专利名称：全固态短波紫外激光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全固态激光器，特别涉及一种高功率、高光束质量、实用化全固态短波紫外激光器。
背景技术：
短波紫外激光是指波长介于200nm至300nm的紫外激光，具有波长短、光子能量高、易被材料吸收以及波段特殊等诸多优点，在激光精细加工、前沿科学及国家安全等领域具有重大应用价值。全固态激光器(半导体激光泵浦的固体激光器，简称DPL)具有体积小、寿命长、效率高、光束质量高、稳定性好、可靠性高、维护方便及电驱动无污染等优点，是激光技术发展的重要方向，利用DPL谐波技术实现短波紫外激光输出是目前发展高功率实用化短波紫外激光源的最有效途径，已成为各发达国家竞相研发的热点。目前，国际上短波紫外DPL研究主要是利用高功率近红外Nd离子1064nm激光经非线性光学晶体多次倍频，获得四次谐波如266nm短波紫外激光输出，其中短波紫外非线性光学晶体是核心材料，目前主要包括CLBO(硼酸铯锂CsLiB6010)、BBO(偏硼酸钡BaB204)、KDP (磷酸二氢钾KH2P04) ,KABO (硼酸铝钾K2A12B207)晶体等，虽然这些晶体在某些方面性能优异，但考虑综合性能都存在各自的不足之处，尚难于实现高功率产业化应用。其中，CLBO晶体可以实现高功率266nm激光输出，如2003年日本采用CLBO晶体获得了 40W的266nm激光输出，2006年中科院理化所采用CLBO晶体获得了 28W266nm激光输出，然而上述均为实验室条件下的研究结果，由于CLBO晶体潮解极其严重，并且经过大量的研究到目前为止仍无法有效解决其潮解问题，因此难以实现产业化应用。BBO晶体为目前主要应用的短波紫外非线性晶体材料，被誉为“中国牌晶体”，输出可达W级，然而由于BBO晶体的光折变效应严重，限制了其输出功率的进一步提高。KDP晶体由于热导率低，难以实现高平均功率、高重频运转。KABO晶体由于紫外吸收严重，尚未实现W级以上高平均功率激光输出。综上所述，到现在为止对于1064nm基频激光四次谐波产生266nm短波紫外激光，仅有W级产品，如美国Coherent公司研发的3W 266nmDPL(型号AVIA 266)，关键晶体材料的瓶颈限制了高功率短波紫外DPL的发展及应用，国际社会迫切期待着材料及相关技术上的突破。CBO(三硼酸铯CsB305)晶体具有较大的非线性光学系数、优秀的紫外波段透过能力、非常高的抗激光损伤能力及微弱的潮解性，在紫外频率转换方面已经展现出了良好的应用前景和能力，是一种综合性能优异的非线性紫外变频晶体。然而一直以来，由于其无法直接倍频匹配到现有的1064nm基频激光的四倍频，因而未能应用到短波紫外波段(CB0晶体倍频匹配截止波长为273nm)。LBO晶体具有极高的破坏阈值，是目前使用最为频繁的商用化非线性晶体，综合性能优异，然而，其同样无法直接倍频匹配到现有的1064nm基频激光的四倍频，因而未能应用到短波紫外波段(LB0晶体倍频匹配截止波长为277nm)
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明的目的是针对目前高功率实用化短波紫外激光产生关键材料瓶颈，通过突破新型高功率高光束质量基频全固态激光技术，创新性地将综合性能优异的紫外非线性光学晶体CBO、LBO等从高功率紫外应用拓展到高功率短波紫外应用，以实现一种高功率、高光束质量、实用化短波紫外全固态激光器。( 二 )技术方案为了解决上述技术问题，本发明提供一种全固态短波紫外激光源，包括:近红外基频激光器和在所述近红外基频激光器输出激光方向依序设置的二倍频非线性光学晶体、光束匹配调控系统、四倍频非线性光学晶体及光束分光准直整形系统；所述近红外基频激光器输出近红外激光，通过二倍频非线性光学晶体产生二倍频激光，所述二倍频激光通过光束匹配调控系统进入四倍频非线性光学晶体，产生高效率四倍频短波紫外激光，最后经过光束分光整形准直系统实现高功率、高光束质量短波紫外激光输出。优选地，所述近红外基频激光器为近红外Nd:YAG激光器，通过精密波长选择技术及低增益激光振荡放大技术实现Nd = YAG晶体1112nm或1116nm或1123nm高功率、高光束
质量激光输出。优选地，所述近红外基频激光器所用激光晶体基质材料除了 YAG晶体外，还可采用透明YAG陶瓷、玻璃、钒酸钇(YVO4)、氟化钇锂(YLF)或钒酸钆(GdVO4)15优选地，所述二倍频非线性光学晶体采用LBO晶体，进行I类非临界相位匹配或II类临界匹配实现二倍频556nm或558nm或561nm激光输出。优选地，所述二倍频非线性光学晶体采用KTP晶体。优选地，所述四倍频非线性光学晶体采用I类相位匹配CBO晶体，实现四倍频278nm或279nm或280.5nm激光输出。优选地，所述四倍频非线性光学晶体采用LBO晶体。优选地，所述四倍频非线性光学晶体两通光端面分别镀二倍频及四倍频激光的双点增透膜，或者入射端面镀二倍频激光增透膜、出射端面镀二倍频及四倍频激光的双点增透膜，或者入射端面镀二倍频激光增透膜、出射端面按四倍频激光布儒斯特角切割，或者入射端面按二倍频激光布儒斯特角切割、出射端面按四倍频激光布儒斯特角切割。优选地，所述近红外基频激光器采用双侧泵激光头串联，中间设置热效应补偿系统补偿晶体内的热致双折射效应；声光Q开关实现激光高峰值功率调Q脉冲输出；偏振片用来获得线偏振激光；通过腔镜、输出耦合镜特殊膜系设计实现单波长激光振荡，输出脉冲激光；再通过侧泵激光头实现功率放大，最终得到高功率、高光束质量、高峰值功率近红外激光输出。优选地，所述近红外基频激光器采用双侧泵激光头串联，中间设置热效应补偿系统补偿晶体内的热致双折射效应；声光Q开关实现激光高峰值功率调Q脉冲输出；腔内插入标准具实现单波长振荡；二倍频非线性光学晶体设置在基频激光谐振腔内，实现高效率腔内倍频，产生的二倍频激光通过双色镜输出。(三)有益效果本发明通过精密波长选择技术及低增益激光振荡放大技术实现Nd: YAG高功率、高光束质量1112nm或1116nm或1123nm近红外激光输出，使用已商用化的非线性光学晶体LBO, KTP实现高效二倍频激光输出，创新性地实现综合性能优异可实用化的CBO、LBO晶体四倍频应用，从而实现高功率、高光束质量短波紫外激光输出。
图1为本发明全固态短波紫外激光源的结构框图；图2为本发明一实施例的示意图；图3为本发明另一实施例的示意图。其中，1-近红外基频激光源；2_ 二倍频非线性光学晶体；3_光束匹配调控系统；4-四倍频非线性光学晶体；5_光束分光整形准直系统；6_侧泵激光头；7_热效应补偿系统；8_声光Q开关；9_标准具；10_偏振片；M1-腔镜；M2-反射镜；M3_双色镜；M4_反射镜。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不是限制本发明的范围。如图1所示，本发明所述的全固态短波紫外激光源，包括:近红外基频激光器I和在所述近红外基频激光器I输出激光方向依序设置的二倍频非线性光学晶体2、光束匹配调控系统3、四倍频非线性光学晶体4及光束分光准直整形系统5 ;所述近红外基频激光器I输出近红外激光，通过二倍频非线性光学晶体2产生二倍频激光，所述二倍频激光通过光束匹配调控系统3进入四倍频非线性光学晶体4，产生高效率四倍频短波紫外激光，最后经过光束分光整形准直系统5实现高功率、高光束质量短波紫外激光输出。所述近红外基频激光源I是通过低增益激光振荡放大技术及精密波长选择技术实现Nd = YAG晶体1112nm或1116nm或1123nm高功率、高光束质量激光输出；所述的二倍频非线性光学晶体采用目前已经实用化的LBO晶体，进行I类非临界相位匹配或II类临界匹配实现二倍频556nm或558nm或561nm激光输出；所述的四倍频非线性光学晶体采用I类相位匹配CBO晶体，实现四倍频278nm或279nm或280.5nm激光输出。由于本发明基频近红外激光采用已经极其成熟的Nd = YAG激光晶体，因此可以获得高平均功率、高光束质量基频激光产生；二倍频、四倍频晶体采用综合性能优异、实用化的LBO及CBO晶体；短波紫外激光输出基于两级倍频技术路线，因此本发明所述的全固态短波紫外激光器具有可实现高平均功率、高光束质量、实用化的突出优点。所述近红外基频激光器I所用激光晶体基质材料除了 YAG晶体外，还包括透明YAG陶瓷、玻璃、钒酸钇(YVO4)、氟化钇锂(YLF)及钒酸钆(GdVO4)等。所述二倍频非线性光学晶体2除了 LBO晶体，还包括KTP晶体。所述四倍频非线性光学晶体4除了 CBO晶体，还包括LBO晶体。所述四倍频非线性光学晶体可以两通光端面分别镀二倍频及四倍频激光的双点增透膜；可以入射端面镀二倍频激光增透膜，出射端面镀二倍频及四倍频激光的双点增透膜；可以入射端面镀二倍频激光增透膜，出射端面按四倍频激光布儒斯特角切割；也可以入射端面按二倍频激光布儒斯特角切割，出射端面按四倍频激光布儒斯特角切割。实施例1
如图2所示，本发明实施例1的278nm短波紫外全固态激光器。近红外基频激光器I采用双侧泵激光头6串联，中间设置热效应补偿系统7补偿晶体内的热致双折射效应；声光Q开关10实现激光高峰值功率调Q脉冲输出；偏振片10用来获得线偏振激光；通过腔镜M1，输出耦合镜OC特殊膜系设计实现单波长1112nm激光振荡；实现40W 1112nm脉冲激光输出。再通过侧泵激光头6实现功率放大，最终得到100W级高功率、高光束质量、高峰值功率近红外1112nm激光输出。然后通过二倍频非线性光学晶体2产生二倍频激光，二倍频晶体采用I类非临界温度匹配LBO晶体，实现高效率556nm激光产生；二倍频激光通过光束匹配调控系统3进入四倍频非线性光学晶体4，四倍频晶体4采用I类匹配CBO晶体，最终实现高效率四倍频激光产生，最后经过分光及光束整形准直系统5实现IOW级高功率、高光束质量短波紫外278nm激光输出。实施例2如图3所示，本发明实施例2的280.5nm短波紫外全固态激光器。近红外基频激光器采用双侧泵激光头6串联，中间设置热效应补偿系统7补偿晶体内的热致双折射效应；声光Q开关10实现激光高峰值功率调Q脉冲输出；腔内插入标准具9实现单波长1123nm振荡；二倍频非线性光学晶体2采用II类匹配LBO晶体，其设置在基频激光谐振腔内，实现高效率腔内倍频；产生的二倍频561nm激光通过双色镜M3输出。再通过光束匹配调控系统3进入四倍频非线性光学晶体4，四倍频晶4采用I类匹配CBO晶体，实现四倍频281nm激光输出，最终经过分光及光束整形准直系统5实现高功率、高光束质量短波紫外280.5nm激光输出。实施例3本发明实施例3的280.5nm短波紫外全固态激光器，同实施例2不同的是，通过腔镜M1，输出耦合镜OC及偏振片10的特殊膜系设计实现波长为1123nm基频激光输出；另外四倍频晶体4采用I类匹配LBO晶体实现短波紫外280.5nm激光输出。实施例4本发明实施例4的279nm短波紫外全固态激光器，同实施例2不同的是，通过调谐标准具9实现1116nm激光振荡，二倍频晶体采用II类匹配KTP晶体实现558nm激光输出；四倍频晶体4采用I类匹配LBO晶体，实现短波紫外279nm激光输出。本发明通过精密波长选择技术及低增益激光振荡放大技术实现Nd3+离子1112nm或1116nm或1123nm高功率、高光束质量激光输出，使用非线性光学晶体LBO实现高效二倍频556nm或558nm或561nm激光输出，再通过非线性光学晶体CBO实现高效四倍频产生，从而实现高功率、高光束质量短波紫外278nm或279nm或280.5nm激光输出。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
1.一种全固态短波紫外激光源，其特征在于，包括: 近红外基频激光器(I)和在所述近红外基频激光器(I)输出激光方向依序设置的二倍频非线性光学晶体(2)、光束匹配调控系统(3)、四倍频非线性光学晶体(4)及光束分光准直整形系统(5)； 所述近红外基频激光器(I)输出近红外激光，通过二倍频非线性光学晶体(2)产生二倍频激光，所述二倍频激光通过光束匹配调控系统(3)进入四倍频非线性光学晶体(4)，产生高效率四倍频短波紫外激光，最后经过光束分光整形准直系统(5)实现高功率、高光束质量短波紫外激光输出。
2.如权利要求1所述的全固态短波紫外激光源，其特征在于，所述近红外基频激光器(I)为近红外Nd: YAG基频激光器，通过精密波长选择技术及低增益激光振荡放大技术实现Nd: YAG晶体1112nm或1116nm或1123nm高功率、高光束质量激光输出。
3.如权利要求2所述的全固态短波紫外激光源，其特征在于，所述近红外基频激光器(I)所用激光晶体基质材料除了 YAG晶体外，还可采用透明YAG陶瓷、玻璃、钒酸钇(YVO4)、氟化钇锂(YLF)或钒酸钆(GdVO4)。
4.如权利要求1、2或3所述的全固态短波紫外激光源，其特征在于，所述二倍频非线性光学晶体(2)采用LBO 晶体，进行I类非临界相位匹配或II类临界匹配实现二倍频556nm或558nm或56 Inm激光输出。
5.如权利要求4所述的全固态短波紫外激光源，其特征在于，所述二倍频非线性光学晶体⑵采用KTP晶体。
6.如权利要求1、2或3所述的全固态短波紫外激光源，其特征在于，所述四倍频非线性光学晶体(4)采用I类相位匹配CBO晶体，实现四倍频278nm或279nm或280.5nm激光输出。
7.如权利要求6所述的全固态短波紫外激光源，其特征在于，所述四倍频非线性光学晶体⑷采用LBO晶体。
8.如权利要求1所述的全固态短波紫外激光源，其特征在于，所述四倍频非线性光学晶体(4)两通光端面分别镀二倍频及四倍频激光的双点增透膜，或者入射端面镀二倍频激光增透膜、出射端面镀二倍频及四倍频激光的双点增透膜，或者入射端面镀二倍频激光增透膜、出射端面按四倍频激光布儒斯特角切割，或者入射端面按二倍频激光布儒斯特角切割、出射端面按四倍频激光布儒斯特角切割。
9.如权利要求1所述的全固态短波紫外激光源，其特征在于，所述近红外基频激光器(I)采用双侧泵激光头￠)串联，中间设置热效应补偿系统(7)补偿晶体内的热致双折射效应；声光Q开关(8)实现激光高峰值功率调Q脉冲输出；偏振片(10)用来获得线偏振激光；通过腔镜(Ml)、输出耦合镜(OC)特殊膜系设计实现单波长激光振荡，输出脉冲激光；再通过侧泵激光头(6)实现功率放大，最终得到高功率、高光束质量、高峰值功率近红外激光输出。
10.如权利要求1所述的全固态短波紫外激光源，其特征在于，所述近红外基频激光器(I)采用双侧泵激光头(6)串联，中间设置热效应补偿系统(7)补偿晶体内的热致双折射效应；声光Q开关(8)实现激光高峰值功率调Q脉冲输出；腔内插入标准具(9)实现单波长振荡；二倍频非线性光学晶体(2)设置在基频激光谐振腔内，实现高效率腔内倍频，产生的二倍频激光通过双色 镜(M3)输出。
全文摘要
本发明是一种全固态短波紫外激光源，包括近红外基频激光器和在所述近红外基频激光器输出激光方向依序设置的二倍频非线性光学晶体、光束匹配调控系统、四倍频非线性光学晶体及光束分光准直整形系统；所述近红外基频激光器输出近红外激光，通过二倍频非线性光学晶体产生二倍频激光，通过光束匹配调控系统进入四倍频非线性光学晶体，产生高效率四倍频激光，经过光束分光整形准直系统实现高功率、高光束质量短波紫外激光输出。本发明通过精密波长选择技术及低增益激光振荡放大技术实现高效近红外基频激光输出，使用非线性光学晶体实现高效二倍频激光输出，再通过非线性光学晶体实现高效四倍频产生，从而实现高功率、高光束质量短波紫外激光输出。
文档编号H01S3/10GK103199429SQ20121000645
公开日2013年7月10日 申请日期2012年1月10日 优先权日2012年1月10日
发明者彭钦军, 杨峰, 许祖彦, 薄勇, 王志超, 杜仕峰, 许家林 申请人:中国科学院理化技术研究所