專利名稱：腔外四倍頻紫外激光器的制作方法
技術領域：
本發明屬于激光領域，特別涉及一種腔外四倍頻紫外激光器。
背景技術：
由于紫外激光具有高分辯和材料強吸收等特點，近些年在國際上迅速發展。波長為355nm的Nd: YV04Nd: YAG激光加工機已主導了精細加工，特別是多層、高密度印刷電路板的精密打孔設備市場，在特種材料加工、集成電路分析等應用上，也顯示出巨大優勢。然而波長更短的四次諧波紫外激光(如266nm)相對于三次諧波(如355nm)的紫外激光器具有更加明顯的優勢，如具有高的光子能量，更加優良的材料吸收特性和更好的聚焦能力等，因此開發四次諧波(如266nm)紫外激光器日益得到各國重視。常用的四次諧波紫外激光的產生方法主要是腔外進行的。如專利US 6249371。利用一臺紅外激光器作為光源，發射的紅外激光作為基波入射到二倍頻非線性晶體上產生倍頻光，此倍頻光經聚焦后入射到四倍頻非線性晶體上產生四倍頻激光輸出。二次諧波和四次諧波不會對紅外激光器產生影響，因此這種方法產生的四次諧波輸出較穩定，易于調試。然而這種腔外倍頻是單程行為，倍頻光一次性經過四倍頻晶體，未轉換為四次諧波的倍頻光全部被浪費掉，而且由于聚焦后的倍頻光的功率密度很大，易破壞四倍頻非線性晶體。為了充分利用二次諧波功率，公開號為CN 100421316C號專利采用ー個二次諧波反射子腔。然而，二次諧波在反射子腔內來回往返時，其光斑半徑和發散角會隨著二次諧波往返傳輸而變大，導致二次諧波每次經過四倍頻非線性晶體時產生的四次諧波的光斑半徑和發散角亦不斷變大，因此累積輸出的四次諧波的光束質量會隨著二次諧波往返次數的增加而惡化。為實現充分利用二次諧波功率同時又保證四次諧波光束質量，公開號為US668393B2號專利采用ー個凹面鍍有二次諧波高反膜的平凹鏡片，該鏡片與另一光學鏡片構成ー個優化的二次諧波反射子腔，該平凹鏡片的凹面曲率半徑設計為等于二次諧波傳輸至此鏡片凹面所在位置時的等相位面曲率半徑。這樣，二次諧波在這個優化的反射子腔內往返傳輸時，其光斑和發散角不隨二次諧波的往返而變化，因此剩余二次諧波每次經過四倍頻非線性晶體時產生的四次諧波的光斑和發散角是相同的，這樣累積輸出的四次諧波的光束質量相比于公開號CN100421316C號專利，有很大改善。然而與腔外四倍頻相比，采用該技術獲得四次諧波的輸出穩定性依然相對較差。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的缺點，設計ー種腔外四倍頻激光器，利用二次諧波多次經過四倍頻非線性晶體，達到充分利用二次諧波功率，二次諧波的光斑分布和發散角不隨二次諧波往返而變化，同時改善四次諧波光束輸出穩定性和光束質量的目的。本發明相對于現有技術所具有的創新是:本發明ー種腔外四倍頻激光器中，正彎月形透鏡ー 2的凹面2-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4-2和平凹輸出鏡6的凹面曲率半徑分別設計成等于紅外激光器I發射的基波依次傳輸至正彎月形透鏡ー2的凹面2-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4-2和平凹輸出鏡6的凹面所在位置時基波的等相位面曲率半徑，這種設計確保了剰余二次諧波在正彎月透鏡ー 2和平凹輸出鏡6內同偏振態、往返經過四倍頻非線性晶體5吋，其光斑半徑和發散角不隨二次諧波的往返而變大，實現二次諧波光斑半徑和發散角可控，因此剩余二次諧波每次經過四倍頻非線性晶體5時產生的四次諧波和發散角亦相同，這樣累積輸出的四次諧波光束質量不會隨著二次諧波的往返而惡化。另外，腔外倍頻避免了二次諧波和四次諧波對基波諧振腔的影響，四次諧波穩定性相對較高。為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案:本發明四次諧波激光器的實施方案一(結合附圖1):光路上依次放置紅外激光器1、正彎月形透鏡ー 2、二倍頻非線性晶體3、正彎月形透鏡ニ 4、四倍頻非線性晶體5和平凹輸出鏡6 ；紅外激光器I發射的激光為連續或脈沖或準連續紅外激光；二倍頻非線性晶體3為LBO或KTP或PPLN或BIBO晶體；四倍頻非線性晶體5為BBO或CLBO或YAB晶體；正彎月形透鏡ー 2的凸面2-1鍍基波增透膜；正彎月形透鏡ー 2的凹面2-2鍍ニ次諧波高反和基波高透膜；正彎月形透鏡ニ 4的凸面4-1鍍二次諧波高透膜；正彎月形透鏡ニ 4的凹面4-2鍍四次諧波高反和二次諧波高透膜；平凹輸出鏡6的凹面鍍四次諧波高透和二次諧波高反膜；平凹輸出鏡6平面鍍四次諧波高透膜系；正彎月形透鏡ー 2的凹面2-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4-2和平凹輸出鏡6的凹面的曲率半徑分別設計成等于紅外激光器發射的紅外基波依次傳輸至正彎月形透鏡ー2的凹面4-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面和平凹輸出鏡6的凹面所在位置時紅外基波的等相位面曲率半徑；紅外激光器I發射的基波經正彎月形透鏡ー 2聚焦后入射到二倍頻非線性晶體3上，產生二次諧波，二次諧波經正彎月形透鏡ニ 4聚焦后入射到四倍頻非線性晶體5上產生四次諧波，剰余的二次諧波經平凹輸出鏡6的凹面反射后，在正彎月形透鏡ー 2和平凹輸出鏡6內同偏振態、多次往返經過四倍頻非線性晶體5，產生累積的四次諧波輸出。由于正彎月形透鏡ー 2的凹面2-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4-2和平凹輸出鏡6的凹面的曲率半徑分別設計成等于紅外激光器I發射的紅外基波依次傳輸至正彎月形透鏡ー 2的凹面2-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4-2和平凹輸出鏡6的凹面所在位置時紅外基波的等相位面曲率半徑。根據高斯光學光束傳輸原理和非線性光學原理可知，正彎月形透鏡ー 2的凹面2-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4-2和平凹輸出鏡6的凹面的曲率半徑亦分別等于剩余二次諧波傳輸至正彎月形透鏡ー 2的凹面4-2、正彎月形透鏡ニ4的凹面和平凹輸出鏡6的凹面所在位置時剩余二次諧波的等相位面曲率半徑。因此，經平凹輸出鏡6反射后的剰余二次諧波在正彎月透鏡ー 2和平凹輸出鏡6內同偏振態、往返經過四倍頻非線性晶體5吋，其光斑粉不和發散角不隨二次諧波的往返而變化，實現二次諧波光斑半徑和發散角可控，故剰余二次諧波每次經過四倍頻非線性光學晶體5時產生的四次諧波光斑半徑和發散角亦相同，這樣累積輸出的四次諧波光束質量不會隨著二次諧波的往返而惡化。因此這樣的設計既能充分利用二次諧波功率，又可改善四次諧波光束質量。本發明四次諧波激光器的實施方案ニ (結合附圖2):
光路上依次放置紅外激光器1、透鏡7、同心球面鏡8、二倍頻非線性晶體3、正彎月形透鏡ニ 4、四倍頻非線性晶體5和平凹輸出鏡6 ；紅外激光器I發射的激光為連續或脈沖或準連續紅外激光；同心球面鏡8的厚度試具體實際情況而定；二倍頻非線性晶體3為LBO或KTP或PPLN或BIBO晶體；四倍頻非線性晶體5為BBO或CLBO或YAB晶體；透鏡7鍍有基波高透膜系；同心球面鏡8的凸面8-1和凹面8-2分別鍍有基波高透和二次諧波高反、基波高透膜系；正彎月形透鏡ニ 4的凸面4-1和凹面4-2分別鍍有二次諧波高透和四次諧波高反、二次諧波高透膜系；平凹輸出鏡6的凹面和平面分別鍍有四次諧波高透和二次諧波高反和四次諧波高透膜系；同心球面鏡8的凹面8-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4_2和平凹輸出鏡6的凹面的曲率半徑分別設計成等于紅外激光器發射的紅外基波依次傳輸至同心球面鏡8的凹面8-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4-2和平凹輸出鏡6的凹面所在位置時紅外基波的等相位面曲率半徑；紅外激光器I發射的基波經透鏡7聚焦后入射到二倍頻非線性晶體3上，產生ニ次諧波，二次諧波經正彎月透鏡ニ 4聚焦后入射到四倍頻非線性晶體5上產生四次諧波，剩余二次諧波經平凹輸出鏡6的凹面反射后，在同心球面鏡8和平凹輸出鏡6內同偏振態、多次往返經過四倍頻非線性晶體5，產生累積的四次諧波輸出。由于同心球面鏡8的凹面8-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4_2和平凹輸出鏡6的凹面的曲率半徑分別設計成等于紅外激光器發射的紅外基波依次傳輸至同心球面鏡8的凹面8-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4-2和平凹輸出鏡6的凹面所在位置時紅外基波的等相位面曲率半徑。根據高斯光學光束傳輸原理和非線性光學原理可知，同心球面鏡8的凹面8-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4-2和平凹輸出鏡6的凹面的曲率半徑亦分別等于剩余二次諧波傳輸至同心球面鏡8的凹面8-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4-2和平凹輸出鏡6的凹面所在位置時剩余ニ次諧波的等相位面曲率半徑。因此，經平凹輸出鏡6反射后的剩余二次諧波在同心球面鏡8和平凹輸出鏡6內同偏振態、往返經過四倍頻非線性晶體5時，其光斑半徑分布和發散角不隨二次諧波往返而變化，實現二次諧波光斑半徑和發散角可控，因此剰余二次諧波每次經過四倍頻非線性晶體5時產生的四次諧波光斑半徑和發散角亦相同，這樣累積輸出的四次諧波光束質量不會隨著二次諧波的往返而惡化，因此達到充分利用ニ次諧波功率，又改善四次諧波光束質量的目的。
圖1為本發明一種腔外四倍頻激光器結構示意圖:1，紅外激光器；2，正彎月形透鏡ー ；3，二倍頻非線性晶體；4，正彎月形透鏡ニ ；5，四倍頻非線性晶體；6，平凹輸出鏡。圖2為本發明一種腔外四倍頻激光器結構示意圖:1，紅外激光器；3，二倍頻非線性晶體；4，正彎月形透鏡ニ ；5，四倍頻非線性晶體；6，平凹輸出鏡；7，透鏡；8，同心球面鏡。
具體實施例方式實施例1
按照圖1，制作一臺腔外四倍頻激光器。光路上依次放置紅外激光器1、正彎月形透鏡ー 2、二倍頻非線性晶體3、正彎月形透鏡ニ 4、四倍頻非線性晶體5和平凹輸出鏡6 ;紅外激光器I發射的激光為準連續紅外激光，波長為1064nm ;二倍頻非線性晶體3為LBO晶體；四倍頻非線性晶體5為BBO晶體；正彎月形透鏡ー 2的凸面2-1鍍基波1064nm高反膜；正彎月形透鏡ー 2的凹面2-2分別鍍有二次諧波532nm高反和基波1064nm高透膜；正彎月形透鏡ニ 4的凸面4_1鍍532nm高透膜；正彎月形透鏡ニ 4的凹面4_2鍍四次諧波266nm高反和532nm高透膜；平凹輸出鏡6的凹面鍍266nm高透和532nm高反膜；平凹輸出鏡6的平面鍍266nm高透膜；
正彎月形透鏡ー 2的凹面2-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4-2和平凹輸出鏡6的凹面的曲率半徑分別設計成等于紅外激光器發射的1064nm基波依次傳輸至正彎月形透鏡ー2的凹面4-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面和平凹輸出鏡6的凹面所在位置時其等相位面曲率半徑。紅外激光器I發射的1064nm基波經正彎月形透鏡ー 2聚焦后入射到LBO晶體3上，產生綠光，綠光經正彎月形透鏡ニ 4聚焦后入射到BB05上產生深紫外激光，剰余的綠光經平凹輸出鏡6的凹面反射后，在正彎月形透鏡ー 2和平凹輸出鏡6內同偏振態、多次往返經過BBO晶體5，產生累積的深紫外激光輸出。由于正彎月形透鏡ー 2的凹面2-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4-2和平凹輸出鏡6的凹面的曲率半徑分別設計成等于紅外激光器I發射的1064nm基波依次傳輸至正彎月形透鏡ー 2的凹面2-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4-2和平凹輸出鏡6的凹面所在位置時其等相位面曲率半徑。根據高斯光學光束傳輸原理和非線性光學原理可知，正彎月形透鏡ー
2的凹面2-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4-2和平凹輸出鏡6的凹面的曲率半徑亦分別等于剰余二次諧波傳輸至正彎月形透鏡ー 2的凹面4-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面和平凹輸出鏡6的凹面所在位置時剩余二次諧波的等相位面曲率半徑。因此，經平凹輸出鏡6反射后的剰余二次諧波在正彎月透鏡ー 2和平凹輸出鏡6內同偏振態、往返經過BBO晶體5時，其光斑半徑和發散角不隨二次諧波的往返而變化，實現二次諧波光斑半徑和發散角可控，因此剩余二次諧波每次經過BBO晶體5產生的四次諧波光斑半徑和發散角亦相同，這樣累積輸出的四次諧波光束質量不會隨著二次諧波的往返而惡化，因此達到充分利用二次諧波功率，又改善四次諧波光束質量的目的。實施例2按照圖2，制作一臺腔外四倍頻激光器。光路上依次放置紅外激光器1、透鏡7、同心球面鏡8、二倍頻非線性晶體3、正彎月形透鏡ニ 4、四倍頻非線性晶體5和平凹輸出鏡6 ；紅外激光器I發射的激光為準連續1064nm激光；二倍頻非線性晶體3為LBO晶體；四倍頻非線性晶體5為BBO晶體；透鏡7鍍有基波1064nm高透膜系；同心球面鏡8的凸面8-1鍍基波1064nm高透膜；同心球面鏡8的凹面8-2鍍二次諧波532nm高反和1064nm高透膜系；正彎月形透鏡ニ 4的凸面4-1鍍532nm高透膜；正彎月形透鏡ニ 4的凹面4_2鍍四次諧波266nm高反和532nm高透膜；平凹輸出鏡6的凹面鍍266nm高透和532nm高反膜；平凹輸出鏡6的平面鍍266nm
高透膜；同心球面鏡8的凹面8-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4_2和平凹輸出鏡6的凹面的曲率半徑分別設計成等于紅外激光器發射的紅外基波依次傳輸至同心球面鏡8的凹面8-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4-2和平凹輸出鏡6的凹面所在位置時紅外基波的等相位面曲率半徑；紅外激光器I發射的1064nm基波經透鏡7聚焦后入射到LB03上，產生二次諧波，二次諧波經正彎月透鏡ニ 4聚焦后入射到BBO晶體5上產生四次諧波，剰余二次諧波經平凹輸出鏡6的凹面反射后，在同心球面鏡8和平凹輸出鏡6內同偏振態、多次往返經過四倍頻非線性晶體5，產生累積的四次諧波輸出。由于同心球面鏡8的凹面8-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4_2和平凹輸出鏡6的凹面的曲率半徑分別設計成等于紅外激光器發射的基波依次傳輸至同心球面鏡8的凹面8-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4-2和平凹輸出鏡6的凹面所在位置時基波的等相位面曲率半徑。根據高斯光學光束傳輸原理和非線性光學原理可知，同心球面鏡8的凹面8-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4-2和平凹輸出鏡6的凹面的曲率半徑亦分別等于剰余二次諧波傳輸至同心球面鏡8的凹面8-2、正彎月形透鏡ニ 4的凹面4-2和平凹輸出鏡6的凹面所在位置時剩余二次諧波的等相位面曲率半徑。因此，經平凹輸出鏡6反射后的剩余二次諧波在同心球面鏡8和平凹輸出鏡6內同偏振態、往返經過四倍頻非線性晶體5時，其光斑半徑和發散角不隨二次諧波的往返而變化，實現二次諧波光斑半徑和發散角可控，因此剩余二次諧波毎次經過BBO晶體5時產生的四次諧波光斑半徑和發散角亦相同，這樣累積輸出的四次諧波光束質量不會隨著二次諧波的往返而惡化，因此達到充分利用二次諧波功率，又改善四次諧波光束質量的目的。實施例3按照圖1 (或圖2)，制作一臺腔外四倍頻激光器。與實施例1、2不同的是紅外激光器I發射的基波為連續基波，得到的腔外四倍頻激光器。實施例4按照圖1 (或圖2)，制作一臺腔外四倍頻激光器。與實施例1、2、3不同的是紅外激光器I發射的基波為脈沖基波，得到的腔外四倍頻激光器。實施例5按照圖1 (或圖2)，制作一臺腔外四倍頻激光器。與實施例1、2、3、4不同的是ニ倍頻非線性晶體3為KTP或BIBO或PPLN晶體，得到的腔外四倍頻激光器。實施例6按照圖1 (或圖2)，制作一臺腔外四倍頻激光器。與實施例1、2、3、4、5不同的是四倍頻非線性晶體5為YAB或CLBO晶體，得到的腔外四倍頻激光器。
權利要求
1.一種腔外四倍頻激光器，包括紅外激光器(I)、正彎月形透鏡ー(2)、二倍頻非線性晶體(3)、正彎月形透鏡ニ(4)、四倍頻非線性晶體(5)和平凹輸出鏡(6)，其特征在干:所述的正彎月形透鏡ー(2)的凹面(2-2)、正彎月形透鏡ニ(4)的凹面(4-2)和平凹輸出鏡(6)的凹面的曲率半徑分別設計成等于所述紅外激光器發射的紅外基波依次傳輸至正彎月形透鏡ー(2)的凹面(2-2)、正彎月形透鏡(4)的凹面(4-2)和平凹輸出鏡(6)的凹面所在位置時紅外基波的等相位面曲率半徑；所述紅外激光器(I)發射的紅外激光經過二倍頻非線性晶體(3)后產生二次諧波，產生的二次諧波經過四倍頻非線性晶體(5)后產生四次諧波，未轉換為四次諧波的二次諧波在正彎月透鏡ー(2)和平凹輸出鏡(6)內同偏振態、多次往返經過四倍頻非線性晶體(5)，產生累積的四次諧波。
2.按權利要求1所述的激光器，其特征在于:所述正彎月形透鏡ー(2)可用透鏡(7)和同心球面鏡(8)代替。
3.按權利要求1所述的激光器，其特征在于:所述紅外激光器(I)發射的激光為連續或脈沖或準連續紅外激光。
4.按權利要求1所述的激光器，其特征在于:所述二倍頻非線性晶體(3)為LBO或KTP或PPLN或BIBO晶體，所述四倍頻非線性晶體(5)為BBO或CLBO或YAB晶體。
全文摘要
本發明是一種腔外四倍頻激光器。本技術利用紅外激光作為光源，輸出的紅外激光作為基波聚焦后入射到二倍頻非線性晶體上產生二次諧波，產生的二次諧波入射到四倍頻非線性晶體上產生四次諧波，未轉換為四次諧波的剩余二次諧波在正彎月形透鏡一和平凹輸出鏡內同偏振態、往返經過四倍頻非線性光學晶體，產生累積的四次諧波輸出。本激光器四次諧波轉換效率高、光束穩定、光束質量優良。
文檔編號H01S3/109GK103094829SQ20121050667
公開日2013年5月8日 申請日期2012年11月30日 優先權日2012年11月30日
發明者翟蘇亞, 張戈, 陳瑋東, 魏勇, 莊鳳江 申請人:中國科學院福建物質結構研究所