可見激光直接變頻產生深紫外激光的方法及全固態深紫外激光器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種可見激光直接變頻產生深紫外激光的方法與裝置，屬于激光技術 領域。
【背景技術】
[0002] 紫外激光器在科研、工業及醫療中有重要應用，是目前激光市場增長較快的部分， 此外隨著納米精細激光加工、超高能量分辨率光電子能譜儀和光電子發射顯微鏡等現代化 儀器的發展，深紫外相干光源的研究也十分迫切。深紫外激光器分三種：固體紫外激光器、 氣體紫外激光器及半導體激光二極管，三種激光器各有優缺點。其中固體紫外激光器又可 通過氙燈、氪燈及激光二極管等方式進行栗浦，而使用激光二激光栗浦的紫外激光器具有 效率高、重頻高、性能可靠、體積小、光束質量較好及功率穩定等特點。由于紫外光子能量 大，難以通過外激勵源激勵產生一定高功率的連續紫外激光，故實現紫外連續波激光一般 是應用晶體材料非線性效應變頻方法產生。全固態紫外激光譜線產生的方法一般有兩種， 一是直接對紅外全固體激光器進行腔內或腔外3倍頻或4倍頻來得到紫外激光譜線；二是 先利用倍頻技術得到二次諧波然后再利用和頻技術得到紫外激光譜線。前一種方法有效非 線性系數小，轉換效率低，后一種方法由于利用的是二次非線性極化率，轉換效率比前一種 高很多。
[0003] 中國專利文件CN102957083A公開了一種直接倍頻實現波長160~170nm全固態 深紫外激光的裝置，其栗浦源為320~340nm波長全固態紫外激光栗浦源；薄片狀深紫外 倍頻晶體光膠于第一和第二匹配材料直角棱柱斜邊面上；第一匹配材料鈍角切割角度滿足 320~340nm紫外光垂直入射到第一匹配材料后再入射到直接倍頻晶體中，滿足倍頻晶體 位相匹配角度；第二匹配材料鈍角切割角度滿足160~170nm深紫外光垂直于第二匹配材 料直角面出射；紫外光從入射窗口進入密封罐體，由第一匹配材料直角邊垂直入射，由倍頻 晶體直接倍頻，產生的深紫外光與剩余紫外光經第二匹配材料后分開，160~170nm深紫外 光從出射窗口輸出。其所述全固態紫外激光栗浦裝置通過1. 28~1. 36微米基頻光的四倍 頻實現320~340nm波長的紫外激光，該方法獲得光源步驟復雜，轉換效率低。
【發明內容】
[0004] 針對現有技術的不足，本發明提供了一種通過可見激光直接變頻產生深紫外激光 的方法。
[0005] 本發明還提供一種結構簡單的基于全固態可見激光器和倍頻晶體直接變頻獲取 深紫外激光的裝置，即一種全固態深紫外激光器。
[0006] 本發明的技術方案如下：
[0007] -種可見激光直接變頻產生深紫外激光的方法，包括將二倍頻晶體和三倍頻晶體 用于全固態激光器中，將可見激光直接變頻獲取深紫外激光；
[0008] 通過栗浦源栗浦激光增益介質產生可見光，該可見光垂直通過二倍頻晶體的通光 面，所得倍頻光與剩余的可見光基頻光到達平凹輸出鏡的凹面，該平凹輸出鏡兩面均鍍有 介質膜，該平凹輸出鏡與可見光光路的垂直面有夾角、傾斜放置，使得通過二倍頻晶體后的 倍頻激光與剩余的可見光基頻光經平凹輸出鏡反射到達三倍頻晶體內進行三倍頻，所得三 倍頻光再經一平面反射鏡反射后從所述的平凹輸出鏡輸出，得深紫外波段的激光。
[0009] 所述三倍頻晶體置于真空裝置中。
[0010] 所述二倍頻晶體是可用于紫外波段的倍頻晶體，優選：0 _BaB204晶體（簡稱BB0); 可按現有技術用高溫溶液法生長或用提拉法生長。BB0晶體按照相位0_= 35°~23°， 爐=〇°匹配角進行切割加工。
[0011] 所述三倍頻晶體是可用于深紫外波段的倍頻晶體，優選：KBe2B03F2晶體（簡稱 KBBF)，RbBe2B03F2晶體，CsBe2B03F2晶體；可按現有技術用助溶劑法生長。采用現有棱鏡耦 合技術制作三倍頻晶體器件，不需要對KBBF晶體沿相匹配方向進行切割，從而避免了因晶 體過薄而不能使用于深紫外諧波光產生的缺點。KBe2B03F2晶體按棱鏡耦合技術加工制作， 擺放并置于真空環境中，例如真空罐中。
[0012] 所述二倍頻晶體和三倍頻的晶體的端面拋光，端面有鍍膜或者無鍍膜。
[0013] 所述栗浦源為半導體激光二極管（LD)、氙燈或氬離子激光器等能提供栗浦能量的 光源。優選的，所述的栗浦源為中心波長為445nm的藍光半導體激光二極管。也稱商業化 藍光LD。
[0014] 所述平凹輸出鏡兩面所鍍的介質膜根據激光波段進行選擇。其中，凹面鍍以對 150-250nm激光波段部分反射的介質膜，平面鍍有對150-250nm激光波段增透的介質膜。
[0015] 所述的激光增益介質是可以通過栗浦源栗浦產生可見光輸出的激光晶體、激光陶 瓷或者激光玻璃等所有合適的增益介質，加工成圓柱體或者長方體，任選的，其端面鍍以有 利于栗浦光吸收和激光振蕩的介質膜，也可以只進行激光級精拋光而不鍍膜。優選的，所述 的激光增益介質是摻雜鐠離子的氟化物晶體，選自摻鐠氟化釓鋰（Pr3+:GdLiF4)晶體，摻鐠 氟化釔鋰（Pr3+:YLiF4)晶體，摻鐠氟化镥鋰（Pr3+:LuLiF4)晶體，摻鐠氟化鋇釔（Pr3+:BaY2Fs) 晶體，其中摻雜物的摻雜濃度及切割尺寸按本領域常規技術即可。
[0016] 根據本發明所述的方法，在激光增益介質后增設電光調Q開關或其他能用于可見 光波段進行Q調制的飽和吸收體，可獲得脈沖形式的深紫外光輸出。
[0017] 本發明方法所得深紫外激光是170nm-240nm深紫外連續激光或脈沖激光。
[0018] 本發明還提供實現以上方法的裝置：
[0019] -種全固態深紫外激光器，是將可見激光直接變頻產生深紫外激光的裝置，包括 栗浦源，聚焦系統，輸入鏡，激光增益介質，二倍頻晶體，平凹輸出鏡，三倍頻晶體，反射鏡； 所述輸入鏡和平凹輸出鏡組成的諧振腔采用V型腔結構；輸入鏡靠近栗浦源的表面鍍以對 栗浦光增透的介質膜，相對的另一面鍍以對500-750nm高反射的介質膜；
[0020] 平凹輸出鏡的凹面鍍以對150-250nm激光波段部分反射的介質膜，平面鍍有對 150-250nm激光波段增透的介質膜。所述的二倍頻晶體置于所述諧振腔內的可見光光路1 上位于激光增益介質之后，所述的三倍頻晶體置于平凹輸出鏡的凹面反射光的光路2上， 反射鏡位于該光路2的平凹輸出鏡之后并垂直于該光路2。
[0021] 栗浦光經聚焦系統和輸入鏡聚焦到激光增益介質中，產生可見波段基頻光，經二 倍頻晶體倍頻后產生紫外波段光并到達平凹輸出鏡，剩余的可見光基頻光和倍頻產生的紫 外經平凹輸出鏡反射后進入三倍頻晶體，三倍頻晶體放置于真空罐中，兩束光進行三倍頻 后經平面反射鏡反射再由平凹輸出鏡輸出深紫外波段的激光。
[0022] 優選的，所述的輸入鏡是平面鏡，所述的反射鏡是平平反射鏡。
[0023] 以上裝置中的栗浦源、激光增益介質、二倍頻晶體、平凹輸出鏡、三倍頻晶體的具 體含義與前述方法中的相同。不再贅述。優選的，所述二倍頻晶體是0_BaB 2O4晶體，按照 相位0_=35°~23°，匹配角進行切割加工。
[0024] 進一步優選的，所述栗浦源為中心波長為445nm的LD激光器。所述激光增益介質 是摻鐠氟化物晶體。所述輸入鏡為平面鏡，靠近栗浦源的通光表面鍍以對445nm增透的介 質膜，另一面鍍以對500-750nm高反射的介質膜。所述平凹輸出鏡曲率半徑為50-100mm。 其平凹面鍍膜根據輸出激光進行優選確定，所述平平反射鏡鍍膜根據腔內激光進行優選確 定。
[0025] 為了獲得較高功率的可見光激光輸出，所述諧振腔根據平凹輸出鏡的曲率半徑進 行確定；優選諧振腔長度10-20cm，特別優選諧振腔長度15cm。
[0026] 根據本發明，所述的組成諧振腔的輸入鏡、平凹輸出鏡的曲率可根據諧振腔要求 設計，諧振腔設計為本領域熟知技術。所述關于介質膜的"增透"、"高反射"、"部分反射"具 有本領域公知的含義，"增透"指對特定波長的光透過率多99%，"高反射"指對特定波長的 反射率多99%，"部分反射"指對特定波長的反射率在95% -99%之間。
[0027] 本發明中，二倍頻晶體與紫外倍頻晶體同義，三倍頻晶體與深紫外倍頻晶體同義。 全固態深紫外激光器與可見激光直接變頻產生深紫外激光的裝置同義。
[0028] 根據本發明的全固態深紫外激光器，在激光增益介質后增加電光調Q開關或其他 能用于可見光波段進行Q調制的飽和吸收體，獲得脈沖形式的可見光輸出。由此可最終產 生脈沖形式的深紫外光輸出。
[0029] 下面是本發明的方法及裝置的幾個優選方案：
[0030] 一、由522nm波長綠色可見光直接變頻產生174nm深紫外光
[0031] 裝置結構如前所述，選用中心波長為445nm的LD激光器栗作為浦源，選用摻鐠氟 化物晶體為增益介質；輸入鏡靠近栗浦源的表面鍍以對445nm增透的介質膜，相對的另一 面鍍以對500-750nm高反射的介質膜。平凹輸出鏡的凹面鍍以對150-250nm部分反射、反射 率為95 % -99 %之間