[发明专利]半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器

说明书

【技术领域】

本发明属于激光技术领域，涉及一种半导体激光二极管双端面泵浦三次谐波紫外激光器。

【技术背景】

三次谐波紫外激光器一直是固体激光器领域的技术难点，但因其在很多实际运用中都有非常广泛的应用，所以三次谐波紫外激光器已成为人们研究的热点。利用三次谐波紫外激光加工材料过程称为“光蚀”效应，高能量的光子直接破坏材料的化学键属于“冷”处理过程，热影响区域微乎其微。相比之下，可见光和红外激光利用聚焦到加工部位的热量来熔化材料，热量经过传导会影响到周围的材料，产生有害的热影响区域；同时，由于三次谐波紫外激光在聚焦时，聚焦点可小到亚微米数量级，从而对金属和聚合物的微处理更具优越性，可以进行小部件的加工，即使在不高的脉冲能量水平下，也能得到较高的能量密度，有效地进行材料加工。所以，三次谐波紫外激光器具有良好的“冷加工”和“聚焦”性能，两者结合在一起，使其可以加工极其微小的部件；不仅如此，由于大多数材料都能够有效地吸收紫外激光，从而三次谐波紫外激光器有更高的灵活性和更广泛的应用场合，可以被用来加工红外和可见激光加工不了的材料。

与266nm波长的深紫外激光器相比，三次谐波紫外激光器其技术更为成熟，其性能更为稳定，能输出较高的激光功率和激光峰值功率，可以在各种加工材料上获得非常好的加工效果；其特征尺寸也很小，任何厚度小于125个微米的金属都可以用来进行快速切割，切口干净，具有良好的应用前景。

在产生三次谐波紫外激光的方法中，常采用激光谐振腔腔外混频的方法。这种方法很难得到高功率、高效率的三倍谐波输出，为了提高腔外谐波的转换效率，通常采用透镜聚焦来增强基波的功率密度，但聚焦后的光束很容易造成非线性晶体膜层和晶体本身的破坏，影响谐波总功率的输出；同时，腔外混频为单程行为，基波和二次谐波一次性通过三倍频晶体，转换效率较低。

现在普遍使用的三次谐波紫外激光器可分为气体，灯泵浦，侧面泵浦，端面泵浦等几个类型。气体紫外激光器的体积大，效率低，设备过于复杂不便于维护；灯泵浦的紫外激光器效率比较低，可靠性较差；侧面泵浦和端面泵浦的紫外激光器在体积和操作等方面较为相近，但是相比之下，端面泵浦紫外激光器的光束质量和转换效率是侧面泵浦紫外激光器无法比拟的。

此外，传统的半导体泵浦三次谐波紫外激光器在技术设计方面存在一定缺陷，使得紫外激光器的稳定性和光束质量成了需要解决的难题。例如，在激光器的谐振腔型设计方面，为了获得更好的光学质量，通常需要使用凸镜作为激光器谐振腔的腔镜如中国专利申请第200410073574.8号所示，但是凸镜所构成的激光谐振腔较为敏感，而机械设计的精度又很难达到，在搬运过程中就有可能产生因震动或变形而导致激光功率或激光光束质量下降的问题，所以不适合产品化。

同时，在双端面泵浦的三次谐波紫外激光器中，其基频光的产生所采用的泵浦方式大都选用双端面泵浦单块增益介质晶体的结构，如美国专利第6587487号所示，但因受增益介质晶体中的热效应所产生的热应力不能超过晶体的断裂应力的限制，增益介质晶体的单位面积上存在最大泵浦功率及输出功率受到限制(《Power scaling of diode-pumped Nd:YVO4Lasers》，IEEE JQuantum Electronics，2002，38(9)：1291～1299)，所以很难得到高的紫外激光输出。

【发明内容】

本发明所欲解决的技术问题是提供一种充分利用腔内强基波光，得到高效率、高光束质量的半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器。

本发明所采用的技术方案是：一种半导体双端面泵浦三次谐波紫外激光器，包括半导体泵浦模块、光学耦合系统、基波增益介质晶体、二次谐波非线性晶体、三次谐波非线性晶体、波片、调制器件、激光谐振腔镜、紫外激光反射镜，半导体泵浦模块输出的泵浦光传输到光学耦合系统中，经光学耦合系统准直聚焦后耦合于基波增益介质晶体端面，基波增益介质晶体的“C”轴方向竖直向上放置；基波增益介质晶体吸收泵浦光能量后产生受激发射，发射出的光在激光谐振腔内经激光谐振腔镜的选模作用形成高光束质量的基频光束，在调制器件的调制作用下，得到高峰值功率的调制激光；调制后的基频激光经二次谐波非线性晶体后得到绿激光输出后经波片偏振旋转；相同偏振态的基频激光和绿激光射入三次谐波非线性晶体内进行混频，得到三次谐波紫外激光输出；剩余的绿激光在谐振腔镜的反射作用下再次通过三次谐波非线性晶体；第一次转换成的三次谐波紫外激光经谐振腔镜的反射作用与第二次转换成的三次谐波紫外激光一起经紫外激光反射镜的反射输出激光谐振腔腔外，得到三次谐波紫外激光输出。