本發(fā)明總地涉及外腔光學(xué)泵浦半導(dǎo)體(ops)激光器。本發(fā)明尤其涉及在單縱向模式下操作的腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換ops激光器。

背景技術(shù)：

腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換(倍頻)ops激光器能夠在操作于單縱向模式的同時(shí)以可見(綠色)波長(zhǎng)提供幾瓦特(w)的連續(xù)波(cw)輻射輸出。綠色的、單模式輸出波長(zhǎng)可以通過ops激光器腔外的光學(xué)非線性晶體(激光器-諧振器)中的進(jìn)一步的頻率倍增而轉(zhuǎn)換成電磁譜的紫外線(uv)區(qū)域中的波長(zhǎng)。

通過實(shí)施例的方式，具有約1064納米(nm)的基本激光波長(zhǎng)的ops激光器可以通過腔內(nèi)光學(xué)非線性晶體來進(jìn)行倍頻以提供具有約532nm的波長(zhǎng)的輸出輻射。通過將位于ops激光器-諧振器之外的光學(xué)非線性晶體中的輸出輻射進(jìn)行倍頻，該輸出輻射可以轉(zhuǎn)換成具有大約266nm波長(zhǎng)的uv輻射。

ops激光器采用多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)作為增益元件(增益結(jié)構(gòu))。該增益結(jié)構(gòu)包括由間隔層間隔開的量子阱(qw)層。間隔層吸收光學(xué)泵浦輻射，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。電子-空穴對(duì)落入qw層且被qw層束縛。qw層中的電子-空穴對(duì)的再結(jié)合提供qw層的qw材料的基本波長(zhǎng)范圍特性的輻射。這提供了光學(xué)增益。產(chǎn)生輻射的波長(zhǎng)范圍可稱為增益帶寬。

增益結(jié)構(gòu)的qw層由增益帶寬的峰值增益波長(zhǎng)處的一半波長(zhǎng)間隔開。在ops結(jié)構(gòu)(ops芯片)中，增益結(jié)構(gòu)超越鏡像結(jié)構(gòu)。典型地，ops激光器諧振器被配置為提供諧振器的一端鏡的ops芯片的鏡。如果諧振器被配置成避免支持橫向振蕩模式(橫向模式)，則連同間隔開的qw層所提供的增益的半波周期性一起，將增益結(jié)構(gòu)放置在諧振器的一端提供的是，ops激光器將在任何給定的瞬間在單縱向模式(單頻)下產(chǎn)生cw輻射。“在任意給定的瞬間”的陳述的重要性的論述闡述如下。

ops增益結(jié)構(gòu)的增益帶寬相對(duì)極寬。通過示例的方式，對(duì)于大約1000nm的峰值增益波長(zhǎng)，fwhm增益帶寬在40nm的數(shù)量級(jí)上。在腔內(nèi)倍頻ops激光器中，通常在腔中包括單元件雙折射濾波器。這將可以振蕩的基本波長(zhǎng)的范圍限制在光學(xué)非線性晶體的相位匹配接受帶寬內(nèi)的范圍。雙折射濾光器被布置成布魯斯特角入射，其建立在諧振器中產(chǎn)生的循環(huán)輻射的偏振取向。

遺憾的是，這種雙折射濾波器的通帶寬度仍然足夠?qū)?，使得在具有大約70毫米(mm)的長(zhǎng)度的諧振器中可以存在幾種可能的振蕩模式(頻率)。其結(jié)果是，當(dāng)這些模式中僅有一個(gè)在任何給定時(shí)刻振蕩時(shí)，諧振器的任何擾動(dòng)可以導(dǎo)致振蕩從一種可能模式改變到相鄰的可能模式。這種現(xiàn)象通常被本領(lǐng)域技術(shù)人員稱為“模式跳躍”。在模式跳變的瞬間，在輸出功率中存在突然的(基本上瞬時(shí)的)變化，隨后是短暫的不穩(wěn)定時(shí)段。這個(gè)不穩(wěn)定周期將是幾百分之一秒的量級(jí)。這有效地構(gòu)成了ops激光器的cw輸出的中斷。如果主動(dòng)控制的外部增強(qiáng)諧振器用于ops激光器輸出的進(jìn)一步頻率轉(zhuǎn)換，則來自該諧振器的輸出功率將突然下降，以及恢復(fù)周期，在恢復(fù)周期內(nèi)增強(qiáng)諧振器為激光器的新輸出頻率建立諧振。這將比激光輸出功率的不穩(wěn)定周期長(zhǎng)。

圖1是已經(jīng)通過將輸出功率從標(biāo)稱最佳輸出功率的90％增加到110％而被擾動(dòng)的腔內(nèi)倍頻ops激光器的監(jiān)測(cè)輸出功率的示波器軌跡的再現(xiàn)。功率增加在點(diǎn)a處開始。激光器以增加的功率操作約3.5秒，然后在點(diǎn)b處發(fā)生模式跳躍，在點(diǎn)b處輸出被中斷。由于在中斷期間增益結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)的能量，輸出功率在較高水平恢復(fù)。中斷后的不穩(wěn)定周期約為1.5秒。

在諸如檢查半導(dǎo)體晶片的應(yīng)用中，cw工藝的這種中斷可能是不能容忍的，即使由于模式跳躍的波長(zhǎng)變化是可容忍的。存在對(duì)可以在沒有模式跳躍的情況下操作的ops激光器-諧振器的需要。

發(fā)明概述

根據(jù)本發(fā)明的激光器裝置的一個(gè)方面包括激光器諧振器，該激光器諧振器包括多層半導(dǎo)體增益結(jié)構(gòu)，該增益結(jié)構(gòu)具有增益帶寬。半導(dǎo)體增益結(jié)構(gòu)包含在激光器諧振器中。增益結(jié)構(gòu)由光學(xué)泵浦輻射供給能量，從而使得基頻輻射在激光器諧振器中循環(huán)。基頻是取決于激光器-諧振器的即時(shí)長(zhǎng)度的一系列可能的振蕩頻率之一。光學(xué)非線性晶體位于激光器-諧振器中且布置成用于循環(huán)基頻輻射的ii型倍頻。光學(xué)非線性晶體在預(yù)定溫度范圍內(nèi)具有可接受帶寬。加熱元件布置成使得晶體的溫度在預(yù)定溫度范圍內(nèi)選擇性地變化。第一雙折射濾波器位于激光器諧振器中，配置且布置成將能夠在增益帶寬內(nèi)振蕩的一系列可能的基頻限制到其在光學(xué)非線性晶體的可接收帶寬內(nèi)的范圍。檢測(cè)器被布置成監(jiān)測(cè)從雙折射濾波器反射的基頻輻射，當(dāng)?shù)诙p折射濾波器的透射率峰值處于可能的診斷頻率中的即時(shí)的振蕩頻率時(shí)，所反射的輻射為最小值。光學(xué)非線性晶體充當(dāng)具有取決于晶體溫度的透射率峰值的第二雙折射濾波器。加熱元件與檢測(cè)器協(xié)作，用于將監(jiān)測(cè)的反射保持在最小值，從而將第二雙折射濾波器的透射率峰值保持在即時(shí)振蕩頻率。

附圖說明

并入說明書并構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖圖示了本發(fā)明的實(shí)施方案，并且與上文給出的一般性描述和下面給出的實(shí)施方案的詳細(xì)描述一起用于解釋本發(fā)明的原理。

圖1是在作為增加激光器的輸出功率的結(jié)果而發(fā)生模式跳躍的時(shí)間段內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)的腔內(nèi)倍頻ops激光器的輸出功率的示波器軌跡的再現(xiàn)。

圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的腔內(nèi)倍頻ops激光器，該激光器具有包括ops增益結(jié)構(gòu)并且具有在其中循環(huán)的基本波長(zhǎng)激光輻射的激光諧振器，該諧振器包括光學(xué)非線性晶體，光學(xué)非線性晶體布置成用于循環(huán)輻射的ii型二次諧波轉(zhuǎn)換；與光學(xué)非線性晶體協(xié)作的雙折射濾波器，用于從增益結(jié)構(gòu)的增益帶寬中選擇激光器工作模式，用于測(cè)量基本波長(zhǎng)輻射的檢測(cè)器；以及加熱元件，其響應(yīng)于測(cè)量的反射基本波長(zhǎng)用于溫度調(diào)諧光學(xué)非線性晶體，使得激光器的所選擇的操作模式被不斷地選擇。

圖3是示意性地示出在圖2的激光器的實(shí)施例中針對(duì)雙折射濾波器和光學(xué)非線性晶體的組合的作為波長(zhǎng)變化的函數(shù)的計(jì)算的透射率和反射率的曲線圖。

圖4是在圖2的激光器的實(shí)施例中，輸出功率、光學(xué)非線性晶體的溫度和來自雙折射濾波器的監(jiān)測(cè)反射的示波器軌跡的再現(xiàn)，在圖2中，其中加熱元件不響應(yīng)于監(jiān)測(cè)到的反射率，晶體溫度保持恒定，并且由于增加激光器的輸出功率而發(fā)生模跳。

圖5是在圖2的激光器的實(shí)施例中，輸出功率、光學(xué)非線性晶體的溫度和來自雙折射濾波器的監(jiān)測(cè)反射率的示波器軌跡的再現(xiàn)，在圖2中，加熱元件響應(yīng)于監(jiān)測(cè)的反射率，晶體溫度根據(jù)測(cè)量的反射率而變化，并且未發(fā)生模式跳躍。

發(fā)明詳述

現(xiàn)在參考附圖，其中相同的部件由相同的附圖標(biāo)記表示。圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的腔內(nèi)倍頻ops激光器的優(yōu)選實(shí)施方案10。激光器10包括安裝在襯底或散熱器14上的ops芯片12。ops芯片包括上覆有多層增益結(jié)構(gòu)18的鏡面結(jié)構(gòu)16。鏡面結(jié)構(gòu)18和端面鏡20形成激光器-諧振器22。

來自二極管激光器棒或其堆疊(未示出)的泵浦輻射被引導(dǎo)到增益結(jié)構(gòu)18上，使得基本波長(zhǎng)(基頻)激光輻射如箭頭f所示在激光器-諧振器22中循環(huán)。雙折射濾波器(brf)提供用于選擇基波波長(zhǎng)的粗濾波，并且建立循環(huán)基波波長(zhǎng)輻射的偏振取向，如圖2所示中箭頭p所指示。如圖所示，brf的快軸取向與偏振取向成45°。

雙軸光學(xué)非線性(onl)晶體26位于諧振器22中并且被布置用于循環(huán)基本輻射的ii型二次諧波(2h)頻率轉(zhuǎn)換。合適的晶體材料包括但不限于硼酸鋰lbo和磷酸氧鈦鉀(ktp)。晶體26由加熱元件28加熱，例如熱電加熱元件。對(duì)于ii型2h轉(zhuǎn)換，晶體26的快軸也與偏振取向成45°，也如圖所示。在該ii型布置中，晶體26還用作雙折射濾波器，但是具有比brf24窄得多的帶寬。brf24和晶體26協(xié)作地作為兩元件lyot型濾波器。

雙折射濾光片的透射率峰值波長(zhǎng)取決于晶體溫度。存在這樣的晶體溫度的范圍：其中濾波器的相位匹配是有效的。在該范圍內(nèi)，晶體26具有2h轉(zhuǎn)換的接受帶寬。

當(dāng)該兩元件lyot濾波器的通帶在振蕩基本波長(zhǎng)(空腔模式)具有透射率峰值時(shí)，將基本上沒有從brf24反射的輻射，因?yàn)閎rf相對(duì)于循環(huán)輻射以布魯斯特角傾斜。如果由于諧振器長(zhǎng)度的擾動(dòng)，腔模式的波長(zhǎng)漂移到更長(zhǎng)或更短的波長(zhǎng)，則將有越來越多的反射輻射。在激光器10中，從brf24反射的輻射由檢測(cè)器30監(jiān)測(cè)并被傳輸?shù)娇刂破?2。控制器32控制加熱元件28調(diào)節(jié)晶體26的溫度，直到來自brf24的監(jiān)測(cè)反射率(誤差信號(hào))處于接近最小值的預(yù)定非零值。這足夠接近以被認(rèn)為是有效地“大約最小值”，同時(shí)提供反射斜率以確定誤差信號(hào)的方向。這保持了兩元件lyot濾波器在振蕩模式的波長(zhǎng)處的透射率峰值。這可以被描述為“模式跟蹤”，并且在下文中進(jìn)一步詳細(xì)討論。優(yōu)選地，檢測(cè)器輸出的差分用于提供斜率的更靈敏的測(cè)量。以這種方式，測(cè)量點(diǎn)可以低至百萬分之50(ppm)，即約0.005％的循環(huán)功率。

這里應(yīng)當(dāng)注意，激光器10以簡(jiǎn)單的形式示出，僅具有足以來說明本發(fā)明的機(jī)制的部件。在實(shí)踐中，這種腔內(nèi)倍頻激光器可以包括用于減小長(zhǎng)諧振器的“足跡”的折疊反射鏡和用于在光學(xué)非線性晶體中產(chǎn)生束腰的一個(gè)或多個(gè)凹面鏡。在轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利no.6,097,742中詳細(xì)描述了幾個(gè)腔內(nèi)頻率轉(zhuǎn)換激光器，其全部公開內(nèi)容通過引用并入本文。從'742專利的公開和本文提出的本發(fā)明的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)其它諧振器布置，包括brf反射監(jiān)測(cè)和用于模式跟蹤的ii型布置的光學(xué)非線性晶體的協(xié)作溫度調(diào)諧，這不脫離本發(fā)明的精神和范圍。另外的控制器32可以具有其他功能，例如輸出功率監(jiān)測(cè)和控制。

圖3是示意性地示出在圖2的激光器的示例中雙折射濾光器和光學(xué)非線性晶體的lyot濾光器組合的作為波長(zhǎng)變化的函數(shù)的計(jì)算的透射率(曲線l)和對(duì)應(yīng)的反射率(虛線曲線lr)的曲線圖。應(yīng)當(dāng)注意，曲線l基本上由光學(xué)非線性晶體26確定，光學(xué)非線性晶體26具有比brf24窄得多的帶寬。假定晶體是具有約7mm長(zhǎng)度的lbo晶體。

曲線l經(jīng)“溫度調(diào)諧”(德爾塔(delta)波長(zhǎng)＝0)到對(duì)于腔模mn具有峰值透射率和最小反射率。在較長(zhǎng)和較短的波長(zhǎng)(更低或更高的頻率)處的相鄰的腔模mn+1和mn-1分別比模式mn小大約0.03％的透射率和比模式mn大大約0.03％的反射率。空腔模式被波長(zhǎng)隔開約7皮米(pm)，對(duì)應(yīng)于約70mm的空腔(諧振器)長(zhǎng)度。7pm的波長(zhǎng)差對(duì)應(yīng)于僅約7微米(μm)的諧振器長(zhǎng)度的變化。

模式mn與相鄰模式之間的約0.03％的透射率差被假定為足以使模式mn將是單一的振蕩模式。假設(shè)通過將光非線性晶體26(參見圖2)保持在恒定溫度來固定透射率曲線?，F(xiàn)在，如果出于任何原因發(fā)生諧振器長(zhǎng)度的擾動(dòng)，則腔模式將移動(dòng)到更短或更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，這取決于諧振器長(zhǎng)度變化是負(fù)還是正。如果長(zhǎng)度變化是正的，則模式mn的透射率將減小(反射率的相應(yīng)增加)，并且模式mn-1的透射率將增加。隨著達(dá)到其中這兩個(gè)模式的透射率(和反射損耗)相等的諧振器長(zhǎng)度，則振蕩將從模式mn“跳”到模式mn-1的概率增加。

這在圖4中示出，針對(duì)圖2的激光器10的實(shí)際的實(shí)施例，其中測(cè)量的brf反射率和加熱元件28之間的晶體溫度控制回路被停用，并且晶體溫度保持恒定。激光器的基本波長(zhǎng)為1064nm。這里，上部曲線基本上是圖1的輸出功率曲線，其在點(diǎn)a處經(jīng)歷功率的逐步增加。中間曲線是光學(xué)非線性晶體26(這里是lbo晶體)的監(jiān)測(cè)溫度。下面的曲線是來自brf24的監(jiān)測(cè)反射率。

可以看出，在點(diǎn)a處20％功率增加之后，監(jiān)測(cè)的反射率開始上升，指示腔模式的長(zhǎng)波長(zhǎng)漂移。在發(fā)生模式跳躍的點(diǎn)b處，監(jiān)測(cè)到的反射率突然下降到在施加功率增加之前的值附近。這表示根據(jù)圖3可以看出，當(dāng)發(fā)生模式跳躍時(shí)，mn-1模式處于濾波器的峰值透射率(最小反射率)波長(zhǎng)。

圖5示出了圖4的相同的監(jiān)測(cè)參數(shù)。當(dāng)所監(jiān)測(cè)的brf反射率和加熱元件26之間的本發(fā)明控制回路被激活，使得晶體26的溫度被調(diào)節(jié)以將brf反射率保持在大約最小值時(shí)。20％的功率增加在點(diǎn)a處。在點(diǎn)b處沒有發(fā)生模式跳躍。在再現(xiàn)的精度內(nèi)出現(xiàn)監(jiān)測(cè)的brf反射率中發(fā)生的無論什么波動(dòng)都由lbo溫度的輕微變化補(bǔ)償。

根據(jù)表面上的考慮，可以認(rèn)為實(shí)際晶體溫度對(duì)加熱元件的溫度變化的響應(yīng)可能相對(duì)較慢。然而，在圖3、圖4和圖5的實(shí)施例中，僅需要一開氏度的數(shù)千分之十(10mk)的晶體的溫度變化，以將晶體26的峰值透射率改變一個(gè)空腔模式間隔。實(shí)際上，該變化可以在幾毫秒內(nèi)發(fā)生，其足夠短以使本發(fā)明有效地起作用，當(dāng)然是就由于環(huán)境因素的長(zhǎng)期諧振器擾動(dòng)方面而言。溫度變化完全在相位匹配的溫度容限內(nèi)。

代替將晶體溫度與所監(jiān)測(cè)的bfr反射率相關(guān)聯(lián)，可以使用由保持晶體溫度恒定的壓電換能器驅(qū)動(dòng)的反射鏡來調(diào)節(jié)諧振器長(zhǎng)度，這可以能夠響應(yīng)于由至少低頻振動(dòng)導(dǎo)致的擾動(dòng)。然而，這是一個(gè)相對(duì)昂貴的選擇。振動(dòng)和沖擊擾動(dòng)可能只是容忍或采取措施以避免這種擾動(dòng)?？商娲兀琽ps激光器可被設(shè)計(jì)成抵抗振動(dòng)引起的諧振器長(zhǎng)度的變化。這樣的布置在轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人的美國專利申請(qǐng)?zhí)?4/210433中進(jìn)行了描述，其全部公開內(nèi)容通過引用并入本文。

在產(chǎn)生圖4和圖5的結(jié)果時(shí)，使用簡(jiǎn)單的光電二極管檢測(cè)器來監(jiān)測(cè)來自brf24的反射?？梢允褂酶_的檢測(cè)器裝置，例如公知的布置。這提供了具有最小零交叉的誤差信號(hào)，并且具有指示信號(hào)是高于還是低于最小值的正號(hào)或負(fù)號(hào)。這需要附加的光學(xué)部件和附加的檢測(cè)器，具有相應(yīng)的成本和復(fù)雜性。然而，不清楚的是這將實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的任何更可靠的操作。

總之，以上根據(jù)優(yōu)選和其他實(shí)施例描述了本發(fā)明。然而，本發(fā)明不限于本文所描述和描述的實(shí)施例。相反，本發(fā)明僅由所附的權(quán)利要求限制。