一种三倍频紫外激光器转让专利
申请号 : CN201710433213.7
文献号 : CN107086430A
文献日 : 2017-08-22
发明人 : 邹锶 , 万威 , 顾凯 , 陈正泽 , 张义
申请人 : 武汉安扬激光技术有限责任公司
摘要 :
本发明公开了一种三倍频紫外激光器，上述三倍频紫外激光器包括光连接的种子源、激光放大器及三倍频模块，种子源为增益开关皮秒种子源；激光放大器为光连接的多级放大器；三倍频模块在光路上依次包括聚焦透镜、二倍频晶体及其加热炉、三倍频晶体及其加热炉、紫外光分离器和准直器，其中聚焦透镜、二倍频晶体及其加热炉、三倍频晶体及其加热炉共轴设置，二倍频晶体为一类相位匹配的三硼酸锂(LBO)晶体，三倍频晶体为二类相位匹配的三硼酸锂(LBO)晶体。按照本发明实现的三倍频紫外激光器，产生的种子光重复频率可调，脉宽可调，且为皮秒量级，并且是单模、线偏振光，经放大和三倍频后，紫外激光的特征与种子光一致，功率可达35W，效率高达50％。
权利要求 :
1.一种三倍频紫外激光器，所述激光器包括光连接的种子源(1)、激光放大器(10)及三倍频模块(40)，其特征在于，所述种子源(1)为增益开关皮秒种子源(1)；所述激光放大器(10)为光连接的多级放大器；所述三倍频模块(40)在光路上依次包括聚焦透镜(42)、二倍频晶体及其加热炉(43)、三倍频晶体及其加热炉(44)、紫外光分离器(45，46)和准直器(47)，其中所述聚焦透镜(42)、所述二倍频晶体及其加热炉(43)、所述三倍频晶体及其加热炉(44)共轴设置，二倍频晶体为一类相位匹配的三硼酸锂(LBO)晶体，三倍频晶体为二类相位匹配的三硼酸锂(LBO)晶体。
2.如权利要求1所述的三倍频紫外激光器，其特征在于，所述二倍频晶体主平面为XY平面，晶体角度为θ＝90°， 所述三倍频晶体主平面为YZ平面，晶体角度为 所述二倍频晶体的Z轴与所述三倍频晶体的X轴方向相同。
3.如权利要求1或2所述的三倍频紫外激光器，其特征在于，所述三倍频晶体长度与走离角的乘积是所述二倍频晶体长度与走离角的乘积的2倍。
4.如权利要求3所述的三倍频紫外激光器，其特征在于，所述二倍频晶体前后表面皆镀红外光及绿光的增透膜，所述三倍频晶体前表面镀红外光及绿光增透膜，切割角为布鲁斯特角。
5.如权利要求4所述的三倍频紫外激光器，其特征在于，所述光纤放大器(10)包括依次设置的一级单模泵浦放大器、二级多模泵浦放大器、三级多模泵浦放大器和四级多模泵浦放大器。
6.如权利要求5所述的三倍频紫外激光器，其特征在于，所述一级单模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第一保偏掺镱光纤(14)；所述二级多模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第二保偏掺镱光纤(20)；所述三级多模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第三保偏掺镱光纤(26)；所述四级多模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第四保偏掺镱光纤(32)。
7.如权利要求1-6中任意一项所述的三倍频紫外激光器，其特征在于，所述增益开关皮秒种子源(1)包括沿光路依次设置的增益开关激光器、光纤耦合器(8)、单纵模锁定装置和啁啾补偿模块，所述增益开关激光器的输出端通过光纤耦合器(8)分别与所述单纵模锁定装置和所述啁啾补偿模块连接。
8.如权利要求7所述的三倍频紫外激光器，其特征在于，所述增益开关激光器由电脉冲发生器(2)、信号发生器(3)、直流偏置电源和F-P半导体激光器(6)依次连接构成。
9.根据权利要求8所述的三倍频紫外激光器，其特征在于：所述单纵模锁定装置为DFB半导体激光器(7)或者光纤光栅；所述啁啾补偿模块为啁啾光栅(9)或者啁啾补偿光子带隙光纤。
说明书 :
一种三倍频紫外激光器
技术领域
[0001] 本发明属于激光器领域，特别是涉及一种三倍频紫外激光器。
背景技术
[0002] 紫外(UV)激光器在工业微加工领域具有广泛应用，如工业零部件的打标、钻孔、划片、焊接、切割以及医疗器械的微加工、电子元件封装、微型部件立体成型等。此外，在微电子学、光谱分析、光数据存储、光盘控制、大气探测、光化学、光生物学、空间光通信、激光诱发的物质原子荧光和UV吸收(如Si原子的荧光诱发、冷冻和控制)及医疗领域也有着广泛的应用前景。
[0003] 尤其是在工业加工领域，由于UV激光的波长短光子能量高，其聚焦光斑可以更小，且高能量UV光子可以直接破坏材料的化学键，相对于红外激光的“热熔”过程，UV激光加工时是“冷蚀”效应，这使得加工的尺寸可以更小，加工的精度得到提高。现有的工业加工领域产生紫外光的方法是由固体半导体激光器作为泵浦源，通过非线性倍频技术产生三倍频紫外光。然而，用这种方法产生的紫外光多为多模激光，光束质量不好，不能满足工业上精细加工的需求。另外，系统中需大量使用自有空间的光学元件，结构复杂，增加了调试难度，不利于工业化大批量生产。
[0004] 公开号为CN201937162U的中国专利申请(专利名称为《半导体二极管泵浦10W级355nm紫外激光器》)，以及公开号为CN105633785A的中国专利申请(专利名称为《一种锁模紫外激光器的光路系统》)中，均是采用半导体泵浦的紫外激光器，其应用大量的光学镜片组成不同形状的谐振腔，对光学对准及固定的要求比较高。另外半导体泵浦固体激光器光光转换效率低，要得到高功率的紫外光输出，需采用多个半导体激光器组成阵列，增加系统的复杂度和能耗。
[0005] 目前，光纤激光器的飞速发展为紫外激光器的开发提供了更多的选择，例如申请号为201110156920.9的中国发明专利申请(专利申请名称为《脉宽可调的增益开关型皮秒脉冲种子源》)提及了基于MOPA结构的光纤激光器，它通过放大高质量的种子光来获得相同模式的高功率激光，转化效率高，输出光斑质量好，采用该种子源产生单模、线偏振的皮秒激光，具有高精度、高稳定性的特点，非常适合工业加工，如何将其利用在紫外激光器领域，从而研发出性能更高，更简单紧凑，并且适合工业生产应用的新型激光器，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
[0006] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种三倍频紫外激光器，[0007] 所述激光器包括光连接的种子源、激光放大器及三倍频模块，其特征在于，所述种子源为增益开关皮秒种子源；所述激光放大器为光连接的多级放大器；所述三倍频模块在光路上依次包括聚焦透镜、二倍频晶体及其加热炉、三倍频晶体及其加热炉、紫外光分离器和准直器，其中所述聚焦透镜、所述二倍频晶体及其加热炉、所述三倍频晶体及其加热炉共轴设置，二倍频晶体为一类相位匹配的三硼酸锂(LBO)晶体，三倍频晶体为二类相位匹配的三硼酸锂(LBO)晶体。
[0008] 进一步地，所述二倍频晶体主平面为XY平面，晶体角度为θ＝90°， 所述三倍频晶体主平面为YZ平面，晶体角度为 所述二倍频晶体的Z轴与所述三倍频晶体的X轴方向相同。
[0009] 进一步地，所述三倍频晶体长度与走离角的乘积是所述二倍频晶体长度与走离角的乘积的2倍。
[0010] 进一步地，所述二倍频晶体前后表面皆镀红外光及绿光的增透膜，所述三倍频晶体前表面镀红外光及绿光增透膜，切割角为布鲁斯特角。
[0011] 进一步地，所述光纤放大器包括依次设置的一级单模泵浦放大器、二级多模泵浦放大器、三级多模泵浦放大器和四级多模泵浦放大器。
[0012] 进一步地，所述一级单模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第一保偏掺镱光纤；所述二级多模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第二保偏掺镱光纤；所述三级多模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第三保偏掺镱光纤；所述四级多模泵浦放大器为单向泵浦或者双向泵浦的第四保偏掺镱光纤。
[0013] 进一步地，所述增益开关皮秒种子源包括沿光路依次设置的增益开关激光器、光纤耦合器、单纵模锁定装置和啁啾补偿模块，所述增益开关激光器的输出端通过光纤耦合器分别与所述单纵模锁定装置和所述啁啾补偿模块连接。
[0014] 进一步地，所述增益开关激光器由电脉冲发生器、信号发生器、直流偏置电源和F-P半导体激光器依次连接构成。
[0015] 进一步地，所述单纵模锁定装置为DFB半导体激光器或者光纤光栅；所述啁啾补偿模块为啁啾光栅或者啁啾补偿光子带隙光纤。
[0016] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：采用了增益开关皮秒种子源，产生的种子光重复频率可调，脉宽可调，且为皮秒量级，并且是单模、线偏振光，经放大和三倍频后，紫外激光的特征与种子光一致，功率可达35W，效率高达50％；整个设备为全光纤结构，没有复杂的光纤对准期间，结构简单紧凑，适合工业生产和应用。
附图说明
[0017] 图1为按照本发明实现的三倍频紫外激光器的系统组成结构示意图；
[0018] 图2为按照本发明实现的紫外激光器中的两角度匹配LBO晶体安装匹配示意图；(a)为同向安装，(b)为反向安装，(c)LBO1为非临界匹配(NCPM)及温度匹配，LBO2为二型匹配其中实线为红外光，点虚线为绿光，虚线为紫外光；
[0019] 图3为按照本发明实现的激光器中采用不同方法获得的紫外光转换效率与红外光功率的关系；
[0020] 图4为按照本发明实现的激光器中的重频与紫外光功率及转换效率之间的关系示意图。
[0021] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1—增益开关皮秒种子源，2—电脉冲发生器，3—信号放大器，4—直流偏置，5—直流电源，6—F-P半导体激光器，7—DFB半导体激光器，8—光纤耦合器，9—啁啾光栅，10—光纤放大器，11—保偏隔离器，12—前向波分复用器(WDM)，13—前向单模泵浦激光器，14—第一保偏掺镱光纤，15—后向波分复用器，16—后向单模泵浦激光器，17—保偏隔离器，18—前向多模泵浦耦合器，19—前向多模泵浦激光器，20—第二保偏掺镱光纤，21—后向多模泵浦耦合器，22—后向多模泵浦机关器，23—保偏隔离器，24—前向多模泵浦耦合器，25—前向多模泵浦激光器，
26—第三保偏掺镱光纤，27—后向多模泵浦耦合器，28—后向多模泵浦激光器，29—保偏隔离器，30—双色镜(反射信号光，透射泵浦光)，31—信号耦合透镜，32—第四保偏掺镱光纤，
33—泵浦耦合透镜，34—双色镜(反射信号光，透射泵浦光)，35—双色镜(反射泵浦光，透射信号光)，36—泵浦准直透镜，37—多模泵浦激光器，38—扩束镜，39—保偏隔离器，40—三倍频模块，41—红外反射镜，42—聚焦透镜，43—二倍频晶体及加热炉，44—三倍频晶体及加热炉，45—紫外光分离器，46—紫外光分离器，47—准直器。
26—第三保偏掺镱光纤，27—后向多模泵浦耦合器，28—后向多模泵浦激光器，29—保偏隔离器，30—双色镜(反射信号光，透射泵浦光)，31—信号耦合透镜，32—第四保偏掺镱光纤，
33—泵浦耦合透镜，34—双色镜(反射信号光，透射泵浦光)，35—双色镜(反射泵浦光，透射信号光)，36—泵浦准直透镜，37—多模泵浦激光器，38—扩束镜，39—保偏隔离器，40—三倍频模块，41—红外反射镜，42—聚焦透镜，43—二倍频晶体及加热炉，44—三倍频晶体及加热炉，45—紫外光分离器，46—紫外光分离器，47—准直器。
具体实施方式
[0022] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0023] 如图1所示，本发明的一种三倍频紫外激光器，包括泵浦源、光纤放大器10和倍频模块40。
[0024] 其中：泵浦源为重复频率可调、脉宽可调的增益开关皮秒种子源1。该增益开关皮秒种子源1包括有保偏光纤连接的增益开关激光器、光纤耦合器8、单纵模锁定装置及啁啾补偿模块，增益开关激光器的输出端通过光纤耦合器8分别与单纵模锁定装置和啁啾补偿模块连接。本实施例的增益开关激光器由电脉冲发生器2、信号放大器3、直流偏置电流源4、5和1033nm的F-P半导体激光器6构成。本实施例中的单纵模锁定装置为1033nm的DFB半导体激光器7，啁啾补偿模块为啁啾光栅9。
[0025] 工作时，电脉冲发生器2产生重复频率可调的射频信号，重复频率调节范围在10k～100MHz，通过调节直流电源5改变直流偏置4，使F-P半导体激光器6在阈值以下，则射频信号经信号放大器3放大后加载在F-P半导体激光器6上会产生增益。F-P半导体激光器6产生振荡，在第二个振荡峰出现之前，电脉冲增益消失，此时F-P半导体激光器6输出皮秒级短脉冲。使用1033nm的DFB半导体激光器7使得F-P半导体激光器6产生的纵模始终处于锁定状态，可以任意调节电脉冲发生器2的重复频率，以调整输出光脉冲的重复频率。啁啾光栅9针对输出脉冲的啁啾分布用来压缩或展宽脉冲宽度，以实现脉宽可调，脉宽调节范围在50～500ps。增益开关皮秒脉冲种子源1产生的种子光功率一般在1mW以内。
[0026] 光纤放大器10共四级，包括依次设置的一级单模泵浦源放大器、二级多模泵浦源放大器、三级多模泵浦源放大器和四级多模泵浦源放大器。种子源与光纤放大器10之间，光纤放大器10的四级之间，光纤放大器和三倍频模块之间分别由保偏隔离器11、17、23、29、39分隔。一级单模泵浦放大器为5/130μm的第一保偏掺镱光纤14，采用双向泵浦方式，其前向单模泵浦激光器13和后向单模泵浦激光器16均为200mW/976nm规格；二级多模泵浦放大器为10/125μm的第二保偏掺镱光纤20，采用双向泵浦方式，其前向多模泵浦激光器19和后向多模泵浦激光器22均为7W/915nm规格；三级多模泵浦放大器为30/250μm的第三保偏掺镱光纤26，采用双向泵浦方式，其前向多模泵浦激光器25和后向多模泵浦激光器28均为20W/975nm规格；四级多模泵浦放大器为85/260μm的第四保偏掺镱光纤32，该光纤为光子晶体光纤，采用后向泵浦方式，多模泵浦激光器37为180W/975nm规格。
[0027] 光纤放大器10的工作工程为：上述增益开关皮秒种子源1产生的1033nm的种子光经过保偏隔离器11，使其只有一个偏振态的激光进入光纤放大器10，保证激光器的线偏振性。一级单模放大器的200mW/976nm前向单模泵浦激光器13产生的功率为200mW、波长为976nm的泵浦光和1033nm种子光通过前向波分复用器(WDM)12耦合进第一保偏掺镱光纤14，在其纤芯实现放大，同时功率为200mW、波长为976nm的后向单模泵浦激光器16通过后向波分复用器15耦合进第一保偏型掺镱光纤14，使种子光得到放大。通过前后双向泵浦，种子光的功率可以放大到50mW。一级放大可只采用前向放大或后向放大的单向泵浦方式；一级放大后的激光再通过保偏隔离器17进入二级多模泵浦放大器，二级多模泵浦放大器的7w/
915nm的前向多模泵浦激光器19发出的泵浦光通过前向多模泵浦耦合器18进入第二保偏掺镱光纤20的包层中使种子光得到放大，同时7w/915nm的后向多模泵浦激光器22发出的泵浦光通过后向多模泵浦耦合器21进入第二保偏掺镱光纤20的包层中使种子光得到放大。二级放大将激光继续放大至500mW。同样的，二级放大也可采用前向放大和后向放大的单向泵浦方式；二级放大的激光再通过保偏隔离器23进入三级多模放大器，除其采用30/250μm的第三保偏掺镱光纤26和20W/976nm的前向多模泵浦激光器25、后向多模泵浦激光器28外，工作原理与二级放大相同。当然，三级放大也可采用前向放大或后向放大的单向泵浦方式；最后，三级放大的激光经过保偏隔离器29，双色镜(反射信号光，透射泵浦光)30，信号耦合透镜31进入第四保偏掺镱光纤32纤芯中，后向多模泵浦激光器37泵浦光经泵浦准直透镜36，双色镜(反射泵浦光，透射信号光)35，双色镜(反射信号光，透射泵浦光)34，泵浦耦合透镜
33进入第四保偏掺镱光纤32中使信号光得以放大。经过四级放大后，激光的功率可以放大至70W。
915nm的前向多模泵浦激光器19发出的泵浦光通过前向多模泵浦耦合器18进入第二保偏掺镱光纤20的包层中使种子光得到放大，同时7w/915nm的后向多模泵浦激光器22发出的泵浦光通过后向多模泵浦耦合器21进入第二保偏掺镱光纤20的包层中使种子光得到放大。二级放大将激光继续放大至500mW。同样的，二级放大也可采用前向放大和后向放大的单向泵浦方式；二级放大的激光再通过保偏隔离器23进入三级多模放大器，除其采用30/250μm的第三保偏掺镱光纤26和20W/976nm的前向多模泵浦激光器25、后向多模泵浦激光器28外，工作原理与二级放大相同。当然，三级放大也可采用前向放大或后向放大的单向泵浦方式；最后，三级放大的激光经过保偏隔离器29，双色镜(反射信号光，透射泵浦光)30，信号耦合透镜31进入第四保偏掺镱光纤32纤芯中，后向多模泵浦激光器37泵浦光经泵浦准直透镜36，双色镜(反射泵浦光，透射信号光)35，双色镜(反射信号光，透射泵浦光)34，泵浦耦合透镜
33进入第四保偏掺镱光纤32中使信号光得以放大。经过四级放大后，激光的功率可以放大至70W。
[0028] 经4级放大后，功率为70W，波长为1033nm，重频为300kHz的皮秒激光通过准直镜38和保偏隔离器39进入三倍频模块40。三倍频模块包括红外反射镜41，聚焦透镜42，,二倍频晶体及加热炉43，三倍频晶体及加热炉44，紫外光分离器45，紫外光分离器46和准直器47。其中聚焦透镜42，二倍频晶体及加热炉43，三倍频晶体及加热炉44共轴设置。其具体过程为：直径为2mm的1033nm的红外激光(P偏振光)经焦距300mm的透镜42聚焦后，在二倍频晶体及加热炉43中产生绿光；绿光与残余的红外光在晶体及加热炉43中产生三倍频效应射出紫外光；通过两片紫外光分离器46提取出紫外光，然后使用准直器47对紫外光进行准直，获得高质量的紫外光。
[0029] 如图2(a)所示，二倍频晶体为一型角度匹配LBO，Z轴方向朝外，长度为15mm，θ＝90°， 前后表面镀1033nm+516.5nm的增透膜，加热炉的温度为50℃。对于一型角度匹配的LBO晶体来说，红外光为o光，绿光为e光，二倍频的过程为o+o→e，由于 绿光的走离角大于0为4.1mrad。三倍频晶体为二型角度匹配LBO，X轴方向朝外，长度为15mm，θ＝
50.8°， 前表面镀1033nm+516.5nm的增透膜，后表面不镀膜为布鲁斯特角切割，角度为32°，加热炉的温度为45℃。对于二型角度匹配的LBO晶体来说，红外光，紫外光为o光，绿光为e光，三倍频的过程为o+e→o，绿光走离角为9.3mrad。由于紫外光为o光，所以后表面不镀膜切割为布鲁斯特角，紫外光可以全部透射。另外由于LBO1与LBO2主轴方向相同，LBO1为类似负单轴晶体，LBO2为类似正单轴晶体，绿光在两个晶体中走离效应可以相互补偿。为了实现更好的走离效应补偿，LBO2长度与走离角的乘积是LBO1长度与走离角的乘积的2倍，且红外光聚焦后的束腰在LBO1和LBO2中间。图2(a)的结构可以实现非常好的走离效应补偿，作为对比实验，比较了图2中三种结构的紫外光转换效率，如图3所示。很明显，走离效应越好的得到补偿，紫外光转换效率越高。
50.8°， 前表面镀1033nm+516.5nm的增透膜，后表面不镀膜为布鲁斯特角切割，角度为32°，加热炉的温度为45℃。对于二型角度匹配的LBO晶体来说，红外光，紫外光为o光，绿光为e光，三倍频的过程为o+e→o，绿光走离角为9.3mrad。由于紫外光为o光，所以后表面不镀膜切割为布鲁斯特角，紫外光可以全部透射。另外由于LBO1与LBO2主轴方向相同，LBO1为类似负单轴晶体，LBO2为类似正单轴晶体，绿光在两个晶体中走离效应可以相互补偿。为了实现更好的走离效应补偿，LBO2长度与走离角的乘积是LBO1长度与走离角的乘积的2倍，且红外光聚焦后的束腰在LBO1和LBO2中间。图2(a)的结构可以实现非常好的走离效应补偿，作为对比实验，比较了图2中三种结构的紫外光转换效率，如图3所示。很明显，走离效应越好的得到补偿，紫外光转换效率越高。
[0030] 如图4所示为使用增益开关种子源，通过四级光纤放大，然后三倍频获得的紫外光功率及转换效率随激光重复频率变化的曲线。很明显，图中最大紫外光功率为33W，最高转换效率为50％。
[0031] 本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。