CN103001112A

CN103001112A - 全固态四次谐波紫外激光器

Info

Publication number: CN103001112A
Application number: CN2012102344620A
Authority: CN
Inventors: 张戈; 翟苏亚; 魏勇; 陈玮冬; 庄凤江
Original assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Current assignee: Fujian Institute of Research on the Structure of Matter of CAS
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2013-03-27

Abstract

本发明提供一种一种全固态四次谐波紫外激光器。它由端全反镜、激光增益介质、调Q开关、中间镜一、二倍频晶体、中间镜二、四倍频晶体、输出镜构成。通过调Q方式产生高峰值功率的基波脉冲；基波脉冲在二倍频晶体内产生二次谐波，二次谐波入射到四倍频晶体产生四次谐波紫外激光；采用聚焦二次谐波和二次谐波来回经过四倍频晶体的设计，实现二次谐波的光斑半径可控，充分利用二次谐波功率，获得高效的四次谐波紫外激光输出，实现结构简单，成本低的效果。

Description

全固态四次谐波紫外激光器

技术领域

本发明涉及一种全固态四次谐波紫外激光器。

背景技术

在当前国际背景下，激光器在材料加工等方面的应用越来越广泛。而波长更短的紫外激光相对于其他波长的激光器具有更加明显的优势，如具有高的光子能量，优良的材料吸收特性、更好的聚焦能力和“冷加工”等，因此紫外激光器在精密材料微加工、光刻等领域有更广泛的应用前景。目前全球对紫外激光器的需求日益增加，应用领域也在不断扩大。

目前，获得脉冲四次谐波激光器主要采用腔外倍频技术。这种方法将二次谐波通过一个聚焦***和四倍频晶体或采用大功率的基波依次经过二倍频晶体、四倍频晶体的技术路线获得四次谐波紫外激光。其特点是二次谐波功率密度大，易引起晶体表面损坏。为弥补这一缺点，需要提高晶体表面镀膜质量；或采用晶体自动移动的技术，即在使用一段时间后对晶体进行换位置以实现其长时间工作。该技术对自动移动装置有严格要求，整个***复杂、价格昂贵。

深圳大族激光公司第CN100421316C号中国专利利用多次反射法获得脉冲四次谐波紫外激光。这种方法利用腔内倍频获得的二次谐波在四倍频晶体上来回往返倍频，产生高功率四次谐波紫外激光输出，这种方法的问题是二次谐波是未谐振的，在来回往返过程中其光斑半径不断变大，导致未转换为四次谐波的二次谐波的功率密度随着来回往返显著下降。故随着二次谐波经过四倍频晶体的次数的增加，二次谐波每次转换为四次谐波的效率大幅度降低，因此这种技术还是不能充分利用二次谐波功率，从而限制了四次谐波输出功率。且上述所用的基波谐振腔采用折叠腔，这样会带来像散的问题；同时使用镜片较多、腔结构复杂，不利于光路的安装与调试。在其优选方式中，二次谐波到四次谐波的转换效率最大为20%，其泵浦光到四次谐波的转换效率未报道。

针对这些问题，我们开发出一种结构紧凑、易于安装调试、且能够实现二次谐波光斑半径可控并能充分利用二次谐波功率的高效的四次谐波紫外激光器，其二次谐波到四次谐波的转换效率最大为43.6%，泵浦光到四次谐波的转换效率最大为11%。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，开发出一种可以实现二次谐波光斑半径可控、充分利用二次谐波功率，结构紧凑、便于安装调试、稳定输出、成本相对低廉、光转换效率高的四次谐波紫外激光器。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案（结合附图）：

附图中1、2、3、4、5、6、7、8依次是端全反镜、激光增益介质、调Q开关、中间镜一、二倍频晶体、中间镜二、四倍频晶体、输出镜；产生二次谐波和四次谐波的元件在光路上依次包括中间镜一（4）、二倍频晶体（5）、中间镜二（6）、四倍频晶体（7）和输出镜（8），输出镜（8）为平凹镜片，其曲率半径大于中间镜二（6）和输出镜（8）之间的距离，且凹面正对四倍频晶体（7），中间镜一（4）镀基波波长高透和二次谐波波长高反膜，中间镜二（6）镀基波、四次谐波波长高反和二次谐波波长高透膜，输出镜（8）镀二次谐波波长高反和四次谐波波长高透膜；

利用在端全反镜（1）和中间镜一（4）之间谐振由激光增益介质（2）产生的高功率密度基波作用到二倍频晶体（5）上产生二次谐波；

二次谐波经过中间镜（6）后入射到所述四倍频晶体（7）上产生四次谐波，输出镜（8）反射并聚焦未转换为四次谐波的二次谐波，使其再次经过四倍频晶体（7），产生累积的四次谐波，然后从输出镜（8）耦合输出。

本发明相对于现有技术所具有的创新是：本发明一种全固态四次谐波紫外激光器中，基波、二次谐波、四次谐波直线型光路形成了低损耗的耦合，同时完全避免了采用折叠基波谐振腔所带来的像散问题；输出镜为平凹镜片的设计能够反射并聚焦二次谐波，这样在来回往返传输过程中二次谐波的光斑半径就不会明显变大，实现二次谐波光斑半径可控，保证了未被转换为四次谐波的二次谐波的功率密度不会随着来回反射而显著降低，因此未转换为四次谐波的二次谐波每次经过四倍频晶体时的倍频效率亦不会显著下降，在这些条件下，达到充分利用二次谐波功率的目的，获得高效四次谐波激光输出。

采用矩阵光学及Matlab设计了一种半导体激光二极管泵浦的高效的全固态四次谐波激光器。将高功率密度的基波入射到二次倍频晶体5中产生二次谐波，二次谐波作用到四倍频晶体7上，输出镜8将未转换的二次谐波反射会四倍频晶体7，这样二次谐波在中间镜一4和输出镜8之间往返传输，二次谐波就会多次经过四倍频晶体7，产生累积的四次谐波紫外激光；同时输出镜8的凹面聚焦二次谐波，且其凹面曲率半径大于中间镜二6和输出镜8之间的距离，这样未被转换为四次谐波的二次谐波的光斑半径不会随着来回反射传输而明显变化，实现二次谐波光斑半径可控，被聚焦后的未被转换的二次谐波的功率密度未显著下降，避免破坏四倍频晶体7的膜层，同时保证了未被转换的二次谐波再次经过四倍频晶体7时的倍频效率未显著下降，最终充分利用二次谐波功率，获得高效四次谐波激光输出。

附图说明

图1为本发明一种全固态四次谐波紫外激光器结构示意图：1，端全反镜；2，激光增益介质；3，调Q开关；4，中间镜一；5，二倍频晶体；6，中间镜二；7，四倍频晶体；8，输出镜

图2为本发明一种全固态四次谐波紫外激光器的优选方式中，二次谐波随着等效来回反射传输的距离其光斑半径变化情况；

图3为本发明一种全固态四次谐波紫外激光器的优选方式中，计算累积的四次谐波功率密度随二次谐波经过四倍频晶体的次数的变化情况；

图4为本发明一种全固态四次谐波紫外激光器的优选方式中，在调Q频率为30kHz时，不同泵浦功率所对应的二次谐波和四次谐波激光功率变化情况

具体实施方式

本发明一种全固态四次谐波紫外激光器的原理如附图1所示，基波振荡器，包括端全反镜1、激光增益介质2、调Q开关3、中间镜一4、二倍频晶体5、中间镜二6。端全反镜1镀基波波长高反膜，中间镜一4镀基波波长高透和二次谐波波长高反膜，中间镜二6镀基波、四次谐波波长高反和二次谐波波长高透膜，输出镜8镀二次谐波波长高反和四次谐波波长高透膜。

基波谐振腔采用半导体激光二极管端面泵浦，半导体激光二极管发射出的泵浦光经过耦合***入射到激光增益介质2前端，激光增益介质2吸收泵浦光。考虑激光增益介质2的热透镜效应后，通过矩阵光学计算得到腔内基模在中间镜二6上有个束腰，故将二倍频晶体5紧靠中间镜二6放置。基波在端全反镜1和中间镜二6内封闭振荡，且与激光增益介质2的热透镜效应平衡，因此可以获得高功率密度的基波脉冲。

产生二次谐波的元件包括中间镜一4、二倍频晶体5和中间镜二6。腔内倍频产生的二次谐波，透过中间镜6入射到四倍频晶体7，由于输出镜8镀二次谐波全反膜，未被转换为四次谐波的二次谐波经输出镜8反射后，沿原光路返回。这样，二次谐波就在中间镜一4和输出镜8之间往返传输。同时，二次谐波经输出镜8的凹面反射且被其凹面聚焦，使得二次谐波光斑半径在往返传输过程中未发生明显变化，实现二次谐波光斑可控。

产生四次谐波的元件包括中间镜二6、四倍频晶体7和输出镜8。透过中间镜二6的二次谐波入射到四倍频晶体上，产生四次谐波，该四次谐波由输出镜8耦合输出。未被转换为四次谐波的二次谐波经输出镜8反射且被其凹面聚焦，其光斑半径较反射前未明显变化，故其功率密度亦未显著下降，这样二次谐波再次经过四倍频晶体7时倍频效率未明显下降，再次产生的四次谐波亦由输出镜8耦合输出。因此二次谐波经输出镜8聚焦并往返经过四倍频晶体7，二次谐波功率得到充分利用，能够获得很高效率的四次谐波激光输出。

本发明一种全固态四次谐波紫外激光器，选择一个优选方式进行计算和实验。利用Matlab程序计算出，二次谐波在中间镜一4和输出镜8之间来回反射时的等效传输光路，计算结果如图2。为了比较，我们采用平平镜片作为输出镜（即非聚焦二次谐波）。从图2可以看到，与非聚焦二次谐波方式相比，采用平凹镜片作为输出镜（即聚焦二次谐波）时，二次谐波的光斑半径在来回反射过程中变化不明显，可以实现二次谐波光斑半径可控。图3是计算累积的四次谐波功率密度随二次谐波经过四倍频晶体的次数的变化情况。采用聚焦二次谐波时，产生累积的四次谐波功率密度是采用非聚焦二次谐波方式时的6.4倍。

根据本发明一种全固态四次谐波紫外激光器，采用半导体激光二极管端面泵浦四倍频实验装置进行实验。图4是在调Q频率为30kHz时，不同泵浦功率所对应的二次谐波和四次谐波激光功率变化情况。采用聚焦和非聚焦二次谐波时，四次谐波的最大输出功率分别为1.82W和0.38W。采用聚焦二次谐波时，泵浦光到四次谐波的最大光转换效率为11%；二次谐波到四次谐波的光转换效率可达43.6%，是非聚焦二次谐波方式时的3.4倍。可以看出，实验结果与理论计算预测是一致的。

本发明相对于现有技术所具有的创新是：在本发明中，基波、二次谐波、四次谐波直线型光路形成了低损耗的耦合，同时完全避免了采用折叠基波谐振腔所带来的像散问题；平凹镜片作为输出镜的设计能够反射和聚焦二次谐波，这样在来回往返传输过程中二次谐波的光斑半径就不会明显变大，实现二次谐波光斑半径可控，保证了未被转换为四次谐波的二次谐波的功率密度不会随着来回反射而显著降低，因此未转换为四次谐波的二次谐波每次经过四倍频晶体时的倍频效率亦不会显著下降，在这些条件下，达到充分利用二次谐波功率的目的，获得高效四次谐波激光输出。

将高功率密度的基波入射到二倍频晶体5中产生二次谐波，二次谐波作用到四倍频晶体7上，输出镜8将未转换的二次谐波反射会四倍频晶体7，这样二次谐波在中间镜一4和输出镜8之间往返传输，二次谐波就会多次经过四倍频晶体7，产生累积的四次谐波紫外激光；同时输出镜8的凹面聚焦二次谐波，且输出镜8的凹面曲率半径大于中间镜二6和输出镜8之间的距离，这样未被转换为四次谐波的二次谐波的光斑半径不会随着来回反射传输而明显变化，实现二次谐波光斑半径可控，被聚焦后的未被转换的二次谐波的功率密度未显著下降，避免破坏四倍频晶体7的膜层，同时保证了未被转换的二次谐波再次经过四倍频晶体7时的倍频效率未显著下降，充分利用二次谐波功率，获得高效四次谐波激光输出。

本发明中所述的激光增益介质2为Nd:YVO₄或Nd:GdVO₄或Nd:YAG或Nd:YAP或Yb:YAG或Er:YAG；所述的二倍频晶体5为LBO或KTP或BIBO晶体；所述的四倍频晶体7为BBO或YAB或CBO或CLBO晶体。所述的调Q开关3为声光调Q开关或电光调Q开关或被动调Q开关。所述的基波谐振腔可采用半导体激光二极管侧面或端面泵浦或氙灯、氪灯侧面泵浦。

Claims

1.一种全固态四次谐波紫外激光器，其特征在于：产生二次谐波和四次谐波的元件在光路上依次包括中间镜一（4）、二倍频晶体（5）、中间镜二（6）、四倍频晶体（7）和输出镜（8），所述输出镜（8）为平凹镜片，其曲率半径大于中间镜二（6）和输出镜（8）之间的距离，且凹面正对四倍频晶体（7），所述中间镜一（4）镀基波波长高透和二次谐波波长高反膜，所述中间镜二（6）镀基波、四次谐波波长高反和二次谐波波长高透膜，所述输出镜（8）镀二次谐波波长高反和四次谐波波长高透膜；

所述二次谐波经过中间镜（6）后入射到所述四倍频晶体（7）上产生四次谐波，所述输出镜（8）反射并聚焦未转换为四次谐波的二次谐波，使其再次经过四倍频晶体（7），产生累积的四次谐波，所述累积的四次谐波从所述输出镜（8）耦合输出。