[发明专利]紫外激光器光源和形成用于生成紫外光的倍频波导的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于发出紫外激光光线的装置，尤其涉及用于将可见激光光线转变成紫外激光光线的倍频波导型光学部件，以及用于制造该倍频波导的方法。在为水的杀菌处理而设计的产品中，所述装置可用作光源。

背景技术

对于呼吸干净且安全的空气以及饮用干净且安全的水的需要日益增大，在全世界来说在人口密集的国家或地区尤其如此。紧凑的固态深UV光源的主要的大量应用是用于空气或水的非化学手段的杀菌。深UV光-其为在波长短于280nm的UVC范围内的光线-会有效地对DNA造成永久的物理损害，而防止细菌、病毒和真菌复制。这意味着在使用角度来说深UV处理可用于对空气或水消毒以便安全呼吸或饮用。深UV光在破坏e大肠菌方面特别有效。深UV光也可以用来对表面进行消毒。

深UV光也可以用于减小化学污染物诸如出现在水中的分解的有机化学物质的毒性，由此使水对引用来说是安全的。在这种情况中，深UV光促成光催化氧化反应，该反应将分解的有机化学物质分裂成不那么危险或者无害的副产品。波长短于230nm的深UV光在促成光催化氧化反应方面是最有效的。

紧凑的固态深UV光源也应用在生物及化学感测上，因为生物和化学化合物强烈吸收深UV光。可以根据它们的荧光光谱来识别蛋白质和其它有机化学物质。荧光测量要求照明用的光线在化合物强烈吸收的短波长下，并检测所得到的在较长的波长的荧光。280nm附近的波长是合适的，但更短的220nm的波长更好，因为在该波长下吸收更强。

用于对空气和水进行UV处理的使用位(point-of-use)产品已经存在，这些产品使用汞灯作为UV光源。然而，汞灯包含有毒材料，倾向于具有较短工作寿命以及较长预热时间并需要高驱动电压。此外，从汞灯发出的UV光在较宽范围的方向上并从相对较大的区域上发出，这意味着它不能被有效聚焦到小区域中或被聚焦成准直光束。

同时在发展的替代UV光源是UV LED。使用UV LED的当前缺陷包括它们的工作寿命较短并且它们不能被有效聚焦而提供准直光束或者紧致聚焦光斑。另外，发光波长短于260nm的UV LED的性能非常差。因此，这些装置很不适合上面描述的受益于波长短于260nm的光源的那些应用。

深UV激光器潜在地提供单色的相干光束，所述光束可以被有效聚集成准直光束或者被聚焦到小的区域中，并且可以被快速调制(例如，如荧光测量所需要的那样)。然而，现有的发射波长短于280nm的激光器是非常昂贵的部件，诸如为了工业使用而设计的气体激光器。而激光二极管并没有制造成具有短于280nm的发射波长。

通过将合适的非线性光学材料内的可见激光束倍频可以实现深UV激光器。(例如，通常称为BBO的偏硼酸钡)首先在IEEE Journal ofQuantum Electronics QE-22，No 7(1986)上报告。可见光被聚焦到非线性光学材料中，光线通过二次谐波发生(SHG)过程被倍频(FD)。SHG过程将可见输入光转变成波长为输入光的波长的一半的光线。倍频后的光线具有与激光器发出的光线的特性相似的特性，在现有技术中一般将该光线描述为“激光光线”。在现有技术中，同样普遍的是将发出倍频光线的装置描述为“激光器”。如这里所使用的，术语“激光光线”包括由激光装置发出的光线以及源自激光装置发出的光线的倍频光线。此外，如这里使用的那样，“激光光源”包括通过辐射的受激发射表现出光放大的光源，以及对通过辐射的受激发射表现出光放大的光源发出的光线进行倍频的装置。以此方式使用BBO制成的倍频UV激光器可以发出短至205nm的波长。

Nishimura等人在JJAP 42，5079(2003)中首先报告使用BBO制造UV激光器和使用蓝紫色半导体激光二极管以产生“泵浦”可见激光束。这种办法的潜在优点是蓝紫色半导体激光二极管是紧凑和低成本部件。然而，对于从蓝紫色半导体激光二极管发出的相对较低功率的光线，在BBO中的SHG过程以低效率进行。因此，尽管使用复杂的光学系统来重复循环蓝光通过BBO部件以提高效率，在该现有技术中实现的UV输出功率仍然较低。因此，这种方法不适合制造用于上面描述的应用的低成本高功率UV光源。两件最近提到的现有技术文献均没有讨论使用倍频波导。