CN112134128A - 紫外激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种紫外激光器，包括沿同光轴依次设置的泵浦源、传输光纤、耦合系统、激光输入镜、自倍频激光晶体、激光输出镜，激光输入镜与激光输出镜构成激光谐振腔，自倍频激光晶体为Dy:YAB晶体，泵浦源与传输光纤组成的泵浦光源位于耦合系统一侧的焦点处，自倍频激光晶体位于耦合系统另一侧的焦点处，自倍频光学晶体的通光方向为基频光自倍频的相位匹配方向，本紫外激光器通过LD端面泵浦、Dy:YAB自倍频激光晶体，从而实现波长为287.7nm的紫外激光，仅需使用一块自倍频激光晶体即可实现紫外激光的稳定输出，体积小、结构紧凑稳定、输出功率高、转换效率高、性能稳定、易实现、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种紫外激光器。
背景技术
紫外相干光源的波段短，单分子能量高、光斑小的特点在超高密度光驱、精密材料加工、紫外固化、光刻、光印刷、光通讯、医疗等领域有广泛的应用前景。常见的紫外激光器利用非线性晶体的倍频特性对泵浦源产生的基频光进行二次或多次的频率变换如倍频、混频等从而实现可见波段、红外波段激光到紫外波段激光的波长转换。以LBO晶体作为倍频晶体的紫外激光器为例，激光器泵浦源发出的1064nm的基频光通过非临界相位匹配的二倍频晶体倍频得到532nm二倍频光，1064nm基频光和经过二倍频得到的532nm激光通过三倍频晶体进行和频得到355nm紫外激光输出。在此过程中，由于三倍频激光的转换效率受二倍频和基频光的偏振态、光斑走离等光学特性的影响，难以获得高效的紫外激光。为了获得更高的转换效率，不可避免会在系统中引入更多的光学元件，使系统结构更加复杂，增加光路调试难度和要求，提高激光器制造成本。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型的紫外激光器。
本发明解决技术问题所采用的方案是，一种紫外激光器，包括沿同光轴依次设置的泵浦源、传输光纤、耦合系统、激光输入镜、自倍频激光晶体、激光输出镜，所述激光输入镜与激光输出镜构成激光谐振腔，所述自倍频激光晶体为Dy:YAB晶体，泵浦源与传输光纤组成的泵浦光源位于耦合系统一侧的焦点处，自倍频激光晶体位于耦合系统另一侧的焦点处，所述激光输入镜、激光输出镜均为平面镜，自倍频光学晶体的通光方向为基频光自倍频的相位匹配方向。
进一步的，所述泵浦源为蓝光LD泵浦源，泵浦波长范围460-480nm。
进一步的，所述自倍频光学晶体沿基频光的相位匹配方向56-58°切割。
进一步的，所述激光输入镜的入光侧面上镀有对460-480nm波段激光的抗反射膜，激光输入镜的出光侧面上依次镀有对460-480nm波段激光的抗反射膜、对560-600nm波段激光的高反射膜且280-300nm波段激光的高反射膜。
进一步的，所述激光输出镜的入光侧面上镀有对280-300nm波段光高透过且对560-600nm波段激光的高反射膜。
进一步的，所述自倍频激光晶体的入光侧面上镀有至少对280-300nm波段，460-480nm，560-600nm波段激光高透过的介质膜，自倍频激光晶体的出光侧面上镀有至少对280-300nm波段、560-600nm波段激光的高透过介质膜。
进一步的，所述激光输入镜、激光输出镜的材质均为的CaF2。
进一步的，所述自倍频光学晶体的长度为1-30mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：通过LD端面泵浦、Dy:YAB自倍频激光晶体，从而实现波长为287.7nm的紫外激光，仅需使用一块自倍频激光晶体即可实现紫外激光的稳定输出，具有体积小、结构紧凑稳定、输出功率高、转换效率高、性能稳定、易实现、成本低的优点，适用于工业生产应用。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为实施例中紫外激光器的结构图；
图2为实施例中Dy：YAB晶体有效非线性系数（|deff|）随匹配角（θm）的变化曲线；
图3为实施例中Dy：YAB晶体匹配角（θm，φm）随基频光波长变化的拟合曲线。
图中：1-泵浦源；2-传输光纤；3-耦合系统；301-平凸准直镜；302-平凸聚焦镜；4-激光输入镜；5-自倍频激光晶体；6-激光输出镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
术语说明：
高透过：系指对特定波长或波段光的反射率（R）大于%99；
高反射：系指对特定波长或波段光的透过率（T）大于%99；
相位匹配：非线性光学的非线性频率转化中要求动量守恒，即角动量守恒，其物理实质是基频光和倍频光传播到晶体出射面的相位面为等相位面。实验证明，当基频光以某一特定角度（θm，φm）入射晶体时，才能获得良好的倍频效果，而以其他角度（θ，φ）入射时，则倍频效果很差，甚至观测不到倍频光输出。根据相位匹配条件ω1n1+ω2n2=ω3n3，可求解对应基频光（ω1）的相位匹配角（θm，φm）。
有效非线性光学系数（deff）：deff在频率变换的实质是当|deff|值越大，产生二次谐波（倍频光）的效率更高。deff值的大小受限于（θ，φ）的取值，在基频光和倍频光相位匹配条件下，（θ，φ）=（θm，φm），记角（θM，φM）为基频光和倍频光相位匹配时，|deff|取得最大值的方向角。
如图1所示，一种紫外激光器，包括沿同光轴依次设置的泵浦源2、传输光纤2、耦合系统3、激光输入镜4、自倍频激光晶体5、激光输出镜6，所述光纤耦合系统由传输光纤2、耦合系统3组成；所述激光输入镜与激光输出镜构成激光谐振腔，所述自倍频激光晶体为稀土离子Dy3+离子掺杂、氧化物为基底的自倍频激光晶体，优选采用Dy:YAB晶体（Dy:YAl(BO3)4、晶体），泵浦源与传输光纤组成的泵浦光源位于耦合系统一侧的焦点处，自倍频激光晶体位于耦合系统另一侧的焦点处，所述激光输入镜、激光输出镜均为平面镜，自倍频光学晶体的通光方向为基频光自倍频的相位匹配方向。
在本实施例中，所述耦合系统包括沿同光轴依次设置的平凸准直镜301，平凸聚焦镜302。
在本实施例中，Dy3+离子掺杂量占光晶体总体积的千分之一到百分之十。
在本实施例中，稀土离子Dy3+离子掺杂的激光晶体是目前直接获得黄光激光最具有潜力的竞选者，并且，Dy3+离子掺杂、氧化物为基底的自倍频激光晶体在黄光波段有大的发射截面。本发明所述自倍频激光晶体为Dy:YAB晶体。Dy:YAB晶体在473nm波长附近具有对黄光输出能级4F9/2的吸收峰，其吸收截面为1.342×10-21cm2；稀土离子Dy3+吸收473nm的泵浦光后，可激发来自上能级4F9/2到下能级6H13/2的跃迁从而产生575.5nm黄色荧光。
在本实施例中，所述泵浦源为中心波长为473nm的蓝光LD泵浦源, 使得自倍频激光晶体Dy:YAB对泵浦光的吸收效率增大，从而提高基频光的输出功率。
在本实施例中，所述自倍频光学晶体沿基频光的相位匹配方向56-58°切割，优选的按57°.58′切割。
在本实施例中，所述激光输入镜的入光侧面上镀有对460-480nm波段激光的抗反射膜，激光输入镜的出光侧面上依次镀有对460-480nm波段激光的抗反射膜、对560-600nm波段激光的高反射膜且280-300nm波段激光的高反射膜，所述激光输出镜的入光侧面上镀有对280-300nm波段光高透过且对560-600nm波段激光的高反射膜，通过对腔镜镀膜来减少谐振腔对泵浦光的损耗，增大自倍频晶体对泵浦光的吸收率，提高系统对紫外激光输出的增益。
在本实施例中，所述自倍频激光晶体的入光侧面上镀有至少对280-300nm波段，460-480nm，560-600nm波段激光高透过的介质膜，自倍频激光晶体的出光侧面上镀有至少对280-300nm波段、560-600nm波段激光的高透过介质膜。通过对自倍频激光晶体通光端面镀膜来增大激光器的转换效率、输出功率。
在本实施例中，所述激光输入镜、激光输出镜的材质均为的CaF2。
在本实施例中，所述自倍频晶体采用但不仅限于临界相位匹配方式。
优选地，所述自倍频光学晶体通光方向为基频光自倍频的相位匹配方向即沿晶体非主平面有效非线性系数（deff）最大方向，即沿角（θM，φM）切割；
自倍频激光晶体Dy:YAB相位匹配方式为I类临界相位匹配。运用相位匹配理论，依据自倍频晶体的折射率曲面方程
由求根公式可得
（2），其中“+”表示折射率小的快光记为n（e2），“-”表示折射率大的慢光记为n(e1)。
再由倍频下的I类相位匹配条件：n1(e1)=n2(e2)（3），其中n1(e1)为基频光的慢光折射率，n2(e2)为倍频光的快光折射率。
联立公式（1），（2），（3）可得到自倍频晶体基频光和倍频光的相位匹配角（θm，φm）。因为双轴自倍频晶体的折射率方程呈椭球曲面状，比较复杂，难以求得临界相位匹配角（θm，φm）的解析解，所以利用Matlab软件编程，通过逐点扫描法，将θ和φ的范围控制在第一象限，而其它象限的匹配角可由第一象限的匹配角转化得到。这样只需求解双轴自倍频晶体在第一象限的临界相位匹配角（θm，φm）的近似解，便可得到双轴自倍频晶体的I类相位匹配角。
再将求解得到的（θm，φm）代入自倍频晶体的有效非线性光学系数的求解方程中，求解|deff|取得最大值的角（θM，φM）。因为Dy:YAB晶体的有效非线性系数在XZ平面中主要受d11的影响，所以在这里将Dy:YAB晶体的有效非线性系数的求解问题简化为求解其在XZ主平面的关于|deff|（cosθm）的一元一次方程的简单最值问题，求解得到的|deff|最值所对应的匹配角θm就是晶体的最佳通光方向θM，故Dy:YAB自倍频晶体的通光方向（θM，φM）为（57°.58′，0°）
参考附图3，与晶体折射率最大主轴（z轴）方向的夹角θ=57°.58′，与晶体折射率最小主轴（x轴）方向的夹角φ=0°。在单轴晶体的三波互作用角度相位匹配中，
的两侧各有
大小的允许失配量，由最大允许失配量
来求得相位匹配的允许参量
，称
为倍频晶体的允许角。允许角是描述倍频晶体实现相位匹配难易程度的重要参数之一。
对
在
θM附近进行泰勒展开可得到下面的公式
由公式（3）求解，当基频光为575.5nm时，Dy:YAB的
约为250 mrad=14°.19′，这说明Dy:YAB晶体有大的允许角，容易实现相位匹配。故选取所述Dy:YAB自倍频晶体的通光方向（θM，φM）为（57°.58′±2°，0°），即与晶体折射率最大主轴（z轴）方向的夹角θ=57°.58′±2°，与晶体折射率最小主轴（x轴）方向的夹角φ=0°。
因为掺Dy3+激光晶体的吸收截面较小，约为10-21cm2量级，所以晶体样品长度需要达到厘米尺度来保证激光输出的能量吸收，故自倍频激光晶体Dy:YAB的晶体长度范围为10-30mm。进一步考虑基频光与倍频光的走离效应。当基频光实现相位匹配时，参与非线性变换光束的偏振态会影响该光束的光线方向S与波矢K的重合情况，该光束的光线S与波矢K之间的夹角称为走离角α。因为随着的光传播波长的变短，其在倍频晶体中的走离效应将会越来越显著，对倍频效率的影响也会越来越严重。故此在紫外波段进行频率变换时，特别需要考虑倍频晶体走离角的计算问题。在单轴晶体中，寻常光o光的走离角为零，非寻常光e光的走离角可由下面的公式计算得到
因为所述自倍频激光晶体Dy:YAB是采用I类临界相位匹配（o + o → e）的负单轴晶体，故基频光（o光）575.5nm的走离角为0，倍频光（e光）287.75nm的走离角为2°.25′，因此需要考虑所述倍频晶体走离效应对倍频效率的影响。由晶体的走离角求得晶体的相互作用长度（孔径长度）为9.33mm。因为晶体的长度取倍频转换效率呈周期分布，当L=T时可取的最大的转换效率，因此根据
关系可求得晶体最佳长度L=T=11.17mm。尽管较长的晶体长度可以带来更高的倍频效率，但因为走离效应在晶体长度越长时对倍频光光斑分布影响也越严重，故综合考虑，Dy:YAB的晶体长度选择为9-11mm。
下面给出一个具体实施例：
该实施例中，紫外激光器包括同光轴依次放置的LD蓝光泵浦源、传输光纤、耦合系统、激光输入镜、自倍频激光晶体、激光输出镜，LD蓝光泵浦源的中心波长为473nm泵浦光经过光纤耦合输出，并通过耦合系统将LD泵浦光垂直入射自倍频激光晶体输入镜、输出镜是以紫外可透过的CaF2为基底的平面镜，其中激光输入镜的入光面镀对泵浦光473nm波长的高透膜（HT@473nm），出光面镀对基频光575.5nm波长和倍频光287.7nm波长的高反膜（HR@575.5nm&287.7nm）；激光输出镜的入光面镀对波长为287.7nm的倍频光高透（HT@287.7nm）,对波长为575.5nm的基频光高反（HR@575.5nm）；自倍频晶体为I类匹配Dy3+稀土离子掺杂的YAB自倍频晶体，其相位匹配角为（57°.58′±2°，0°(可参照附图3），有效非线性光学系数deff=0.9104 pmV-1（可参照附图2），晶体尺寸为4×4×10mm；其晶体入光端面镀膜对473nm泵浦光、575.5nm基频光、287.7nm倍频光高透（HT@473nm&575.5nm&287.7nm），出光端面镀膜对575.5nm基频光、287.7nm倍频光高透（HT@575.5nm&287.7nm）。
在本实施例中，采用直式平-平谐振腔，其工作过程如下：
首先，蓝光LD泵浦源产生的473nm激光经过光纤耦合系统后抽运Dy:YAB晶体，Dy3+吸收473n的泵浦光激发Dy3+从4F9/2上能级跃迁至6H13/2下能级产生575.5nm的荧光，荧光在激光输入镜和激光输出镜之间振荡加强，形成575.5nm的基频激光；再利用经过I类相位匹配处理的Dy:YAB自倍频激光晶体的倍频特性，将产生的575.5nm黄光基频光进行倍频，获得中心波长为287.7nm的紫外激光输出。
本激光器仅需使用一块自倍频激光晶体即可实现紫外激光的稳定输出，从根本上解决了全固态倍频紫外激光的稳定性问题，突破了现有紫外激光器至少需要两块晶体的系统结构。
由于三倍频激光的转换效率受二倍频和基频光的偏振态、光斑走离等光学特性的影响，在常见的全固态紫外激光器中因为使用了两块甚至多块激光晶体，使得三倍频激光的转换效率不仅受限于激光晶体产生的基频光的光学特性的影响又受限于倍频晶体输出的倍频光的光学特性的影响。本激光器只使用了一块自倍频激光晶体，相比常见的紫外激光器三倍频激光的转换效率影响因素维度大幅减少，大大降低了激光系统光路调试和激光器生产的难度，并降低了生产成本。
本激光器选用Dy3+作为掺杂离子、氧化物为基底的自倍频激光晶体。Dy3+激光材料是目前直接获取黄光激光最具有潜力者。常见的可见光波段的稀土离子（Pr、Er、Ho等）很少有在575.5nm附近波段的黄光发射截面，Dy3+在该波段有10-21 cm2量级的发射截面，并且当选用氧化物为基底时其发射截面可以达到10-20 cm2量级。Dy3+掺杂氧化物为基底的自倍频激光晶体可获得更高的紫外激光输出和更低的激光阈值。
本激光器采用的Dy:YAB晶体为负单轴晶体，相位匹配条件只与θ有关，与φ无关；在575.5nm基频光波段有大允许角，容易实现相位匹配，进一步降低了光路的调试难度。并且YAB的有效线性系数是KDP的3.9倍，可以带来更高的倍频效率、激光输出以及更低的激光阈值。
本激光器可获得较高的紫外激光转换效率，大大地减小了紫外激光系统复杂度，降低激光系统的光路调试以及生产难度，其结构简单紧凑、输出激光功率稳定、激光阈值低，适合工业化生产应用，易于生产、调试、批量化生产。
本专利如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸的固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“ 纵向”、“ 横向”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种紫外激光器，其特征在于：包括沿同光轴依次设置的泵浦源、传输光纤、耦合系统、激光输入镜、自倍频激光晶体、激光输出镜，所述激光输入镜与激光输出镜构成激光谐振腔，所述自倍频激光晶体为Dy:YAB晶体，泵浦源与传输光纤组成的泵浦光源位于耦合系统一侧的焦点处，自倍频激光晶体位于耦合系统另一侧的焦点处，自倍频光学晶体的通光方向为基频光自倍频的相位匹配方向。
2.根据权利要求1所述的紫外激光器，其特征在于：所述泵浦源为蓝光LD泵浦源,泵浦波长范围460-480nm。
3.根据权利要求1所述的紫外激光器，其特征在于：所述自倍频光学晶体沿基频光的相位匹配方向56-58°切割。
4.根据权利要求1所述的紫外激光器，其特征在于：所述自倍频光学晶体的长度范围为1-30mm。
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