括将混合物加热到至少850K并且一般大于850K的第一温度。然后该混合物被冷却。在冷却之后，该混合物被粉碎(磨成精细粉末，例如通过用研钵和碾槌进行研磨)，然后被加热到至少1300K并且一般大于约1300K的第二温度。
图2是根据本发明的一种实施例用于制造光学化合物的简化方法。该图仅仅是一种示例，不应对权利要求的范围造成不当的限制。本领域普通技术人员可以想到许多变更、替换和修改形式。方法100包括：处理110，用于对化学品进行计量和混合；处理120，用于将混合物转移到坩锅和炉子；处理130，用于使混合物熔融；处理140，对炉子条件进行优化，以进行结晶；处理150，用于引入籽晶并开始结晶；处理160，用于使***冷却并提取晶体。尽管已经用所选的处理序列示出了这种制造方法，但是可以有许多替换、变更和修改形式。例如，这些处理中的一些可以被扩展和/或组合。可以将其他处理***到所标出的这些处理。取决于实施方式，处理的具体顺序可以与所代替的那些处理进行互换。例如，处理150被变更为使用自发成核，或者使用传统的光学晶体生长过程来将冷指材料引入熔融物表面。在这份说明书中可以找到这些处理的更多细节，下文中更为具体。
在处理110，对某些化学品进行计量和混合。例如，高纯度氧化物粉末和化学品被计量并以适当比例混合。在处理120，混合物被转移到坩锅和炉子。例如，混合物被装载到坩锅(例如铂族金属坩锅)中并置于炉子中。在处理130，混合物被熔融。例如，混合物被加热并使之熔融成液体。
在处理140，对炉子条件进行优化以进行结晶。例如，在一段时间之后，使熔融物温度接近其凝固点。在处理150，引入籽晶并开始结晶。例如，引入籽晶以引发结晶。在另一种示例中，处理150被变更成使用冷指材料来引发结晶。在再一种示例中，处理150被变更成使用自发成核来引发结晶。另外，对熔融物温度和装置条件进行修改和监视以促进晶体生长。在处理160，对***进行冷却并提取晶体。例如，在合适的时候，使***降低到室温。从***取出晶体并准备进行测试或进一步处理。
作为方法100的一种示例，以如下方式执行Y(1-x)LaxAl3B4O12(0≤x≤0.4，例如x≈0.25)的合成：在处理110，获得纯度大于99.9％的氧化钇(Y2O3)、纯度大于99.9％的氧化镧(La2O3)、纯度大于99.9％的氧化铝(Al2O3)以及纯度大于99.9％的氧化硼(B2O3)。例如，从经销商(例如Aesar和Stanford Materials)处获取这些化学品。形成包括约14wt％的Y2O3、约30wt％的La2O3、约19wt％的Al2O3以及约37wt％的B2O3的混合物。
在处理120，将该混合物装载到坩锅中并置于具有气氛控制的高温炉子中。例如，大气气氛或惰性气氛都可以令人满意。在处理130，将混合物在12小时中从室温加热到范围从1450到1575K的另一温度。允许所得的熔融物在另一温度下进行长时间热处理(soak)，约1到3天。
在处理140，以20K/小时的速率将液体混合物冷却到接近其凝固点的温度。例如，该温度的范围从约1475到1400K。在该温度下，混合物被保持约8小时。在处理150，通过自发成核或使用传统的光学晶体生长过程将籽晶或冷指引入到熔融物表面，在以约1-5K/天的速率冷却到1300K的最终温度的同时开始形成产品。另外，在生长过程中，通过操作员和/或通过炉子上的自动控制***，对熔融物温度和装置条件进行监视并可选地进行修改以促进晶体生长。
在处理160，以约50K/小时的冷却速率将***冷却到室温。获得了无色透明的Y(1-x)LaxAl3B4O12(其中0≤x≤0.4)晶体并将其从炉子中取出。
在用于方法100的另一种示例中，以如下方式执行Lu(1-x)LaxAl3B4O12(其中0≤x≤0.4)的合成：在处理110，获得纯度大于99.9％的氧化镥(Lu2O3)、纯度大于99.9％的氧化镧(La2O3)、纯度大于99.9％的氧化铝(Al2O3)以及纯度大于99.9％的氧化硼(B2O3)。例如，从经销商(例如Aesar和Stanford Materials)处获取这些化学品。形成包括约21wt％的Lu2O3、约30wt％的La2O3、约16wt％的Al2O3以及约34wt％的B2O3的混合物。
在处理120，将该混合物装载到坩锅中并置于高温炉子中，所述高温炉子具有氮气和分压小于或等于约3000ppm的氧气的气氛控制。在处理130，将混合物在12小时中从室温加热到范围从1450到1575K的另一温度。允许所得的熔融物在另一温度下进行长时间热处理，约1到3天。
在处理140，以20K/小时的速率将液体混合物冷却到接近其凝固点的温度。例如，该温度的范围从约1475到1400K。在该温度下，混合物被保持约8小时。在处理150，通过自发成核或使用传统的光学晶体生长过程将籽晶或冷指引入到熔融物表面，在以约1-5K/天的速率冷却到1275K的最终温度的同时开始形成产品。另外，在生长过程中，通过操作员和/或通过炉子上的自动控制***，对熔融物温度和装置条件进行监视并可选地进行修改以促进晶体生长。
在处理160，以约50K/小时的冷却速率将***冷却到室温。获得了无色透明的Lu(1-x)LaxAl3B4O12(其中0≤x≤0.4，例如x≈0.2)晶体并将其从炉子中取出。
在用于方法100的另一种示例中，以如下方式执行Sc(1-x)LaxAl3B4O12(其中0≤x≤0.4)的合成：在处理110，获得纯度大于99.9％的氧化钪(Sc2O3)、纯度大于99.9％的氧化镧(La2O3)、纯度大于99.9％的氧化铝(Al2O3)以及纯度大于99.9％的氧化硼(B2O3)。例如，从经销商(例如Aesar和Stanford Materials)处获取这些化学品。形成包括约8wt％的Sc2O3、约34wt％的La2O3、约18wt％的Al2O3以及约39wt％的B2O3的混合物。
在处理120，将该混合物装载到坩锅中并置于具有气氛控制的高温炉子中。例如，大气气氛或氮气气氛都是令人满意的。在处理130，将混合物在12小时中从室温加热到范围从1450到1600K的另一温度。允许所得的熔融物在一温度下进行长时间热处理，约1到3天。
在处理140，以20K/小时的速率将液体混合物冷却到接近其凝固点的温度。例如，该温度的范围从约1500到1425K。在该温度下，混合物被保持约8小时。在处理150，通过自发成核或使用传统的光学晶体生长过程将籽晶或冷指引入到熔融物表面，在以约1-5K/天的速率冷却到1300K的最终温度的同时开始形成产品。另外，在生长过程中，通过操作员和/或通过炉子上的自动控制***，对熔融物温度和装置条件进行监视并可选地进行变更以促进晶体生长。
在处理160，以约50K/小时的冷却速率将***冷却到室温。获得了无色透明的Sc(1-x)LaxAl3B4O12(其中0≤x≤0.4)晶体并将其从炉子中取出。
图3是示出根据本发明一种实施例的光学化合物的透射特性的简化示意图。该图仅仅是一种示例，不应对权利要求的范围造成不适当的限制。本领域普通技术人员会想到许多变更、修改和替换形式。该光学化合物包括由所述方法100制造的Y(1-x)LaxAl3B4O12(其中0≤x≤0.4)。用氧化钇(Y2O3)、氧化镧(La2O3)、氧化铝(Al2O3)以及氧化硼(B2O3)开始合成。如图3所示，曲线200示出了透射百分比随波长的变化函数。在这个光谱范围(并未从真空UV数据获益)上，Fresnel损耗在数据中被抵消，没有观察到本征吸收端(intrinsic absorption edge)。表面和本体散射损耗以及残余的本体吸收在DUV中变得更加明显。因此，从190nm到350nm所测得的光学透射数据表现出远远高于75％的DUV透明度。
如本申请中所述并在此进一步强调的，该方法可以用来制造各种类型的光学化合物。根据本发明的一种实施例，由方法100制造用在350nm及更小波长的非线性光学器件的化合物。该化合物包括下述用于非线性光学器件的材料：该材料包括YAl3B4O12。该化合物不含有至少百万分之1000(例如500)的含钼杂质。
根据本发明的另一种实施例，由方法100制造用在350nm及更小波长的非线性光学器件的化合物。该包含用于非线性光学器件的材料的化合物包括Y(1-x)M′xAl3B4O12。x大于或等于零并且小于或等于0.4，并且M′选自由Sc、La和Lu构成的组。该化合物不含有至少百万分之1000的含钼杂质。
根据本发明的另一种实施例，由方法100制造用在350nm及更小波长的非线性光学器件的化合物。该包含用于非线性光学器件的材料的化合物包括Lu(1-x)M′xAl3B4O12。x大于或等于零并且小于或等于0.4，并且M′选自由Sc、Y和La构成的组。该化合物不含有至少百万分之1000的含钼杂质。
根据本发明的另一种实施例，由方法100制造用在350nm及更小波长的非线性光学器件的化合物。该包含用于非线性光学器件的材料的化合物包括Sc(1-x)M′xAl3B4O12。x大于或等于零并且小于或等于0.4，并且M′选自由Y、La和Lu构成的组。该化合物不含有至少百万分之1000的含钼杂质。
根据本发明的另一种实施例，由方法100制造用在350nm及更小波长的非线性光学器件的化合物。该包含用于非线性光学器件的材料的化合物包括M(1-x)M′xAl3B4O12。x大于或等于零并且小于或等于0.4，并且M和M′选自由Sc、Y、La和Lu构成的组。该化合物不含有至少百万分之1000的含钼杂质。在一种实施例中，M包括从由Sc、Y、La和Lu构成的组中选择的至少一者。在另一种实施例中，M′包括从由Sc、Y、La和Lu构成的组中选择的至少一者。
如本申请中所述，根据某些实施例，由方法100制造的各种光学化合物每一者都不含有至少百万分之1000的含钼杂质。例如，该化合物不含有至少百万分之500的含钼杂质。在另一种示例中，该化合物不含有至少百万分之100的含钼杂质。在另一种示例中，该化合物不含有至少百万分之10的含钼杂质。在另一种示例中，该化合物不含有至少百万分之1的含钼杂质。在另一种示例中，该化合物基本上不含有含钼杂质。
如本申请中所述，根据某些实施例，由方法100制造的各种光学化合物每一者都不含有至少百万分之1000的任何下述杂质：该杂质能够妨碍所述化合物在350nm或更低波长下用于非线性光学器件。例如，该化合物不含有至少百万分之500的任何这种杂质。在另一种示例中，该化合物不含有至少百万分之100的任何这种杂质。在另一种示例中，该化合物不含有至少百万分之10的任何这种杂质。在另一种示例中，该化合物不含有至少百万分之1的任何这种杂质。在另一种示例中，该化合物基本上不含有任何这种杂质。
如本申请中所述，根据某些实施例，由方法100制造的各种类型的光学化合物每一者具有大于约0.001mm3的体积。例如，该化合物具有大于约0.01mm3的体积。在另一种示例中，该化合物具有大于约0.1mm3的体积。在另一种示例中，该化合物具有大于约1mm3的体积。
根据一些实施例，由方法100制造的各种光学化合物可以在350nm或更低波长下用于非线性光学器件。例如，这种用途与范围从约350纳米到190nm的波长相关联。在另一种示例中，这种用途与范围从约350nm到170nm的波长相关联。在另一种示例中，这种用途与产生低于350nm的光学辐射的器件相关联。在另一种示例中，该器件包括NLO***，与激光器***相关联的该化合物，和/或与光源相关联的该化合物。
根据某些实施例，方法100可以用来制造在350nm或更低波长下使用的非线性光学器件。例如，该化合物与用在350nm以下的三角晶族和/或用在350nm以下的空间群R32相关联。
根据本发明的另一种实施例，用于制造在350nm和更低波长下使用的非线性光学器件的化合物的方法包括提供多种材料。所述多种材料包括含镧化合物，所述含镧化合物在加热时能够分解成至少氧化镧。另外，该方法还包括：根据至少与预定比例相关联的信息而将所述多种材料混合以形成混合物、在该混合物中开始结晶处理以形成晶体、以及将包括镧的晶体从混合物中取出。例如，所述多种材料包括氧化镧。在另一种示例中，所述多种材料还包括氧化硼。在另一种示例中，所述方法还包括将该混合物置于炉子中。在另一种示例中，所述方法还包括将该混合物加热到第一预定温度，并将该混合物冷却到第二预定温度。在另一种示例中，开始结晶处理的步骤包括将籽晶***到熔融物表面。在另一种示例中，该晶体包括M(1-x)M′xAl3B4O12。x大于或等于零并且小于或等于0.4，M和M′选自由Sc、Y、La和Lu构成的组。在另一种示例中，该方法是根据方法100而实施的。
根据本发明的另一种实施例，用于制造在350nm和更低波长下使用的非线性光学器件的化合物的方法包括提供多种材料。所述多种材料包括含钇化合物，所述含钇化合物在加热时能够分解成至少氧化钇。
另外，该方法还包括：根据至少与预定比例相关联的信息而将所述多种材料混合以形成混合物、在该混合物中开始结晶处理以形成晶体、以及将包括钇的晶体从混合物中取出。例如，所述多种材料包括氧化钇。在另一种示例中，所述多种材料还包括氧化硼。在另一种示例中，所述方法还包括将该混合物置于炉子中。在另一种示例中，所述方法还包括将该混合物加热到第一预定温度，并将该混合物冷却到第二预定温度。在另一种示例中，开始结晶处理的步骤包括将籽晶***到熔融物表面。在另一种示例中，该晶体包括M(1-x)M′xAl3B4O12。x大于或等于零并且小于或等于0.4，M和M′选自由Sc、Y、La和Lu构成的组。在另一种示例中，该方法是根据方法100而实施的。
优选材料是由激光装置可靠地产生UV QCW或脉冲式激光辐射的关键要素，因此，本发明被专门设计来利用了它们固有的光学特性的优点。这个部分中频率转换激光装置的三种示例将表明在可应用于工业环境的***中，优选材料的有效性和实用性。下面的这些示例是使用了数据的数值模型，所述数据是从对使用Y(1-x)LaxAl3B4O12(其中0≤x≤0.4)的***进行的实验中收集的。测量已经验证了预先设定的理论模型。第一示例示出了将这种新的NLO材料应用于在SHG频率产生技术中抓住了使用高的光强度的机会的配置中。第二示例是在第一示例的基础上构建的，示出了使用附加的SFG级并将输出进一步推进到UV范围。第三示例对具体的混合锁模源使用了脉冲压缩来实现优秀的频率转换。为了简化起见，这些示例使用了自由空间光学器件以及单一的晶体NLO元件；可以理解，使用波导或光纤光学器件和/或更为复杂的NLO元件的领域的技术人员容易选择的那些设计也是本发明的实施方式。
图4所示的激光***代表了用于四次谐波产生的紫外激光装置。激光源1具有下列特征：1064nm的基础波长，30W的平均功率，200ps的FWHM脉冲时间，高斯脉冲分布，5MHz的重复速率，30KW的名义峰值功率，近似高斯光束输出分布，以及垂直方向的线偏振输出。在一种具体实施例中，谱线的线宽约为400pm。在另一种实施例中，脉冲时间小于200ps，例如10ps。另外，在另一种实施例中，脉冲重复速率更高，例如100MHz。
光束经过光学窗口2到达任选的、对偏振态进行旋转的1064nm半波片3。元件2和3的表面经过AR涂敷，所有的其他表面也是如此，除非另有说明。一个或多个透镜4组成的***将光束耦合到20mm长的、经过AR涂敷的LBO晶体5，用于I类非临界相位匹配SHG。该LBO晶体被部分地包封在烘箱中，该烘箱将晶体维持在接近422K的相位匹配温度。光束在晶体5内部被聚焦成70μm的腰，产生大约63％的预计转换效率。对于基础光束的损耗进行如下建模：每个表面处99.5％的透射率，在LBO内部开始SHG处理之前有九个光学表面。
然后，所产生的532nm波长的光束经过准直透镜***6。由于在非临界相位匹配中不产生光束的空间走离，所以532nm光束具有接近高斯分布。谐波分离器7和8使532nm光沿着期望的光束路径反射并使1064nm光透射，从而将其大部分从光束除去。任选的532nm半波片9对偏振态进行定向，同时透镜10将光耦合到未经涂敷的、(Y，La)Al3B4O12组分的3mm晶体11中，用于I类临界相位匹配SHG，该晶体安装在热模制的金属模中以在工作负荷下增强热接触和传导，这将在下文中更详细地说明。该装置可以用来对相位匹配进行精细调谐和/或减小纵向温度梯度，和/或减小移相效果。光束在晶体11内部被聚焦成12μm的腰，产生了6.3GW/cm2的峰值强度、6.7MW/cm2的时间平均中心光束强度以及约18％的转换效率。假定在晶体11的表面之前每个表面处有1％的损耗，并且在晶体11的表面处有8％的损耗，则对于532nm光束的损耗约为17％。
光学辐射以正入射方式进入晶体并对其进行激发，出于涂层损伤的考虑而没有对晶体进行AR涂敷。光束在晶体中相对于构成d张量的那些轴线的方向由约为66°的θ以及约为0°的表示。处于特定安装方式中的晶体可以受到热学控制，以精细地调谐相位匹配和/或减小纵向温度梯度和/或减轻热学移相。所产生的266nm在离开晶体时损失了约8％。对于激光输出光学器件用另外的十个99％透射率的表面进行了建模。由一个或多个透镜12构成的***对光束由于走离而在空间上的加长进行校正，并将光束准直到所需的输出直径。两个谐波分离器13和14用来将532nm的光从UV光束分离出去。输出窗口15结束了该装置。这种***会产生约2.2W的266nm激光。
如图5所示，本发明的一种替换实施例描述了一种激光***，该***产生基础波长的5次谐波。光学元件1至13与四次谐波的实施例类似，因此不再针对图5进行说明。谐波分离器15透射1064nm和532nm的光，并反射266nm的光。透镜***16将交叠的一次和四次谐波光束聚焦到1mm的(Y，La)Al3B4O12晶体17中，用于I类临界相位匹配SFG，该晶体安装在热模制的金属模中以在工作负荷下增强热接触和传导，这将在下文中更详细地说明。合理的是，第一级中未转换的IR光的70％和第二级中产生的266nm光的超过50％可以在第三转换级晶体中被定向成同心的高斯光束。光学辐射以正入射方式进入这个5次谐波晶体并对其进行激发，该晶体出于涂层损伤方面的考虑而没有受到AR涂敷。
光束在晶体中相对于构成d张量的那些轴线的方向由约为73°的θ以及约为0°的
Figure GPA00001081182200301
表示。两个输入光束在晶体中的腰都是8微米。晶体可以在其新颖的FC支撑装置中受到焊接安装并受到热学控制，以精细地调谐相位匹配和/或减小纵向温度梯度和/或减少热学移相。透镜***18对五次谐波光束进行整形和准直。谐波反射器19和20使较低的波长反射而使一次和四次谐波透射。光束经过窗口21离开。该***产生了约100mW的五次谐波(例如213nm)输出功率。
四个光学元件22、23、24和25是用于基础光束的反射镜。由于该光束相对于第二级有物理上的偏移，所以包含了延迟路径来使一次和四次谐波激光束交叠。
在本发明的另一种实施例中，具有两个FC级的激光装置图示于图6中。用于泵浦源1的规格如下：1031nm Q开关DPSS晶体光纤激光器；40kHz重复速率；14ns的时域脉冲宽度；约30W。
来自激光器1的激光束经过光学窗口2和零级半波片3传播，在该波片中进入第一FC级。该级由两个柱透镜4和5组成以解决椭圆形的或带有像散的光束，并聚焦到构造用于NCPM的20mm长的LBO NLO器件6中。所产生的约515nm的二次谐波经过负透镜7和准直透镜8。准直光束从两个谐波分离器9和10反射开，通过这些分离器的基础光束小于2％。515nm光束继续经过514nm的零级半波片11，使偏振态旋转90度。第2级由耦合透镜12以及4mm长的FC器件组成，该FC器件包括用于257nm光的I类临界相位匹配的优选材料(Y，La)Al3B4O12；该晶体焊接安装在受到热控制的装置中以解决高的光强度问题。输出光学器件由负透镜14、用于与前文所述相同原因的两个柱透镜15和16、以及两个谐波分离器17和18组成。对于红外和可见波长中每个表面99％的透射率的情况，515nm的产生大于62％，峰值强度大约900MW/cm2。光学器件在UV中每个表面的透射率约98％。约2.3W的257nm输出在腰部具有约8GW/cm2的强度，产生了约28％的转换效率。
在本发明的另一种实施例中，装置使用提供脉冲包的激光源。这样的源可以通过将基于光纤的电光调制器(EOM)置于锁模光纤籽晶激光器(1064nm光的、以100MHz啁啾的150ps脉冲)与以饱和体制工作的光纤放大器之间而构造。EOM使这些脉冲的100nm的包在包之间为900ns的情况下通过并到达放大器。如果不存在EOM，则维持在重度饱和的放大器输出将具有略大的平均功率，但是脉冲峰值功率(这是FC效率最重要的因素)小得多。锁模激光源与幅度调制器的组合被图示于图9的方案中。通过将幅度调制器放在主振荡器与饱和光纤放大器之间，可以对各个脉冲组进行异步的或同步的选通，但是非常迅速的脉冲选择(例如对单一的振荡器脉冲进行选通)并不是必需的。对锁模脉冲串进行选通的总体期望效果是使被导入增益饱和的光纤放大器中的脉冲的重复速率降低，以增大经放大的脉冲能量以及峰值功率。例如，幅度调制器可以用约10％的占空比对振荡器脉冲的那些包进行选通。饱和放大器的输出仍然会递送相同的平均功率，但是与非选通式激光器相比，其峰值功率增大了大约10倍。然后，这些短脉冲在基于光栅的脉冲压缩器中被压缩15倍。所得的波列的周期性单元由十个10ps的脉冲以及其后900nm的暂停组成，其中每个脉冲与其后的脉冲相隔10ns。由于每秒向FC级递送1千万个10ps脉冲，所以占空比为0.0001，这是锁模籽晶激光器的占空比的0.0067倍。通过整个源激光器***(包括脉冲压缩器，并产生10W的时间平均输出)，名义脉冲峰值功率为100kW，给随后的FC器件产生了优秀的特性。使用这样的源作为第一实施例所述装置中的部件1，激光器产生了超过2W的266nm光，腰的强度约为20GW/cm2。
这些示例图示了SHG以及使用1064nm籽晶源的混合技术。基础振荡器波长可以变化以产生其他的下游UV波长。源激光器的平均功率、脉冲时间和重复速率可以变化，激光源的类型可以是锁模的、非锁模的、DPSS、光纤耦合的、基于光纤的、光纤、复合受激态的、或其他激光器类型。也可以使用将这些FC级相连的其他方案，并可以使用多个源。
本发明的另一种实施例是这样的装置设计：其中，NLO器件安装在热模制的金属模中，以在工作负荷下增强热接触和传导，如图7A中的组件700那样。FC晶体具有：两个相对的小平面，使光能够进入和离开晶体。NLO器件包括：导热安装座，具有第一侧、与第一侧相反的第二侧以及从第一侧到第二侧延伸的通道，其中，该通道限定了安装表面；非线性光学晶体，具有彼此相对的小平面以及在非线性光学晶体的周边处在这些相对的小平面之间延伸的外表面，所述小平面具有与传播轴线垂直的部分，该非线性光学晶体被安装在所述导热安装座中；焊剂，其包含金属材料，并布置在导热安装座的安装表面与非线性光学晶体的外表面之间。
在与由优选材料制成的NLO器件相结合时，这个安装座用作前述各实施例中的元件11和17。图7B图示了各个器件安装座元件的分解图。图8所示新颖的NLO器件安装过程800的第一个步骤是制造一个或多个导热模720，使它们可以部分地围绕NLO器件710，如过程810中那样。在步骤820，为了有最大的NLO器件表面区域接触，通常在不对光学传播轴线780造成妨碍的情况下，在接触区域上实现尽可能小的空气间隙。NLO器件710及其周围的块720被配装到其热模具750中。它们作为一个单元被从室温在约1小时内加热到约525K，如过程830那样。
第三个步骤包括向单元{710、720、750}的接触区域施加足以造成焊剂流动的金属焊剂730以及助熔剂，如过程840所示，其中，所述焊剂具有选择在约525K的熔融温度，而那些助熔剂可溶于水或溶剂中。最后在步骤850，使该单元能够冷却到室温并随后用水或溶剂清洗以除去剩余的助熔剂。将热检测器740(例如热敏电阻)安装在接收器750的壁中，作为用于对该单元进行热控制的温度信号源。单元{710、720、730、740、750}被附接到用于热控制的热电器件760。热泵760要求热沉770接受和分布热能。热泵760与反馈信号740相结合，用于对NLO器件710的温度进行精密控制。该器件还可以被构造和操作来减小NLO器件710中的纵向热梯度。
应当理解，本申请中所述的示例和实施例只是为了说明目的，本领域技术人员会考虑到它们而作出各种变更或修改形式，这些形式应当包括在本申请的精神和界限以及所附权利要求的范围之内。

Claims (48)

1.一种用于产生相干的脉冲式紫外光的装置，所述紫外光具有范围在1ps到1μs之间的脉冲时间，所述装置包括：
一个或多个源激光器，其具有可见光的或近红外的频率范围内的光输出；以及
一个或多个频率转换级，所述一个或多个频率转换级中的至少之一包括非线性频率转换器件以及一个或多个光学元件，所述光学元件包括：反射器、聚焦元件、偏振控制光学器件、波长分离器或光纤光学元件；
其中，所述频率转换器件包括构造成产生具有190到350nm之间的波长、经过频率转换的光的碳酸钙镁石型硼酸铝复盐非线性光学材料，所述碳酸钙镁石型硼酸铝复盐非线性光学材料具有由RAl3B4O12给出的组成，并且其特征在于在190到350nm的波长范围上大于75％的光学透射率，其中R包括元素{Sc、La、Y、Lu}中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述脉冲时间的范围在1ps到300ps之间。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述脉冲时间的范围在300ps到100ns之间。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述脉冲时间的范围在100ns到1μs之间。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述经过频率转换的光是所述装置的输出光。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述脉冲式紫外光的脉冲速率大于或等于10MHz。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述组成由Y(1-x)LaxAl3B4O12给出，并且0≤x≤0.4。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，x约为0.25。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，x＝0。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述组成由Lu(1-x)LaxAl3B4O12给出，并且0≤x≤0.4。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个频率转换级包括单一的频率转换级。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个频率转换级包括两个进行二次谐波产生的频率转换级。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个频率转换级包括单一的二次谐波产生级及其后的单一的和频产生级，所述和频产生级包括所述碳酸钙镁石型硼酸铝复盐非线性光学材料。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个频率转换级包括两个二次谐波产生级及其后的单一的和频产生级，所述和频产生级包括所述碳酸钙镁石型硼酸铝复盐非线性光学材料。
15.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个源激光器包括具有名义角频率ω的单一的源激光器，其中，所述装置的输出包括下列名义角频率中的一项或多项：2ω、3ω、4ω、5ω、6ω、7ω或8ω。
16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述碳酸钙镁石型硼酸铝复盐非线性光学材料包括单一的晶体，该晶体以布儒斯特角定向并构造成接收名义p偏振光。
17.根据权利要求1所述的装置，还包括所述碳酸钙镁石型硼酸铝复盐非线性光学材料的入射小平面或出射小平面中的至少之一上的光学抗反射涂层。
18.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个源激光器中的至少之一包括光纤激光器。
19.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个源激光器中的至少之一包括二极管泵浦的固态激光器。
20.根据权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个源激光器包括主振荡器功率放大器架构，该架构包含前置功率放大器调制器，所述前置功率放大器调制器对脉冲包进行选通以包络持续时间在1ps到300ps的多个锁模振荡器脉冲，其中，每个所述脉冲包具有1ns到1μs之间的持续时间，从而每秒递送10万到1亿个脉冲包。
21.一种用于产生相干的脉冲式紫外光的装置，所述装置包括：
一个或多个源激光器，其构造成提供可见光的或近红外的输出辐射；以及
一个或多个频率转换级，所述一个或多个频率转换级中的至少之一包括非线性频率转换器件以及一个或多个光学元件，所述光学元件包括：反射器、聚焦元件、偏振控制光学器件、波长分离器或光纤光学元件；
其中，所述非线性频率转换器件包括非线性光学材料并在工作中经受大于5GW/cm2的局部峰值强度，所述非线性光学材料产生具有190到350nm之间的波长的、经过频率转换的光。
22.根据权利要求21所述的装置，其中，所述经过频率转换的光是所述装置的输出光。
23.根据权利要求21所述的装置，其中，所述局部峰值光强度的范围为约5-10GW/cm2。
24.根据权利要求21所述的装置，其中，所述局部峰值光强度的范围为约10-20GW/cm2。
25.根据权利要求21所述的装置，其中，所述局部峰值光强度的范围为约20-30GW/cm2。
26.根据权利要求21所述的装置，其中，所述局部峰值光强度的范围为约30-50GW/cm2。
27.根据权利要求21所述的装置，其中，所述局部峰值光强度大于50GW/cm2。
28.根据权利要求21所述的装置，其中，所述非线性频率转换器件包括碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料，该材料具有由RAl3B4O12给出的组成，其中R包括元素{Sc、La、Y、Lu}中的一种或多种。
29.根据权利要求28所述的装置，其中，所述组成由Y(1-x)LaxAl3B4O12给出，并且0≤x≤0.4。
30.根据权利要求29所述的装置，其中，x为约0.25。
31.根据权利要求29所述的装置，其中，x＝0。
32.根据权利要求28所述的装置，其中所述组成由Lu(1-x)LaxAl3B4O12给出，并且0≤x≤0.4。
33.根据权利要求21所述的装置，其中，所述一个或多个源激光器包括具有名义角频率ω的单一的源激光器，其中，所述装置的输出包括下列名义角频率中的一项或多项：2ω、3ω、4ω、5ω、6ω、7ω或8ω。
34.一种用于产生相干的脉冲式紫外光的装置，所述装置包括：
一个或多个源激光器，其具有可见光的或近红外的输出辐射；以及
一个或多个频率转换级，所述一个或多个频率转换级中的至少之一包括非线性频率转换器件以及一个或多个光学元件，所述光学元件包括：反射器、聚焦元件、偏振控制光学器件、波长分离器或光纤光学元件；
其中，所述非线性频率转换器件包括非线性光学材料，所述非线性光学材料被构造成产生具有190到350nm之间的波长的、经过频率转换的光，其中，所述非线性光学材料以大于约50MW/cm2的时间平均局部光强度工作。
35.根据权利要求34所述的装置，其中，所述时间平均局部光强度的范围为约50-100MW/cm2。
36.根据权利要求34所述的装置，其中，所述时间平均局部光强度的范围为约100-250MW/cm2。
37.根据权利要求34所述的装置，其中，所述时间平均局部光强度的范围为约250-500MW/cm2。
38.根据权利要求34所述的装置，其中，所述时间平均局部光强度大于约500MW/cm2。
39.根据权利要求34所述的装置，其中，所述经过频率转换的光是所述装置的输出光。
40.一种用于产生相干的脉冲式紫外光的装置，所述装置包括：
一个或多个源激光器，其发射可见光的或近红外频率范围中的辐射；
一个或多个频率转换级，所述一个或多个频率转换级中的至少之一包括非线性频率转换器件以及一个或多个光学元件，所述非线性频率转换器件被构造成接收沿着经过所述非线性频率转换器件的光路传播的光，所述光学元件包括：反射器、聚焦元件、偏振控制光学器件、波长分离器或光纤光学元件，其中，所述非线性频率转换器件包括：
导热安装座，其具有第一侧、与所述第一侧相反的第二侧、从所述第一侧延伸到所述第二侧的通道，其中，所述通道限定了安装表面；
非线性光学器件，其具有彼此相对的小平面并具有外表面，所述彼此相对的小平面具有与传播轴线垂直的部分，所述外表面在所述非线性光学晶体的周边在所述相对的小平面之间延伸，所述非线性光学晶体被安装在所述导热安装座中；和
焊剂，其包含金属材料，并布置在所述导热安装座的安装表面与所述非线性光学晶体的外表面之间。
41.根据权利要求40所述的装置，其中，所述非线性光学晶体产生具有190到350nm之间的波长的、经过频率转换的光，并且，所述非线性光学晶体在工作过程中经受大于50MW/cm2的平均光强度。
42.根据权利要求40所述的装置，其中，所述焊剂与所述导热安装座的整个所述安装表面以及所述非线性光学晶体的整个所述外表面接触。
43.根据权利要求40所述的装置，还包括可溶于水或溶剂的润湿剂或助熔剂，其中，所述焊剂具有低于900K的熔点。
44.根据权利要求40所述的装置，其中，所述非线性光学材料包括碳酸钙镁石型硼酸铝复盐材料，该材料具有由RAl3B4O12给出的组成，其中R包括元素{Sc、La、Y、Lu}中的一种或多种。
45.根据权利要求44所述的装置，其中，所述组成由Y(1-x)LaxAl3B4O12给出，并且0≤x≤0.4。
46.根据权利要求45所述的装置，其中，x约为0.25。
47.根据权利要求45所述的装置，其中，x＝0。
48.根据权利要求44所述的装置，其中所述组成由Lu(1-x)LaxAl3B4O12给出，并且0≤x≤0.4。
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