一种193nm波长真空紫外全固态脉冲激光器

本发明属于激光器，具体涉及一种193nm波长真空紫外全固态脉冲激光器。

背景技术：

1、波长位于100～200nm的短波紫外光又被称为真空紫外光，193nm的真空紫外激光是该波段中具有重要意义的一个激光光源，在精密激光加工、高分辨率光谱学、光纤光栅制备、半导体集成电路制造领域具有重要作用。193nm的真空紫外激光可以通过氟化氩(arf)准分子激光器和固体激光器两种途径产生。arf准分子气体激光器是目前比较成熟，也是唯一能够直接产生193nm真空紫外激光的光源，但气体激光器存在体积庞大、成本高昂、输出激光重复频率受限、光束质量较差以及会在工作时产生对人体和环境有害的气体等缺陷。

2、全固态激光器具有结构紧凑、光束质量好、峰值功率高、波长可调谐、重复频率可扩展等优势，可成为193nm真空紫外光源发展的新趋势，作为准分子激光器的补充与扩展，使193nm真空紫外激光光源在应用方面得以拓展和丰富。

3、专利cn 101202405a中介绍了一种对波长为1342nm的nd:yvo4激光器进行7倍频获得192nm紫外激光的方法，然而1342nm激光产生过程中需要抑制激光增益晶体在1064nm波段的受激发射，nd:yvo4在1064nm处的受激发射截面大，很容易产生1064nm的受激自发辐射，因此难以获得大能量、高峰值功率的1342nm激光，进而通过其7倍频产生的192nm紫外激光功率也很低，难以满足实际应用需求；专利cn 103151694a中介绍了一种利用579nm固体激光器倍频再和频的方式产生193nm紫外激光的方法，该方法使用的579nm固体激光器是基于拉曼频移的黄光激光器，受激拉曼散射属于非弹性散射，在散射过程中一部分能量会以热的形式贮存在拉曼晶体中，且拉曼晶体对泵浦光的吸收也会产生热，这些热会导致拉曼晶体的自聚焦效应和热致双折射效应，造成输出拉曼激光的功率及指向不稳定，再通过倍频与和频手段产生193nm激光时，存在相位失配的问题且效率不高。本发明采用采用1064nm脉冲激光器作为基频光源，相比以上光源，1064nm激光器及其三倍频技术路线发展成熟且有较高的转换效率、良好的光束质量和稳定性，有利于后续非线性转换过程效率的提高，增强了整体装置的实用性。

技术实现思路

1、为了克服目前真空紫外波段准分子激光器和全固态激光技术手段的不足，本发明提供一种193nm真空紫外全固态激光器的新方案，该激光器具有结构紧凑、高峰值功率、重复频率可扩展等优点。

2、本发明的技术解决方案如下：

3、一种193nm波长真空紫外全固态脉冲激光器，包括1064nm基频脉冲及其三倍频激光产生装置、光学参量振荡器及倍频装置、和频装置三个部分。

4、所述的1064nm基频脉冲及其三倍频激光产生装置包括1064nm基频脉冲激光器，以及沿该1064nm基频脉冲激光器输出光束方向依次放置的第一1/2波片、第一倍频晶体、第一和频晶体、第一分光镜、第二分光镜。由所述的1064nm基频脉冲激光器发射出的1064nm红外激光脉冲，经过所述的第一1/2波片后，通过所述的第一倍频晶体产生532nm绿光激光脉冲，所述的1064nm红外激光脉冲和532nm绿光激光脉冲再通过所述的第一和频晶体产生355nm紫外激光脉冲；所述的1064nm红外激光脉冲、532nm绿光激光脉冲、355nm紫外激光脉冲均经过所述的第一分光镜，其中所述的355nm紫外激光脉冲通过所述的第一分光镜反射后进入所述的光学参量振荡器及倍频装置；所述的532nm绿光激光脉冲通过所述的第一分光镜透射后被所述的第二分光镜反射；所述的1064nm红外激光脉冲通过所述的第一分光镜和所述的第二分光镜透射后进入所述的和频装置。

5、所述的光学参量振荡及倍频装置包括第一反射镜、第二1/2波片、第一腔镜、第一参量晶体、第二参量晶体、第二腔镜、第三分光镜、第二倍频晶体、第四分光镜、第二反射镜。所述的355nm紫外激光脉冲经过所述的第一反射镜反射后再通过所述的第二1/2波片后，作为光学参量振荡(opo)过程的泵浦光；经过所述的第一腔镜进入所述的第一参量晶体和第二参量晶体，经光学参量振荡(opo)过程产生1427nm空闲光和作为信号光的472nm蓝光激光脉冲；所述的472nm蓝光激光脉冲和所述的355nm紫外激光脉冲通过所述的第二腔镜后，所述的355nm紫外激光脉冲被所述的第三分光镜反射；所述的472nm蓝光激光脉冲被所述的第三分光镜透射后，作为基频光进入所述的第二倍频晶体，经二倍频产生236nm深紫外激光脉冲；所述的472nm蓝光激光脉冲经过所述的第四分光镜后被反射；所述的236nm深紫外激光脉冲经过所述的第四分光镜透射后，再通过所述的第二反射镜反射后进入所述的和频装置。

6、所述的和频装置包括延时器、合束镜、第二和频晶体、分光棱镜。所述的1064nm红外激光脉冲经过所述的延时器后，与所述的236nm深紫外激光脉冲通过所述的合束镜后进入所述的第二和频晶体，产生193nm真空紫外激光脉冲；所述的193nm真空紫外激光脉冲、所述的236nm深紫外激光脉冲、所述的1064nm红外激光脉冲经过所述的分光棱镜后被分成三束，从而获得所述的193nm真空紫外激光脉冲输出。

7、与现有相比，本发明具有下述优势：

8、1.采用技术成熟的1064nm激光器作为非线性频率变换的基频光，其稳定性好，可以保证后续波长变换过程的相位匹配；1064nm激光器可以输出大能量、高峰值功率的基频光脉冲，可以保证非线性转换所需的功率密度，获得高效率193nm深紫外激光，实用性强；

9、2.装置整体结构紧凑，有利于小型化，维护方便；

10、3.采用全固态激光技术，输出的193nm波长光束质量好、相干性好。

技术特征：

1.一种193nm波长真空紫外全固态脉冲激光器，其特征在于：包括1064nm基频脉冲及其三倍频激光产生装置(a)、光学参量振荡器及倍频装置(b)、和频装置(c)三个部分；

2.根据权利要求1所述的193nm波长真空紫外全固态脉冲激光器，其特征在于：所述的1064nm基频脉冲及其三倍频激光产生装置(a)包括1064nm基频脉冲激光器(1)，以及沿该1064nm基频脉冲激光器(1)输出光束方向依次放置的第一1/2波片(2)、第一倍频晶体(3)、第一和频晶体(4)、第一分光镜(5)、第二分光镜(6)；

3.根据权利要求2所述的193nm波长真空紫外全固态脉冲激光器，其特征在于：所述的1064nm基频脉冲激光器(1)是由掺钕钇铝石榴石nd:yag晶体或掺钕钒酸钇nd:yvo4晶体作为增益介质的脉冲激光振荡器或脉冲激光放大器；所述的第一1/2波片(2)是1064nm的1/2波片，镀有1064nm增透膜；所述的第一倍频晶体(3)是任意一种能够对1064nm激光进行二倍频转换的晶体，该晶体的两个通光面均镀有1064nm和532nm增透膜；所述的第一和频晶体(4)是任意一种能够对1064nm和532nm激光进行和频转换的晶体，该晶体的两个通光面均镀有1064nm、532nm和355nm增透膜；所述的第一分光镜(5)的前表面镀有355nm高反膜和1064nm、532nm增透膜，后表面镀有1064nm和532nm增透膜；所述的第二分光镜(6)的前表面镀有532nm高反膜和1064nm增透膜，后表面镀有1064nm增透膜。

4.根据权利要求1-3任一所述的193nm波长真空紫外全固态脉冲激光器，其特征在于：所述的第一反射镜(7)的入射面镀有355nm高反膜；所述的第二1/2波片(8)是355nm的1/2波片，镀有355nm增透膜；所述的第一腔镜(9)的前表面镀有355nm和1427nm增透膜，后表面镀有355nm、1427nm增透膜和472nm高反膜；所述的第一参量晶体(10)和第二参量晶体(11)完全相同，是任意一种能够将355nm泵浦光通过光学参量振荡(opo)过程转换为472nm信号光和1427nm空闲光的晶体，各自的两个通光面均镀有355nm、472nm和1427nm增透膜；所述的第二腔镜(12)的前表面镀有355nm、1427nm增透膜和472nm透过率为30％的部分透射膜，后表面镀有472nm、355nm和1427nm增透膜；所述的第三分光镜(13)的前表面镀有355nm高反膜和472nm增透膜，后表面镀有472nm增透膜；所述的第二倍频晶体(14)是任意一种能够对472nm激光进行二倍频转换的晶体，该晶体的两个通光面均镀有472nm和236nm增透膜；所述的第四分光镜(15)的前表面镀有472nm高反膜和236nm增透膜，后表面镀有236nm增透膜；所述的第二反射镜(16)的入射面镀有236nm高反膜。

5.根据权利要求1-4任一所述的193nm波长真空紫外全固态脉冲激光器，其特征在于：所述的延时器(17)是任意一种能够对1064nm激光脉冲进行延时的装置，用于使所述的1064nm激光脉冲与所述的236nm激光脉冲时域重合；所述的合束镜(18)的前表面镀有1064nm增透膜，后表面镀有1064nm增透膜和236nm高反膜；所述的第二和频晶体(19)是任意一种能够将1064nm和236nm激光进行和频转换的晶体，该晶体的两个通光面均镀有1064nm、236nm和193nm增透膜；所述的分光棱镜(20)的入射面和出射面均镀有1064nm、236nm和193nm增透膜。

技术总结
本发明公开了一种193nm波长真空紫外全固态脉冲激光器，属于激光器技术领域。利用1064nm基频脉冲激光器经过三倍频获得355nm激光脉冲，将该355nm激光脉冲作为光学参量振荡器的泵浦光，获得472nm信号激光输出，再通过倍频获得236nm深紫外激光脉冲，将该236nm深紫外脉冲与经过延时后的1064nm基频激光脉冲进行和频，最终得到193nm真空紫外激光脉冲输出。本发明具有结构紧凑、高峰值功率、重复频率可扩展的特点，得到的193nm真空紫外激光可作为精密激光加工、光纤光栅制备、半导体集成电路制造等研究领域的重要工具。

技术研发人员：朱小磊,罗琪卉,马剑,陆婷婷,张俊旋,马浩达
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14