本发明专利技术涉及用于脉冲式谐波紫外激光器的方法和装置。一种装置用于产生相干的脉冲式紫外光，所述紫外光具有范围在１ｐｓ到１微秒之间的脉冲时间，该装置包括可见光的或近红外的频率范围中的一个或多个源激光器。该装置还包括一个或多个ＦＣ级，这一个或多个ＦＣ级中的至少一者包括非线性ＦＣ器件以及一个或多个光学元件。所述光学元件包括：反射器、聚焦元件、偏振控制光学器件、波长分离器或光纤光学元件。ＦＣ器件包括碳酸钙镁石型硼酸铝复盐非线性光学材料，该材料构造成产生具有１９０到３５０ｎｍ之间波长的ＦＣ光，该非线性光学材料由在１９０到３５０ｎｍ的波长范围上大于７０％的光学透射率来表征。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2007年08月01日提交的题为“Method and Apparatus for Quasi-Continuous Wave Harmonic Lasers”的美国临时专利申请No.60/953,402以及2007年09月27日提交的题为“Method and Apparatus for Pulsed Harmonic Ultraviolet Lasers”的美国临时专利申请No.60/975,804的优先权，这些申请的全部内容为了所有目的而通过引用方式结合于此。
本专利技术一般地涉及高性能激光源，该激光源在内部使用非线性光学处理将激光转换到更高的频率。仅作为示例，本专利技术的一些实施例提供了用于产生相干脉冲式紫外(UV)光的装置，该紫外光的波长范围在190到350nm之间，脉冲持续时间范围在1ps到300ps之间，每秒有1千万个或更多个脉冲。作为另一种示例，本专利技术的一些实施例提供了用于产生脉冲的装置，所述脉冲的持续时间在300ps到100ns之间，并且每秒发生10万到5百万次。在再一种示例中，脉冲包(packet)具有多个更短的脉冲，每个包具有1ns到1μs之间的持续时间，并且每秒发生10万到1亿个包。但是，本专利技术的范围不限于这些具体实施方式，而有更广泛的应用范围。
技术介绍
对应许多工业和研究应用而言，越来越需要发射波长范围在190-350nm的光的紫外激光器。UV源具有比可见光源或近红外(NIR)源更高的分辨能力，所以对于需要高分辨率成像或散射的应用而言更为理想。UV源还具有比可见光源或NIR源更高的每光子能量，因此使得更多需要将材料去除或使材料改变的应用能够进行。在复合受激态(exciplex)激光器中，由电子跃迁直接产生UV光；而除了复合受激态激光器之外，紫外激光器使用对于至少一个更低频率的源激光器进行的频率转换(FC)。频率转换处理包括二次谐波产生(SHG)、和频产生(SFG)以及差频产生(DFG)。频率转换激光器包含一个或多个源激光器，这些源激光器的输出被导入SHG或SFG的一个或多个FC级。这些级经常以串联方式级联以获得越来越高的频率。SHG级将输入光的一部分转换成两倍于输入光频率(输入光的一半波长)的光。SFG级取得两个不同频率的输入光，并将该输入光的一部分转换成这样的光：所述光的频率是这些输入频率的和。SHG和SFG FC级是用专门的非线性光学(NLO)材料来实现的，所述材料通过目前已经令人满意地了解并归类在“非线性光学”主题之下的处理来产生更高频率的光。在许多情况下，NLO器件是非线性光学材料的单晶，被精密地切割和定向，从而为了所选的目的而工作。比单晶更为复杂的NLO器件的示例包括周期性极化的准相位匹配(QPM)器件、具有走离(walk-off)补偿的器件、以及由两个NLO材料光学地接触在一起以在一个光学元件中实现两个FC级。需要非常仔细以使NLO器件满足相位匹配条件、与材料定向有关的物理要求、(一个或多个)输入光束的定向、(一个或多个)输入光束的偏振态、以及材料温度。-->本领域已知用于相位匹配的多种手段，包括临界相位匹配、非临界相位匹配(NCPM)和准相位匹配。当以高峰值功率的短脉冲方式递送时间平均(time-averaged)的输入功率时，与以恒定幅度的连续波(CW)方式相比，SHG级将光转换成二次谐波(SH)的能量效率大大增加。事实上，当该级在低转换效率(低于10％)的体制下工作时(正如由于各种约束条件所造成的情况)，固定的时间平均输入功率的转换效率与脉冲式源的占空比(duty cycle)大体上成反比。因此，在频率转换式激光系统中，使用脉冲式源而不是CW源，是非常有利的。实际上，使用CW源的FC激光系统需要使用腔谐振器以通过来回激光辐射的相长干涉来增强输入场强。在激光器增益腔内，虽然腔内插入FC器件可以足够强劲，但是外部的Fabry-Perot外部谐振器对于对准和扰动情况极其敏感。这样的腔造成了显著的工程性难题，需要快速的光学-机械控制以及极端的措施来对抗热血噪声和振动噪声。在将一系列谐振腔耦合以实现更高阶光学谐振时，在工程上极其困难。对于名义上需要CW UV激光器的许多应用而言，一种理想的方案是在频率转换激光系统中使用称为准连续波(QCW)源的快速脉冲式源。只要重复速率高于使用该系统的物理系统的响应频率，则这种激光系统的脉冲式输出信号看起来像是“连续波”。QCW频率转换激光装置具有高的源峰值功率的优点，因此具有更好的内部频率转换，同时还具有足够高的重复速率以在使用这些装置的应用中看起来是“CW”。典型的QCW激光系统使用锁模技术。锁模通过那些相位锁定的激光腔模式之间的相长干涉而产生相干脉冲。锁模的一个主要优点是能够维持随时间稳定的输出。在由腔长度预先限定的固定重复速率下，脉冲宽度将决定峰值功率。半导体可饱和吸收镜(SESAM)是提供短脉冲长度的锁模激光器所用的无源器件的一种示例。这些器件是自起动(self-starting)式锁模元件。用于锁模的其他技术包括有源的类型，例如频率调制器(电光效应)、幅度调制器(声光效应)，以及无源Kerr棱镜锁模。锁产生的脉冲长度通常小于几十皮秒(ps)但长于几百飞秒(fs)。这样的脉冲长度和重复速率会给QCW源赋予所需的特性。美国专利No.7088,744中描述的激光系统的示例由锁模二极管泵浦固态(DPSS)激光源构成，该激光源在Fabry-Perot光学腔中使用传统的激光增益晶体。在腔内使用了SESAM对增益进行调制。还可以在腔内安装任选的频率转换器，通过使用NCPM三硼酸锂(LBO)晶体而将1064nm的基础波长转换到532nm。然后，输出的532nm激光波长可以作为源而用在转换成266nm波长的另一个FC级中。这种完整的处理形成了锁模UVQCW激光系统。高的峰值功率和紧密地聚焦的输入光束一般有利于频率转换，这两者都增大了非线性光学材料内的输入和输出光束的强度。对频率转换UV激光系统的使用造成限制的最重要因素之一是NLO材料在用于产生UV的条件下的寿命。现有技术的商用UV NLO器件通常是由BBO和CLBO晶体制造的。这些NLO器件由于在存在潮湿的情况下固有的弱点而不能支持长期、高输出的UV光。水与材料的表面反应，并穿透到材料本体中，造成高强度激光束损坏。在一些系统中，通过由气密室进行环境隔离、提高温度以减少水的吸收、清洁性的干燥气体、以及由机械装置使晶体相对于激光束的位置进行偏移来处理这种失效模式。每一种方法都试图克服BBO和CLBO的固有缺点并解决UV NLO处理的寿命问题，但是在不同-->的程度上并不完全成功。因此，现有技术中需要一种使水不能进入的UV频率转换器。与BBO和CLBO的吸湿性有关的一个结果：这些NLO材料在能够支持高强度辐射的程度方面受到限制。在由高强度输入光束提供激活能量的情况下，经抛光的表面上的表面损伤在存在水的情况下被迅速地促进。这种劣化在高强度激光束的驱使下沿着光束路径传播到本体器件中。这种现象限制了通过频率转换器的输入激光辐射的量和持续时间。结果，转换效率大大低于最佳情况，器件的工作寿命被显著地损害。已经表明，在NLO器件中本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于产生相干的脉冲式紫外光的装置，所述紫外光具有范围在１ｐｓ到１μｓ之间的脉冲时间，所述装置包括：一个或多个源激光器，其具有可见光的或近红外的频率范围内的光输出；以及一个或多个频率转换级，所述一个或多个频率转换级中的至少之一包括非线性频率转换器件以及一个或多个光学元件，所述光学元件包括：反射器、聚焦元件、偏振控制光学器件、波长分离器或光纤光学元件；其中，所述频率转换器件包括构造成产生具有１９０到３５０ｎｍ之间的波长、经过频率转换的光的碳酸钙镁石型硼酸铝复盐非线性光学材料，所述碳酸钙镁石型硼酸铝复盐非线性光学材料具有由ＲＡｌ↓［３］Ｂ↓［４］Ｏ↓［１２］给出的组成，并且其特征在于在１９０到３５０ｎｍ的波长范围上大于７５％的光学透射率，其中Ｒ包括元素｛Ｓｃ、Ｌａ、Ｙ、Ｌｕ｝中的一种或多种。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-8-1 60/953,402;US 2007-9-27 60/975,8041.一种用于产生相干的脉冲式紫外光的装置，所述紫外光具有范围在1ps到1μs之间的脉冲时间，所述装置包括：一个或多个源激光器，其具有可见光的或近红外的频率范围内的光输出；以及一个或多个频率转换级，所述一个或多个频率转换级中的至少之一包括非线...
【专利技术属性】
技术研发人员：大卫H福斯特，希尔多阿勒克尔，大卫A杜坦，约瑟夫G拉查派尔，迈克尔J姆罗，
申请(专利权)人：深度光子公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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