一种大光斑和高光束质量输出的紫外激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种大光斑和高光束质量输出的紫外激光器，该紫外激光器包括：沿光路方向依次设置的基频发生器、基频光束变换器、包含非线性晶体的频率转换模组，以及谐波光束变换器；所述基频发生器产生基频光，所述基频光入射至所述基频光束变换器，并由所述基频光束变换器输出X方向和Y方向发散角具有设定比例的光束，所述光束经所述频率转换模组输出不对称谐波光束，发散角在X方向上小于Y方向上，经过激光器腔内有限距离的快速发散，然后在特定的地方放置谐波光束变换器，实现圆形大光斑对称谐波光束输出，从而可以改善谐波输出的光束质量，同时大大延长紫外元件和激光器的使用寿命以及提高紫外激光器的长期可靠性。命以及提高紫外激光器的长期可靠性。命以及提高紫外激光器的长期可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种大光斑和高光束质量输出的紫外激光器


[0001]本专利技术涉及激光
，特别涉及一种大光斑和高光束质量输出的紫外激光器。

技术介绍

[0002]紫外激光器由红外基频光通过频率转换模组的和频作用，实现波长转换。如355nm紫外激光器，是由1064nm通过和频转换产生二次谐波532nm，1064nm与532nm和频作用产生三次谐波355nm。深紫外激光器则是由二次谐波532nm再通过和频作用产生四次谐波266nm。
[0003]非线性晶体和频作用的转换效率η可以用以下表达式表示：
[0004][0005]即转换效率跟入射光的峰值功率密度P
peak
、晶体长度L的平方、相位匹配因子sinc2(ΔkL/2)成正比，跟入射光的面积A成反比。
[0006]如图1所示，传统设计的非线性晶体一般采用两端面均是垂直平面，即基频光垂直入射，和频作用产生的谐波也是垂直端面出射，为了减小端面反射损耗，两端面均镀有增透膜。由于需要保证较高的转换效率，基频光需要聚焦到较小光斑再入射到非线性晶体，晶体要位于焦点区域(瑞利范围内)，谐波输出的光斑尺寸也较小。对于目前工业应用中主流的皮秒紫外355nm激光器，红外基频光的峰值功率为几个MW级别，根据公式(1)，为了获取合适的转换效率(约30～40％)，非线性晶体的基频光入射光斑一般设计在1
‑
1.5mm范围，对应输出紫外光束光斑为0.58
‑
0.87mm。对于紫外光束，单光子能量很高，增透膜容易被较高功率密度的紫外光损伤，限制了激光器的使用寿命。如果输出端面不镀膜，端面反射紫外光除了会导致功率损耗，还会由于内部散射，对晶体加热炉的长期可靠性有影响，另外，反射紫外光长期照射输入端面增透膜也会影响寿命。
[0007]由于非线性晶体位于发散角较小的高斯光束准直区，谐波输出的发散很慢，到达后续光学元件的光斑并没有明显变大，功率密度较高，容易引起损伤，缩短元件和激光器的寿命。对于目前工业应用中主流的皮秒紫外355nm激光器，非线性晶体输出紫外光束光斑一般为0.58
‑
0.87mm，经过500mm(一般腔内长度都在500mm以内)的自然发散，光斑大小变为0.7
‑
0.91mm，在后续光学元件上的光斑面积仍然较小，功率密度并没有明显降低，容易引起损伤。
[0008]因此，在不降低转换效率的前提下，提升输出端面的抗损伤能力，以及增大晶体后面光学元件表面上的紫外光斑大小，从而降低功率密度，成为行业内的重要改进方向。
[0009]非线性晶体的和频过程是基于角度匹配来实现相位匹配，上述公式(1)中的相位匹配因子sinc2(ΔkL/2)与光束的入射角度和光束发散角有关，入射光束的发散角会导致部分能量偏离相位匹配，即sinc2(ΔkL/2)变小，从而降低了和频的转换效率；入射基频光束的较高空间频率分量不能转换为紫外光束，使得紫外光束波前发生畸变，导致光束质量下降。对于目前常规设计的紫外激光器，入射非线性晶体的基频光都是发散角对称的圆斑，为了获得较高的转换效率，基频光的光斑尺寸都比较小，发散角比较大，晶体接收角会影响
转换效率和光束质量的下降。
[0010]如图2所示，走离效应会影响谐波输出的椭圆度和光束质量。基频光的光斑直径为a，非线性晶体的走离角为ρ，晶体长度为L，晶体输出谐波光斑分布被横向拉伸，拉伸距离δ为：
[0011]δ＝L*tan(ρ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0012]一般用δ/a来衡量走离效应对谐波输出的椭圆度和光束质量的影响，如果δ/a越大，影响就越大。所以走离效应会导致输出谐波光斑变椭，谐波光束的波前也会发生畸变，从而导致光束质量变差。对于以BBO为非线性晶体的纳秒脉冲深紫外激光器，走离角ρ为85mrad，基频光532nm的峰值功率一般为几十kW，常用的BBO晶体长度L为10mm，为了保证合适的转换效率(3％
‑
5％)，要求入射非线性晶体的基频光光斑尺寸a为0.7
‑
1.5mm，以a＝0.7mm为例，δ＝0.85mm，δ/a达到1.2，产生的深紫外266nm的椭圆度一般为50％，光束质量M2一般为1.6。
[0013]因此，对于传统设计的小光斑基频光入射，非线性晶体的走离效应，会导致紫外光的椭圆度和光束质量变差。小光斑基频光入射时，光束的发散角较大，接近或者超过晶体的接收角，也会导致损失部分转换效率以及光束质量下降。

技术实现思路

[0014]本专利技术提供了一种大光斑和高光束质量输出的紫外激光器，旨在改善紫外输出的光束质量，提高紫外元件和激光器的使用寿命以及提高紫外激光器的长期可靠性。
[0015]本专利技术提供了一种大光斑和高光束质量输出的紫外激光器，包括：沿光路方向依次设置的基频发生器、基频光束变换器、包含非线性晶体的频率转换模组，以及谐波光束变换器；其中，所述基频光束变换器为输出X方向和Y方向发散角具有设定比例的光学元件或系统，X为非线性晶体的相位匹配方向，Y为非线性晶体的非相位匹配方向；
[0016]所述基频发生器产生基频光，所述基频光入射至所述基频光束变换器，并由所述基频光束变换器输出X方向和Y方向发散角具有设定比例的光束，X方向上的光斑大于Y方向上的光斑，所述光束经所述频率转换模组输出的不对称谐波光束，不对称谐波光束发散角在X方向上小于Y方向上，经过激光器腔内有限距离的快速发散，然后在特定的地方放置谐波光束变换器，实现圆形大光斑对称谐波光束输出。
[0017]进一步的，所述基频光束变换器输出X方向和Y方向的发散角的设定比例大于或者等于1:8，X方向上的发散角小于非线性晶体的接收角，即X方向上的发散角很小，远小于非线性晶体的接收角，解决了由于接收角的影响而降低转换效率和光束质量的问题；对应光斑尺寸在X、Y方向上的设定比例为大于或者等于8:1。
[0018]进一步的，所述频率转换模组包括一个或以上非线性晶体，对应输出二次谐波或者N次谐波，其中N≥3。
[0019]进一步的，所述频率转换模组最终的非线性晶体输出面为相对于紫外激光偏振方向的布儒斯特角切割面，防止端面反射光，同时解决了常规设计晶体平面镀增透膜而引起的损伤问题。
[0020]进一步的，所述布儒斯特角切割面镀有防止端面潮解的折射率匹配保护膜。
[0021]进一步的，所述频率转换模组设置于所述基频光的焦点处或者偏离焦点处。
[0022]进一步的，所述谐波光束变换器上镀设用于减少反射损耗的增透膜。
[0023]进一步的，所述基频光束变换器为柱透镜、衍射光学器件中的至少一种。
[0024]进一步的，所述谐波光束变换器为柱透镜、衍射光学器件中的至少一种。
[0025]进一步的，所述频率转换模组的非线性晶体为采用一维或二维换点方式的晶体。
[0026]结合图3(a)和图3(b)，本专利技术充分利用非线性晶体在相位匹本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大光斑和高光束质量输出的紫外激光器，其特征在于，包括：沿光路方向依次设置的基频发生器、基频光束变换器、包含非线性晶体的频率转换模组，以及谐波光束变换器；其中，所述基频光束变换器为输出X方向和Y方向发散角具有设定比例的光学元件或系统，X为非线性晶体的相位匹配方向，Y为非线性晶体的非相位匹配方向；所述基频发生器产生基频光，所述基频光入射至所述基频光束变换器，并由所述基频光束变换器输出X方向和Y方向发散角具有设定比例的光束，X方向上的光斑大于Y方向上的光斑，所述光束经所述频率转换模组输出不对称谐波光束，所述不对称谐波光束发散角在X方向上小于Y方向上，经过激光器腔内有限距离的快速发散，然后在特定的地方放置谐波光束变换器，实现圆形大光斑对称谐波光束输出。2.根据权利要求1所述的大光斑和高光束质量输出的紫外激光器，其特征在于，所述基频光束变换器输出X方向和Y方向的发散角的设定比例小于或者等于1:8，X方向上的发散角小于非线性晶体的接收角，对应光斑在X方向和Y方向上尺寸的设定比例为大于或者等于8:1。3.根据权利要求1所述的大光斑和高光束质量输出的紫外激光器，其特征在于，所述频率转换模组包...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹达，赵晓杰，曹通，
申请(专利权)人：常州英诺激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：