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CN110098552A - 基于氧化镓晶体的皮秒全固态紫外激光器 - Google Patents

基于氧化镓晶体的皮秒全固态紫外激光器 Download PDF

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刘文军
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Abstract

本发明公开了一种皮秒全固态紫外激光器，包括基频光发生装置、倍频晶体和谱宽增加晶体，基频光发生装置用于输出基频光，倍频晶体用于将所述基频光进行倍频，生成倍频光，谱宽增加晶体采用氧化镓晶体用于对所述倍频光加宽谱线宽度。本发明能够得到236.5nm的脉宽为皮秒级的紫外激光输出，具有高稳定性以及高光束质量的优点，且结构紧凑小巧，适于重复生产和组装。

Description

基于氧化镓晶体的皮秒全固态紫外激光器
技术领域
本发明涉及一种基于氧化镓晶体的全固态紫外激光器，尤其涉及一种可获得皮秒脉冲的基于氧化镓晶体的皮秒全固态紫外激光器。
背景技术
全固态激光器具有效率高、寿命长和体积小等优点。并且，它相对其它类型的激光器更容易得到高功率和高光束质量的激光，这使得全固态激光器开始在科研、国防、医疗及工业等领域广泛应用。全固态激光器在相干光检测、先进制造业、环境监测、材料加工和处理、超高密度存储、光通信、生物检测等方面都有重要的应用皮秒激光技术取得的令人瞩目的进展，使其成为工业微细加工的可靠工具，这些加工在此前是用其它方法无法完成的。
皮秒激光器具有皮秒级超短脉宽、重复频率可调、脉冲能量高等特点。皮秒脉冲宽度可以和电光弛豫的时间相比较，短到足以对材料进行“冷”烧蚀。皮秒激光相比脉冲宽度更短的飞秒激光也有不少优势，由于不需要为了放大而展宽和压缩脉冲，皮秒激光器的设计没有那么复杂，因此成本效益更高，性能更可靠。同时，皮秒脉冲仍短到足以应付非常精确和无应力的微细加工。
目前，基于非线性频率转换的紫外固体激光器的开发已经在材料加工或光谱中应用。而其最常见的是四次谐波生成Nd:YAG的1064nm激光器，其在多年前就以商用。使用低于250nm波长效率更高，应用如制造布拉格光栅或波导。或需要紫外线中的特定波长来应用在光谱应用中，如检测危险化合物。而另一种方法是使用在较低波长下工作的基本激光器，例如Nd：YAG的946nm激光器。随后的四次谐波产生导致236.5nm的波长，其位于与之相关的分子的吸收带中。应用在简易爆炸装置或核放射，生物和化学成分等。
尽管二极管泵浦固体激光器日趋成熟，但不可避免地还存在许多问题。比如，能用于深紫外波段的倍频晶体单一、生长尺寸小、转换效率低。目前，由于获得飞秒脉冲使装置设计复杂，成本较高，性能不稳定等原因亟待解决。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明旨在解决现有的固态紫外激光器输出功率和脉冲能量不高，不能实现皮秒(ps)级脉冲宽度的问题。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种皮秒全固态紫外激光器，包括基频光发生装置、倍频晶体，所述基频光发生装置用于输出基频光，所述倍频晶体用于将所述基频光进行倍频，生成倍频光，该皮秒全固态紫外激光器还包括谱宽增加晶体，其用于对所述倍频光加宽谱线宽度。
根据本发明的优选实施方式，所述谱宽增加晶体为氧化镓晶体。
根据本发明的优选实施方式，所述氧化镓晶体长度为10mm-50mm。
根据本发明的优选实施方式，所述氧化镓晶体切割为Ⅰ型SHG双面镀236.5nm和236.5nm增透膜，其切割角θ＝57.5°。
根据本发明的优选实施方式，所述基频光发生装置为Nd:YAG激光器。
根据本发明的优选实施方式，还包括偏振分光镜，所述基频光经所述偏振分光镜后入射到所述倍频晶体。
根据本发明的优选实施方式，所述倍频晶体为以下晶体中的至少一种：BiBo晶体、BBO晶体。
根据本发明的优选实施方式，所述倍频晶体为两个，分别是BiBo晶体和BBO晶体，所述基频光先后经BiBo晶体和BBO晶体倍频。
根据本发明的优选实施方式，所述BiBo晶体和BBO晶体之间设置有平面分束镜，其用于滤除波长较长的光。
根据本发明的优选实施方式，所述加宽谱线宽度的倍频光通过棱镜输出。
根据本发明的优选实施方式，所述棱镜为CaF2材质。
(三)有益效果
相比于以往固态紫外激光器来说，本发明的基于氧化镓晶体的全固态紫外激光器脉冲宽度明显变宽，输出功率明显增大，脉冲能量明显提高，重复频率可调谐。并且，本发明相比于飞秒激光器具有设计简单、成本效益高、性能可靠的优点。
附图说明
图1是本发明的一个具体实施例的基于氧化镓晶体的全固态紫外激光器的光路结构图。
具体实施方式
由于增加谱宽使脉冲变为皮秒量级后，有着输出功率变大、脉冲能量提高、重频可调谐等优势。β-Ga2O3禁带宽度为4.9eV，吸收截止边位于250nm处，紫外透过率可达80％以上，并且具有良好的化学稳定性和热稳定性。因此，本发明选取氧化镓晶体作为增加谱宽的晶体，形成皮秒(ps)级脉宽的全固态紫外激光器。
总的来说，本发明提出的紫外激光器包括基频光发生装置、倍频晶体，以及光路所需的光学元件。基频光发生装置输出基频光，倍频晶体将所述基频光进行倍频，生成倍频光。倍频晶体可以是多个，以便进行多次倍频。为了对激光进行偏振态的调节，准直，以及能够使多个频率的光选择性的输入，可以在光路中设置各功能性光学元件，例如半波片、凸透镜、反射镜、平面分束镜、偏振分光间、棱镜等。本发明不限于具体采用何种功能性光学元件，也不限于其具体的数量。
然而，与现有技术不同的时，本发明的紫外激光器还包括有谱宽增加晶体，其用于对所述倍频后的光加宽谱线宽度。如前所述，本发明提出采用氧化镓晶体作为谱宽增加晶体。为了达到较好的效果，本发明的中要求氧化镓晶体(β-Ga2O3)长度为10mm-50mm，切割为Ⅰ型SHG双面镀236.5nm和236.5nm增透膜，其切割角θ＝57.5°。
优选的，本发明的基频光发生装置为Nd:YAG激光器。所述倍频晶体为以下晶体中的至少一种：BiBo晶体、BBO晶体。在具体实施时，优选为所述倍频晶体为两个，分别是BiBo晶体和BBO晶体，所述基频光先后经BiBo晶体和BBO晶体倍频。BiBo晶体和BBO晶体之间设置有平面分束镜，其用于滤除波长较长的光。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1是根据本发明实施的一个具体实施例的基于氧化镓晶体的全固态紫外激光器的光路结构图。
如图1所示，在该实施例中，基频光发生装置是脉宽为45nm的主动调Q的Nd:YAG激光器01，其平均输出功率为9.2W，峰值功率为10.2kW，重频为20kHz。激光晶体是商业Nd：YAGSCF模块(Taranis模型，Fibercryst)，它由50mm长，1mm直径，0.2％掺杂Nd:YAG，AR涂层，946nm棒嵌入冷却系统，设定在12℃。
该实施例中，光路中包括多个半波片02、04、10，其均为空气隙零级波片。第一半波片02、第二半波器04的中心波长为946nm，镀模为AR@920-960nm，尺寸为20mm。第一半波片02、第二半波器04设置于Nd:YAG激光器01与第一倍频晶体06之间，第三半波片10中心波长为473nm，镀模为AR@450-490nm，尺寸为20mm，设置于第一倍频晶体06和第二倍频晶体12之间。各半波片主要用于调整激光的偏振态。各半波片为空气隙、胶合零级波片或聚合物零级石英波片。
此外，在第一半波片02和第二半波器04之间还设置有偏振分光镜(PolarizingBeam Splitter，PBS)03，其为宽带偏振分束立方体，透射消光比:Tp:Ts>1,000:1，透射效率:Tp>90％，反射效率:Rs>99.5％，涂层范围为900-1300nm，主要是将腔内的光偏振输出，能将一束光分成两束输出。偏振分光镜(Polarizing Beam Splitter，PBS)03为空气隙或者胶合偏振分束立方体，对应波长为900-1300nm。
该实施例中，所述第一倍频晶体06为BiBo晶体(三硼酸铋，BiB3O6)；所述第二倍频晶体12为BBO晶体(偏硼酸钡，β-BaB2O4)。BiBO晶体长度为10mm，切割为Ⅰ型SHG双面镀946nm和473nm增透膜，其切割角θ＝57.5°。将晶体置于温度控制在100℃的烘箱中，以限制在高强度和重复频率下发生的非线性吸收效应。BBO晶体长度为7mm，切割为Ⅰ型SHG双面镀473nm和236.5nm增透膜，其切割角θ＝57.5°。将晶体置于温度控制在100℃的烘箱中，以限制在高强度和重复频率下发生的非线性吸收效应。
在第一倍频晶体06和第二倍频晶体12之间设置两个平面分束镜，即第一平面分束镜07和第二平面分束镜08。其均为BK7、合成石英或CaF2制成，分束比(反射：透过)为1：1。
此外，该实施例的光路中还包括有第一凸透镜05和第二凸透镜11，以及反射镜09。倍频后的激光经过氧化镓晶体13加宽谱线，最后，倍频后的激光经由等边棱镜14输出。第一凸透镜05焦距为100mm，镀有946nm高透膜和473nm高反射膜。第二凸透镜11焦距为100mm，镀有473nm高透膜和236.5nm高反射膜。反射镜09镀有473nm高反射膜。
由此，从Nd：YAG激光器01发出的激光经过第一半波片02、偏振分光镜03和第二半波片04入射到第一凸透镜05，再经过第一倍频晶体BiBO晶体06进行倍频，然后经过第一平面分束镜07和第二平面分束镜08筛掉红光。接着，通过反射镜09改变光路方向，然后再经过第三半波片10和第二凸透镜11，利用半波片调整光的偏振态，通过凸透镜将光聚焦。然后光入射到第二倍频晶体(BBO晶体)12中再进行倍频，通过氧化镓晶体13输出脉冲宽度为皮秒(ps)级的激光，最后入射到等边棱镜14中，经过棱镜后蓝光和紫外光分离，从而得到236.5nm脉宽为ps级的紫外激光输出。其中，等边棱镜14为CaF2材质。
在进行激光相关参数测量时，我们测量其输出激光的功率和形成的光斑形状，这是首次在固态紫外激光器中实现脉冲宽度在ps级的激光脉冲。用本实施例提供的激光器可以获得输出脉冲在946nm、473nm、236.5nm处的光斑。脉冲为ps级脉宽，功率稳定。本发明采用的氧化镓晶体加宽脉宽的机制，可以增大输出功率、提高脉冲能量、并可调谐重复频率。
综上所述，本发明具有很好的实用性和可操作性，结构紧凑小巧、适于重复生产和组装，适于批量化生产、成本较低、激光单向输出、重复频率可调谐、ps量级的脉冲宽度、高稳定性以及高光束质量等优点，可广泛应用于国防、工业、医疗、科研等领域，具有很好的应用前景和商业价值。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种皮秒全固态紫外激光器，包括基频光发生装置、倍频晶体，所述基频光发生装置用于输出基频光，所述倍频晶体用于将所述基频光进行倍频，生成倍频光，其特征在于：
该皮秒全固态紫外激光器还包括谱宽增加晶体，其用于对所述倍频光加宽谱线宽度。
2.如权利要求1所述的皮秒全固态紫外激光器，其特征在于：所述谱宽增加晶体为氧化镓晶体。
3.如权利要求2所述的皮秒全固态紫外激光器，其特征在于：所述氧化镓晶体长度为10mm-50mm。
4.如权利要求3所述的皮秒全固态紫外激光器，其特征在于：所述氧化镓晶体切割为Ⅰ型SHG双面镀236.5nm和236.5nm增透膜，其切割角θ＝57.5°。
5.如权利要求1至4中任一项所述的皮秒全固态紫外激光器，其特征在于：所述基频光发生装置为Nd:YAG激光器。
6.如权利要求1至4中任一项所述的皮秒全固态紫外激光器，其特征在于：还包括偏振分光镜，所述基频光经所述偏振分光镜后入射到所述倍频晶体。
7.如权利要求1至4中任一项所述的皮秒全固态紫外激光器，其特征在于：所述倍频晶体为以下晶体中的至少一种：BiBo晶体、BBO晶体。
8.如权利要求7所述的皮秒全固态紫外激光器，其特征在于：所述倍频晶体为两个，分别是BiBo晶体和BBO晶体，所述基频光先后经BiBo晶体和BBO晶体倍频。
9.如权利要求8所述的皮秒全固态紫外激光器，其特征在于：所述BiBo晶体和BBO晶体之间设置有平面分束镜，其用于滤除波长较长的光。
10.如权利要求1至4中任一项所述的皮秒全固态紫外激光器，其特征在于：所述加宽谱线宽度的倍频光通过棱镜输出。
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