CN112234424A - 一种基于Nd:YAG和Er:YAG激光器和频产生的248nm高功率深紫外激光器 - Google Patents

一种基于Nd:YAG和Er:YAG激光器和频产生的248nm高功率深紫外激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于Nd:YAG和Er:YAG激光器和频产生的248nm高功率深紫外激光器，包括1064nmNd:YAG激光器和1645nmEr:YAG激光器；其中，1645nmEr:YAG激光器沿光路依次设置有第一倍频非线性晶体、第一双色镜及第二双色镜；1064nmNd:YAG激光器沿光路依次设置有第二倍频非线性晶体、第一和频非线性晶体及第三双色镜；第二双色镜和第三双色镜将激光分别引入第二和频非线性晶体获得248nm高功率深紫外激光输出。本发明能够大大降低激光器的造价，而且效率较高，大大简化了设备复杂程度，使得整体***结构更加紧凑。

Description

一种基于Nd:YAG和Er:YAG激光器和频产生的248nm高功率深 紫外激光器
技术领域
本发明涉及一种基于1064nmNd:YAG激光器和1645nmEr:YAG激光器和频产生的248nm全固态高功率深紫外激光器，属于激光器技术领域。
背景技术
相比较于红外波段的激光，深紫外激光具备其独特的优势，例如：波长短、分辨率高、能量集中等。正是得益于这些优势，深紫外激光在超精密加工、物质表面改性、生物医疗、光谱检测等诸多应用领域变得愈发重要。特别地，针对PMMA板锥形孔的加工、光纤光栅的制备、碳量子点的生成、芯片的制作等应用，248nm波长的深紫外激光有着极为独特的优势，引起了国内外科研学者的高度重视。
目前，获取248nm高功率深紫外激光输出包括以下几种方法：
1、利用稀有气体KrF研制的准分子激光器作为种子源直接产生248nm深紫外激光，再采用多级放大的方式来获得248nm高功率深紫外激光输出。然而，由于其本身种子源光束质量的限制以及采用多级放大的方式提升输出功率，使得最终输出的248nm高功率深紫外激光的M2可达50以上，严重限制了其在光刻、医疗、超精密加工等领域的应用。
2、利用高光束质量的248nm全固态深紫外激光器作为种子源，然后采用KrF准分子激光进行放大，获得高光束质量的248nm高功率深紫外激光输出。然而，目前获得高光束质量的248nm全固态深紫外激光器的方式存在不足，例如采用波长为745nm的钛宝石激光器利用非线性频率变换技术获得248nm深紫外激光输出的方案，由于钛宝石晶体本身严重的热效应影响和价格较高的绿光泵浦源导致整套***繁杂、装置庞大、价格十分昂贵。
3、利用翠绿宝石作为增益介质，采用闪光灯或者二极管泵浦获得745nm波长输出，再利用非线性频率变换技术获得248nm深紫外激光。但是，这种方式由于闪光灯泵浦的限制降低了整个激光器***的效率，而且所需增益介质成本很高。
因此，以上三种方法存在着***效率低下、体积庞大、造价较高等问题，而且目前248nm高功率深紫外激光器主要是气体激光器，相较于固体激光器不具备高功率的可扩展性，限制了248nm高功率深紫外激光器的发展。
经过研究发现，Nd:YAG和Er:YAG激光器都是目前已经相对成熟的可以高功率运转的激光光源，而且无论是激光器本身的设计、各项性能参数还是其本身增益介质的制作和研究都已经达到相当成熟的阶段，尤其是常用波段的Nd:YAG激光器几乎已经完全商业化并达到实用化水平。虽然Er:YAG激光器还未达到Nd:YAG激光器现阶段的成熟化，但是某些常用波段已相对成熟，而且所利用的Er:YAG(1645nm)激光器，可以采用1532nm光纤激光器谐振泵浦，因此针对激光器本身而言是具有高功率可扩展性的。随着半导体激光技术和LD侧面抽运泵浦模块化的发展，使得泵浦对激光工作物质的抽运更加均匀化、提高了激光工作物质的利用率，从而使得高功率Nd:YAG激光器具有更高的效率和稳定性。另外再加之近年来光纤激光器的飞速发展，使得激光器变得十分紧凑，大大降低了***的复杂性。无论是Nd:YAG激光器还是Er:YAG激光器，市场上都有成熟的高功率产品。对于倍频晶体来说，非线性光学硼酸盐晶体通常具有较宽的光学透明度、优良的非线性光学特性、良好的物理化学稳定性和较高的损伤阈值，这些优点使得硼酸盐晶体成为非线性频率转换产生高功率紫外激光的最佳选择。在目前常用的和频晶体中，综合其本身晶体生长的成熟化、实用化以及性能的稳定性，本发明优先选用BBO、CLBO作为和频晶体。特别的是CLBO非线性光学晶体走离角小，利用它可以获得更好的光束质量，同时利用相对成熟的Nd:YAG激光器和Er:YAG激光器推动高功率深紫外激光器高光束质量、高效率、小型化、实用化的发展。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于二极管泵浦的1064nmNd:YAG激光器和光纤激光器谐振泵浦的1645nmEr:YAG激光器的248nm全固态高功率深紫外激光器的新方案，目标参数为：波长248nm、重复频率10kHz、脉冲宽度10ns、平均功率10-20W。
本发明的技术方案如下：
一种基于1064nmNd:YAG激光器和1645nmEr:YAG激光器和频产生的248nm全固态高功率深紫外激光器，包括1064nmNd:YAG激光器和1645nmEr:YAG激光器；
其中，1645nmEr:YAG激光器沿光路依次设置有第一倍频非线性晶体、第一双色镜及第二双色镜；1064nmNd:YAG激光器沿光路依次设置有第二倍频非线性晶体、第一和频非线性晶体及第三双色镜；
第二双色镜和第三双色镜将激光分别引入第二和频非线性晶体获得248nm高功率深紫外激光输出，248nm高功率深紫外激光再依次通过第四双色镜和第五双色镜输出。
优选的，所述1064nmNd:YAG激光器由二极管泵浦，将1064nm转换为355nm激光。
优选的，所述1645nmEr:YAG激光器由光纤激光器谐振泵浦，采用1532nm光纤激光器谐振泵浦，将1645nm转换为822.5nm激光。
优选的，所述第一倍频非线性晶体为角度相位匹配或温度相位匹配的LBO非线性光学晶体，且LBO非线性光学晶体两端面均镀有对1645nm和822.5nm的增透介质膜。此设计的好处在于，利用该倍频非线性晶体，通过非线性频率变换技术将1645nm激光经过转换为822.5nm激光输出。
优选的，所述第一双色镜镀有对1645nm高反、822.5nm高透的介质膜，入射角度为45°。
优选的，所述第二双色镜镀有对355nm高反、822.5nm高透的介质膜，入射角度为45°。
优选的，所述第三双色镜镀有对248nm高反、1064nm和532nm高透的介质膜，入射角度为45°。
优选的，所述第二倍频非线性晶体为LBO非线性光学晶体，且LBO非线性光学晶体两端面均镀有对1064nm和532nm的增透膜。此设计的好处在于，利用该倍频非线性晶体，通过非线性频率变换技术将1064nm激光经过转换为532nm激光输出。
优选的，所述第一和频非线性晶体为LBO非线性光学晶体，且LBO非线性光学晶体两端面均镀有对1064nm、532nm和355nm的增透膜。利用该和频非线性晶体将532nm激光和倍频后剩余的1064nm激光通过非线性频率变换产生355nm激光。
优选的，所述第二和频非线性晶体为角度相位匹配的BBO或CLBO非线性光学晶体，BBO非线性光学晶体两端面镀有对822.5nm、355nm和248nm的增透膜，切割角度为47.6°或58.2°；CLBO非线性光学晶体无镀膜，切割角度为61.9°。此设计的好处在于，为了减小损伤，CLBO非线性光学晶体本身无需镀膜。同时CLBO非线性光学晶体具有小的走离角，因此可以获得更好的光束质量。利用BBO或CLBO非线性光学晶体可将822.5nm和355nm激光通过非线性频率变换技术获得248nm高功率深紫外激光。
优选的，所述第四双色镜镀有对248nm高反、822.5nm和355nm高透的介质膜，入射角度为45°。
优选的，所述第五双色镜镀有对248nm高反、822.5nm和355nm高透的介质膜，入射角度为45°。
本发明的有益效果在于：
1、本发明采用相对成熟的可以高功率运转Nd:YAG(1064nm)激光器和Er:YAG(1645nm)激光器，能够大大降低激光器的造价，而且效率较高，大大简化了设备复杂程度，使得整体***结构更加紧凑。
2、本发明采用两种相对成熟的高功率激光器，通过利用非线性频率变换技术可以直接产生重复频率为10kHz、脉冲宽度为10ns、平均功率为10-20W的高功率248nm深紫外激光。因此，采用基于Nd:YAG(1064nm)激光器和Er:YAG(1645nm)激光器248nm高功率全固态深紫外激光器的设计方案，更有利于248nm深紫外激光器趋于实用化、小型化、性能稳定化发展。
附图说明
图1为本发明基于1064nmNd:YAG激光器和1645nmEr:YAG激光器和频产生的248nm全固态高功率深紫外激光器的结构示意图；
其中：1、1645nmEr:YAG激光器；2、第一倍频非线性晶体；3、第一双色镜；4、第二双色镜；5、1064nmNd:YAG激光器；6、第二倍频非线性晶体；7、第一和频非线性晶体；8、第三双色镜；9、第二和频非线性晶体；10、第四双色镜；11、第五双色镜。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
本发明所述增透、高反，均指透过率、反射率＞99.9％。本发明未详尽之处，均可采用现有技术进行。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种基于1064nmNd:YAG激光器和1645nmEr:YAG激光器和频产生的248nm全固态高功率深紫外激光器，其包括1645nmEr:YAG激光器1、第一倍频非线性晶体2、第一双色镜3、第二双色镜4、1064nmNd:YAG激光器5、第二倍频非线性晶体6、第一和频非线性晶体7、第三双色镜8、第二和频非线性晶体9、第四双色镜10和第五双色镜11；
其中，1645nmEr:YAG激光器1沿光路依次设置有第一倍频非线性晶体2、第一双色镜3及第二双色镜4；1064nmNd:YAG激光器5沿光路依次设置有第二倍频非线性晶体6、第一和频非线性晶体7及第三双色镜8；
第二双色镜4和第三双色镜8将激光分别引入第二和频非线性晶体9获得248nm高功率深紫外激光输出，248nm高功率深紫外激光再依次通过第四双色镜10和第五双色镜11输出。
具体地，1645nmEr:YAG激光器1，采用1532nm光纤激光器谐振泵浦，具备高功率可扩展性，通过非线性频率变换技术将1645nm转换为822.5nm激光。
第一倍频非线性晶体2，为角度相位匹配或温度相位匹配的LBO非线性光学晶体，且LBO非线性光学晶体两端面均镀有对1645nm和822.5nm的增透膜。利用该倍频非线性晶体，通过非线性频率变换技术将1645nm激光经过转换为822.5nm激光输出。
第一双色镜3，镀有对1645nm高反、822.5nm高透的介质膜，入射角度为45°。
第二双色镜4，镀有对355nm高反、822.5nm高透的介质膜，入射角度为45°。
1064nmNd:YAG激光器5由二极管泵浦，通过非线性频率变换技术将1064nm转换为355nm激光。
第二倍频非线性晶体6，为LBO(三硼酸锂晶体)非线性光学晶体，该LBO非线性光学晶体两端面均镀有对1064nm和532nm的增透膜。利用该倍频非线性晶体，通过非线性频率变换技术将1064nm激光经过转换为532nm激光输出。
第一和频非线性晶体7，为LBO(三硼酸锂晶体)非线性光学晶体，且该LBO非线性光学晶体两端面均镀有对1064nm、532nm和355nm的增透膜。利用该和频非线性晶体将532nm激光和倍频后剩余的1064nm激光通过非线性频率变换产生355nm激光，属于现有技术。
第三双色镜8，镀有对248nm高反、1064nm和532nm高透的介质膜，入射角度为45°。
第二和频非线性晶体9，采用角度相位匹配的BBO或CLBO非线性光学晶体。当采用BBO非线性光学晶体时，晶体两端面均镀有对822.5nm、355nm和248nm的增透膜，切割角度为47.6°或58.2°；当采用CLBO非线性光学晶体时，由于该晶体工作在150°的温度条件下，因此切割角度为61.9°，而且为了减小损伤，晶体本身无需镀膜。同时CLBO非线性光学晶体具有小的走离角，因此可以获得更好的光束质量。利用BBO或CLBO非线性光学晶体可将822.5nm和355nm激光通过非线性频率变换技术获得248nm高功率深紫外激光。
第四双色镜10，镀有对248nm高反、822.5nm和355nm高透的介质膜，用于滤除822.5nm和355nm激光，入射角度为45°。
第五双色镜11，镀有对248nm高反、822.5nm和355nm高透的介质膜，用于提高248nm深紫外激光的输出纯度，入射角度为45°。
第四、五双色镜主要用于248nm高功率深紫外激光的分光提纯，因此也可以采用相应的分光棱镜实现相同的目的，属于现有技术。
本实施例方案输出248nm深紫外激光的工作原理：光纤激光器谐振泵浦的1645nmEr:YAG激光器出射的1645nm激光进入第一倍频非线性晶体，通过非线性变换获得822.5nm波长激光；二极管泵浦的1064nmNd:YAG激光器出射的1064nm激光进入到第二倍频非线性晶体，通过非线性频率变换技术可以获得532nm波长激光，然后剩余的1064nm基频光与532nm倍频光通过第一和频非线性晶体经过非线性变换获得355nm波长激光；第一双色镜滤除1645nm激光，然后第二双色镜与第三双色镜分别将822.5nm和355nm激光引入到第二和频非线性晶体，通过非线性频率变换技术可以获得248nm高功率深紫外激光输出；第四双色镜滤除355nm和822.5nm激光，且将248nm深紫外激光反射，然后通过第五双色镜进一步提高248nm深紫外激光输出纯度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于1064nmNd:YAG激光器和1645nmEr:YAG激光器和频产生的248nm全固态高功率深紫外激光器，其特征在于，包括1064nmNd:YAG激光器和1645nmEr:YAG激光器；
其中，1645nmEr:YAG激光器沿光路依次设置有第一倍频非线性晶体、第一双色镜及第二双色镜；1064nmNd:YAG激光器沿光路依次设置有第二倍频非线性晶体、第一和频非线性晶体及第三双色镜；
第二双色镜和第三双色镜将激光分别引入第二和频非线性晶体获得248nm高功率深紫外激光输出，248nm高功率深紫外激光再依次通过第四双色镜和第五双色镜输出。
2.如权利要求1所述的248nm全固态高功率深紫外激光器，其特征在于，所述1064nmNd:YAG激光器由二极管泵浦，将1064nm转换为355nm激光。
3.如权利要求1所述的248nm全固态高功率深紫外激光器，其特征在于，所述1645nmEr:YAG激光器由光纤激光器谐振泵浦，采用1532nm光纤激光器谐振泵浦，将1645nm转换为822.5nm激光。
4.如权利要求1所述的248nm全固态高功率深紫外激光器，其特征在于，所述第一倍频非线性晶体为角度相位匹配或温度相位匹配的LBO非线性光学晶体，且LBO非线性光学晶体两端面均镀有对1645nm和822.5nm的增透介质膜。
5.如权利要求1所述的248nm全固态高功率深紫外激光器，其特征在于，所述第一双色镜镀有对1645nm高反、822.5nm高透的介质膜，入射角度为45°。
6.如权利要求1所述的248nm全固态高功率深紫外激光器，其特征在于，所述第二双色镜镀有对355nm高反、822.5nm高透的介质膜，入射角度为45°。
7.如权利要求1所述的248nm全固态高功率深紫外激光器，其特征在于，所述第三双色镜镀有对248nm高反、1064nm和532nm高透的介质膜，入射角度为45°。
8.如权利要求1所述的248nm全固态高功率深紫外激光器，其特征在于，所述第二倍频非线性晶体为LBO非线性光学晶体，且LBO非线性光学晶体两端面均镀有对1064nm和532nm的增透膜。
9.如权利要求1所述的248nm全固态高功率深紫外激光器，其特征在于，所述第一和频非线性晶体为LBO非线性光学晶体，且LBO非线性光学晶体两端面均镀有对1064nm、532nm和355nm的增透膜。
10.如权利要求1所述的248nm全固态高功率深紫外激光器，其特征在于，所述第二和频非线性晶体为角度相位匹配的BBO或CLBO非线性光学晶体，BBO非线性光学晶体两端面均镀有对822.5nm、355nm和248nm的增透膜，切割角度为47.6°或58.2°；CLBO非线性光学晶体无镀膜，切割角度为61.9°。
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