直接倍频实现波长160～170nm全固态深紫外激光的装置

摘要

一种直接倍频实现波长160～170nm全固态深紫外激光的装置，其泵浦源为320～340nm波长全固态紫外激光泵浦源；薄片状深紫外倍频晶体光胶于第一和第二匹配材料直角棱柱斜边面上；第一匹配材料钝角切割角度满足320～340nm紫外光垂直入射到第一匹配材料后再入射到直接倍频晶体中，满足倍频晶体位相匹配角度；第二匹配材料钝角切割角度满足160～170nm深紫外光垂直于第二匹配材料直角面出射；紫外光从入射窗口进入密封罐体，由第一匹配材料直角边垂直入射，由倍频晶体直接倍频，产生的深紫外光与剩余紫外光经第二匹配材料后分开，160～170nm深紫外光从出射窗口输出；光路简单、系统可靠、效率高、结构紧凑。

说明书

技术领域

本发明涉及全固态激光技术领域，特别涉及一种直接倍频实现波长160～170nm 全固态深紫外激光的装置。

背景技术

激光技术尤其是全固态激光技术以其精密化、实用化的特点广泛的应用于军事、 科学及经济社会领域，并对其产生重大而深远影响。紫外尤其是深紫外（DUV）激光 光源，如波长介于40nm到200nm之间电磁辐射波段的激光光源，由于其波长短、光 子能量高，因而在高分辨率成像、光谱、微细加工、科研及工业制造等领域具有重 要的应用价值。

目前，产生深紫外激光的方法主要有ArF准分子激光器（K.Kaki zaki,T. Matsunaga,et al,“Ultra-high-repetition rate ArF excimer laser with long  pulse duration for 193nm lithography”,Proceeding of SPIE,2001(4346):1210） 和全固态激深紫外激光光源。准分子激光是目前使用最多的深紫外相干激光源，其 波长有157nm、193nm等特定谱线，具有高平均功率、高脉冲能量、结构简单、效率 高等优点，但其运转方式少（CW和ns）、波长固定、气体有毒、一次充气寿命有限等 缺点。全固态深紫外激光光源由于具有结构紧凑、体积小、效率高等优势具有广阔 的应用价值，但是由于合适的深紫外非线性光学晶体不多，因此很多全固态深紫外 激光光源一般采用倍频、和频及混频等方式产生，技术复杂、体积庞大不利于实用。

中国科学院理化技术研究所的陈创天领导的研究组和许祖彦领导的研究组在深 紫外晶体材料和激光技术领域进行了大量开创性的工作（许祖彦，“深紫外全固态激 光源”,中国激光，2009(36):1619），在国际上首次使用直接倍频方法，实现了 177.3深紫外激光输出，突破了全固态激光200nm壁垒，并发明了它的使用技术－ 棱镜耦合技术（一种非线性光学晶体激光变频耦合器，ZL 01115313.X）。

但对于更短波长的160～170nm的深紫外全固态激光光源，目前主要有利用钛宝 石激光器通过复杂的和频、倍频系统先产生紫外激光，再利用KBBF深紫外非线性晶 体倍频实现160nm激光（J.Opt.Soc.Am.B/Vol.21,No.2/February 2004， 370-375），或者通过BBO等非线性晶体利用两束激光和频的方式实现160～170nm深紫 外激光，上述方法光路复杂、系统庞大、价格昂贵，不利于实用。

发明内容

本发明的目的是针对目前实现160～170nm全固态深紫外激光系统复杂、不利于 实用的问题，提出一种采用1.28～1.36微米基频激光八倍频实现160～170nm全固 态深紫外激光的方法。使用二倍频发生器及四倍频发生器对1.28～1.36微米基频激 光进行二倍频和四倍频获得320~340nm的紫外激光输出，然后将紫外激光入射到置 于真空装置系统中的深紫外直接倍频器件中获得160～170nm全固态深紫外激光。该 发明具有光路简单、系统稳定、结构紧凑等优点，可以应用于科研仪器、精密制造 等领域。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的直接倍频实现波长160～170nm全固态深紫外激光的装置，其包括 紫外激光泵浦源1、深紫外直接倍频器件和真空装置系统；所述紫外激光泵浦源为 320～340nm波长的全固态紫外激光泵浦装置，该全固态紫外激光泵浦装置通过 1.28～1.36微米基频光的四倍频实现320～340nm波长的紫外激光；所述的深紫外直 接倍频器件由能够通过直接倍频实现160～170nm深紫外输出的深紫外倍频晶体及第 一匹配材料和第二匹配材料组成；所述深紫外倍频晶体为能够实现320～340nm直接 倍频位相匹配的薄片状晶体，所述深紫外倍频晶体能够实现1.28～1.36微米激光的 八倍频位相匹配；所述第一匹配材料和第二匹配材料为直角棱柱，所述深紫外倍频 晶体光胶于所述第一匹配材料和第二匹配材料的斜边面上；第一匹配材料钝角切割 角度满足入射的320～340nm紫外激光垂直入射到第一匹配材料后再入射到深紫外直 接倍频晶体中，满足深紫外倍频晶体的位相匹配角度；第二匹配材料满足160～170nm 深紫外激光高透过率，其钝角切割角度满足160～170nm深紫外激光垂直于该第二匹 配材料直角面出射；所述真空装置系统由密封罐体、置于所述密封罐体罐壁上的入 射窗口和出射窗口组成，所述密封罐体内抽真空或充填惰性气体；所述的深紫外直 接倍频器件放置在真空罐系统的密封罐体中，确保深紫外直接倍频器件在真空或惰 性气体环境中进行倍频，防止产生的深紫外激光被空气或者水蒸气吸收；紫外激光 泵浦源发出的紫外激光从入射窗口进入密封罐体，由第一匹配材料的直角边垂直入 射，然后通过深紫外倍频晶体进行直接倍频，产生的160～170nm深紫外激光和剩余 的紫外激光经过第二匹配材料后在空间上自然分开，160～170nm深紫外激光从其传 播方向上设置的出射窗口输出。

所述紫外泵浦源由基频光源、二倍频发生器和四倍频发生器组成；所述基频光 源的1.28～1.36微米基频光通过二倍频发生器产生二倍频激光，二倍频激光通过四 倍频发生器产生四倍频激光；二倍频激光由腔外二倍频或腔内二倍频产生。

所述的基频光源由至少一个增益装置、由基频激光高反镜A和部分输出镜B构 成的谐振腔装置、调Q元件及起偏元件组成；增益装置为侧面泵浦或者端面泵浦结 构；激光增益介质为Nd:YAG、Nd:YAP、Nd:YLF、Nd:GGG、Nd:YVO₄或Nd:GdVO₄产生 1.28～1.36微米波长激光介质；激光增益介质的材料为晶体或陶瓷。

所述深紫外直接倍频晶体为KBBF族晶体。

所述的KBBF族晶体为KBBF晶体或RBBF晶体。

所述KBBF族晶体为KBBF晶体时，其1.28～1.36微米激光八倍频的位相匹配切 割角度为70.65°～90°。

所述的第一匹配材料为SiO₂，其钝角切割角度为81.4°～81.5°。

所述的第二匹配材料为CaF₂，其钝角切割角度为71.79°～71.78°。

本发明的直接倍频实现波长160～170nm全固态深紫外激光的装置，其技术路线 为1.28～1.36微米全固态基频激光的八倍频方案，相对于现有的获得160～170nm 深紫外激光方法，如钛宝石激光与其他波长激光和频、倍频等混频方案、光参量输 出紫外激光直接倍频方案等，具有光路简单、系统可靠、效率高、结构紧凑、可实 用化等特点，在前沿科学研究、精密加工制造等领域具有不可替代的作用。

附图说明

以下，结合附图和实施例对本发明进行详细地说明：

图1是本发明的直接倍频实现波长160～170nm全固态深紫外激光的装置的结构 示意图；

图2是实施例1的直接倍频实现波长160～170nm全固态深紫外激光的装置结构 示意图；

图3是实施例2的直接倍频实现波长160～170nm全固态深紫外激光的装置结构 示意图。

具体实施方式

图1是本发明装置的结构示意图；本发明提供的直接倍频实现波长160～170nm 全固态深紫外激光的装置，其包括紫外激光泵浦源1、深紫外直接倍频器件2和真空 装置系统3；紫外激光泵浦源1为波长范围处于320～340nm的全固态紫外激光器1-1， 1-2为紫外激光光束聚焦器件；深紫外直接倍频器件2由深紫外倍频晶体2-1、第一 匹配材料2-2-1和第二匹配材料2-2-2组成；深紫外倍频晶体2-1为薄片状晶体， 能够满足320～340nm紫外激光倍频位相匹配角度，第一匹配材料2-2-1和第二匹配 材料2-2-2为直角棱镜；深紫外倍频晶体2-1光胶于第一匹配材料2-2-1和第二匹 配材料2-2-2的斜边面上，入射紫外激光经第一匹配材料2-2-1后耦合进深紫外倍 频晶体中，第二匹配材料2-2-2将深紫外激光耦合输出并实现深紫外激光和紫外激 光空间上分离；真空罐系统3由密封罐体3-1、置于密封罐体3-1罐壁上的入射窗口 3-2-1和出射窗口3-2-2、剩余紫外激光收集器3-3组成；密封罐体3-1内抽真空或 充填惰性气体，深紫外直接倍频器件2放置在真空罐系统3的密封罐体3-1中，确 保深紫外直接倍频器件2在真空或惰性气体环境中进行深紫外倍频产生160～170nm 深紫外激光，防止深紫外激光被空气或水蒸气吸收；全固态紫外激光器1-1产生的 紫外激光经光束聚焦器件1-2后从入射窗口3-2-1进入真空罐系统3的密封罐体3-1， 由第一匹配材料2-2-1的直角边垂直入射，通过深紫外倍频晶体2-1进行直接倍频， 产生160～170nm深紫外激光；

产生的160～170nm深紫外激光经第二匹配材料2-2-1后垂直于直角边出射；由 于色散原因，深紫外激光和剩余的紫外激光在空间上自然分开；深紫外激光经传播 方向上设置的出射窗口3-2-2出射，剩余的的紫外激光由激光收集器3-3收集。

以下为结合具体实施例，对本发明的目的、技术方案及优点更加详细说明。

实施例1

按图2，本实施例为一种通过侧面泵浦激光晶体实现1.28～1.36微米激光基频 激光输出，再通过腔外二倍频发生器获得二倍频激光，二倍频激光经过四倍频发生 器获得紫外四倍频激光，即全固态紫外泵浦源；紫外激光入射到深紫外倍频装置中 直接倍频实现波长160～170nm全固态深紫外激光的装置。

1.28～1.36微米激光基频激光器1-1由两个半导体侧面泵浦激光增益模块 1-1-1-1和1-1-1-2、0度1319nm高反镜1-1-2-1和输出镜1-1-2-2构成的谐振腔、 调Q元件1-1-4及起偏元件1-1-5组成；两个半导体侧面泵浦激光增益模块串接， 中间放置90度旋光晶体1-1-3用于退偏补偿；调Q元件1-1-4用于产生高峰值功率 激光脉冲；输出镜1-1-2-2对1319nm部分透射，以获得高平均输出功率。

二倍频发生器由二倍频非线性光学晶体1-4、聚焦透镜1-3-1组成，二倍频晶体 1-4为II类非临界相位匹配LBO晶体(θ=0°，φ=0°），匹配温度约为42°C，聚 焦透镜1-3-1为双面镀1319nm增透膜；四倍频发生器由四倍频非线性光学晶体1-5、 聚焦透镜1-3-2组成，四倍频非线性光学晶体1-5为I类相位匹配LBO晶体（θ=90 °,φ=49.6°），聚焦透镜1-3-2为双面镀660nm增透膜；二倍频发生器后置一分 束镜1-6-1和激光垃圾收集器1-7-1，分束镜1-6-1为双面镀45°1319nm高反且 660nm增透膜系，用于分开基频1319nm激光和二倍频660nm激光，激光垃圾收集器 1-7-1用于收集分离出来的1319nm激光；四倍频发生器后置一分束镜1-6-2和激光 垃圾收集器1-7-2，分束镜1-6-2为双面镀45°660nm高反且330nm增透膜系，用于 分开660nm激光和四倍频330nm激光，激光垃圾收集器1-7-2用于收集分离出来的 660nm激光。

330紫外激光经过光束折返元件1-6-3和光束聚焦元件1-2后进入真空装置系统 3-1中，经过深紫外直接倍频器件的第一匹配材料2-2-1后耦合到深紫外非线性光学 晶体2-1中进行八倍频获得165nm深紫外激光，165nm深紫外激光通过第二匹配材料 2-2-2后输出；深紫外非线性光学晶体2-1为KBBF晶体，厚2mm，在KBBF上下面分 别光胶折射率匹配材料2-2-1和2-2-2；第一匹配材料2-2-1为具有较高的光损伤阈 值的SiO₂，第二匹配材料2-2-2为深紫外透过率更高的CaF₂用作165nm深紫外激光 的耦合输出。同时CaF₂折射率对于紫外激光330nm为光疏介质而对于165nm为光密 介质，将两束光在空间上自动分开；KBBF晶体的330nm倍频的位相匹配角为76.96 °，第一匹配材料2-2-1SiO₂的钝角切割角度为81.43°从而保证330nm紫外激光垂 直一端面入射。深紫外直接倍频器件放置在真空装置系统中，用以确保直接倍频器 件在真空或惰性气体环境中进行，防止倍频产生的165nm深紫外激光被空气、水蒸 气等吸收。

真空装置系统由真空罐3-1、入射基频激光窗口3-2-1和深紫外激光输出窗口 3-2-2、剩余基频激光收集装置3-3、探测装置3-4组成。真空罐3-1由不锈钢加工 而成以保证其真空度，相应位置留有对入射基频光330nm增透的窗口3-2-1和对深 紫外165nm增透的输出窗口，分别用于基频激光330nm入射和165nm深紫外激光出 射；为防止未倍频的基频激光干扰、影响深紫外激光的探测，未倍频的基频330nm 激光由激光收集器3-3收集；深紫外165nm激光探测装置34上放置功率计用于测 量深紫外激光输出功率。

调节紫外基频激光聚焦束腰大小、入射功率等参数，使深紫外165nm输出功率 最高；移开深紫外165nm探测装置，将165nm深紫外激光输出到应用装置中。

实施例2

按图3，本实施例为一种低量子亏损通过端面泵浦激光晶体实现1.28～1.36微 米激光基频激光振荡，再通过腔内二倍频发生器获得二倍频激光输出，二倍频激光 经过四倍频发生器获得紫外四倍频激光；紫外激光入射到深紫外倍频装置中直接倍 频实现波长160～170nm全固态深紫外激光的装置。

低量子亏损端面泵浦Nd:YLF激光晶体，低量子亏损技术可以降低激光介质热效 应，获得更高功率基频激光输出；V形腔结构腔内倍频1313nm基频光获得二倍频 656.5m红激光。端面泵浦结构为光纤耦合885nm半导体激光器1-1-1-1、光纤传输 介质1-1-1-2及耦合透镜1-1-1-3；V形腔由高反镜1-1-2-1、折叠镜1-1-2-2及后 端镜1-1-2-3组成，高反镜1-1-2-1对1313nm镀0度高反膜，折叠镜1-1-2-2镀6 度对1313nm高反且对656.5nm高透膜，后端镜1-1-2-3镀0度对1313及656.5nm 双高反膜；激光晶体1-1-3为掺杂0.6%的Nd:YLF；调Q元件1-1-4实现高峰值功率 脉冲激光；起偏元件1-1-5使σ方向1313nm方向起振，抑制π方向1321nm激光起 振；二倍频1-1-6晶体为II类非临界相位匹配LBO晶体(θ=0°，φ=0°）。

输出的656.5nm红激光通过与实施例1类似的四倍频系统1-3、1-4，四倍频晶 体1-4为I类临界相位匹配的LBO晶体（θ=90°，φ=50.2°），获得328.25nm紫 外激光输出。

获得的328.25nm紫外激光通过与实施例1类似聚焦系统进入到真空系统3-1中， 通过KBBF晶体实现倍频输出深紫外164.1nm激光。所不同的是KBBF的位相匹配角 为78.47°，棱镜耦合器件的钝角为81.43°。

显然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下， 熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变型，但这些相应的 改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。