一種產生短波長深紫外雷射的裝置的製作方法

2023-09-20 18:04:35 2

本發明涉及全固態雷射變頻領域，更具體地，涉及一種產生短波長深紫外雷射的裝置。

背景技術：

全固態深紫外(duv-dpl)相干光源，尤其是波長可調諧的脈衝深紫外雷射在現代生物技術、材料加工、超快光譜分析和強場物理等領域有廣泛的應用前景。

目前，近紅外波段的脈衝雷射主要利用脈衝泵浦塊狀晶體或光纖增益介質，或者在腔內進行調q或鎖模來獲得，而紫外波段的脈衝由於受增益介質激發光譜的限制，還沒有辦法直接產生。基於非線性晶體材料二階非線性效應，對可調諧的脈衝可見光和近紅外光進行多級非線性頻率變換仍然是當前獲得紫外、深紫外相干光源的常用方法。現有技術中，獲得duv-dpl有2種技術路線：一是直接倍頻技術；二是和頻技術。在直接倍頻技術方面，氟代硼鈹酸鉀kbbf晶體及其同族的氟代硼鈹酸銣rbbf晶體是目前唯一可直接倍頻產生深紫外雷射的非線性晶體，已有大量直接倍頻獲得可調諧波長的研究結果被報導，獲得最短的波長輸出為165nm；在和頻技術方面，目前，已有研究利用鈦寶石基頻光與其四次諧波和頻獲得了156-160nm和149.8-158.1nm的5倍頻深紫外雷射輸出。

但是，現有技術無論直接倍頻技術或是和頻技術，均採用的是單一雷射源，對基頻光的功率要求大，並且獲得的可調諧範圍較窄，導致實用性受限。

技術實現要素：

本發明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的一種產生深紫外雷射的裝置。

根據本發明的一個方面，提供一種產生深紫外雷射的裝置，包括：

泵浦源、第一雷射變頻系統、第二雷射變頻系統、分束鏡、倍頻系統以及和頻系統，其中，

所述泵浦源發射的雷射經過所述第一雷射變頻系統後，得到第一預設頻率的第一雷射源；

所述第一雷射源發射的雷射經所述分束鏡後，分束成頻率相等的第一雷射和第二雷射；

所述第一雷射經過倍頻系統的2倍頻後射入所述第二雷射變頻系統，得到第二預設頻率的第二雷射源；

所述第二雷射源發射的雷射經過所述倍頻系統的4倍頻後，與所述第二雷射在所述和頻系統中和頻，或

所述第二雷射源發射的雷射經過所述倍頻系統的4倍頻後，與所述第一雷射在所述倍頻系統的2倍頻後和頻，得到需要的深紫外雷射。

其中，所述第一雷射變頻系統包括：

兩塊諧振腔鏡和雷射晶體，其中，

所述雷射晶體為nd3+雷射晶體，靠近所述泵浦源的一塊諧振腔鏡的鍍有對所述泵浦源發射的雷射頻率高透過率的介質膜，以及對所述第一預設頻率高反射率的介質膜，遠離所述泵浦源的另一塊諧振腔鏡鍍有對所述第一預設頻率的雷射耦合輸出率的介質膜。

其中，所述第一雷射變頻系統還包括：

調q裝置或鎖模裝置，所述調q裝置或鎖模裝置用於獲得脈寬不同量級的脈衝雷射，其中，

包括納秒量級脈衝雷射、皮秒量級脈衝雷射以及飛秒量級脈衝雷射。

其中，當產生的脈衝雷射為皮秒量級脈衝雷射或飛秒量級脈衝雷射時，所述裝置還包括：

延時設備，包括4塊反射鏡，每一塊反射鏡鍍有45°的高反射介質膜，所述高反射介質膜的反射頻率與入射雷射的頻率相等，

第一反射鏡接收到入射雷射後將雷射90°反射至第二反射鏡；

所述第二反射鏡接收到所述第一反射鏡反射的雷射後，將雷射90°反射至第三反射鏡；

所述第三反射鏡接收到所述第二反射鏡反射的雷射後，將雷射90°反射至第四反射鏡；

所述第四反射鏡接收到所述第三反射鏡反射的雷射後，將雷射90°反射至所述和頻系統；

通過調節所述第二反射鏡和第一反射鏡之間的光路距離，可控制雷射發送至和頻系統的時間。

其中，所述第二雷射變頻系統包括：

兩塊諧振腔鏡和雷射晶體，其中，

所述雷射晶體為鈦寶石晶體、靠近所述分束鏡的一塊諧振腔鏡的鍍有對所述第一雷射經過倍頻系統的2倍頻後頻率高透過率的介質膜，以及對所述第二預設頻率高反射率的介質膜，遠離所述分束鏡的另一塊諧振腔鏡鍍有對所述第二預設頻率的雷射耦合輸出率的介質膜。

其中，所述倍頻系統包括：

第一倍頻晶體、第二倍頻晶體以及第三倍頻晶體，其中，

所述第一倍頻晶體，用於接收所述第一雷射，並將所述第一雷射的頻率放大兩倍；

所述第二倍頻晶體，用於接收所述第二雷射源發射的雷射，並將所述第二雷射源發射的雷射頻率放大兩倍；

所述第三倍頻晶體，用於接收經所述第二倍頻晶體放大兩倍頻率後的雷射，並將所述雷射的頻率放大兩倍。

其中，所述第一倍頻晶體、第二倍頻晶體以及第三倍頻晶體為：

三硼酸鋰lib3o5、偏硼酸鋇bab2o4、磷酸氧鈦鉀ktiopo4中的其中一種。

其中，所述和頻系統包括：

第一和頻晶體和第二和頻晶體，其中，

所述第一和頻晶體，用於接收所述第二雷射源發射的雷射經過所述倍頻系統的4倍頻後的雷射，以及所述第二雷射，並對接收到的兩束雷射進行和頻處理，得到第一深紫外雷射；

所述第二和頻晶體，用於接收第二雷射源發射的雷射經過所述倍頻系統的4倍頻後的雷射，以及所述第一雷射在所述倍頻系統的2倍頻後雷射，並對接收到的兩束雷射進行和頻處理，得到第二深紫外雷射。

其中，所述第一和頻晶體器件和第二和頻晶體器件為：

氟代硼鈹酸鉀kbbf-pcd晶體器件或氟代硼鈹酸銣rbbe2bo3f2晶體器件中的一種。

其中，所述第一深紫外雷射調諧範圍為147-151.8nm，所述第二深紫外雷射的調諧範圍為159.4-177.1nm。

本發明提供一種產生深紫外雷射的裝置，通過利用鈦寶石雷射的可調諧4倍頻雷射分別與其泵浦源0.5μm雷射或泵浦源1μm基頻光進行和頻，得到具有較寬調頻範圍的深紫外雷射。

附圖說明

圖1是本發明實施例提供的一種產生深紫外雷射的裝置的光路圖；

圖2是本發明實施例提供的第一深紫外雷射的相位匹配曲線；

圖3是本發明實施例提供的第二深紫外雷射的相位匹配曲線；

附圖標記：

1、泵浦源2、諧振腔鏡3、調q或鎖模器件4、雷射晶體5、諧振腔鏡6、分束鏡7、高反鏡8、高反鏡9、高反鏡10、倍頻晶體11、分束鏡12、高反鏡13、高反鏡14、諧振腔鏡15、雷射晶體16、諧振腔鏡17、倍頻晶體18、高反鏡19、倍頻晶體20、高反鏡21、高反鏡22、高反鏡23、高反鏡24、和頻晶體25、和頻晶體26、延時模塊27、鏡片28、鏡片29、鏡片30、鏡片31、延時模塊32、鏡片33、鏡片34、鏡片35、鏡片。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。

圖1是本發明實施例提供的一種產生深紫外雷射的裝置的光路圖，如圖1所示，所述裝置包括：

泵浦源、第一雷射變頻系統、第二雷射變頻系統、分束鏡、倍頻系統以及和頻系統，其中，

所述泵浦源發射的雷射經過所述第一雷射變頻系統後，得到第一預設頻率的第一雷射源；

所述第一雷射源發射的雷射經所述分束鏡後，分束成頻率相等的第一雷射和第二雷射；

所述第一雷射經過倍頻系統的2倍頻後射入所述第二雷射變頻系統，得到第二預設頻率的第二雷射源；

所述第二雷射源發射的雷射經過所述倍頻系統的4倍頻後，與所述第二雷射在所述和頻系統中和頻或

所述第二雷射源發射的雷射經過所述倍頻系統的4倍頻後，與所述第一雷射在所述倍頻系統的2倍頻後和頻，得到所述深紫外雷射。

其中，泵浦源1用於發射雷射，本發明實施例採用的是雷射二極體作為泵浦源，提供的發射波長為808nm。

其中，所述第一雷射變頻系統包括雷射晶體4、調q或鎖模器件3以及諧振腔鏡2和諧振腔鏡5，其中所述雷射晶體4用於產生預設頻率的雷射，所述諧振腔鏡2和諧振腔鏡5用於選擇頻率一定、方向一致的光作最優先的放大，而把其他頻率和方向的光加以抑制，調q或鎖模器件3用於調節雷射脈衝的脈寬。

優選的，本發明實施例提供的預設第一雷射源的輸出波長為1.064μm。

所述第二雷射變頻系統包括雷射晶體15、諧振腔鏡14和諧振腔鏡16，可以理解的是，本發明實施例提供的雷射晶體15與上述雷射晶體4的材質不同，本發明實施例提供的雷射晶體15採用的是鈦寶石晶體，所述鈦寶石晶體是目前綜合性能最好的固體可調諧雷射器，它具有結構簡單、調諧範圍寬、發射截面大、轉換效率高、運轉方便以及可用多種不同波長光源泵浦等許多突出優點，同時鈦寶石的受激發射截面大，使得鈦寶石雷射器成為最重要的超強超短脈衝雷射振蕩源，輔之以非線性光學頻率變換技術，便可獲得深紫外可調諧雷射輸出。

優選的，本發明實施例提供的第二雷射源的輸出波長為0.75-0.85μm。

其中，本發明實施例提供的分束鏡為第一分束鏡6和第二分束鏡11，第一分束鏡的反射率rω1＝80％，透射率tω1＝20％，用於將第一雷射源發射的雷射分為兩束，第二分束鏡的反射率r2ω1＝60％，透射率t2ω1＝40％，用於將第一雷射2倍頻後的雷射分為兩束。

可以理解的是，可以通過調節r和t的值控制反射光和透射光的能量比例。

所述倍頻系統包括了倍頻晶體10、17、19，用於將射入倍頻晶體的雷射頻率倍頻。

所述真空和頻系統包括了和頻晶體24和和頻晶體25，用於將射入和頻晶體的兩束雷射頻率和頻。

具體的，所述泵浦源發射的雷射經過所述第一雷射變頻系統後，得到第一預設頻率ω1的第一雷射源；

所述第一雷射源發射的雷射經所述分束鏡後，分束成頻率均為ω1的第一雷射和第二雷射；

所述第一雷射經過倍頻系統的2倍倍頻後得到2ω1頻率的雷射，

將2ω1頻率的雷射射入所述第二雷射變頻系統，得到第二預設頻率的第二雷射源；

所述第二雷射源發射的雷射經過所述倍頻系統的4倍倍頻後，得到頻率為4ω2的雷射，

頻率為4ω2的雷射與頻率為ω1的第二雷射在所述真空和頻系統中和頻得到第一深紫外雷射。

或者

頻率為4ω2的雷射與頻率為2ω1的雷射在真空中和頻，得到第二深紫外雷射。

可以理解的是，本發明實施例提供的裝置中還包括多個高反鏡，其中，高反鏡7、8、9、22鍍有對頻率ω1的高反射率的介質膜，其中高反鏡22還鍍有對4ω2高透過率的介質膜。

高反鏡12、13、23鍍有對2ω1高反射率的介質膜，其中高反鏡23同時還鍍有對4ω2高透過率的介質膜。

高反鏡18鍍有對2ω2高反射率的介質膜，高反鏡20、21鍍有對4ω2高反射率的介質膜，並且可以通過撤去高反鏡20或增添高反鏡20來控制光路的走向。

本發明提供一種產生深紫外雷射的裝置，通過利用鈦寶石雷射的可調諧4倍頻雷射分別與其泵浦源0.5μm雷射或泵浦源1μm基頻光進行和頻，得到具有較寬調頻範圍的深紫外雷射。

在上述實施例的基礎上，所述第一雷射變頻系統包括：

兩塊諧振腔鏡和雷射晶體，其中，

所述雷射晶體為nd3+雷射晶體，靠近所述泵浦源的一塊諧振腔鏡鍍有對所述泵浦源發射的雷射頻率高透過率的介質膜，以及對所述第一預設頻率高反射率的介質膜，遠離所述泵浦源的另一塊諧振腔鏡鍍有對所述第一預設頻率的雷射耦合輸出率的介質膜。

其中，所述nd3+雷射晶體為nd:yag雷射晶體，屬於固體雷射發射雷射的波長為1.064μm。

需要說明的是，nd:yag雷射晶體是本發明實施例提供的一種優選雷射晶體，本發明實施例中還可以使用nd:yvo4、nd:ylf等雷射晶體同等代替。

那麼針對於本發明實施例提供的nd:yag雷射晶體生成的1.064μm的雷射而言，所述第一預設頻率即為

在上述實施例的基礎上，所述第一雷射變頻系統還包括：

調q裝置或鎖模裝置，所述調q裝置或鎖模裝置用於獲得脈寬不同量級的脈衝雷射，其中，

包括納秒量級脈衝雷射、皮秒量級脈衝雷射以及飛秒量級脈衝雷射。

可以理解的是，調q裝置或鎖模裝置是用於產生脈衝雷射的本領域常用技術手段，本發明實施例提供的調q裝置或鎖模裝置提供了3種不同量級的脈衝雷射，其中包括納秒量級脈衝雷射、皮秒量級脈衝雷射以及飛秒量級脈衝雷射。

在上述實施例的基礎上，當產生的脈衝雷射為皮秒量級脈衝雷射或飛秒量級脈衝雷射時，所述裝置還包括：

延時設備，包括4塊反射鏡，每一塊反射鏡鍍有45°的高反射膜，所述高反射膜的反射頻率與入射雷射的頻率相等，

第一反射鏡接收到入射雷射後將雷射90°反射至第二反射鏡；

所述第二反射鏡接收到所述第一反射鏡反射的雷射後，將雷射90°反射至第三反射鏡；

所述第三反射鏡接收到所述第二反射鏡反射的雷射後，將雷射90°反射至第四反射鏡；

所述第四反射鏡接收到所述第三反射鏡反射的雷射後，將雷射90°反射至所述和頻系統；

通過調節所述第二反射鏡和第一反射鏡之間的光路距離，可控制雷射發送至真空和頻系統的時間。

如圖1所示，當ω1雷射脈衝為皮秒量級脈衝雷射或飛秒量級脈衝雷射時，裝置還包括延時模塊26和31，用於調整ω1和2ω1雷射與4ω2雷射和頻的時間匹配。延時模塊26中的鏡片27、28、29、30均鍍對ω1雷射45°高反射的介質膜(45°hr&1.064μm)，延時模塊31中的鏡片32、33、34、35均鍍對2ω1雷射45°高反射的介質膜(45°hr&532nm)。其中鏡片27、28、32、33均放置在線性平移臺上，可沿圖中箭頭方向平移，從而改變光程，實現與4ω2雷射的時間匹配。加入延時模塊26和31後，其內部光路改為虛線表示。

在上述實施例的基礎上，所述第二雷射變頻系統包括：

兩塊諧振腔鏡和雷射晶體，其中，

所述雷射晶體為鈦寶石晶體、靠近所述分束鏡的一塊諧振腔鏡的鍍有對所述第一雷射經過倍頻系統的2倍頻後頻率高透過率的介質膜，以及對所述第二預設頻率高反射率的介質膜，遠離所述分束鏡的另一塊諧振腔鏡鍍有對所述第二預設頻率的雷射耦合輸出率的介質膜。

其中，所述雷射晶體為泵浦鈦寶石晶體，鈦寶石雷射器是目前綜合性能最好的固體可調諧雷射器，它具有結構簡單、調諧範圍寬、發射截面大、轉換效率高、運轉方便以及可用多種不同波長光源泵浦等許多突出優點，同時鈦寶石的受激發射截面大，使得鈦寶石雷射器成為最重要的超強超短脈衝雷射振蕩源，輔之以非線性光學頻率變換技術，便可獲得深紫外可調諧雷射輸出。

本發明實施例提供的鈦寶石晶體提供的雷射波長為0.75-0.85μm，這是基於鈦寶石雷射器本身的調諧範圍決定的。在上述實施例的基礎上，所述倍頻系統包括：

第一倍頻晶體、第二倍頻晶體以及第三倍頻晶體，其中，

所述第一倍頻晶體，用於接收所述第一雷射，並將所述第一雷射的頻率放大兩倍；

所述第二倍頻晶體，用於接收所述第二雷射源發射的雷射，並將所述第二雷射源發射的雷射頻率放大兩倍；

所述第三倍頻晶體，用於接收經所述第二倍頻晶體放大兩倍頻率後的雷射，並將所述雷射的頻率放大兩倍。

如圖1所示，本發明實施例提供了3塊倍頻晶體，分別為第一倍頻晶體10、第二倍頻晶體17以及第三倍頻晶體19，第一倍頻晶體10用於將頻率ω1倍頻為2ω1，以獲得532nm波長的雷射，第二倍頻晶體17用於將頻率ω2的雷射倍頻為2ω2的雷射，第三倍頻晶體19用於將頻率為2ω2的雷射倍頻為頻率為4ω2的雷射。

在上述實施例的基礎上，所述第一倍頻晶體、第二倍頻晶體以及第三倍頻晶體為：

三硼酸鋰lib3o5、偏硼酸鋇bab2o4、磷酸氧鈦鉀ktiopo4中的其中一種。

可以理解的是，本發明實施例提供的倍頻晶體的材料為三硼酸鋰(lib3o5，lbo)、偏硼酸鋇(bab2o4，bbo)、磷酸氧鈦鉀(ktiopo4，ktp)中的其中一種，三種材質均能完成所需的倍頻效果，本發明實施例不對材質做具體限定。

在上述實施例的基礎上，所述和頻系統包括：

第一和頻晶體和第二和頻晶體，其中，

所述第一和頻晶體，用於接收所述第二雷射源發射的雷射經過所述倍頻系統的4倍倍頻後的雷射，以及所述第二雷射，並對接收到的兩束雷射在真空中進行和頻處理，得到第一深紫外雷射；

所述第二和頻晶體，用於接收第二雷射源發射的雷射經過所述倍頻系統的4倍頻後的雷射，以及所述第一雷射在所述倍頻系統的2倍倍頻後雷射，並對接收到的兩束雷射在真空中進行和頻處理，得到第二深紫外雷射。

如圖1所示，所述真空和頻系統包括：第一和頻晶體24和第二和頻晶體25，其中，第一和頻晶體24用於頻率為2ω1雷射和頻率為4ω2雷射和頻，獲得147-151.8nm調諧範圍的深紫外雷射，第二和頻晶體25用於頻率為ω1雷射和頻率為4ω2雷射和頻，產生調諧範圍為159.4-177.1nm的深紫外雷射。

在上述實施例的基礎上，所述第一和頻晶體器件和第二和頻晶體器件為：

氟代硼鈹酸鉀kbbf-pcd晶體器件或氟代硼鈹酸銣rbbe2bo3f2晶體器件中的一種。

可以理解的是，氟硼酸鉀鈹kbbf-pcd晶體器件是一種優選的可以進行和頻處理的晶體器件，所述氟硼酸鉀鈹晶體光學透明反圍和相位匹配範圍較寬，並且非線性係數大，抗光損傷閾值高，溫度帶寬寬，但本發明實施例不對具體的晶體類型做限定。

在上述實施例的基礎上，所述第一深紫外雷射調諧範圍為147-151.8nm，所述第二深紫外雷射的調諧範圍為159.4-177.1nm。

可以理解的是，所述第一深紫外雷射，由第一和頻晶體24將頻率為2ω1雷射和頻率為4ω2雷射在真空中和頻，獲得147-151.8nm調諧範圍的深紫外雷射；

所述第二深紫外雷射，由第二和頻晶體25將頻率為ω1雷射和頻率為4ω2雷射在真空中和頻，產生調諧範圍為159.4-177.1nm的深紫外雷射。

圖2是本發明實施例提供的第一深紫外雷射的相位匹配曲線，圖3是本發明實施例提供的第二深紫外雷射的相位匹配曲線。

由圖2和圖3所示的結果可得，本發明實施例提供的第一深紫外雷射和第二深紫外雷射調諧範圍較寬並且相位匹配結果較好，具有實用價值。

本發明提供一種產生深紫外雷射的裝置，通過利用鈦寶石雷射的可調諧4倍頻雷射分別與其泵浦源0.5μm雷射或泵浦源1μm基頻光進行和頻，得到具有較寬調頻範圍的深紫外雷射。

最後，本申請的方法僅為較佳的實施方案，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。