一种飞秒紫外光激光器的制作方法

本发明属于激光器领域，特别是涉及一种三倍频的飞秒紫外光激光器。

背景技术

随着手机的更新换代，oled显示屏的需求日益增长，制造商需要在增加产量的同时提高工艺利用率并最大限度提升产出率。但是，oled显示屏的分层结构非常复杂，需要在制造过程中实现极高精度，因此实现这些目标颇具挑战性。与此同时，在oled显示屏元件上进行切割和分离这两大工艺一般是在价值较高的接近成品上实施，加工效果非常重要。飞秒激光器已经被验证是实现此类应用的最佳工具。

就oled而言，几乎使用的所有材料(半导体和聚合物)在紫外光谱范围内都有良好吸收性，因此采用紫外光尤其有利。对紫外光的极强吸收性限制了光线在材料内的穿透深度，因此可以在加工时进行精细的控制并进一步减小热影响区域。此外，几乎针对所有材料，工艺质量(具体而言，是指切口宽度)通常会随波长的降低而提高，因此飞秒紫外光激光器成为此应用领域的理想选择。进一步的，相关公司已经证明采用高的重复频率和高功率的紫外飞秒激光器可实现最佳的工艺性能。

目前，用于加工oled的飞秒紫外光平均功率非常高，为30w级。而产生飞秒紫外光的常用方法为通过飞秒红外激光三倍频(thg)，三倍频晶体的输出面一般镀紫外增透膜增加紫外光透过率，及增加thg转换效率。而由于飞秒紫外光的高峰值功率以及紫外光诱导沉积和辅助烧蚀，高功率的飞秒紫外光将导致三倍频晶体的镀膜输出面迅速损坏，飞秒紫外光激光器寿命远远不能满足工业需求。为了解决该问题，业界将飞秒紫外光激光器的三倍频晶体输出面切布鲁斯特角，不镀膜，增加输出面的透过率，同时不镀膜的三倍频晶体紫外光损伤阈值远远高于镀膜的，飞秒紫外光激光器的寿命将大幅提升。但是，布鲁斯特角会对光斑进行整形，使得紫外光光斑输出模式变椭，不能满足工业加工需求。常见的方法为通过镀膜的柱面镜组整形，但此方法同样会产生上述问题，高功率飞秒紫外光会迅速损伤镀膜器件，导致激光器不能正常工作。针对上述问题，本发明提供一种简单的方法，既可以提高飞秒紫外光激光器的寿命，又可以保证飞秒紫外光的输出模式满足工业加工需求。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要提供一种既可以提高激光器的寿命，又可以保证激光的输出模式满足工业加工需求的飞秒紫外光激光器。

本发明提供了一种飞秒紫外光激光器，所述飞秒紫外光激光器包括光连接的种子源、脉冲展宽器、光放大器、脉冲压缩模块及三倍频模块，其特征在于，所述种子源为全光纤被动锁模种子源或固体锁模种子源；所述脉冲展宽器为全光纤展宽器或空间光展宽器；所述光放大器为光连接的多级光放大器；所述脉冲压缩模块为棱镜对或光栅对或啁啾体布拉格光栅(cvbg)；所述三倍频模块依次包括1/2波片、偏振分光棱镜、凸透镜、凹透镜、二倍频晶体、三倍频晶体、吸光块和紫外窗片。

进一步地，所述的飞秒激光经过压缩模块后，脉宽小于1ps。

进一步地，所述的飞秒激光经过1/2波片和偏振分光棱镜后，偏振态为水平偏振。

进一步地，所述三倍频晶体为二类相位匹配的三硼酸锂(lbo)晶体，二倍频晶体为一类相位匹配的三硼酸锂(lbo)晶体。

进一步地，所述三倍频晶体主平面为yz平面，晶体角度为所述二倍频晶体主平面为xy平面，晶体角度为θ2＝90°，所述二倍频晶体的z轴与所述三倍频晶体的x轴方向相同。

进一步地，所述三倍频晶体后表面不镀膜并切紫外光布鲁斯特角θb1，侧面检测性抛光；所述二倍频晶体前表面不镀膜并切红外光布鲁斯特角θb2，侧面检测性抛光；所述二倍频晶体前表面与三倍频晶体后表面平行安装；所述紫外窗片为不镀膜的布鲁斯特窗。

进一步地，所述三倍频晶体前表面与二倍频晶体后表面镀红外光和绿光增透膜，安装方式可以是分离安装或胶合；所述三倍频晶体前表面与二倍频晶体后表面检测性抛光，安装方式为无胶粘接，方式可以是扩散连接或化学活化直接键合。

进一步地，所述三倍频晶体还包括侧面，所述三倍频晶体后表面输出红外光，绿光和紫外光，所述三倍频晶体侧面输出绿光。所述第一吸光块和第二吸光块挡住绿光，所述第三吸光块挡住红外光。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下

有益效果：

1)基于啁啾脉冲放大技术，采用光连接的多级放大器可输出百瓦级的高功率飞秒红外光，为产生高功率飞秒紫外光提供基础；

2)三倍频晶体后表面不镀膜，切紫外光的布鲁斯特角θb1，可以增加损伤阈值，增大输出面的光斑，提高高功率飞秒紫外光激光器的寿命。同时切布鲁斯特角θb1后，后表面可以起到分离红外光、绿光和紫外光的作用，使得三倍频模块光路简单可靠；

3)由于红外光在二倍频晶体中折射率和紫外光在三倍频晶体中折射率非常接近，且偏振态相同，二倍频晶体前表面切红外光布鲁斯特角θb2后，可以有效补偿飞秒紫外激光的输出模式，使得输出模式满足工业加工需求，同时二倍频晶体前表面透过率非常高，几乎不影响红外光功率。

附图说明

图1为按照本发明一种飞秒紫外光激光器的系统组成结构示意图；

图2为图1的飞秒紫外光激光器的二倍频晶体与三倍频晶体分离安装的示意图。

图3为图1的飞秒紫外光激光器的二倍频晶体前表面补偿三倍频晶体后表面导致的紫外光光斑输出模式变椭效果的示意图。

图4为图1的飞秒紫外光激光器的二倍频晶体与三倍频晶体粘接安装的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-种子源，2-脉冲展宽器，3-光放大器，4-脉冲压缩模块，5-三倍频模块，501-1/2波片，502-偏振分光棱镜，503-凸透镜，504-凹透镜，505-二倍频晶体，506-三倍频晶体，507-第一吸光块，508-第二吸光块，509-第三吸光块，510-紫外窗片，s11—二倍频晶体505前表面，s12-二倍频晶体505后表面，s21-三倍频晶体506前表面，s22-三倍频晶体506后表面，s23-三倍频晶体506侧面。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明的一种飞秒紫外光激光器，包括种子源1、脉冲展宽器2、光放大器3、脉冲压缩模块4及三倍频模块5。种子源1为全光纤被动锁模种子源或固体锁模种子源；脉冲展宽器2为全光纤展宽器或空间光展宽器；光放大器3为光连接的多级光放大器；脉冲压缩模块4为棱镜对或光栅对或啁啾体布拉格光栅(cvbg)；三倍频模块5依次包括1/2波片501、偏振分光棱镜502、凸透镜503、凹透镜504、二倍频晶体505、三倍频晶体506、第一吸光块507、第二吸光块508、第三吸光块509和紫外窗片510。1/2波片501的损伤阈值>5j/cm²，脉宽20ns,重频20hz@1064nm；偏振分光棱镜502的消光比>1000:1；紫外窗片为不镀膜的布鲁斯特窗。

种子源1输出激光，经过脉冲展宽器2、光放大器3及脉冲压缩模块4后，输出中心波长为1030nm(红外光)、重频1mhz、功率大于100w、脉宽500fs、直径为2.5mm的脉冲激光，脉冲激光经1/2波片501和偏振分光棱镜502后，偏振态为水平偏振；再经凸透镜503和凹透镜504缩束，光斑直径变为1.8mm，然后输入到二倍频晶体505中，并在二倍频晶体505中产生绿光；绿光与残余的红外光在三倍频晶体506中产生三倍频效应射出紫外光；红外光、紫外光和绿光经过三倍频晶体506的后表面s22(见图2)后分离，其中二倍频晶体前表面s11(见图2)与三倍频晶体后表面s22(见图2)平行安装,使用第一吸光块507、第二吸光块508和第三吸光块509分别挡住绿光与红外光，紫外光经过紫外窗片510输出，得到飞秒紫外光。

如图2所示，三倍频晶体506为二型角度匹配lbo，晶体中设有加热炉，其温度为50℃。晶体x轴方向朝里，中心长度为2mm，θ1＝51.8°，(θ和是晶体光学里的公知定义，分别是晶体中光波矢方向与光轴的夹角和光波矢在xy主平面的投影方向与x轴的夹角，二倍频晶体的z轴与三倍频晶体的x轴方向相同。)。三倍频晶体506包括前表面s21、后表面s22和侧面s23，其中前表面s21镀1030nm+515nm的增透膜，后表面s22不镀膜，侧面s23检测性抛光，在一实施例中，根据折射定律计算，波长为344nm紫外水平偏振光在温度为50℃的二型角度匹配lbo晶体中折射率n1为1.599，则后表面s22切紫外光布鲁斯特角采用三倍频晶体506后表面s22不镀膜，切紫外光布鲁斯特角θb1包括以下三点益处：一，后表面s22不镀膜，切布鲁斯特角θb1的紫外光损伤阈值远远大于镀增透膜的表面；二，后表面s22切紫外光布鲁斯特角θb1后，输出光斑面积增大到原来的1/cos²(θb1)＝1.39倍，减小了紫外光输出面的功率密度；三，后表面s22可以直接将红外光、绿光和紫外光色散分离，不需要使用其它镀膜光学器件。

二倍频晶体505为一型角度匹配lbo，晶体中设有加热炉，其温度为50℃。晶体z轴方向朝里，中心长度为2mm，θ2＝90°，二倍频晶体505包括前表面s11和后表面s12，前表面s11不镀膜，二倍频晶体后表面s12与三倍频晶体前表面s21镀红外光和绿光增透膜，安装方式是分离安装或胶合,在一实施例中，根据折射定律计算，波长为1030nm红外水平偏振光在温度为50℃的一型角度匹配lbo晶体中折射率n2为1.606，则前表面s11切红外光布鲁斯特角后表面s12镀1030nm+515nm的增透膜，其它面检测性抛光。二倍频晶体505前表面s11切红外光布鲁斯特角θb2能将输入红外光光斑进行整形，从而解决三倍频晶体后表面s22切紫外光布鲁斯特角θb1导致的输出紫外光光斑变椭的问题，具体步骤如下。

请参阅图3，其示出了二倍频晶体前表面s11切红外光布鲁斯特角θb2补偿三倍频晶体后表面s22切紫外光布鲁斯特角θb1导致的紫外光光斑输出模式变椭的过程。二倍频晶体前表面s11和三倍频晶体后表面s22只改变水平维的光斑大小(如图3中线l1、l2、l3、l4的方向)，不改变垂直维(垂直于纸面方向)的光斑大小。假设输入红外光的垂直维光斑直径为l0，水平维为l1，经过二倍频晶体前表面s11后，水平维光斑直径变为l2，传输进入三倍频晶体，水平维光斑直径为l3，射出三倍频晶体后表面s22后，水平维光斑直径为l4，且l2＝l3，θb1＝32.02°，θb2＝31.91°，则假设红外光椭圆度e为86％，那么有两种情况l0/l1＝86％或者l1/l0＝86％。当l0/l1＝86％时，s22出射的紫外光椭圆度为l0/l4＝85.68％；当l1/l0＝86％，s22出射的紫外光椭圆度为l4/l0＝86.32％。也就是说补偿的误差为0.0037*e，紫外光椭圆度为(1±0.0037)×红外光椭圆度e。因此当红外光椭圆度大于86％时，通过二倍频晶体505前表面s11切布鲁斯特角θb2可让紫外光椭圆度大于85.68％，满足工业加工需求。

另外，在图3中，根据折射定律公式计算，出射紫外光夹角为25.96°，入射红外光夹角为26.18°，差别为0.22°(3.8mrad)，非常小，基本可认为两光方向相同。

而且红外光在三倍频和二倍频晶体中无损耗透过，不影响三倍频效率。具体过程如下：对于一型角度匹配的lbo晶体来说，红外光为o光，绿光为e光，二倍频的过程为o+o→e；对于二型角度匹配的lbo晶体来说，红外光、紫外光为o光，绿光为e光，三倍频的过程为o+e→o，所以在图2中，二倍频晶体505的前表面s11入射红外光为水平偏振光，经过二倍频晶体505，其后表面s12出射的绿光为垂直偏振光，三倍频晶体后表面s22出射的紫外光为水平偏振光。三倍频晶体506中，水平偏振的紫外光的折射率为1.599，因为后表面s22切紫外光布鲁斯特角θb1，紫外光在s22面的透过率为100％；水平偏振的红外光折射率为1.565，红外光在s22面透过率为99.98％；垂直偏振的绿光折射率为1.617，绿光在s22面透过率为79.38％，在s23面透过率为88.03％。二倍频晶体505中，水平偏振的红外光折射率为1.606，前表面s11切红外光布鲁斯特角θb2，红外光在前表面s11上透过率为100％；所以光的透过率很高，能量损失小，转化效率高。请参阅图4，在另一实施例中，三倍频晶体前表面s21和二倍频晶体后表面s12不镀膜检测性抛光，进行无胶粘接，其它特性与图2相同。无胶粘接方式可以是扩散连接或化学活化直接键合。粘接面红外光透过率为99.98％，绿光透过率为100％。这种无胶粘接的粘接面透过率满足要求，可以大幅提高三倍频晶体输出面的损伤阈值。

对于上述图2和图4中两种安装方式的三倍频模块5，经过计算，二倍频晶体前表面s11接收重频1mhz、功率100w、光斑直径1.8mm、脉宽500fs的水平偏振红外光，三倍频晶体后表面s22约出射30.7w紫外光、39.8w红外光及23.4w绿光，侧面s23约出射5.4w绿光。

很明显，本发明引入两个布鲁斯特角斜切面，没有减弱参与thg过程中激光的功率，所以效率相对常规的镀膜方案没有大的差别。需要注意的是三倍频晶体侧面s23会有较强的绿光输出，所以侧面s23需检测性抛光利于导出残余绿光。

另外，一类相位匹配lbo为类似负单轴晶体，二类相位匹配lbo为类似正单轴晶体，一类相位匹配lbo与二类相位匹配lbo主轴方向相同，绿光在两个晶体中走离效应可以相互补偿，有利于提高thg效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。