一种193nm波段紫外连续激光产生系统的制作方法

本发明属于激光，具体涉及一种193nm波段紫外连续激光产生系统。

背景技术：

1、193nm波段(180-200nm)紫外激光被广泛应用于科学研究和工业加工、量测等尖端领域，对科技和工业技术的发展有着极其重要的意义。然而，193nm波段激光的产生和优化及其困难，目前只有arf准分子激光器可直接产生193nm波段激光。但由于是气体激光器，工作介质需定期更换，维护成本较高，且arf气体是有毒气体，存在危害人身安全和环境污染的风险。此外，从应用方面考虑，受其激发机制的限制，arf准分子激光器只能产生脉冲激光，且其脉宽和重复频率灵活性很差。随着激光器功率的提升以及非线性晶体生长和加工技术的发展，利用倍频、和频等方式通过非线性频率变换来产生193nm波段激光的优势逐渐显现。基于非线性频率变换的193nm波段激光器，无需定期更换增益介质，极大地降低了激光器的运行和维护成本，且安全无污染，更重要的是，基于非线性频率变换的方案可根据需求定制输出激光的脉宽和重复频率，产生适用于不同应用的脉冲激光及窄线宽的连续激光，拓宽193nm波段激光的应用范围。

2、目前，基于非线性频率变换的方案已广泛应用于193nm波段连续激光的产生，但由于输出波长的限制，只有钛宝石激光器和掺铒光纤激光器可利用一台激光器作为驱动光源，分别通过四次谐波和八次谐波产生直接获得193nm波段激光外，但存在输出功率和转换效率低的问题。除此之外，常见的稀土离子激光器一般需要通过光参量振荡或者另外一台或两台激光器来引入新的波长，通过和频来产生193nm波段激光，这不利于对输出193nm波段激光线宽和光束质量的控制，同时增加了的系统的复杂程度，也会对系统的长期稳定性带来不利影响。

3、因此，如何利用一台驱动光源稳定高效地产生高功率193nm波段连续激光是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种基于金刚石拉曼技术的193nm波段紫外连续激光产生系统。

2、为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

3、一种基于金刚石拉曼技术的193nm波段紫外连续激光产生系统，其特征在于：包括依次连接的近红外激光驱动单元、可见激光产生系统与紫外激光产生系统；其中，所述近红外激光驱动单元产生波长为λ1的近红外激光，λ1为1000-1120nm范围的任意波长，在进入所述可见激光产生系统后，通过倍频过程产生波长为λ2的可见激光λ2＝λ1/2。然后，以波长为λ2的可见光泵浦金刚石晶体，利用金刚石晶体的一阶拉曼效应，产生波长为λ3的激光，λ3＝λ2+δλ,并注入到紫外激光产生系统中，通过倍频过程产生波长为λ4的紫外激光后，λ4＝λ3/2，利用和频过程产生波长为λ5的193nm波段紫外连续激光，1/λ5＝1/λ3+1/λ4。

4、在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用如下技术方案：

5、作为本发明的优选技术方案：所述近红外激光驱动单元包括信号发生器和依次连接的单频激光器、相位调制器、光纤隔离器、光纤前置放大器、光纤隔离器、光纤主放大器；

6、其中，所述单频激光器选用稀土粒子掺杂的固体激光器、固体拉曼激光器、分布反馈半导体激光器、外腔半导体激光器、分布反馈光纤激光器或分布式布拉格反射光纤激光器，产生波长处于1000-1120范围内的线宽小于500mhz的单频种子激光，其波长记为λ1；

7、所述相位调制器选用光纤耦合电光相位调制器或空间相位调制器；

8、所述光纤前置放大器与光纤主放大器选用镱离子掺杂的光纤放大器；

9、所述信号发生器可以产生周期性信号或白噪声信号，且输出信号功率和频率可调，信号频率范围为0-20ghz，用于驱动相位调制器，实现对光纤主放大器中非线性效应的控制，获得高功率近红外激光输出；所述周期性信号为正弦信号、方波信号、伪随机码信号或三角波信号。

10、所述可见激光产生系统包括依次连接的空间隔离器、第一聚焦系统、第一倍频模块、第一准直系统、第一分束镜、第二聚焦系统、第一输入耦合镜、金刚石拉曼模块、第二准直系统；

11、所述第一倍频模块由温控炉与置于其中的第一非线性晶体构成，通过单通倍频、双通倍频或级联单通倍频的方式产生波长为λ2的可见激光，λ2＝λ1/2；所述金刚石拉曼模块由谐振腔、水冷器与置于水冷器内的金刚石晶体构成，通过金刚石晶体的一阶受激拉曼散射效应，使激光波长产生δλ＝1332.3cm-1的频移，获得波长为λ3的可见激光，λ3＝λ2+δλ；所述第一温控炉与水冷模块分别用于控制第一非线性晶体和金刚石晶体的温度；

12、所述第一非线性晶体，指用于实现单通或双通倍频的单块非线性晶体，或用于实现级联单通倍频的多块级联的非线性晶体，选用β-偏硼酸钡晶体、三硼酸锂晶体、三硼酸铋晶体、硼酸锂铯晶体、磷酸钛氧钾晶体、砷酸钛氧钾晶体、磷酸二氢钾晶体、磷酸二氘钾晶体、磷酸二氢氨晶体、磷酸二氘氨晶体、四氟硼酸胍晶体、氧化硼酸钇钙晶体、周期性极化的铌酸锂晶体、掺氧化镁的周期性极化铌酸锂晶体、掺氧化镁的周期性极化的化学计量比钽酸锂晶体、周期极化的磷酸钛氧钾晶体或周期极化的砷酸钛氧钾晶体。

13、所述紫外激光产生系统，包含洁净气体供气系统、密封腔体以及置于密封腔体内的第三聚焦系统、第二倍频模块、第三准直系统、偏振转换器、第四聚焦系统、谐振腔、谐振腔内的和频模块、第二分束镜、第四准直系统，锁腔系统；

14、所述密封腔体，其主体采用铝、铁、钛、铜金属及其合金，表面镀钯、金、镍、银、锌、镉中的一种或多种金属材料；

15、所述第二倍频模块由第二温控炉与置于其中的第二非线性晶体构成，通过单通倍频、双通倍频或级联单通倍频产生波长为λ4的激光输出(λ4＝λ3/2)；所述和频模块由第三温控炉与置于其中的第三非线性晶体构成，实现波长为λ3和λ4的两束激光的和频，从而产生波长为λ5的193nm波段激光；第二温控炉与第三温控炉分别控制第二非线性晶体和第三非线性晶体的温度；

16、所述洁净气体供气与循环系统为所述密封腔体内部提供持续的干燥洁净的气体，所用气体可选择洁净干燥的空气、洁净干燥的氮气、洁净干燥的氩气或以上几种洁净干燥气体不同比例的混合气体；

17、所述第二非线性晶体指用于实现单通或双通倍频的单块非线性晶体，或用于实现级联单通倍频的多块级联的非线性晶体，选用β-偏硼酸钡晶体、三硼酸锂晶体、硼酸锂铯晶体、三硼酸铋晶体、磷酸二氢钾晶体、磷酸二氘钾晶体、磷酸二氢氨晶体、磷酸二氘氨晶体、四氟硼酸胍晶体、氟硼酸钾晶体以及附加周期位相的石英晶体、附加周期位相的磷酸二氢钾晶体、附加周期位相的磷酸二氘钾晶体、附加周期位相的磷酸二氢氨晶体或附加周期位相的磷酸二氘氨晶体；

18、所述第三非线性晶体选用四氟硼酸胍晶体、氟硼酸钾晶体以及附加周期位相的石英晶体、附加周期位相的磷酸二氢钾晶体、附加周期位相的磷酸二氘钾晶体、附加周期位相的磷酸二氢氨晶体或附加周期位相的磷酸二氘氨晶体。

19、第一聚焦系统、第二聚焦系统、第三聚焦系统和第四聚焦系统，第一准直系统、第二准直系统、第三准直系统和第四准直系统，采用单个透镜或透镜组。

20、所述第一分束镜、第二分束镜采用谐波分束镜或二向色镜，对不同波长的光进行有效分离，确保了激光器能够高效地产生多波长输出。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的一种193nm波段紫外连续激光产生系统，利用掺镱光纤激光器产生的1000-1120nm范围内的波长为λ1的高功率近红外激光作为驱动光源，通过倍频过程产生波长为λ2的可见激光作为后续金刚石拉曼过程的泵浦光，利用金刚石的一阶受激拉曼过程产生波长为λ3的可见激光，随后波长为λ3的可见激光通过一次倍频产生波长为λ4的紫外激光，最后通过波长为λ3与λ4激光的和频过程产生波长为λ5的193nm波段紫外激光。以上过程结合金刚石晶体的受激拉曼散射效应和非线性晶体中的倍频与和频效应，可利用一台激光器实现高功率的193nm波段激光输出，无需其他激光器辅助，极大地简化了激光系统。

22、进一步的，本发明中利用可见光泵浦金刚石拉曼，充分利用了金刚石拉曼在可见光波段具有更高增益，是近红外波段增益的2倍的特性，相比近红外激光泵浦方案，有助于提高激光转化效率。同时，得益于金刚石拉曼激光所具有的线宽窄、光束质量高的优点，使得输出的193nm波段激光具有窄线宽、高光束质量的特点，为实际应用中光学系统消除色差和光束整形降低了难度。此外，该系统具有低成本易维护、运行稳定的特点，在生物医学、紫外光谱分析学、duv光刻与量测、fbg写入和光刻掩模修复等领域具有广阔的应用前景。

23、与传统的稀土离子掺杂激光器相比，以光纤和金刚石为增益介质的拉曼激光器，其输出波长灵活，具有极宽的波长覆盖范围。特别是近几年兴起的金刚石拉曼激光器，利用金刚石中的受激拉曼散射效应，在具有合适泵浦激光的条件下，可在其透光范围内(255nm-10μm)实现任意波长的激光输出，同时金刚石拉曼激光还具有高功率、高光束质量和窄线宽的优势，以上优势为产生具有高光束质量的高功率窄线宽193nm波段激光提供了便利。