基于LD泵浦翠绿宝石晶体的高重频193nm激光器

本发明属于激光，尤其涉及一种基于ld泵浦翠绿宝石晶体的高重频193nm激光器。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、193nm激光位于深紫外波段(通常为100nm至200nm)，在高分辨率光谱学、光化学、光纤光栅制备、精密激光加工等领域发挥着不可替代的重要作用，尤其是在半导体集成电路制造等方面，193nm激光是广泛使用且不可或缺的一种光源。目前，在上述波段，市场份额占有率最大的为arf准分子气体激光器；这种气体激光器通过在高压条件下将惰性气体和反应性气体进行组合从而直接产生深紫外激光输出，其优点是输出功率(能量)较大，明显的缺点是工作物质有剧毒且需要频繁更换，系统体积较大，维护困难，使用成本较高。就激光参数方面而言，气体激光器的重复频率较低、光束质量较差，在某些检测方面应用困难。因此，为了解决arf准分子气体激光器在深紫外波段遇到的使用难题，亟需开发一种重复频率可扩展、光束质量更好、性能可靠且稳定的深紫外光源。

3、近年来，全固态193nm激光器逐步发展起来，其具有重复频率可调、光束质量好、相干性好、激光系统体积小等优势，已经在光纤光栅刻写、半导体晶圆缺陷检测等方面开始应用。固体193nm激光器的实现方法主要有：

4、(1)选择1547nm激光作为基频光源，由掺铒光纤产生，泵浦源是激光半导体(ld)，利用非线性晶体进行倍频、三倍频、六倍频、七倍频、八倍频等五次非线性频率变换过程实现193nm激光输出，但该系统所需非线性次数较多，总体电光转换效率低。

5、(2)选择1064nm激光作为基频光源，由nd:yag激光产生，泵浦源为ld，通过倍频、光学参量振荡(opo)、再次倍频、和频、再次和频等五次非线性频率变换过程，同样存在总体转换效率低的问题；另外，还可以通过1064nm倍频产生532nm激光后，将激光分成两路，分别进行四倍频和opo过程，再进行激光和频产生193nm激光，这种方案除了非线性频率变换次数较多外，还存在两束激光在进入非线性晶体前实现空间耦合和时序同步的问题，导致系统体积庞大且不稳定因素增加。

6、(3)选择1030nm激光(由yb:yag激光产生)和1553nm激光(由掺铒光纤激光产生)两束激光作为基频光源，泵浦源均为ld，其中1030nm激光经过倍频、四倍频过程产生258nm激光，再与1553nm激光进行两次和频过程进而产生193nm激光；该方案存在的问题同样是所需非线性频率变换次数较多和两束激光的时空耦合，不利于激光系统的集成与系统电光转换效率的提升。

7、(4)选择773.6nm作为基频光源，由钛宝石激光器产生，泵浦源为绿光激光器，利用非线性晶体进行倍频、三倍频、四倍频等三次非线性频率变换过程实现目标波长输出，但该基频光源的泵浦源为绿光激光器，该泵浦源通过nd:yag激光倍频产生，额外引入了一次非线性频率变换过程，降低了系统整体电光转换效率；此外，钛宝石晶体本身热效应严重，需要良好的温控措施提供稳定保障，该晶体只能使用蓝绿波段进行泵浦，也使得激光系统体积庞大且成本增加；另外一种基于钛宝石激光器的方案是，在非线性频率变换过程中，采用倍频、四倍频两次非线性频率变换过程获得目标波长激光，除了存在泵浦源和晶体温控的问题外，四倍频过程需要利用kbbf晶体，该晶体产能有限，价格昂贵，并且易损坏，长期稳定性较差。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种基于ld泵浦翠绿宝石晶体的高重频193nm激光器，其兼顾泵浦源稳定性好且集成度高、基频光源波长短、非线性频率变换过程少、系统整体电光转换效率高且系统成本较低。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、在一个或多个实施例中，一种基于ld泵浦翠绿宝石晶体的高重频193nm激光器，其包括：ld泵浦源、翠绿宝石激光振荡器和非线性频率变换模块；

4、所述ld泵浦源用于产生激光并输入至翠绿宝石激光振荡器；

5、所述翠绿宝石激光振荡器包括沿着光路依次设置有第一双色镜、翠绿宝石晶体、第一平凸透镜、双折射滤光片、调q器件、第一四分之一波片和输出耦合镜；所述翠绿宝石激光振荡器用于产生基频光源；所述基频光源依次经过第一二分之一波片及第二平凸透镜输入至非线性频率变换模块中，得到193.4nm激光。

6、作为一种实施方式，所述非线性频率变换模块包括沿光路设置的倍频非线性晶体、三倍频非线性晶体、四倍频非线性晶体及分光棱镜。

7、作为一种实施方式，所述ld泵浦源输出的激光依次经过准直透镜和聚焦透镜打在翠绿宝石晶体上。

8、作为一种实施方式，所述翠绿宝石晶体的切割方式为沿晶体c轴切割和布儒斯特角切割中的一种，铬离子掺杂浓度为0.2-0.22at.％，晶体端面镀有对6xxnm、700nm-800nm波段增透膜。

9、在另一些实施例中，还提供了一种基于ld泵浦翠绿宝石晶体的高重频193nm激光器，其包括：ld泵浦源、翠绿宝石再生放大器和非线性频率变换模块；

10、所述ld泵浦源用于产生激光并输入至翠绿宝石再生放大器；

11、所述翠绿宝石再生放大器包括第二双色镜、谐振腔、第二二分之一波片、法拉第旋光器、第二薄膜偏振片和第八反射镜；谐振腔以第一反射镜和第七发反射镜为端镜，谐振腔内还设置有翠绿宝石晶体、第一薄膜偏振片和普克尔盒；

12、所述翠绿宝石再生放大器的种子光经过依次第二薄膜偏振片、法拉第旋光器、第二二分之一波片和第一薄膜偏振片进入谐振腔内，种子光在以第一反射镜和第七发反射镜为端镜的谐振腔中多次振荡，每次经过翠绿宝石晶体时种子光得到一次放大；当撤去普克尔盒两端高压，放大后的种子光偏振态变为s偏振，在第一薄膜偏振片反射输出；放大后的输出激光再依次经过第二二分之一波片、法拉第旋光器、第二薄膜偏振片和第八反射镜进行空间准直，最后依次经过第一二分之一波片和第二平凸透镜进入非线性频率变换模块，获得193nm激光。

13、作为一种实施方式，所述谐振腔还包括第二反射镜、第二双色镜、第三反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜和第二四分之一波片；

14、进入谐振腔内的种子光的偏振态为s偏振，通过普克尔盒和第二四分之一波片，经过第七反射镜反射，再次通过第二四分之一波片和普克尔盒，激光偏振态改变为p偏振，此时普克尔盒两端施加四分之一波电压，种子光透射经过第一薄膜偏振片，依次经过第六反射镜、第五反射镜、第四反射镜、第三反射镜、翠绿宝石晶体、第二双色镜、第二反射镜和第一反射镜，再原路返回至第七反射镜，此时激光的偏振态仍为p偏振。

15、作为一种实施方式，第二双色镜为平面镜，对638nm激光高透，透过率大于95％，对700nm-800nm激光高反，反射率大于99.9％；

16、第一反射镜为平面镜，对700nm-800nm波段激光高反，反射率大于99.9％；

17、第二反射镜为平凹镜，曲率半径为800mm，对700nm-800nm波段激光高反，反射率大于99.9％；

18、第三反射镜为平面镜，对700nm-800nm波段激光高反，反射率大于99.9％；

19、第四反射镜为平凹镜，曲率半径为500mm，对700nm-800nm波段激光高反，反射率大于99.9％；

20、第五反射镜为平面镜，对700nm-800nm波段激光高反，反射率大于99.9％；

21、第六反射镜为平面镜，对700nm-800nm波段激光高反，反射率大于99.9％；

22、第七反射镜为平面镜，对700nm-800nm波段激光高反，反射率大于99.9％；

23、第八反射镜为平面镜，对700nm-800nm波段激光高反，反射率大于99.9％。

24、作为一种实施方式，第一薄膜偏振片消光比大于500:1，以与腔内激光传输方向呈布儒斯特角的角度插入；

25、第二薄膜偏振片消光比大于500:1，与种子光传输方向呈布儒斯特角。

26、作为一种实施方式，种子光的中心波长为773.6nm。

27、作为一种实施方式，所述非线性频率变换模块包括沿光路设置的倍频非线性晶体、三倍频非线性晶体、四倍频非线性晶体及分光棱镜。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

29、(1)本发明所使用的基频光源由翠绿宝石激光器产生，翠绿宝石晶体是一种性能优异的激光晶体，能够实现700nm-800nm波段激光的可调谐输出，该晶体损伤阈值高、热导率高、适合大功率泵浦，对提升基频光源功率进而提升193nm激光功率有益。并且翠绿宝石激光器输出的激光是线偏光，可以直接通过波片调整以满足非线性晶体相位匹配的要求。

30、(2)本发明所使用的基频光源为773.6nm左右，通过最多三次非线性过程即可获得193.4nm左右的激光输出，相比于1μm、1.5μm波段基频光源而言，非线性频率变换过程更少，总体转换效率更高。

31、(3)本发明所述激光器属于全固态激光器，与传统的准分子气体激光器相比，在光束质量、激光重复频率等参数方面优势明显，特别是重复频率主要受普克尔盒的控制，能够达到khz甚至mhz量级，并且全固态激光器更加小型、便携、鲁棒性好、易于维护。

32、(4)本发明所述激光器与同为固体激光器的钛宝石激光器方案相比，该发明所使用的ld泵浦源电光转换效率高，长期稳定性好，并且激光产生过程中的量子亏损更低，此外该发明所使用的晶体热管理装置简单，能够实现系统的进一步集成与简化。

33、(5)在非线性频率变换模块中，充分利用基频光源及频率变换过程中产生的新波长激光的偏振特性，对使用的三块晶体进行不同切割角度的设计，采用级联倍频的方式，避免了其他器件的引入，大幅地缩减了整个变频模块的体积，对系统集成化、小型化有益。另外，所使用的非线性晶体为lbo和bbo，制造技术相当成熟，有效地控制了成本。

34、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。