[發明專利]用于脈沖式諧波紫外激光器的方法和裝置

無效

• 申請號: 200880109916.3
• 申請日: 2008-07-31
• 公開（公告）號: CN101933201A
• 公開（公告）日: 2010-12-29
• 發明（設計）人: 大衛·H·福斯特;希爾多·阿勒克爾;大衛·A·杜坦;約瑟夫·G·拉查派爾;邁克爾·J·姆羅
• 申請（專利權）人: 深度光子公司
• 主分類號: H01S3/10
• 分類號: H01S3/10
• 代理公司: 北京東方億思知識產權代理有限責任公司 11258
• 代理人: 李劍;南霆

相關申請的交叉引用

本申請根據35U.S.C.§119(e)要求2007年08月01日提交的題為“Method?and?Apparatus?for?Quasi-Continuous?Wave?Harmonic?Lasers”的美國臨時專利申請No.60/953,402以及2007年09月27日提交的題為“Method?and?Apparatus?for?Pulsed?Harmonic?Ultraviolet?Lasers”的美國臨時專利申請No.60/975,804的優先權，這些申請的全部內容為了所有目的而通過引用方式結合于此。

技術領域

本發明一般地涉及高性能激光源，該激光源在內部使用非線性光學處理將激光轉換到更高的頻率。僅作為示例，本發明的一些實施例提供了用于產生相干脈沖式紫外(UV)光的裝置，該紫外光的波長范圍在190到350nm之間，脈沖持續時間范圍在1ps到300ps之間，每秒有1千萬個或更多個脈沖。作為另一種示例，本發明的一些實施例提供了用于產生脈沖的裝置，所述脈沖的持續時間在300ps到100ns之間，并且每秒發生10萬到5百萬次。在再一種示例中，脈沖包(packet)具有多個更短的脈沖，每個包具有1ns到1μs之間的持續時間，并且每秒發生10萬到1億個包。但是，本發明的范圍不限于這些具體實施方式，而有更廣泛的應用范圍。

背景技術

對應許多工業和研究應用而言，越來越需要發射波長范圍在190-350nm的光的紫外激光器。UV源具有比可見光源或近紅外(NIR)源更高的分辨能力，所以對于需要高分辨率成像或散射的應用而言更為理想。UV源還具有比可見光源或NIR源更高的每光子能量，因此使得更多需要將材料去除或使材料改變的應用能夠進行。

在復合受激態(exciplex)激光器中，由電子躍遷直接產生UV光；而除了復合受激態激光器之外，紫外激光器使用對于至少一個更低頻率的源激光器進行的頻率轉換(FC)。頻率轉換處理包括二次諧波產生(SHG)、和頻產生(SFG)以及差頻產生(DFG)。頻率轉換激光器包含一個或多個源激光器，這些源激光器的輸出被導入SHG或SFG的一個或多個FC級。這些級經常以串聯方式級聯以獲得越來越高的頻率。SHG級將輸入光的一部分轉換成兩倍于輸入光頻率(輸入光的一半波長)的光。SFG級取得兩個不同頻率的輸入光，并將該輸入光的一部分轉換成這樣的光：所述光的頻率是這些輸入頻率的和。

SHG和SFG?FC級是用專門的非線性光學(NLO)材料來實現的，所述材料通過目前已經令人滿意地了解并歸類在“非線性光學”主題之下的處理來產生更高頻率的光。在許多情況下，NLO器件是非線性光學材料的單晶，被精密地切割和定向，從而為了所選的目的而工作。比單晶更為復雜的NLO器件的示例包括周期性極化的準相位匹配(QPM)器件、具有走離(walk-off)補償的器件、以及由兩個NLO材料光學地接觸在一起以在一個光學元件中實現兩個FC級。需要非常仔細以使NLO器件滿足相位匹配條件、與材料定向有關的物理要求、(一個或多個)輸入光束的定向、(一個或多個)輸入光束的偏振態、以及材料溫度。本領域已知用于相位匹配的多種手段，包括臨界相位匹配、非臨界相位匹配(NCPM)和準相位匹配。

當以高峰值功率的短脈沖方式遞送時間平均(time-averaged)的輸入功率時，與以恒定幅度的連續波(CW)方式相比，SHG級將光轉換成二次諧波(SH)的能量效率大大增加。事實上，當該級在低轉換效率(低于10％)的體制下工作時(正如由于各種約束條件所造成的情況)，固定的時間平均輸入功率的轉換效率與脈沖式源的占空比(duty?cycle)大體上成反比。因此，在頻率轉換式激光系統中，使用脈沖式源而不是CW源，是非常有利的。實際上，使用CW源的FC激光系統需要使用腔諧振器以通過來回激光輻射的相長干涉來增強輸入場強。在激光器增益腔內，雖然腔內插入FC器件可以足夠強勁，但是外部的Fabry-Perot外部諧振器對于對準和擾動情況極其敏感。這樣的腔造成了顯著的工程性難題，需要快速的光學-機械控制以及極端的措施來對抗熱血噪聲和振動噪聲。在將一系列諧振腔耦合以實現更高階光學諧振時，在工程上極其困難。