一種直接倍頻產(chǎn)生高功率真空紫外激光的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種直接倍頻產(chǎn)生高功率真空紫外激光的裝置及方法，該裝置包括激光泵浦源、直接倍頻器件、真空腔和功率測量系統(tǒng)；還包括光束整形系統(tǒng)和四維預調(diào)節(jié)平轉臺；其中所述激光泵浦源為窄線寬全固態(tài)紫外激光泵浦源；所述光束整形系統(tǒng)位于激光泵浦源和真空腔之間；所述四維預調(diào)節(jié)平轉臺固定在真空腔內(nèi)；所述直接倍頻器件固定于所述轉接板上；該方法為先實現(xiàn)低功率泵浦條件下相位匹配，在此基礎上預先調(diào)節(jié)直接倍頻器件角度，預先實現(xiàn)高功率條件下相位匹配。本發(fā)明可實現(xiàn)高功率百毫瓦及瓦級真空紫外激光輸出，產(chǎn)生的真空紫外激光具有線寬窄、倍頻轉換效率高、倍頻輸出功率高，在高功率下輸出功率穩(wěn)定，可實用化等特點。
【專利說明】一種直接倍頻產(chǎn)生高功率真空紫外激光的裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及全固態(tài)真空紫外激光領域，特別涉及一種直接倍頻產(chǎn)生高功率真空紫 外激光裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 真空紫外（VUV)光源，一般指波長介于40nm到185nm之間的電磁輻射波段，由于 其波長短、單光子能量高，因而在高分辨率成像、光譜應用、微細加工及激光光刻等諸多領 域具有重要的應用價值，是激光領域最重要的發(fā)展方向之一。
[0003] 目前，真空紫外激光源主要有ArF準分子激光器及通過非線性晶體和頻產(chǎn)生的全 固態(tài)激光器（例如Photonic公司TU-L系列產(chǎn)品）。準分子激光源是目前使用最多的真空 紫外相干光源，其波長在真空紫外波段為157nm等特定譜線。準分子激光器具有平均功率 高、脈沖能量高、結構簡單、效率高等優(yōu)點，但其運轉方式少（CW和ns)、光束質(zhì)量差、調(diào)諧范 圍小、技術復雜、氣體有毒、一次充氣壽命有限，難以實用化與精密化。全固態(tài)激光器具有結 構緊湊、體積小、效率高、光束質(zhì)量好、穩(wěn)定性好、壽命長，波長連續(xù)調(diào)諧寬、重復頻率可調(diào)， 容易實用化等優(yōu)點。但通過和頻這一途徑產(chǎn)生真空紫外激光，需要兩束不同波長激光，其結 構復雜、轉換效率低，難以實用化。
[0004] 中國科學院理化技術研究所在真空紫外非線性晶體材料和激光【技術領域】進行了 大量的開創(chuàng)性工作，利用KBBF晶體，在國際上首次采用倍頻的方法，實現(xiàn)了 184. 7nm真空 紫外激光輸出，突破了全固態(tài)激光200nm的壁壘，并發(fā)明了 KBBF-PCD棱鏡耦合技術。基于 KBBF-PCD(棱鏡耦合器件）二次諧波技術產(chǎn)生的真空紫外激光光源是近年來新發(fā)展的一 種真空紫外相干光源，具有系統(tǒng)簡單，結構緊湊，穩(wěn)定性好，壽命長等優(yōu)點，同時其光束質(zhì)量 好，寬調(diào)諧，可在ns、ps、fs不同脈沖條件下運轉、脈沖重復頻率Ι-GHz大范圍可控，是目前 唯一能同時滿足實用化與精密化要求的真空紫外激光光源。但由于KBBF晶體的層狀習性， 很難實現(xiàn)大尺寸生長，通過KBBF晶體直接倍頻技術產(chǎn)生高功率真空紫外激光仍然比較困 難。目前，已經(jīng)實現(xiàn)了最高120mW真空紫外激光輸出，但其倍頻效率低，轉換效率容易飽和， 由于熱效應嚴重，不易長時間運轉，難以實現(xiàn)實用化，更難以實現(xiàn)幾百毫瓦級乃至瓦級真空 紫外激光輸出。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] (一）所要解決的技術問題
[0006] 本發(fā)明提供了一種產(chǎn)生高功率真空紫外激光的裝置及方法，可以解決目前無法產(chǎn) 生更高功率幾百毫瓦乃至瓦級真空紫外激光輸出的問題，并解決了在產(chǎn)生較高功率時，倍 頻轉換效率低，輸出功率低，功率不穩(wěn)定，難以實用化等問題。
[0007] (二）技術方案
[0008] 本發(fā)明提供一種產(chǎn)生高功率真空紫外激光的裝置，該裝置包括激光泵浦源（1)、直 接倍頻器件（3)、真空腔（5)和功率測量系統(tǒng)（6)，所述直接倍頻器件和功率測量系統(tǒng)位于 真空腔內(nèi)；所述裝置還包括光束整形系統(tǒng)（2)和四維預調(diào)節(jié)平轉臺（4);
[0009] 其中所述激光泵浦源為窄線寬全固態(tài)紫外激光泵浦源；所述光束整形系統(tǒng)位于激 光泵浦源和真空腔之間；所述四維預調(diào)節(jié)平轉臺固定在真空腔內(nèi)，包括三維電動平移臺、一 維電動旋轉臺及相應的轉接板；所述直接倍頻器件固定于所述四維預調(diào)節(jié)平轉臺的轉接板 上。
[0010] 其中，所述窄線寬全固態(tài)紫外激光泵浦源光束質(zhì)量因子：M2彡2,線寬彡10pm，紫 外光波長范圍為200?370nm。
[0011] 其中，所述光束整形系統(tǒng)為縮束裝置或聚焦裝置，將泵浦光整形為直徑< 2_，發(fā) 散角彡0.5mrad的光束。
[0012] 其中，所述四維預調(diào)節(jié)平轉臺中三維電動平移臺調(diào)節(jié)精度為高于50um，一維電動 旋轉臺調(diào)節(jié)精度為高于0.0Γ。
[0013] 其中，所述直接倍頻器件中的晶體為具有真空紫外二次諧波輸出能力的KBBF族 晶體。
[0014] 其中，所述真空腔包括：紫外激光入射窗口、真空紫外輸出窗口、剩余紫外激光導 出窗口和真空腔體；整形后的紫外激光由紫外激光入射窗口進入真空腔體，經(jīng)過直接倍頻 器件后，剩余紫外激光由剩余紫外激光導出窗口導出，倍頻產(chǎn)生的真空紫外激光由真空紫 外輸出窗口輸出。
[0015] 其中，所述功率測量系統(tǒng)包括：真空紫外激光功率計、紫外45°高反鏡和剩余紫 外激光收集器；
[0016] 所述真空紫外激光功率計和紫外45°高反鏡位于真空腔內(nèi)，真空紫外激光功率計 用于測量二次諧波真空紫外激光的功率；紫外45°高反鏡用于反射剩余紫外激光，使剩余 紫外激光輸出到真空腔外部的剩余紫外激光收集器。
[0017] 本發(fā)明還提供了一種采用權利要求1所述裝置產(chǎn)生高功率真空紫外激光的方法， 所述方法包括：
[0018] S1、調(diào)節(jié)窄線寬全固態(tài)紫外激光泵浦源（1)輸出低功率窄線寬紫外泵浦光，經(jīng)過 光束整形系統(tǒng)（2)整形后入射進真空腔（5)中的直接倍頻器件（3);
[0019] S2、利用功率測量系統(tǒng)（6)監(jiān)測真空紫外激光功率，同時調(diào)節(jié)四維預調(diào)節(jié)平轉臺 (4)的參數(shù)，確保泵浦光避開直接倍頻器件缺陷部位，實現(xiàn)低功率泵浦條件下基頻光與倍頻 光的相位匹配；
[0020] S3、關閉激光泵浦源（1)，調(diào)節(jié)四維預調(diào)節(jié)平轉臺（4)，減小晶體入射角度，預先實 現(xiàn)高功率泵浦條件下基頻光與倍頻光的相位匹配；
[0021] S4、保持直接倍頻器件（4)不動，調(diào)節(jié)激光泵浦源（1)輸出高功率窄線寬紫外泵浦 光，打開泵浦源擋板，獲得真空紫外激光。
[0022] 其中，步驟S4中所述調(diào)節(jié)四維預調(diào)節(jié)平轉臺，減小入射角為：0. Γ /5W。
[0023] (三）有益效果
[0024] 本發(fā)明采用窄線寬全固態(tài)紫外激光泵浦源，紫外激光線寬窄，倍頻轉換效率高，可 以提高真空紫外激光輸出功率，減小晶體熱效應，提高晶體倍頻轉換效率的飽和泵浦功率。
[0025] 采用光束整形系統(tǒng)，在提高泵浦光峰值功率密度的同時，保證入射光束合適的發(fā) 散角，提高二次諧波轉換效率。
[0026] 采用四維預調(diào)節(jié)平轉臺，可以通過數(shù)字高精度實時調(diào)控晶體具體方位與角度，在 高功率泵浦時，先在低功率泵浦條件下，調(diào)節(jié)倍頻器件的入射角度，實現(xiàn)低功率下的相位匹 配。在此基礎上，再調(diào)節(jié)倍頻器件角度，避免器件的損傷，預先實現(xiàn)高功率泵浦下的相位匹 配，實現(xiàn)高功率真空紫外激光的穩(wěn)定輸出。
[0027] 本發(fā)明產(chǎn)生的真空紫外激光具有線寬窄、倍頻轉換效率高、倍頻輸出功率高，在高 功率下輸出功率穩(wěn)定，可實用化等優(yōu)點。在前沿科學研究、高分辨率成像、光譜應用、微細加 工等領域具有不可替代的作用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明提供裝置的結構示意圖；
[0029] 圖2為采用本發(fā)明裝置產(chǎn)生高功率真空紫外激光的方法；
[0030] 圖3為本發(fā)明裝置中光束整形系統(tǒng)采用縮束裝置時的結構示意圖；
[0031] 圖4為本發(fā)明裝置中光束整形系統(tǒng)采用聚焦裝置時的結構示意圖；
[0032] 圖5為本發(fā)明激光泵浦源采用其它途徑實現(xiàn)的裝置結構示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0034] 本發(fā)明提供了一種直接倍頻產(chǎn)生高功率：百毫瓦乃至瓦級的真空紫外激光的裝 置，該裝置如圖1所示包括：窄線寬全固態(tài)紫外激光泵浦源（1)、直接倍頻器件（3)、真空腔 (5)和功率測量系統(tǒng)（6);所述裝置還包括光束整形系統(tǒng)（2)和四維預調(diào)節(jié)平轉臺（4);
[0035] 其中所述光束整形系統(tǒng)位于激光泵浦源和真空腔之間；所述四維預調(diào)節(jié)平轉臺固 定在真空腔內(nèi)，包括三維電動平移臺、一維電動旋轉臺及相應的轉接板；所述直接倍頻器件 固定于所述四維預調(diào)節(jié)平轉臺的轉接板上。
[0036] 激光泵浦源輸出泵浦光，經(jīng)光束整形系統(tǒng)進入真空腔中的直接倍頻器件，通過調(diào) 節(jié)四維預調(diào)節(jié)平轉臺調(diào)節(jié)倍頻器件的入射角度，倍頻器件產(chǎn)生二次諧波真空紫外激光經(jīng)功 率測量系統(tǒng)測量輸出真空腔。
[0037] 所述四維預調(diào)節(jié)平轉臺，為高精度四維電動調(diào)控平轉臺，由三個高精度一維電動 平移臺和一個高精度一維電動旋轉臺組合并通過相應轉接板轉接而成。該平轉臺具有數(shù)字 顯示功能，在顯示面板上，可以實時監(jiān)控晶體具體的方位（X，y，z)與角度（Θ)。四維調(diào)控 包括X，y，z方向三維高精度調(diào)控，我們采用調(diào)控精度為10 μ m，包括旋轉角度高精度調(diào)控， 調(diào)控精度為〇.〇〇5°。
[0038] 其中，所述窄線寬全固態(tài)紫外激光泵浦源為高光束質(zhì)量窄線寬全固態(tài)紫外激光 源，光束質(zhì)量因子M 2彡2,線寬彡10pm，紫外光波長范圍為200?370nm。
[0039] 目前全固態(tài)真空紫外激光倍頻轉換效率低，輸出功率低，且在較高功率下輸出不 穩(wěn)定，而通過實驗發(fā)現(xiàn)，在窄線寬激光源泵浦條件下，可以大大提高真空紫外激光的倍頻 轉換效率。實驗利用窄線寬355nm激光泵浦，我們首次獲得了 10mW級窄線寬（12.8mW， 0. 95pm) 177. 3nm真空紫外輸出，通過研究高光譜亮度真空紫外激光產(chǎn)生特性，發(fā)現(xiàn)355nm 峰功率密度為數(shù)MW\cm2時，就可實現(xiàn)較高（?2%)的真空紫外倍頻轉換效率，而在自然線 寬下，對于脈寬為ns或ps量級的355nm激光，峰功率密度為數(shù)十或百麗\cm 2時，真空紫外 倍頻效率約為0. 5%?1. 6%。因此，所述窄線寬全固態(tài)紫外激光泵浦源可以提高二次諧波 轉換效率，較大地提高真空紫外激光輸出功率，降低非線性晶體的熱負載，減小非線性晶體 的損傷，延長非線性晶體的使用壽命。
[0040] 其中，所述的光束整形系統(tǒng)可采用縮束裝置或聚焦裝置，將泵浦激光整形為 直徑彡2mm，發(fā)散角彡0. 5mrad的光束。應用中縮束后的激光發(fā)散角小于θ (Z)= aX10Xcos(adeg)/z mrad;其中a為倍頻晶體對泵浦光的倍頻接受角，單位mrad*cm，α 為倍頻晶體對泵浦光的相位匹配角，單位° 為倍頻晶體沿c軸厚度，單位_。所述晶體 倍頻接受角較小，在355nm處倍頻接受角?0.2mrad*cm。對于厚度z mm晶體，在355nm處 倍頻接受角度為Θ (z) =2Xcos(64. 5deg)/z mrad。光束整形系統(tǒng)在提高泵浦光峰值功率 密度的同時，保證入射光束合適的發(fā)散角，提高二次諧波轉換效率。
[0041] 其中，所述直接倍頻器件包括第一耦合棱鏡（3-1)-晶體（3-2)-第二耦合棱鏡 (3-3)，所述第一棱鏡為在紫外波段具有較小吸收系數(shù)，較高的損傷閾值，折射率與晶體相 近的棱鏡，棱鏡的入射面鍍紫外高透膜。所述晶體為具有真空紫外二次諧波輸出能力的真 空紫外倍頻晶體，為KBBF族晶體；所述第二棱鏡為在真空紫外波段具有較小吸收系數(shù)，較 高的損傷閾值，折射率與晶體相近的棱鏡。棱鏡與晶體之間，通過折射率相近的匹配液，采 用光膠方法粘貼耦合，并用鋁架或者其他金屬架進行固定。
[0042] 其中，真空腔為具有高密封性，具有紫外激光輸入、輸出，真空紫外激光輸出環(huán)境 的潔凈真空腔系統(tǒng)。包括：紫外激光入射窗口（5-1)、真空紫外輸出窗口（5-3)、剩余紫外激 光導出窗口（5-2)和真空腔體（5-4);整形后的紫外激光由紫外激光入射窗口進入真空腔 體，經(jīng)過直接倍頻器件倍頻后，產(chǎn)生的真空紫外激光由真空紫外激光輸出窗口輸出，剩余紫 外激光由紫外激光導出窗口導出。
[0043] 其中，所述功率測量系統(tǒng)包括：真空紫外激光功率計（6-1)、紫外45°高反鏡 (6-2)和剩余紫外激光收集器￠-3);所述真空紫外激光功率計和紫外45°高反鏡位于真 空腔內(nèi)，真空紫外激光功率計用于監(jiān)測產(chǎn)生的真空紫外激光的功率；紫外45°高反鏡用于 反射剩余紫外激光，使剩余紫外激光輸出到真空腔外部的殘余紫外激光收集器。
[0044] 窄線寬泵浦可以提高倍頻轉換效率，在高功率泵浦條件下，具有較高的倍頻轉換 效率與較高輸出功率能力。但在高功率泵浦條件下，不能直接實時調(diào)節(jié)真空紫外倍頻晶體， 這樣容易損壞晶體，難以實現(xiàn)高功率高轉換效率真空紫外激光輸出。為此，本發(fā)明還提供了 一種采用本發(fā)明所提供裝置產(chǎn)生高功率真空紫外激光的方法，該方法針對高功率泵浦下， 不能實時調(diào)節(jié)真空紫外倍頻晶體以實現(xiàn)高功率泵浦條件下相位匹配這一缺點，提供一種高 功率泵浦下實現(xiàn)相位匹配的方法，產(chǎn)生高轉換效率，高功率真空紫外激光輸出。具體步驟如 圖2所示：
[0045] S1、調(diào)節(jié)窄線寬全固態(tài)紫外激光泵浦源功率，輸出低功率窄線寬紫外泵浦光，低功 率即泵浦功率< 〇. 5W，經(jīng)過光束整形系統(tǒng)整形后入射進真空腔中的直接倍頻器件；
[0046] S2、利用功率測量系統(tǒng)監(jiān)測真空紫外激光功率，即直接倍頻晶體產(chǎn)生的二次諧波 輸出功率，調(diào)節(jié)四維預調(diào)節(jié)平轉臺的參數(shù)，包括晶體的入射角度和方位，確保泵浦光避開直 接倍頻器件缺陷部位，實現(xiàn)低功率泵浦條件下基頻光與倍頻光的相位匹配；
[0047] 在高功率泵浦時，晶體熱效應嚴重，導致晶體折射率變化，引起泵浦光相對于晶體 的入射角度發(fā)生改變，由于所述晶體在真空紫外波段倍頻允許角較?。ㄔ谡婵兆贤獠ǘ?， 約為0. 2mrad)，很容易導致二次諧波過程相位失配，因此，在高功率泵浦下，需要在低功率 相位匹配基礎上再精細調(diào)節(jié)晶體角度即晶體放置的角度，以實現(xiàn)高功率相位匹配。而且所 述的直接倍頻器件光膠面損傷閾值低，直接在高功率紫外激光泵浦下調(diào)節(jié)晶體角度，在耦 合棱鏡轉動過程中容易損壞器件光膠面，難以實現(xiàn)高功率真空紫外激光輸出，因此：
[0048] S3、關閉激光泵浦源，調(diào)節(jié)四維預調(diào)節(jié)平轉臺，減小晶體入射角度，預先實現(xiàn)高功 率泵浦條件下基頻光與倍頻光的相位匹配；這里根據(jù)預定的高泵浦功率，相應根據(jù)經(jīng)驗值 調(diào)節(jié)平轉臺來減小晶體的入射角度；
[0049] S4、保持倍頻器件不動，調(diào)節(jié)泵浦源的輸出高功率窄線寬紫外泵浦光，高功率為泵 浦功率> 5W，打開泵浦源，獲得高功率真空紫外激光。
[0050] 其中實驗推算，晶體入射角度減小為0. Γ /5W，即泵浦光功率增加5W，晶體入射 角度在低功率相位匹配基礎上減小0. Γ，這樣能夠實現(xiàn)相位匹配的預調(diào)節(jié)，實現(xiàn)高功率條 件下的相位匹配，結合窄線寬泵浦源，實現(xiàn)高功率高轉換效率真空紫外激光輸出。
[0051] 具體的該裝置實施為：
[0052] 如圖3所示包括：泵浦源（1):為窄線寬全固態(tài)紫外激光源，本發(fā)明采用激光二極 管陣列側面泵浦Nd:YAG晶體棒，通過標準具線寬壓窄技術，采用環(huán)形腔結構，運用準連續(xù) 調(diào)Q技術，產(chǎn)生高功率高光束質(zhì)量窄線寬l〇64nm調(diào)Q激光脈沖輸出。利用LB0晶體的二次 諧波技術及三次諧波技術，產(chǎn)生窄線寬高功率高光束質(zhì)量355nm紫外激光脈沖輸出。355nm 激光參數(shù)：功率〇?10W連續(xù)可調(diào)，脈沖重復頻率1kHz，脈沖寬度?40ns，線寬?2. 7pm，光 束質(zhì)量因子M2彡1. 5,光斑直徑?3mm。
[0053] 光束整形系統(tǒng)⑵采用縮束裝置，具體包括：355nm半波片（2-l)，355nm高透 (HT)，355nm55. 6。偏振片（2-2);平凸透鏡（2-3)，焦距 F = 500mm，355nm HT(T 彡 99% )， 材質(zhì)為石英；平凹透鏡（2-4)，焦距F =-100mm，355nm HT (T彡99 % )，材質(zhì)為石英；通過平 凸透鏡（2-3) F = 500mm :平凹透鏡（2-4) F = -100mm的透鏡組5 : 1的縮束，將355nm激 光整形為合適光斑大小，較小發(fā)散角的激光光束。激光功率計（2-5)為30W激光功率計，監(jiān) 測355nm激光功率。
[0054] 直接倍頻器件（3)，具體包括：第一耦合棱鏡（3-1)為Si02直角棱鏡，一銳角為 68.6°，入射面鍍紫外高透膜系，Si0 2材料在紫外波段具有較小吸收系數(shù)，較高的損傷閾 值，并具有與非線性晶體相近的折射率，Si〇 2直角棱鏡的鍍膜面作為直接倍頻器件入射面； 第二耦合棱鏡（3-2)為CaF2直角棱鏡，一銳角為68. 6°，CaF2材料在真空紫外波段具有較 小吸收系數(shù)，合適的損傷閾值，CaF2直角棱鏡作為直接倍頻器件KBBF-PCD輸出棱鏡；真空 紫外倍頻晶體（3-3)為KBBF非線性晶體，晶體尺寸：16X6X 1. 75(z軸）mm3。直接倍頻器 件中不同位置光學質(zhì)量存在差異，可能有瑕疵，會嚴重影響倍頻輸出功率，直接倍頻器件固 定于四維電動平轉臺，通過四維預調(diào)節(jié)平轉臺調(diào)節(jié)泵浦光在晶體中合適的入射方位，提高 倍頻轉換效率與真空紫外輸出功率。
[0055] 四維預調(diào)節(jié)平轉臺（4)采用高精度四維電動調(diào)控平轉臺，由三個高精度一維電動 平移臺和一個高精度一維電動旋轉臺以及相應的轉接板組成，具有數(shù)字顯示功能，在顯示 面板上，可以實時監(jiān)控晶體的具體方位（x，y，z)與角度（Θ)。四維調(diào)控包括 x，y，z方向三 維高精度調(diào)控，調(diào)控精度10 μ m，包括旋轉角度高精度調(diào)控，調(diào)控精度0.005°?？梢酝ㄟ^數(shù) 字顯示，精確監(jiān)控晶體角度，實現(xiàn)高功率下相位匹配預調(diào)節(jié)功能。
[0056] 真空腔（5)，具體包括：紫外激光入射窗口（5-1)，紫外激光出射窗口（5-3)，為 JGS1玻璃窗口，JGS1材料在紫外波段吸收系數(shù)小，損傷閾值高，玻璃窗口兩端面鍍紫外增 透膜系，作為紫外激光輸入、輸出窗口。真空紫外激光出射窗口（5-2)為CaF 2玻璃窗口，CaF2 材料在真空紫外吸收系數(shù)小，損傷閾值較高，玻璃窗口兩端面鍍真空紫外增透膜系，作為真 空紫外激光輸出窗口。窗口與真空腔體之間，通過氟氧膠圈壓縮密封。腔體（5-4)，腔體采 用不銹鋼材料，不銹鋼材料密度大，不易氧化，可以保證高密封性與高潔凈度。腔體配帶真 空測量裝置、觀察窗口、功率計連接推拉桿、與外界連接備用航空插頭接口。
[0057] 功率測量系統(tǒng)（6)，具體包括：真空紫外陶瓷熱敏激光功率計（6-1)，位于真空 腔內(nèi)，采用真空紫外陶瓷熱敏激光功率計，其體積小，靈敏度高，精度高；紫外45°高反鏡 (6-2)，鍍紫外45°高反膜系，反射率為R > 99%，將剩余紫外激光導出腔體，避免剩余紫外 激光在腔體內(nèi)散射；剩余紫外激光收集器￠-3)，收集殘余紫外激光。為防止真空紫外激光 在傳輸過程中被吸收，直接倍頻器件及測量系統(tǒng)放置在高密封的真空腔中，腔內(nèi)真空或充 latm N2, N2保持流通狀態(tài)。
[0058] 采用該裝置產(chǎn)生高功率真空紫外激光的方法：
[0059] 調(diào)節(jié)泵浦源輸出的0· 5W、355nm的紫外激光，經(jīng)過光束整形系統(tǒng)中的355nm半波 片，355nm偏振片，協(xié)助調(diào)節(jié)激光功率至0. 5W。經(jīng)過平凸透鏡F = 500 :平凹透鏡F = -100 透鏡組縮束，將激光光斑縮小至直經(jīng)2mm以下，發(fā)散角至0. 5rmad以下，整形后的355nm激 光入射棱鏡耦合器件KBBF-PCD ;
[0060] 調(diào)節(jié)四維預調(diào)節(jié)平轉臺參數(shù)，利用測量系統(tǒng)的真空紫外陶瓷熱敏激光功率計實時 監(jiān)測真空紫外激光功率，配合四維高精度電動平轉臺，精密調(diào)節(jié)KBBF-PCD器件角度，優(yōu)化 真空紫外激光功率，實現(xiàn)低功率泵浦條件下基頻光與倍頻光的相位匹配；
[0061] 關閉泵浦源，根據(jù)預定的高泵浦功率，調(diào)節(jié)四維預調(diào)節(jié)平轉臺，減小入射角度 0. Γ /5W，這樣預先調(diào)節(jié)KBBF-PCD的角度，可預先實現(xiàn)高功率條件下基頻光與倍頻光的相 位匹配；
[0062] 保持倍頻器件不動，調(diào)節(jié)激光泵浦源輸出預定高功率的窄線寬紫外泵浦光，打開 泵浦源擋板，獲得百毫瓦級乃至瓦級真空紫外激光的穩(wěn)定輸出。在實現(xiàn)高功率相位匹配嘗 試過程中，若紫外激光入射點光膠面被打壞，需要重新調(diào)節(jié)KBBF-PCD方位。
[0063] KBBF在355nm波段的倍頻接受角度較小，?0· 2mrad · cm，目前KBBF晶體的生產(chǎn) 工藝能制作?2_厚的晶體，倍頻允許角?0. 025°。高功率紫外激光泵浦時，熱效應嚴重， 導致棱鏡耦合器件折射率變化，引起基頻光入射角度發(fā)生改變。由于KBBF晶體倍頻允許角 較小，致使相位失配。所述的KBBF-PCD棱鏡耦合器件的光膠面損傷閾值低，在高功率（> 5W)紫外激光泵浦下直接調(diào)節(jié)晶體角度，容易損壞棱鏡耦合器件光膠面，難以實現(xiàn)高功率真 空紫外激光輸出。
[0064] 為此，本發(fā)明提出在高功率泵浦時，需要預先調(diào)節(jié)晶體角度，實現(xiàn)相位匹配。相較 于在自然線寬情況下，利用10ns，10KHz7. 17W峰值功率密度為135MW/cm2, KBBF1.95mm，獲 得120. 5mW，轉換效率1. 68%的真空紫外177. 3nm輸出和在窄線寬情況下，利用40ns，ΙΚΗζ， 5. 2W，峰值功率密度?8MW/cm2, KBBF1. 75mm無預調(diào)節(jié)方法時，獲得80mW，利用本發(fā)明5. 2W 采用預調(diào)節(jié)方法時，獲得146mW，轉換效率2. 8%的真空紫外177. 3nm輸出?？梢姳景l(fā)明可 實現(xiàn)高功率高轉換效率的真空紫外激光輸出。
[0065] 如圖4所示裝置，該裝置與圖3所示裝置不同之處，在于光束整形系統(tǒng)中，將縮束 系統(tǒng)換成聚焦系統(tǒng)，采用F = 600mm透鏡（2-3)聚焦，焦點激光功率密度過高，KBBF-P⑶放 置離焦位置，避免被損傷。采用窄線寬紫外激光泵浦，四維預調(diào)節(jié)平轉臺精密調(diào)節(jié)，實現(xiàn)高 功率百毫瓦級以至瓦級真空紫外激光輸出。
[0066] 如圖5所示裝置，與圖4所示裝置不同之處在于激光泵浦源：該裝置中激光泵浦 源為通過各種途徑，實現(xiàn)窄線寬高功率，高光束質(zhì)量的窄線寬全固態(tài)紫外激光泵浦源。泵浦 光波長范圍在200nm?370nm，線寬彡10pm，光束質(zhì)量M 2彡2。紫外激光偏振方向為水平偏 振，激光功率連續(xù)可調(diào)。光束整形系統(tǒng)中，無半波片與偏振片。光學元件所鍍膜系對應波長 與紫外激光相應。通過窄線寬全固態(tài)紫外激光源泵浦，光束整形系統(tǒng)縮束，四維預調(diào)節(jié)平轉 臺精密調(diào)控，實現(xiàn)高功率百毫瓦級乃至瓦級真空紫外激光輸出。
[〇〇67] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換 也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種直接倍頻產(chǎn)生高功率真空紫外激光的裝置，該裝置包括激光泵浦源（1)、直接 倍頻器件（3)、真空腔（5)和功率測量系統(tǒng)（6)，所述直接倍頻器件和功率測量系統(tǒng)位于真 空腔內(nèi)；其特征在于，所述裝置還包括光束整形系統(tǒng)（2)和四維預調(diào)節(jié)平轉臺（4); 其中所述激光泵浦源為窄線寬全固態(tài)紫外激光泵浦源；所述光束整形系統(tǒng)位于激光泵 浦源和真空腔之間；所述四維預調(diào)節(jié)平轉臺固定在真空腔內(nèi)，包括三維電動平移臺、一維電 動旋轉臺及相應的轉接板；所述直接倍頻器件固定于所述轉接板上。
2. 如權利要求1所述裝置，其特征在于，所述窄線寬全固態(tài)紫外激光泵浦源光束質(zhì)量 因子：M2彡2,線寬彡10pm，紫外光波長范圍為200?370nm。
3. 如權利要求1所述裝置，其特征在于，所述光束整形系統(tǒng)為縮束裝置或聚焦裝置，將 泵浦光整形為直徑< 2mm，發(fā)散角< 0· 5mrad的光束。
4. 如權利要求1所述裝置，其特征在于，所述四維預調(diào)節(jié)平轉臺中三維電動平移臺調(diào) 節(jié)精度高于50um，一維電動旋轉臺調(diào)節(jié)精度高于0. 0Γ。
5. 如權利要求1所述裝置，其特征在于，所述直接倍頻器件中的晶體為具有真空紫外 二次諧波輸出能力的KBBF族晶體。
6. 如權利要求1所述裝置，其特征在于，所述真空腔包括：紫外激光入射窗口、真空紫 外激光輸出窗口、剩余紫外激光導出窗口和真空腔體；整形后的紫外激光由紫外激光入射 窗口進入真空腔體，經(jīng)過直接倍頻器件后，剩余紫外激光由剩余紫外激光導出窗口導出，倍 頻產(chǎn)生的真空紫外激光由真空紫外輸出窗口輸出。
7. 如權利要求1所述裝置，其特征在于，所述功率測量系統(tǒng)包括：真空紫外激光功率 計、紫外45°高反鏡和剩余紫外激光收集器； 所述真空紫外激光功率計和紫外45°高反鏡位于真空腔內(nèi)，真空紫外激光功率計用于 測量二次諧波真空紫外激光的功率；紫外45°高反鏡用于反射剩余紫外激光，使剩余紫外 激光輸出到真空腔外部的剩余紫外激光收集器。
8. 采用權利要求1所述裝置產(chǎn)生高功率真空紫外激光的方法，其特征在于，所述方法 包括： 51、 調(diào)節(jié)窄線寬全固態(tài)紫外激光泵浦源（1)輸出低功率窄線寬紫外泵浦光，經(jīng)過光束 整形系統(tǒng)（2)整形后入射進真空腔（5)中的直接倍頻器件（3); 52、 利用功率測量系統(tǒng)（6)監(jiān)測真空紫外激光功率，同時調(diào)節(jié)四維預調(diào)節(jié)平轉臺（4)的 參數(shù)，確保泵浦光避開直接倍頻器件缺陷部位，實現(xiàn)低功率泵浦條件下基頻光與倍頻光的 相位匹配； 53、 關閉激光泵浦源（1)，調(diào)節(jié)四維預調(diào)節(jié)平轉臺（4)，減小晶體入射角度，預先實現(xiàn)高 功率泵浦條件下基頻光與倍頻光的相位匹配； 54、 保持直接倍頻器件（4)不動，調(diào)節(jié)激光泵浦源（1)輸出高功率窄線寬紫外泵浦光， 打開泵浦源擋板，獲得真空紫外激光。
9. 如權利要求8所述方法，其特征在于，步驟S4中所述調(diào)節(jié)四維預調(diào)節(jié)平轉臺，減小入 射角為：〇. Γ /5W。
【文檔編號】G02F1/37GK104104006SQ201310113289
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年4月2日 優(yōu)先權日:2013年4月2日
【發(fā)明者】宗楠, 楊峰, 徐志, 張申金, 彭欽軍, 許祖彥, 王志敏 申請人:中國科學院理化技術研究所