CN113131313A - 一种五倍频激光的和频方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种五倍频激光的和频方法，包括：准备步骤：准备倍频装置、第一和频装置、双波长波片、第二和频装置以及电磁源；光路构建步骤：使得所述倍频装置、所述第一和频装置、双波长波片和所述第二和频装置沿所述传播路径依次布置，以便进行相位匹配；温度控制步骤：控制倍频装置、第一和频装置和第二和频装置的温度，所述倍频装置用于使经过的所述基本场产生二倍频场，所述第一和频装置用于使经过的所述基本场和所述二倍频场和频以产生三倍频场，并且所述第二和频装置用于使经过的所述二倍频场和所述三倍频场和频以产生五倍频场。本发明实施例的五倍频激光的和频方法保证了五倍频和频效果。

Description

一种五倍频激光的和频方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种五倍频激光的和频方法。
背景技术
现如今，在激光技术领域，213nm深紫外固体激光器用于晶圆缺陷的在线监测设备，是1064nm波长激光经过多次倍频及和频产生的。和频213nm激光的和频方案有多种，五倍频场可以利用基频光与四倍频进行和频，或者采用二倍频光和三倍频光进行和频，每种方案都有各自的优缺点。
在紫外倍频的晶体有硼酸钡BBO、三硼酸锂LBO、PPLN、CLBO、KBBF等，每种晶体在倍频过程中都各自的优缺点。因此，考虑到上述因素，有必要设计一种较优良的五倍频和频方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种五倍频激光的和频方法，能够保证五倍频和频效果。本发明实施例提供的一种五倍频激光的和频方法包括：准备步骤：准备倍频装置、第一和频装置、双波长波片、第二和频装置以及电磁源，其中所述电磁源用于产生沿传播路径发射的基本场，并且所述倍频装置与所述第一和频装置由同一种晶体构成；光路构建步骤：使得所述倍频装置、所述第一和频装置、双波长波片和所述第二和频装置沿所述传播路径依次布置；温度控制步骤：控制倍频装置、第一和频装置和第二和频装置的温度，所述倍频装置用于使经过的所述基本场产生二倍频场，所述第一和频装置用于使经过的所述基本场和所述二倍频场和频以产生三倍频场，并且所述第二和频装置用于使经过的所述二倍频场和所述三倍频场和频以产生五倍频场。
较佳地，所述准备步骤包括：准备三硼酸锂LBO作为所述倍频装置和所述第一和频装置，所述温度控制步骤包括：将所述倍频装置设置为145℃-155℃，并且将所述第一和频装置设置为45℃-55℃。
较佳地，所述光路构建步骤包括：对所述倍频装置采用所述LBO晶体的I类相位匹配，对所述第一和频装置采用所述LBO晶体的II类相位匹配。
较佳地，所述第一和频装置的端面设置有切割角。
较佳地，所述第一和频装置的端面的切割角不镀膜。
较佳地，所述准备步骤包括：准备硼酸钡BBO作为所述第二和频装置，所述温度控制步骤包括：将所述第二和频装置设置为110℃-130℃。
较佳地，所述光路构建步骤包括：对所述第二和频装置采用所述BBO晶体的I类相位匹配。
较佳地，所述方法还包括：功率控制步骤：通过调整所述双波长波片的角度来控制所述和频发生器的出光功率。
较佳地，所述准备步骤还包括：准备石英作为所述双波长波片。
较佳地，所述准备步骤还包括：准备二向色镜，其中，所述光路构建步骤还包括：使所述二向色镜沿所述传播路径设置在所述第一和频装置与所述双波长波片之间。
本发明实施例的五倍频激光的和频方法包括准备步骤、光路构建步骤和温度控制步骤，倍频装置用于使经过的基本场产生二倍频场，第一和频装置用于使经过的基本场和二倍频场和频以产生三倍频场，并且第二和频装置用于使经过的二倍频场和三倍频场和频以产生五倍频场。因此，保证了五倍频和频效果。
附图说明
图1为本发明一个实施例的五倍频激光的和频方法的示意性流程图。
图2为本发明一个实施例的和频发生器的示意图。
图3为本发明另一实施例的和频发生器的示意图。
附图标记：
10、电磁源；11、倍频装置；12、第一和频装置；13、第二和频装置；
14、双波长波片；15、二向色镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
另外，还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
图1为本发明一个实施例的五倍频激光的和频方法的示意性流程图。图1的五倍频激光的和频方法包括：
准备步骤110：准备倍频装置、第一和频装置、双波长波片、第二和频装置以及电磁源，其中电磁源用于产生沿传播路径发射的基本场，并且倍频装置与第一和频装置由同一种晶体构成。
一般地，电磁源可以为产生沿传播路径发射的基本场的任意电磁源，例如为激光器。优选地，该激光器为高重频光纤激光器或者皮秒激光器。更优选地，该激光器为皮秒激光器。倍频装置可以是由用于使经过的基本场产生二倍频场的任意非线性晶体构成。
准备三硼酸锂LBO作为所述倍频装置和所述第一和频装置。例如，倍频装置可以由LBO晶体构成。准备硼酸钡BBO作为所述第二和频装置。
光路构建步骤120：使得倍频装置、第一和频装置和第二和频装置沿传播路径依次布置，以便进行相位匹配。
例如，在一个优选的实施例中，对倍频装置采用LBO晶体的I类相位匹配。在另一个实施例中，对第一和频装置采用LBO晶体的II类相位匹配。
温度控制步骤130：控制倍频装置、第一和频装置和第二和频装置的温度，倍频装置用于使经过的基本场产生二倍频场，第一和频装置用于使经过的基本场和二倍频场和频以产生三倍频场，并且第二和频装置用于使经过的二倍频场和三倍频场和频以产生五倍频场。
一般地，在根据本发明的另一实施例中，将倍频装置设置为145℃-155℃，优选地148℃-150℃，并且更优选地，将倍频装置设置为149℃，从而基频光和倍频光经过LBO晶体没有走离。
第一和频装置12用于使经过的基本场和二倍频场和频以产生三倍频场。一般地，第一和频装置可以由用于使经过的基本场和二倍频场和频以产生三倍频场的任意非线性晶体构成，同时倍频装置与第一和频装置由同一种晶体构成，也就是说，第一和频装置也可以由LBO晶体构成。由于LBO晶体的特定，和频三倍频(即，354.7nm)激光同样使用LBO晶体可以获得更好的可靠性。另外，也整体上减少了本发明实施例的发生器***所采用的晶体的种类。由于前级是无走离的基频光和倍频光，这里直接将两束光入射到LBO晶体中就可以实现两束光的和频。
在另一个实施例中，将第一和频装置设置为45℃-55℃，优选地49℃-51℃，并且更优选地，将第一和频装置设置为50℃。应理解，由于氟代硼铍酸钾晶体KBBF晶体对深紫外吸收较多，同时存在晶体难于加工，购买途径少等缺点，选取BBO晶体进行五倍频光学设计为更优良的选择。
一般地，第二和频装置可以由用于使经过的二倍频场和三倍频场和频以产生五倍频场的任意非线性晶体构成。在一个实施例中，第二和频装置由硼酸钡BBO构成。在另一实施例中，将第二和频装置设置为110℃-130℃，优选地115℃-125℃，并且更优选地，将第二和频装置设置为120℃。
另外，对于五倍频和频，与266nm四倍光激光相比，355nm三倍频光的镀膜工艺和水平更加成熟可靠，可选择的镀膜产品更加广泛。另外，与产生266nm四倍光激光相比，355nm三倍频光的和频方案更加成熟，可选择的晶体范围更广泛，倍频效率相对较高。因此，相对于基频光与四倍频进行和频而言，二倍频光和三倍频光和频产生五倍频激光更具有优势。
因此，本发明实施例的五倍频激光的和频方法包括准备步骤、光路构建步骤和温度控制步骤，倍频装置用于使经过的基本场产生二倍频场，第一和频装置用于使经过的基本场和二倍频场和频以产生三倍频场，并且第二和频装置用于使经过的二倍频场和三倍频场和频以产生五倍频场。因此，保证了五倍频和频效果。
应理解，图1的五倍频激光的和频方法可以应用于和频发生器***。图2为本发明一个实施例的和频发生器的示意图。图2的和频发生器包括：
电磁源10，产生沿传播路径发射的基本场。倍频装置11、第一和频装置12、双波长波片14和第二和频装置13，沿传播路径依次布置。
一般地，电磁源可以为产生沿传播路径发射的基本场的任意电磁源，例如为激光器。优选地，该激光器为高重频光纤激光器或者皮秒激光器。更优选地，该激光器为皮秒激光器。
高重频光纤激光器或者皮秒激光器有利于最终的出光指标重复频率达到1MHz。此外，高重频光纤激光脉宽比较宽，为了达到相同的倍频效率就需要进行汇聚。采用皮秒激光器作为种子源进行五倍频设计，提高了相应倍频效率。
倍频装置11用于使经过的基本场产生二倍频场。倍频装置11作为激光器的电磁源的缩束***对激光进行汇聚。
为了防止光斑中有奇点的出现，相应缩束***的抗损伤功率要比较高，通常镀膜峰值功率需要大于峰值功率3倍以上，所以缩束***出光透镜的峰值功率要求大于1.5GW/cm^2。
一般地，倍频装置可以是由用于使经过的基本场产生二倍频场的任意非线性晶体构成。例如，倍频装置可以由LBO晶体构成。在一个优选的实施例中，倍频装置被设置为采用LBO晶体的I类相位匹配。在根据本发明的另一实施例中，倍频装置被设置为145℃-155℃，优选地148℃-150℃，并且更优选地，倍频装置被设置为149℃，从而基频光和倍频光经过LBO晶体没有走离。
第一和频装置12用于使经过的基本场和二倍频场和频以产生三倍频场。一般地，第一和频装置可以由用于使经过的基本场和二倍频场和频以产生三倍频场的任意非线性晶体构成，同时倍频装置与第一和频装置由同一种晶体构成，也就是说，第一和频装置也可以由LBO晶体构成。由于LBO晶体的特定，和频三倍频(即，354.7nm)激光同样使用LBO晶体可以获得更好的可靠性。另外，也整体上减少了本发明实施例的发生器***所采用的晶体的种类。由于前级是无走离的基频光和倍频光，这里直接将两束光入射到LBO晶体中就可以实现两束光的和频。
在一个实施例中，第一和频装置被设置为采用LBO晶体的II类相位匹配。在另一个实施例中，第一和频装置被设置为，并密封，以防止晶体潮解。
激光器产生的1064nm的基频光经过倍频晶体后产生532nm的倍频光，剩余的1064nm的基频光与532nm的二倍频光经过第一和频晶体12后和频产生354.7nm的三倍频光。
所用激光在第一和频装置12中有走离，因此在第一和频晶体12的端面做一个小的切割角度，可以镀膜，也可以不镀膜，可提高其抗损伤能力，并适当对走离进行补偿，从而保证了354.7nm和532nm的激光的光束质量。
第一和频装置12为LBO晶体且长度为适当值的情况下，532nm激光的出光功率为30W，满足了后级匹配功率。
双波长波片14，双波长波片14沿传播路径设置在第一和频装置12与第二和频装置13之间。前级输入的354.7nm激光和532nm激光的偏振方向相互垂直，由于第二和频装置为BBO晶体时，BBO晶体在二三倍频和频五倍频的过程只能使用I类相位匹配，因此采用双波长波片，将两个波长中一个波长的偏振方向旋转90°，以满足相位匹配条件。双波长波片使得532nm激光和354.7nm激光偏振方向相同，然后再通过BBO晶体进行和频。
本实施例的双波长波片可以是石英制造的，并且利用石英的旋光特性来改变相应偏振方向。在入射到五倍频晶体前，利用双波长波片，将532nm的偏振方向进行旋转，使得532nm激光波长和354.7nm激光波长偏振方向一致后可进行相应五倍频和频。
第二和频装置13用于使经过的二倍频场和三倍频场和频以产生五倍频场。
一般地，第二和频装置13可以由用于使经过的二倍频场和三倍频场和频以产生五倍频场的任意非线性晶体构成。在一个实施例中，第二和频装置由硼酸钡BBO构成。在另一实施例中，第二和频装置13被设置为110℃-130℃，并密封以防止BBO晶体的潮解。从第一和频装置12中出射的354.7nm的三倍频光和剩余的532nm的二倍频光在第二和频装置13中和频得到212.8nm的五倍频光。
图3为本发明另一实施例的和频发生器的示意图，所述的和频发生器包括：
电磁源10，产生沿传播路径发射的基本场。倍频装置11、第一和频装置12、双波长波片14和第二和频装置13，沿传播路径依次布置。倍频装置11用于使经过的基本场产生二倍频场。第一和频装置12用于使经过的基本场和二倍频场和频以产生三倍频场。第二和频装置13用于使经过的二倍频场和三倍频场和频以产生五倍频场。倍频装置11与第一和频装置12为同一种晶体。图3的实施例的和频发生器***还包括：二向色镜15，二向色镜15沿所述传播路径设置在第一和频装置12与双波长波片14之间，用于将多余基频光反射出光路。
当入射总功率不变的时候，适当调节第一和频LBO晶体的温度或波片角度，可以控制激光的出光功率。
因此，本发明实施例的和频发生器包括电磁源、倍频装置、第一和频装置双波长波片和第二和频装置，并且电磁源产生沿传播路径发射的基本场，倍频装置、第一和频装置和第二和频装置沿传播路径依次布置，倍频装置用于使经过的基本场产生二倍频场，第一和频装置用于使经过的基本场和二倍频场和频以产生三倍频场，第二和频装置用于使经过的二倍频场和三倍频场和频以产生五倍频场。另外，倍频装置与第一和频装置由同一种晶体构成。因此，保证了五倍频和频效果。
另外，对于五倍频和频，与266nm四倍光激光相比，355nm三倍频光的镀膜工艺和水平更加成熟可靠，可选择的镀膜产品更加广泛。另外，与产生266nm四倍光激光相比，355nm三倍频光的和频方案更加成熟，可选择的晶体范围更广泛，倍频效率相对较高。因此，相对于基频光与四倍频进行和频而言，二倍频光和三倍频光和频产生五倍频激光更具有优势。
以上所述实施例，仅为本发明具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改、替换和改进等等，这些修改、替换和改进都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种五倍频激光的和频方法，其特征在于，包括：
准备步骤：准备倍频装置、第一和频装置、双波长波片、第二和频装置以及电磁源，其中所述电磁源用于产生沿传播路径发射的基本场，并且所述倍频装置与所述第一和频装置由同一种晶体构成；
光路构建步骤：使得所述倍频装置、所述第一和频装置、双波长波片和所述第二和频装置沿所述传播路径依次布置；
温度控制步骤：控制倍频装置、第一和频装置和第二和频装置的温度，所述倍频装置用于使经过的所述基本场产生二倍频场，所述第一和频装置用于使经过的所述基本场和所述二倍频场和频以产生三倍频场，并且所述第二和频装置用于使经过的所述二倍频场和所述三倍频场和频以产生五倍频场。
2.根据权利要求1所述的五倍频激光的和频方法，其特征在于，所述准备步骤包括：准备三硼酸锂LBO作为所述倍频装置和所述第一和频装置，所述温度控制步骤包括：将所述倍频装置设置为145℃-155℃，并且将所述第一和频装置设置为45℃-55℃。
3.根据权利要求2所述的五倍频激光的和频方法，其特征在于，所述光路构建步骤包括：
对所述倍频装置采用所述LBO晶体的I类相位匹配，对所述第一和频装置采用所述LBO晶体的II类相位匹配。
4.根据权利要求1所述的五倍频激光的和频方法，其特征在于，所述第一和频装置的端面设置有切割角。
5.根据权利要求4所述的五倍频激光的和频方法，其特征在于，所述第一和频装置的端面的切割角不镀膜。
6.根据权利要求1所述的五倍频激光的和频方法，其特征在于，所述准备步骤包括：
准备硼酸钡BBO作为所述第二和频装置五倍频激光的和频方法，所述温度控制步骤包括：将所述第二和频装置设置为110℃-130℃。
7.根据权利要求6所述的五倍频激光的和频方法，其特征在于，所述光路构建步骤包括：
对所述第二和频装置采用所述BBO晶体的I类相位匹配。
8.根据权利要求1所述的五倍频激光的和频方法，其特征在于，还包括：功率控制步骤：通过调整所述双波长波片的角度来控制所述和频发生器的出光功率。
9.根据权利要求1所述的五倍频激光的和频方法，其特征在于，所述准备步骤还包括：准备石英作为所述双波长波片。
10.根据权利要求9所述的五倍频激光的和频方法，其特征在于，所述准备步骤还包括：准备二向色镜，其中，所述光路构建步骤还包括：使所述二向色镜沿所述传播路径设置在所述第一和频装置与所述双波长波片之间。
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