一种单频金刚石单晶紫外激光器

1.本发明涉及全固态紫外激光器领域，尤其涉及一种单频金刚石单晶紫外激光器。


背景技术：

2.紫外激光器在光刻、精密材料加工、医疗美容、国防航天以及多种先进技术领域都有广泛应用。其中，固体紫外激光器有着结构紧凑、稳定性好、输出功率较高的优势，更有利于实现商用。
3.目前，产生高功率紫外激光主要是采用非线性频率变换技术，这就需要泵浦光多次通过非线性晶体，从而导致紫外激光的功率转换效率低和光束质量差成为普遍问题。而且，目前除了266nm、355nm等少数几个紫外激光波段可以产生高功率的激光，其他波段紫外激光很多是由可调谐泵浦源生成的，难以实现高功率输出。现有激光器远未达到紫外光波段全覆盖，更多新的紫外波长高功率激光器有待研发。
4.此外，传统的固体紫外激光器的非线性频率变换难以同时实现高效、单频和紫外的激光输出。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种单频金刚石单晶紫外激光器，本发明实现了单频紫外波长的输出，将高热稳定性的金刚石作为拉曼增益介质，实现高光束质量拉曼光输出，再结合腔外倍频、腔内和频技术，最终实现单频紫外激光输出，详见下文描述：
6.一种单频金刚石单晶紫外激光器，所述激光器包括：激光发射部、倍频模块、“8”字环形腔拉曼和频模块，
7.激光发射部，由泵浦源、第一分束镜、平面反射镜组成，泵浦源用于发射具有预设功率以及预设波长的泵浦光；第一分束镜将泵浦光分为两束；平面反射镜调整第二束泵浦光光路方向，使其与第一束泵浦光平行且同向传播；
8.倍频模块，由第一凸透镜、倍频晶体、第二凸透镜组成，实现对第一束泵浦光的聚焦、倍频与整形，最后将倍频光注入环形腔中；
[0009]“8”字环形腔拉曼和频模块由四个平凹镜、一个金刚石晶体、一个f-p标准具以及一个和频晶体组成，实现对倍频光的拉曼转换，选出合适模式的拉曼光，将拉曼光与第二泵浦光和频，输出单频紫外光。
[0010]
其中，在“8”字环形腔中，第一输入镜、金刚石晶体、f-p标准具、第一平凹反射镜构成了环形腔的上半部分；第二输入镜、和频晶体、输出镜构成环形腔的下半部分；
[0011]
泵浦光在第一分束镜处分成两束，一束进入倍频晶体发生倍频，进入环形腔上半部分，使金刚石晶体产生受激拉曼散射，输出一阶stokes光，再经过f-p标准具进行选模，进入环形腔下半部分的和频晶体，与另一束泵浦光和频，最后通过环形腔的输出镜输出。
[0012]
所述第二平凹反射镜反射残余的泵浦光，实现对和频晶体的双通泵浦；
[0013]
所述输出镜镀有对拉曼光的高反膜，使入射到输出镜的残余拉曼光在“8”字环形
腔内循环，残余拉曼光在通过金刚石晶体时作为种子光，提升金刚石的拉曼转换效率；所述输出镜采用压电陶瓷构成的激光谐振腔镜，利用陶瓷晶体在电压作用下的伸缩特性，通过伺服控制的pdh稳频技术调节谐振腔的腔长，实现单频输出。
[0014]
本发明提供的技术方案的有益效果是：
[0015]
1、该激光器将cvd(化学气相沉积)金刚石单晶作为拉曼晶体，利用金刚石优异的光热性质和在拉曼增益方面的优势，在所设计的“8”字环型腔内高效率的产生光束质量优异的拉曼光，再结合腔外倍频与腔内和频技术，实现高效紫外光输出；
[0016]
2、本发明采用两块不同的特制非线性晶体，将其分别用于腔外倍频与腔内和频；还采用金刚石单晶用于拉曼频率变换。以上三种非线性效应结合实现了红外波段向紫外波段激光的转换，生成特定波长单频紫外光；
[0017]
3、本发明采用“8”字环型腔结构，实现腔内拉曼和腔内倍频；在腔内形成多个束腰，使用于拉曼转换的金刚石晶体与用于和频效应的和频晶体都能处于环型腔不同束腰位置，提高晶体上的激光功率密度，实现拉曼转换效率以及和频效率的提高；
[0018]
4、本发明提供了一种环形腔结构的拉曼锁腔倍频激光器，该结构通过对腔长的精确微调，再结合腔内插入的f-p标准具(法布里-珀罗标准具)选模，实现单频窄线宽紫外输出；本发明基于该结构实现了窄线宽372nm紫外波长输出，详见实例1与实例2所述；
[0019]
5、本发明采用将腔外泵浦光和腔内拉曼光同时耦合到非线性晶体实现和频的方案，通过二分之一波片精确调节腔外泵浦光偏振态，可以实现两束激光更好的相位匹配，增强和频转换效率；此外，经过非线性晶体的残余拉曼光可以在“8”字环型腔内的重复循环，极大的增强了拉曼光在和频过程中的利用率，提高了和频转换效率。
附图说明
[0020]
图1为单频金刚石单晶紫外激光器结构示意图。
[0021]
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0022]
1：泵浦源；
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2：第一分束镜；
[0023]
3：第一凸透镜；
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4：倍频晶体；
[0024]
5：第二凸透镜；
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6：第一输入镜；
[0025]
7：金刚石晶体；
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8：f-p标准具；
[0026]
9：第一平凹反射镜；
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10：平面反射镜；
[0027]
11：二分之一波片；
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12：第三凸透镜；
[0028]
13：第二输入镜；
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14：和频晶体；
[0029]
15：输出镜；
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16：第四凸透镜；
[0030]
17：第二平凹反射镜；
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18：低通滤波片。
具体实施方式
[0031]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0032]
为了克服现有技术的紫外激光转换效率低，光束质量差等缺点。本发明实施例采取了如下技术方案。
[0033]
金刚石作为拉曼晶体有拉曼增益系数高、透射光谱范围宽和热稳定性好的优势，可以高效产生低于泵浦光频率的斯托克斯光子。此外，金刚石拉曼激光器可以实现泵浦光的光束质量优化，达到光束净化和亮度增强的效果。
[0034]
激光倍频技术是利用非线性晶体在强光作用下的二阶非线性效应，使频率为ω的激光通过晶体后，变成频率为2ω的倍频光。通过选用有效倍频极化系数大的非线性晶体，满足非线性晶体的相位匹配条件，以及增加基频光的功率密度，可以实现较高的倍频转换效率。另外，激光器采用主动稳频技术通过将实时输出频率与参考频率对比，若频率漂移则将误差信号发送至伺服系统对激光器进行反馈控制，使输出频率锁定在某一定值。目前，通过环形腔输出镜采用pzt(压电陶瓷)构成的激光谐振腔镜，利用陶瓷在电压作用下的伸缩特性，进行谐振腔腔长调节，实现单频激光输出的技术已经广泛应用。
[0035]
将有光束净化作用的金刚石作为拉曼增益介质，提高了产生拉曼光的光束质量，进而使得输出紫外和频光的光束质量得以改善。
[0036]
区别于传统驻波腔结构拉曼激光器，本发明实施例采用“8”字环型腔结构，在腔内形成多个束腰，使金刚石晶体与非线性晶体都能处于束腰位置，提高晶体上的功率密度，实现拉曼转换效率以及和频效率的提高。
[0037]
采用腔外泵浦光和腔内拉曼光同时耦合到非线性晶体实现和频的方案。通过二分之一波片调节腔外泵浦光偏振态，可以实现与腔内拉曼光更好的匹配，增强和频转换效率。此外，经过非线性晶体的残余拉曼光可以在“8”字环型腔内的重复循环，极大的增强了拉曼光在和频过程中的利用率，提高了和频转换效率。“8”字环型腔的结构也使得激光器系统更加紧凑，有利于激光器的小型化应用。
[0038]
此外，通过f-p标准具选模，将“8”字环型腔输出镜接入到伺服控制的锁频系统中，从两方面保证输出紫外光单频。
[0039]
实施例1
[0040]
参见图1，本发明实施例设有泵浦源1、第一分束镜2、第一凸透镜3、倍频晶体4、第二凸透镜5、第一输入镜6、金刚石晶体7、f-p标准具8、第一平凹反射镜9、平面反射镜10、二分之一波片11、第三凸透镜12、第二输入镜13、和频晶体14、输出镜15、第四凸透镜16、第二平凹反射镜17、低通滤波片18。
[0041]
本发明单频金刚石单晶紫外激光器主要包括三个部分：激光发射部、倍频模块、“8”字环形腔拉曼和频模块。
[0042]
其中，激光发射部，由泵浦源1、第一分束镜2、平面反射镜10组成。泵浦源1，用于发射具有预设功率以及预设波长的泵浦光；第一分束镜2将泵浦光分为两束；平面反射镜10调整第二束泵浦光光路方向，使其与第一束泵浦光平行且同向传播。
[0043]
其中，倍频模块，由第一凸透镜3、倍频晶体4、第二凸透镜5组成。实现对第一束泵浦光的聚焦、倍频与整形，最后将倍频光注入环形腔中。
[0044]
其中，“8”字环形腔拉曼和频模块由四个平凹镜(第一输入镜6、第一平凹反射镜9、第二输入镜13和输出镜15)、一个金刚石晶体7、一个f-p标准具8以及一个和频晶体14组成。实现对倍频光的拉曼转换，选出合适模式的拉曼光，将拉曼光与第二泵浦光和频，输出单频紫外光。其中将输出镜15连接到外接的伺服控制锁频系统，该系统包括pzt压电陶瓷和pdh(pound
–
drever
–
hall)控制器。
[0045]
在该“8”字环形腔中，第一输入镜6、金刚石晶体7、f-p标准具8、第一平凹反射镜9构成了环形腔的上半部分；第二输入镜13、和频晶体14、输出镜15构成环形腔的下半部分。
[0046]
其中，泵浦光在第一分束镜2处分成两束，一束进入倍频晶体4，发生倍频，然后进入环形腔上半部分，使金刚石晶体7产生受激拉曼散射，输出一阶stokes光。再经过f-p标准具8进行选模，进入环形腔下半部分的和频晶体14，与另一束泵浦光和频，最后通过环形腔的输出镜15输出。
[0047]
泵浦源1输出1064nm的近红外光，第一分束镜2将其分成两束。一束经过第一凸透镜3聚焦到倍频晶体4转换成532nm倍频光，再通过第二凸透镜5聚焦，从第一输入镜6进入“8”字环形腔，在金刚石晶体7拉曼转换成为573nm拉曼光。573nm拉曼光经f-p标准具8进行精确频率选择，再经过第一平凹反射镜9和第二输入镜13两次反射，进入和频晶体14。
[0048]
另一束1064nm泵浦光，经过平面反射镜10改变传输方向和二分之一波片11调整偏振方向后，直接被第三凸透镜12聚焦到第二输入镜13，从第二输入镜13进入环形腔下半部分，在和频晶体14上与573nm拉曼光和频，产生372nm紫外和频光，最后通过输出镜15输出。残余的1064nm泵浦光被第二平凹反射镜17反射，实现对和频晶体14的双通泵浦。输出镜15将残余573nm拉曼光反射到“8”字环形腔中，使573nm拉曼光作为种子光再次通过金刚石，增加金刚石单晶对532nm倍频光的拉曼转换效率。
[0049]
第四凸透镜16聚焦输出光，使其沿直线水平传播，低通滤波片18吸收掉除单频紫外光的其他残余光。
[0050]
实施例2
[0051]
本实施例与上述实施例1结构相同，是对上述实施例1中元件的参数补充说明：
[0052]
泵浦源1输出高峰值功率的脉冲1064nm泵浦光；第一分束镜2将泵浦光分为两束；第一凸透镜3用于聚焦泵浦光；倍频晶体4为切割角度θ＝90.0
°
，φ＝11.6
°
的角度相位匹配lbo(三硼酸锂)晶体，两端面镀有对1064nm和532nm透过率》99％的宽带介质膜；第二凸透镜5将532nm倍频光聚焦，使其束腰位置在金刚石晶体中心；第一输入镜6为平凹镜，平面镀532nm增透膜，凹面镀532nm增透和573nm高反膜；金刚石晶体7为2
×2×
7mm3尺寸的cvd金刚石单晶，两端面镀有对532-573nm波段透过率》99.5％的宽带介质膜，采用《110》方向的切割；f-p标准具8选出573nm单频拉曼光；第一平凹反射镜9凹面镀532nm增透和573nm高反膜；平面反射镜10镀1064nm高反膜；二分之一波片11实现对第二束泵浦光偏振态的调整；第三凸透镜12用于聚焦泵浦光，使其束腰位置在和频晶体中心；第二输入镜13是平凹镜，平面镀1064nm增透膜，凹面镀573nm高反和1064nm增透膜；和频晶体14为切割角度θ＝90.0
°
，φ＝34.0
°
的角度相位匹配lbo晶体，两端面镀有对1064nm、573nm和372nm透过率》99％的宽带介质膜；输出镜15是平凹镜，平面镀1064nm和372nm增透膜，凹面镀573nm高反膜、1064nm和372nm增透膜，输出镜15是采用压电陶瓷构成的激光谐振腔镜，通过陶瓷晶体在电压作用下的伸缩特性，控制谐振腔的腔长，进而实现频率锁定；第四凸透镜16用于输出光束整形；第二平凹反射镜17，平面镀372nm增透膜，凹面镀1064nm高反膜、372nm增透膜，使残余1064nm泵浦光返回环形腔内，实现对和频晶体的双通泵浦；低通滤波片18，对于400nm以下波长透过率》90％，对于400nm以上波长吸收率》99％，用于过滤掉残余其他波段激光，使372nm单频紫外光通过。
[0053]
本发明实施例用两块lbo晶体分别作为倍频晶体与和频晶体，都采用ⅰ类角度相位
匹配，所以，腔内光束与lbo晶体之间的角度对相位匹配的效果会有明显的影响。将lbo晶体置于温度控制加持之中，保持激光器运行中lbo晶体恒温。通过旋转温控加持可以实现腔内光束与lbo晶体之间的角度的调节，当调至相位匹配的最佳位置时，可以明显的提升倍频与和频效率。
[0054]
综上所述，本发明实施例提出了一种基于“8”字环型腔的单频紫外拉曼激光器，将泵浦源输出的1064nm激光分为两束，通过两块不同切割角度的特制lbo晶体和cvd金刚石单晶实现高效非线性频率变换，再结合f-p标准具和伺服控制锁频系统，实现高转换效率372nm单频紫外的激光输出。
[0055]
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
[0056]
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0057]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。