一种深紫外激光产生与传输装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种深紫外激光产生与传输的装置，包括密封腔体、真空系统、深紫外激光产生系统和深紫外激光传输系统；所述深紫外激光产生系统和深紫外激光传输系统均位于所述密封腔体内。本发明所公开的深紫外激光产生与传输的装置具有良好的完备性、可行性和小型性，简单可操作性与实用性。
【专利说明】一种深紫外激光产生与传输装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及全固态深紫外激光领域，特别涉及一种深紫外激光产生与传输装置。
【背景技术】
[0002] 深紫外光源，一般指波长介于40nm到200nm之间的电磁辐射波段，由于其波长短、 单光子能量高，因而在高分辨率成像、光谱应用、微细加工及激光光刻等诸多领域具有重要 的应用价值，是激光领域最重要的发展方向之一。
[0003] 全固态激光器具有结构紧凑、体积小、效率高、光束质量好、稳定性好、寿命长，波 长连续调谐宽、重复频率可调，容易实用化等优点。利用全固态激光器以上优势，采用非线 性晶体变频技术，可产生高光束质量，短脉冲，窄线宽深紫外激光。但由于深紫外波段在空 气中吸收严重，在空气环境中不能有效地产生与传输，不利于深紫外激光的研究与推广应 用；传统的激光功率计电路底板为覆铜板结构，放气较大，对深紫外激光功率吸收，减小深 紫外激光输出功率，还导致深紫外激光功率测量不精确；此外，深紫外波段为人眼不可见波 段，不方便光路调节。
【发明内容】
[0004] (一）要解决的技术问题
[0005] 本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种深紫外激光产生与传输的装置，针 对深紫外激光在空气中吸收严重，深紫外激光功率测量不精确，并对人眼不可见，不方便调 节的技术缺陷，解决深紫外激光不利于产生和传输，不能有效推广应用的技术问题。
[0006] (二）技术方案
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种深紫外激光产生与传输装置，所述深 紫外激光产生与传输装置包括：密封腔体系统和真空系统，其特征在于，所述深紫外激光产 生与传输装置还包括深紫外激光产生系统和深紫外激光传输系统；所述深紫外激光产生系 统和深紫外激光传输系统均位于所述密封腔体内；
[0008] 所述密封腔体系统包括腔体，观察窗口、紫外激光输入窗口、紫外激光输出窗口、 气体进口、气体出口和深紫外激光输出窗口；
[0009] 所述真空系统包括真空产生系统，真空测量系统，和真空填充系统；所述真空填充 系统中填充气体为对深紫外波段吸收小的高纯气体，或无填充气体的真空系统；
[0010] 所述深紫外激光产生系统包括深紫外倍频晶体器件，深紫外倍频晶体角度调节器 件；
[0011] 所述深紫外激光传输系统包括深紫外光学元件及深紫外激光荧光显示元件。
[0012] 优选地，所述深紫外激光荧光显示元件是玻璃，荧光粉等在深紫外波段有显示功 能的材料。
[0013] 优选地，真空放气小深紫外激光功率计为陶瓷功率计，即功率计的光热感应部分 采用石墨，电路底板部分采用放气小的陶瓷材料。
[0014] 优选地，所述高纯气体为纯度99. 9%以上的N2、He、Ne或Ar等在深紫外波段吸收 小的气体。
[0015] 优选地，所述深紫外激光荧光显示元件，为利用所述有显示功能的材料制作的移 动元件，所述移动元件在深紫外光路中移动进/出深紫外激光光路。
[0016] 优选地，所述深紫外激光荧光显示元件，为利用所述有显示功能的材料制作的小 孔光阑，所述小孔光阑固定在光路中。
[0017] 优选地，所述深紫外激光功率计为在真空放气小深紫外激光功率计，所述深紫外 激光功率计前端面安装有利用所述深紫外显示元件制作的小孔光阑。
[0018] 优选地，所述密封腔体为组合腔体，组合腔体为独立腔体或联通腔体，所述深紫外 激光产生系统与所述深紫外激光传输系统可以位于所述组合腔体中。
[0019] 优选地，所述材料为在真空放气小的材料；所述腔体为气密性好的腔体。
[0020] (三）有益效果
[0021] 本发明所提供的一种深紫外激光产生与传输的装置有如下优点：
[0022] -、利用深紫外波段荧光显示元件，使深紫外激光光路可预见，可调控，使整个深 紫外激光光路容易调节，操作可行。
[0023] 二、采用在真空放气小的深紫外激光功率计，在真空下放气小，测量精度高，测量 功率不稳定性小。功率计前端面有深紫外荧光显示元件光阑，可以观察深紫外激光在功率 计端面的荧光，调节深紫外激光通过光阑中心的小孔，入射功率计中心，保证深紫外激光功 率测量精确。
[0024] 三、采用深紫外激光产生传输环境的密封腔体系统结构，真空系统，深紫外激光产 生，传输系统装置，深紫外激光测量系统，使整个系统良好的完备性。
[0025] 四、采用所述高纯气体填充密封腔，可以保持腔体内处于深紫外吸收小的气体环 境，减小对深紫外激光的吸收，还可以带走非线性晶体器件的热量，稳定非线性晶体的温 度，保证较稳定的深紫外激光输出功率。
[0026] 五、采用真空系统，能提供较高的腔内真空环境，较少的残余杂质气体，提高深紫 外激光输出效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1为本发明一种深紫外激光产生与传输装置的装置结构简图示意图；
[0028] 图2为根据本发明一种深紫外激光产生与传输装置的实施例一中的圆形腔体深 紫外激光产生与传输装置的结构示意图；
[0029] 图3为根据本发明一种深紫外激光产生与传输装置的实施例二中的矩形腔体深 紫外激光产生与传输装置的结构示意图；
[0030] 图4为根据本发明一种深紫外激光产生与传输装置的实施例三中的圆形-方形组 合腔体深紫外激光产生与传输装置的结构示意图；
[0031] 图5为本发明一种深紫外激光产生与传输装置的装置结构中的真空系统结构示 意图；
[0032] 图6为本发明一种深紫外激光产生与传输装置的装置结构中的测量系统中深紫 外产生，分光，测量结构示意图；
[0033] 图7为本发明一种深紫外激光产生与传输装置的装置结构中的测量系统中输出 测量结构示意图；
[0034] 图8为本发明一种深紫外激光产生与传输装置的装置结构中的深紫外激光产生 系统结构不意图；
[0035] 图9为本发明一种深紫外激光产生与传输装置的装置结构中的深紫外激光传输 系统结构不意图；
[0036] 1-密封腔体，1-1腔体、1-2-腔体盖、1-3-观察窗口、1-4一气体进口、1-5-紫外 激光输入窗口、1-6-紫外激光输出窗口、1-7-气体出口、1-8-深紫外激光输出窗口；
[0037] 2-真空系统、2-1机械泵、2-2分子泵、2-3电阻规、2-4电离规、2-5复合真空计、 2-6压力表；
[0038] 3-激光功率测量系统、3-1深紫外激光功率计、3-2紫外分光器，3-3剩余激光收集 器；
[0039] 3 - 1-深紫外激光功率计、3-2-紫外分光器、3-3-剩余紫外激光收集器；
[0040] 4-深紫外激光产生系统、4-1深紫外倍频晶体调节器、4-2深紫外倍频晶体器件；
[0041] 5-深紫外传输系统、5-1深紫外45°高反镜、5-2透镜、5-3玻璃小孔光阑、5-4移 动玻璃。
【具体实施方式】
[0042] 下面结合说明书附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以 下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0043] 实施例一：
[0044] 如图1所示，本实施例记载了一种深紫外激光产生与传输的装置，包括密封腔体 1、真空系统2、深紫外激光产生系统4和深紫外激光传输系统5 ;所述深紫外激光产生系统 4和深紫外激光传输系统5均位于所述密封腔体内。
[0045] 所述密封腔体1包括：腔体1-1、腔体盖1-2、观察窗口 1-3、气体进口 1-4、紫外激 光输入窗口 1-5、紫外激光输出窗口 1-6、气体出口 1-7和深紫外激光输出窗口 1-8。腔体 1-1分别与观察窗口 1-3、气体进口 1-4、紫外激光输入窗口 1-5、紫外激光输出窗口 1-6、气 体出口 1-7和深紫外激光输出窗口 1-8连接。
[0046] 如图2所示，本实施例中的腔体1-1为单个不锈钢圆柱形腔体，不锈钢底板下有螺 丝底座，可上下旋转，调节底板水平；腔体1 -1与腔体盖1 - 2用橡胶圈密封，并在橡胶圈表 面涂覆一层真空脂，用卡钳固定密封。
[0047] 所述真空系统2包括真空产生系统，真空泵；真空测量系统，真空计和真空填充系 统，压力表，高纯气体。
[0048] 本实施例的压力表2 - 6与腔体1 - 1壁通过法兰连接；真空泵为机械泵2 - 1和分 子泵2 - 2的组合泵，机械泵2 - 1和分子泵2 - 2分别与腔体1 - 1壁通过法兰连接；真空计 为电阻规2 - 3和电离规2 - 4的组合规，复合真空计2 - 5,电阻规2 - 3和电离规2 - 4分别 与腔体1 - 1壁通过法兰连接。所述高纯气体为对深紫外波段吸收小的高纯气体，可为N2、 He、Ne或Ar等气体。
[0049] 深紫外激光产生系统4包括深紫外倍频晶体调节器4-1，深紫外倍频晶体器件 4-2。在实施例中，深紫外倍频晶体调节器4-1为四维调控器，包括X，y，z方向三维高精度 调控，调控精度高于0. 1mm，高精度一维旋转调节，调节精度高于0. Γ。
[0050] 如图8所示。深紫外倍频晶体器件为能产生深紫外激光的晶体器件，本实施例中 深紫外倍频晶体器件4-2为KBBF-P⑶耦合器件，所述KBBF-P⑶耦合器件为第一耦合棱 镜-KBBF晶体-第二耦合棱镜，第一耦合棱镜为Si0 2直角棱镜，一锐角为68. 6°，入射面 镀紫外高透膜系，Si02材料在紫外波段具有较小吸收系数，较高的损伤阈值，并具有与非线 性晶体相近的折射率，Si0 2直角棱镜的镀膜面作为直接倍频器件入射面，第二耦合棱镜为 CaF2直角棱镜，一锐角为68. 6°，CaF2材料在真空紫外波段具有较小吸收系数，合适的损伤 阈值，CaF2直角棱镜作为直接倍频器件KBBF-PCD输出棱镜。直接倍频器件中不同位置光学 质量存在差异，可能有瑕疵，会严重影响倍频输出功率，KBBF-PCD耦合器件固定在四维调控 器上，通过四维调控器调节泵浦光在晶体中合适的入射方位，提高倍频转换效率与深紫外 激光输出功率。
[0051] 深紫外激光传输系统5包括深紫外45°高反射镜5-1、深紫外激光显示元件一玻 璃小孔光阑5-3和移动玻璃5-4。
[0052] 深紫外45°高反射镜5-1的数量不限。如图9所示，本实施例为3个，且为深紫外 45°高反射镜5-1，通过电动控制反射镜的角度。
[0053] 玻璃小孔光阑5-3中间有圆形小孔，小孔直径为0. 5m?10mm。能使深紫外激光在 玻璃小孔光阑5-3上产生荧光，调节深紫外激光，使其经过玻璃小孔光阑中心，保证深紫外 激光按预先设计光路传输。其中玻璃小孔光阑5-3的数量不限，如图9所示，本实施例中的 数量为4个，也可为其他数量。
[0054] 移动玻璃5-4用于观察深紫外激光产生的荧光，调节深紫外激光光路。其数量不 限，如图9所示，本实施例移动玻璃5-4为1个。玻璃小孔光阑和移动玻璃为在深紫外波段 具有荧光产生能力材料，如石英等。
[0055] 深紫外激光传输系统5还可以包括一个透镜5-2,用于准直发散的深紫外激光。具 体位置可根据深紫外激光发散角及透镜参数计算，通过电动位移台调节。如图9所示，本实 施例中的透镜5-2设置在沿深紫外激光传输方向的第二个深紫外高反镜后；也可设置在第 三个深紫外45°高反射镜后。
[0056] 深紫外45°高反射镜5-1安置于电动镜架上，通过电动镜架调控反射镜的角度。 用红色激光从密封腔外入射深紫外45°高反射镜5-1，粗略调节深紫外45°高反射镜5-1 与透镜5-2的位置，并在高反射镜5-1前后按预先设计光路安置玻璃小孔光阑5-3,然后盖 好密封腔，并使密封腔体内保持气体流通，输出深紫外激光，观察深紫外激光在玻璃小孔光 阑上5-3的荧光，结合移动玻璃5-4,通过电动镜架，电动位移台精密调节深紫外激光光路， 使深紫外激光准直后从深紫外激光输出窗口 1-8输出。
[0057] 此为包括激光功率测量系统3,所述激光功率测量系统3包括深紫外激光功率计 3-1、紫外分光器3-2和剩余激光收集器3-3,所述剩余激光收集器3-3位于紫外激光输出窗 口 1-6外，如图6所示，图6为深紫外激光产生功率测量系统；安装在深紫外激光产生系统 4后面，如图1所述；此外还包括深紫外激光输出功率测量系统，如图7所示，安装在深紫外 传输系统5后面，如图1所不。
[0058] 深紫外激光功率计3-1，采用真空的深紫外激光功率计。激光功率计前端面安装 有所述玻璃小孔光阑5-3。深紫外激光产生功率测量系统中激光功率计设置于所述深紫外 倍频晶体调节器4-1后，用于测量倍频产生的深紫外激光功率与转换效率；深紫外激光输 出功率测量系统中激光功率计设置于所述深紫外激光输出窗口 1-8前面，用于测量输出的 深紫外激光功率与传输效率，测量深紫外激光功率时，将功率计移进深紫外激光光路，测量 完毕，将其移出深紫外激光光路。采用在真空放气小的深紫外激光功率计，在真空环境放气 小，灵敏度高，精度高，功率测量稳定。
[0059] 所述紫外分光器3-2为紫外45°高反射镜，镀紫外45°高反膜系。在紫外激光光 路上，紫外分光器3-2设置于深紫外倍频晶体调节器4-1后，用于将剩余紫外激光通过紫外 激光输出窗口 1-6导出腔体，并收集在所述剩余紫外激光收集器3-3中。
[0060] 实施例二：
[0061] 如图3所示，本实施例记载的一种深紫外激光产生与传输的装置，其结构与实施 例一记载的技术方案基本相似，区别在于：腔体1-1为矩形腔体。矩形腔体具有结构紧凑， 体积小，设计灵活，使用方便等优点。
[0062] 实施例三：
[0063] 如图4所示，本实施例记载的一种深紫外激光产生与传输的装置，其结构与实施 例一记载的技术方案基本相似，区别在于：腔体1-1为组合腔体。可为圆-矩、圆-圆或 矩-矩形组合腔体。
[0064] 本实施例记载的装置，将深紫外激光产生，传输分为两个腔体中，两腔体用波纹管 连接，两腔体之间，可以用玻璃窗口隔开，分成两个各自独立的密封腔环境，也可以不用隔 开，成为联通的两个腔体。
[0065] 将深紫外激光产生与准直传输系统隔开，使其互不影响，紫外激光在深紫外激光 产生腔体中，被紫外45°高反射镜反射，从紫外激光输出窗口输出，不影响以后深紫外激光 测量与传输。在深紫外激光准直传输腔体中，可以根据实际情况灵活设计，使系统更加灵活 与实用。采用该装置使整个系统模块化，每个模块小型化，使用更加灵活，易于推广应用。 [0066] 本发明所提供的装置工作原理为：密封腔为深紫外激光产生传输提供一个方便、 实用、完备的密封环境；利用可见激光，粗略安置深紫外激光传输系统中反射镜，透镜，玻璃 小孔光阑的位置；利用装置中真空系统，提供一种深紫外激光产生与传输的高纯气体流通 环境，通过高纯气体流通，保证深紫外激光可以产生与传输；利用深紫外激光产生系统中的 深紫外非线性晶体器件，采用非线性频率转换技术产生深紫外激光；利用深紫外激光功率 计，测量深紫外激光功率；通过深紫外激光传输系统，利用小孔光阑，移动玻璃，电动镜架， 按设计光路调节深紫外激光光路，输出一定功率可实用的深紫外激光。
[0067] 由于深紫外激光在空气中吸收严重，腔内保持高纯气体流通状态。具体为利用真 空产生系统，将腔内真空度抽至0. 1?0. OOlPa范围，充满高纯气体至latm?1. 2atm，再次 按以上步骤抽真空至0. 1?0. OOlPa范围，即用高纯气体将密封腔洗涮一次，带走残余气体 杂质，然后保持腔内高纯气体流通状态。所述气体为对深紫外波段吸收小的高纯气体，其纯 度为大于99. 9%，为N2、He、Ne或Ar等气体。
[0068] 用高纯气体洗涮密封腔时，可以根据实际情况洗涮1?3次，在深紫外激光传输效 率低时，抽真空时间可以适当延长，再用高纯气体洗涮，使密封腔体1内残余气体杂质减至 最小，提高深紫外激光的传输效率。
[0069] 以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换 也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种深紫外激光产生与传输装置，所述深紫外激光产生与传输装置包括：密封腔体 系统和真空系统，其特征在于，所述深紫外激光产生与传输装置还包括深紫外激光产生系 统和深紫外激光传输系统；所述深紫外激光产生系统和深紫外激光传输系统均位于所述密 封腔体内； 所述密封腔体系统包括腔体，观察窗口、紫外激光输入窗口、紫外激光输出窗口、气体 进口、气体出口和深紫外激光输出窗口； 所述真空系统包括真空产生系统，真空测量系统，和真空填充系统；所述真空填充系统 中填充气体为对深紫外波段吸收小的高纯气体，或无填充气体的真空系统； 所述深紫外激光产生系统包括深紫外倍频晶体器件，深紫外倍频晶体角度调节器件； 所述深紫外激光传输系统包括深紫外光学元件及深紫外激光荧光显示元件。
2. 根据权利要求1所述的一种深紫外激光产生与传输装置，其特征在于，所述深紫外 激光荧光显示元件是玻璃，荧光粉等在深紫外波段有显示功能的材料。
3. 根据权利要求1所述一种深紫外激光产生与传输装置，其特征在于，真空放气小深 紫外激光功率计为陶瓷功率计，即功率计的光热感应部分采用石墨，电路底板部分采用放 气小的陶瓷材料。
4. 根据权利要求1所述一种深紫外激光产生与传输装置，其特征在于，所述高纯气体 为纯度99. 9%以上的N2、He、Ne或Ar等在深紫外波段吸收小的气体。
5. 根据权利要求1、2任一项所述的一种深紫外激光产生与传输装置，其特征在于，所 述深紫外激光突光显示元件，为利用所述有显示功能的材料制作的移动元件，所述移动元 件在深紫外光路中移动进/出深紫外激光光路。
6. 根据权利要求1、2任一项所述装置，其特征在于，所述深紫外激光荧光显示元件，为 利用所述有显示功能的材料制作的小孔光阑，所述小孔光阑固定在光路中。
7. 根据权利要求3所述一种深紫外激光产生与传输装置，其特征在于，所述深紫外激 光功率计为在真空放气小深紫外激光功率计，所述深紫外激光功率计前端面安装有利用所 述深紫外显示元件制作的小孔光阑。
8. 根据权利要求1所述一种深紫外激光产生与传输装置，其特征在于，所述密封腔体 为组合腔体，组合腔体为独立腔体或联通腔体，所述深紫外激光产生系统与所述深紫外激 光传输系统可以位于所述组合腔体中。
9. 根据权利要求1、2、3、5、6、7、8任一项所述一种深紫外激光产生与传输装置，其特征 在于，所述材料为在真空放气小的材料；所述腔体为气密性好的腔体。
【文档编号】H01S3/17GK104064949SQ201410241146
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】许祖彦, 徐志, 彭钦军, 王志敏, 杨峰, 张丰丰, 张申金, 宗楠 申请人:中国科学院理化技术研究所