产生深紫外激光的装置

1.本公开涉及紫外激光技术领域，具体地，涉及一种产生深紫外激光的装置。


背景技术：

2.波长小于200nm的深紫外激光，由于其波长短、单光子能量高等特点，而广泛应用于在机械微加工、微电子学、紫外光谱学、信息学以及医学等多个领域。深紫外激光因热效能低、刻蚀能力强且稳定、在室温环境下传输能量损耗甚微等优良性能，在许多领域的有很大的应用潜力。目前，产生深紫外激光的方法主要有arf准分子激光器和全固态紫外激光器。全固态激光器具有结构紧凑、效率高等优势，利用全固态激光器并结合非线性光学晶体，采用倍频、和频等二阶非线性光学技术，最终频率变换获得深紫外激光。
3.目前已能够利用355nm紫外激光，通过二阶非线性倍频技术，实现177.3nm深紫外激光输出，由此突破了全固态激光200nm壁垒，并应用于棱镜耦合技术。对于177.3nm深紫外全固态激光器，产生原理主要有两种，一种是利用二阶非线性效应对532nm激光倍频产生波长为266nm的紫外激光，再将532nm及266nm两束激光进行和频，从而产生177.3nm深紫外激光；另一种是利用二阶非线性效应，使用紫外非线性光学晶体如kbbf晶体，将355nm紫外激光倍频产生177.3nm深紫外激光。
4.另外，已研发了一种采用泵浦源为320-340nm波长的全固态紫外激光泵浦源，直接倍频实现波长160-170nm的全固态深紫外激光。还研发了一种利用了二阶非线性光学复合晶体输出深紫外激光的技术。第一晶体将输入的520-538nm泵浦光转换为700-735nm激光，第二晶体将700-735nm激光与由520-538nm的激光倍频产生的259.4-288.2nm的激光和频，从而获得波长190-205nm的深紫外激光。在另一种方法中，采用1064nm波长激光经过多次倍频及和频产生波长213nm紫外激光，使用的二阶非线性光学晶体有bbo、lbo等。但是目前合适的深紫外非线性光学晶体不多，并且技术复杂、体积庞大，为了解决目前全固态激光利用二阶非线性多级倍频及和频获得深紫外激光成本高、结构复杂的缺点，亟需一种成本低、结构简单的产生深紫外激光的装置。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本公开提供了一种产生深紫外激光的装置，以解决上述以及其他方面的至少一种技术问题。
6.为了实现上述目的，本公开的一个方面，提供了一种产生深紫外激光的装置，包括：固体激光器，提供持续稳定的激光；聚焦透镜，用于对固体激光器射出的激光进行聚焦；氮气腔室，聚焦透镜设置于氮气腔室外侧，氮气腔室被构造成提供氮气环境；非线性超表面，设置在氮气腔室内，具有三阶非线性光学性质，聚焦透镜聚焦后的激光通过非线性超表面部分激光可产生三次谐波深紫外激光，形成混合激光；电动转台，设置于非线性超表面下，用于微调电动转台，为电动转台上的所述非线性超表面提供合适的角度；分光组件，被构造成将来自于非线性超表面的混合激光分成长波长基频光和短波长三次谐波深紫外激
光。
7.根据本公开的实施例，非线性超表面由tio2或si构成，通过微纳加工技术在tio2或si材料表面加工出纳米级或亚微米级的结构单元，以产生局域场增强效果并提高tio2或si的三阶非线性效应。
8.根据本公开的实施例，分光组件包括：第一分光镜，被构造成透射来自于非线性超表面的混合激光中的长波长基频光，反射来自于非线性超表面的混合激光中的短波长三次谐波深紫外激光，以实现初步激光分离；以及第二分光镜，被构造成透射来自于第一分光镜的初步分离的深紫外激光中的长波长基频光，反射来自于第一分光镜的初步分离的深紫外激光中的短波长三次谐波深紫外激光，以实现二次激光分离。
9.根据本公开的实施例，产生深紫外激光的装置还包括：功率计探头，设置成接收来自于第二分光镜的短波长三次谐波深紫外激光，以利用与功率计探头配合的功率计对短波长三次谐波深紫外激光进行功率测量。
10.根据本公开的实施例，分光组件还包括：第一激光吸收装置，被构造成吸收由第一分光镜透射的混合激光中的长波长基频光；以及第二激光吸收装置，被构造成吸收由第二分光镜透射的初步分离的深紫外激光中的长波长基频光。
11.根据本公开的实施例，第一激光吸收装置和第二激光吸收装置由钢或铸铁制成，呈桶状结构。
12.根据本公开的实施例，氮气腔室设有可开合的氮气腔盖；优选地，氮气腔盖设有透明部，用于观察氮气腔室内部组件的工作状态；优选地，在氮气腔室和氮气腔盖之间设有橡胶密封圈，通过卡钳将氮气腔室、橡胶密封圈和氮气腔盖卡紧，用于保证氮气腔室气密性。
13.根据本公开的实施例，产生深紫外激光的装置还包括：进气阀，设置于氮气腔室外侧，用于控制进入氮气腔室的氮气量；以及出气阀，设置于氮气腔室外侧，用于控制排出氮气腔室的氮气量。
14.根据本公开的实施例，聚焦透镜选用球面透镜、非球面透镜或柱面透镜中的至少之一；聚焦透镜镀有对固体激光器射出激光透过率达97％以上的透光膜。
15.根据本公开的实施例，第一分光镜和第二分光镜镀有复合膜，复合膜满足某角度范围透射固体激光器射出的长波长基频光，反射非线性超表面产生的短波长深紫外激光。
16.根据本公开的上述实施例的一种产生深紫外激光的装置，采用具有高效三阶非线性性质的非线性超表面作为非线性光学介质，使固体激光器产生的激光通过聚焦透镜后，在非线性超表面处产生三次谐波深紫外激光，激光经分光镜两次分光后，得到三次谐波深紫外激光，具有成本低、结构简单的优点，且方便对深紫外激光光束质量、输出功率等性质进行评估。
附图说明
17.图1是本公开实施例的产生深紫外激光的装置的俯视图；以及
18.图2是本公开实施例的产生深紫外激光的装置的立体示意图。
19.附图标记说明
20.1 固体激光器
21.2 聚焦透镜
22.3 氮气腔室
23.31 氮气腔盖
24.32 橡胶密封圈
25.33 卡钳
26.4 非线性超表面
27.5 电动转台
28.6 分光组件
29.61 第一分光镜
30.62 第二分光镜
31.63 第一激光吸收装置
32.64 第二激光吸收装置
33.7 功率计探头
34.81 进气阀
35.82 出气阀
36.91 第一插座
37.92 第二插座
具体实施方式
38.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
39.传统的产生深紫外激光的方法中，全固态紫外激光器具有结构紧凑、效率高等优势，利用全固态紫外激光器并结合非线性光学晶体，采用倍频、和频等二阶非线性光学技术，最终频率变换获得深紫外激光。但是目前合适的深紫外非线性光学晶体不多，并且技术复杂、体积庞大，为了解决目前全固态激光利用二阶非线性多级倍频及和频获得深紫外激光成本高、结构复杂的缺点，我们亟需了一种成本低、结构简单的产生深紫外激光的装置。
40.为此，根据本公开的一个方面的总体上的发明构思，提供一种产生深紫外激光的装置，包括：固体激光器，提供持续稳定的激光；聚焦透镜，用于对固体激光器射出的激光进行聚焦；氮气腔室，聚焦透镜设置于氮气腔室外侧，氮气腔室被构造成提供氮气环境；非线性超表面，设置在氮气腔室内，具有三阶非线性光学性质，聚焦透镜聚焦后的激光通过非线性超表面部分激光可产生三次谐波深紫外激光，形成混合激光；电动转台，设置于非线性超表面下，用于微调电动转台，为电动转台上的所述非线性超表面提供合适的角度；分光组件，被构造成将来自于非线性超表面的混合激光分成长波长基频光和短波长三次谐波深紫外激光。
41.在上述产生深紫外激光的装置中，采用具有高效三阶非线性性质的非线性超表面作为非线性光学介质，使固体激光器产生的激光通过聚焦透镜后，在非线性超表面处产生三次谐波深紫外激光，激光经分光镜两次分光后，得到深紫外激光，具有成本低、结构简单的优点，且方便对深紫外激光光束质量、输出功率等性质进行评估。
42.以下列举具体实施例来对本公开的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本公开。
43.图1是本公开实施例的产生深紫外激光的装置的俯视图；图2是本公开实施例的产生深紫外激光的装置的立体示意图。
44.如图1和图2所示，本公开提供一种产生深紫外激光的装置，包括：固体激光器1、聚焦透镜2、氮气腔室3、非线性超表面4、电动转台5和分光组件6。其中，固体激光器1用于提供持续稳定的激光；聚焦透镜2用于对固体激光器射出的激光进行聚焦；氮气腔室3提供氮气环境，且聚焦透镜设置于氮气腔室外侧；具有三阶非线性光学性质的非线性超表面4设置在氮气腔室3内，聚焦透镜2聚焦后的激光通过非线性超表面4部分激光可产生三次谐波深紫外激光，由于还包含部分长波长基频光，形成混合激光，需要进一步激光分离，得到高质量的三次谐波深紫外激光；用于微调的电动转台5，设置于非线性超表面4下，为电动转台5上的所述非线性超表面4提供合适的角度；分光组件6则将来自于非线性超表面4的混合激光分成长波长基频光和短波长三次谐波深紫外激光。
45.根据本公开的实施例，氮气腔室3由结构钢或结构铝制成。
46.根据本公开的实施例，非线性超表面4由tio2或si构成，通过微纳加工技术在tio2或si材料表面加工出纳米级或亚微米级的结构单元，以产生局域场增强效果并提高tio2或si的三阶非线性效应。
47.根据本公开的实施例，分光组件6包括第一分光镜61和第二分光镜62，其中第一分光镜61用来透射来自于非线性超表面5的混合激光中的长波长基频光，反射来自于非线性超表面5的混合激光中的短波长三次谐波深紫外激光，以实现初步激光分离。第二分光镜62则用来透射来自于第一分光镜61的初步分离的深紫外激光中的长波长基频光，反射来自于第一分光镜61初步分离的深紫外激光中的短波长三次谐波深紫外激光，以实现二次激光分离，最终得到透射过第二分光镜的深紫外激光。
48.根据本公开的实施例，产生深紫外激光的装置还包括功率计探头7，其设置成接收来自于第二分光镜62的短波长三次谐波深紫外激光，以利用与功率计探头7配合的功率计对短波长三次谐波深紫外激光进行功率测量，可对深紫外激光光束质量和输出功率进行评估。
49.根据本公开的实施例，分光组件还包括第一激光吸收装置63和第二激光吸收装置64。第一激光吸收装置63用于吸收由第一分光镜透射61的混合激光中的长波长基频光；以及第二激光吸收装置64则被构造成吸收由第二分光镜62透射的初步分离的深紫外激光中的长波长基频光。
50.根据本公开的实施例，第一激光吸收装置63和第二激光吸收装置64由钢或铸铁制成，呈桶状结构，装置内部可对激光产生漫反射，从而对透过分光镜进入吸收装置内部的532nm激光进行吸收。
51.根据本公开的实施例，产生深紫外激光的装置还包括第一插座91和第二插座92。第一插座91设置于氮气腔室3外侧，用于连接电动转台6和外部电源以及控制器；第二插座92设置于氮气腔室3外侧，用于连接功率计探头7和外部电源以及与功率计探头7配合使用的功率计。
52.根据本公开的实施例，氮气腔室3设有可开合的氮气腔盖31，由于深紫外激光在空气中会被氧气强烈吸收，则需采用氮气腔室3装置提供氮气氛围。
53.根据本公开的实施例，用于观察氮气腔室3内部组件的工作状态的氮气腔盖31设
有透明部；
54.根据本公开的实施例，橡胶密封圈32设置于氮气腔室3和氮气腔盖31之间，通过卡钳33将氮气腔室3、橡胶密封圈32和氮气腔盖31卡紧，防止空气从连接处进入腔室，用于保证氮气腔室气密性。
55.根据本公开的实施例，产生深紫外激光的装置还包括进气阀81和出气阀82。进气阀81设置于氮气腔室3外侧，用于控制进入氮气腔室3的氮气量。出气阀82则设置于氮气腔室3外侧，用于控制排出氮气腔室3的氮气量。
56.根据本公开的实施例，聚焦透镜2选用球面透镜、非球面透镜或柱面透镜中的至少之一；聚焦透镜镀有对固体激光器射出激光透过率达97％以上的透光膜。
57.根据本公开的实施例，第一分光镜61和第二分光镜62镀有复合膜，复合膜满足某角度范围透射固体激光器1射出的长波长基频光，反射非线性超表面4产生的短波长深紫外激光。
58.根据本公开的实施例，固体激光器1作为泵浦源提供532nm激光，532nm激光通过聚焦透镜2将532nm激光聚焦到非线性超表面4上，发生三阶非线性光学效应，获得三次谐波177.3nm深紫外激光。其中，聚焦透镜2镀有对波长532nm激光高透过率的膜，激光透过率达97％以上，532nm固体激光器1输出的532nm激光由此进入氮气腔室3中，532nm激光通过非线性超表面4能产生三次谐波177.3nm深紫外激光。第一分光镜61和第二分光镜62上镀有45
°
时对532nm激光高透过率以及对三次谐波177.3nm深紫外激光高反射率的复合膜，通过45
°
放置的第一分光镜61和第二分光镜62将532nm激光与三次谐波177.3nm深紫外激光进行光路分离，最终得到三次谐波177.3nm深紫外激光，并利用与功率计探头7配合的功率计对三次谐波177.3nm深紫外激光进行功率测量，可对深紫外激光光束质量和输出功率进行评估。
59.根据本公开的实施例，工作过程中进气阀81和出气阀82均保持打开状态，使氮气以一定流量进入并排出，使氮气腔室3形成流动的氮气气氛，更有利于隔绝氧气，提供氮气氛围。
60.根据本公开的上述实施例的一种产生深紫外激光的装置，采用具有高效三阶非线性性质的非线性超表面作为非线性光学介质，使固体激光器产生的激光通过聚焦透镜后，在非线性超表面处产生三次谐波深紫外激光，激光经分光镜两次分光后，得到三次谐波深紫外激光，具有成本低、结构简单的优点，且方便对深紫外激光光束质量、输出功率等性质进行评估。
61.还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
62.并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。再者，单词"包含"不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
63.类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保
护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
64.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。