本發(fā)明屬于激光，尤其涉及一種基于ld泵浦翠綠寶石晶體的高重頻193nm激光器。

背景技術(shù)：

1、本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)。

2、193nm激光位于深紫外波段(通常為100nm至200nm)，在高分辨率光譜學(xué)、光化學(xué)、光纖光柵制備、精密激光加工等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的重要作用，尤其是在半導(dǎo)體集成電路制造等方面，193nm激光是廣泛使用且不可或缺的一種光源。目前，在上述波段，市場(chǎng)份額占有率最大的為arf準(zhǔn)分子氣體激光器；這種氣體激光器通過在高壓條件下將惰性氣體和反應(yīng)性氣體進(jìn)行組合從而直接產(chǎn)生深紫外激光輸出，其優(yōu)點(diǎn)是輸出功率(能量)較大，明顯的缺點(diǎn)是工作物質(zhì)有劇毒且需要頻繁更換，系統(tǒng)體積較大，維護(hù)困難，使用成本較高。就激光參數(shù)方面而言，氣體激光器的重復(fù)頻率較低、光束質(zhì)量較差，在某些檢測(cè)方面應(yīng)用困難。因此，為了解決arf準(zhǔn)分子氣體激光器在深紫外波段遇到的使用難題，亟需開發(fā)一種重復(fù)頻率可擴(kuò)展、光束質(zhì)量更好、性能可靠且穩(wěn)定的深紫外光源。

3、近年來，全固態(tài)193nm激光器逐步發(fā)展起來，其具有重復(fù)頻率可調(diào)、光束質(zhì)量好、相干性好、激光系統(tǒng)體積小等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在光纖光柵刻寫、半導(dǎo)體晶圓缺陷檢測(cè)等方面開始應(yīng)用。固體193nm激光器的實(shí)現(xiàn)方法主要有：

4、(1)選擇1547nm激光作為基頻光源，由摻鉺光纖產(chǎn)生，泵浦源是激光半導(dǎo)體(ld)，利用非線性晶體進(jìn)行倍頻、三倍頻、六倍頻、七倍頻、八倍頻等五次非線性頻率變換過程實(shí)現(xiàn)193nm激光輸出，但該系統(tǒng)所需非線性次數(shù)較多，總體電光轉(zhuǎn)換效率低。

5、(2)選擇1064nm激光作為基頻光源，由nd:yag激光產(chǎn)生，泵浦源為ld，通過倍頻、光學(xué)參量振蕩(opo)、再次倍頻、和頻、再次和頻等五次非線性頻率變換過程，同樣存在總體轉(zhuǎn)換效率低的問題；另外，還可以通過1064nm倍頻產(chǎn)生532nm激光后，將激光分成兩路，分別進(jìn)行四倍頻和opo過程，再進(jìn)行激光和頻產(chǎn)生193nm激光，這種方案除了非線性頻率變換次數(shù)較多外，還存在兩束激光在進(jìn)入非線性晶體前實(shí)現(xiàn)空間耦合和時(shí)序同步的問題，導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大且不穩(wěn)定因素增加。

6、(3)選擇1030nm激光(由yb:yag激光產(chǎn)生)和1553nm激光(由摻鉺光纖激光產(chǎn)生)兩束激光作為基頻光源，泵浦源均為ld，其中1030nm激光經(jīng)過倍頻、四倍頻過程產(chǎn)生258nm激光，再與1553nm激光進(jìn)行兩次和頻過程進(jìn)而產(chǎn)生193nm激光；該方案存在的問題同樣是所需非線性頻率變換次數(shù)較多和兩束激光的時(shí)空耦合，不利于激光系統(tǒng)的集成與系統(tǒng)電光轉(zhuǎn)換效率的提升。

7、(4)選擇773.6nm作為基頻光源，由鈦寶石激光器產(chǎn)生，泵浦源為綠光激光器，利用非線性晶體進(jìn)行倍頻、三倍頻、四倍頻等三次非線性頻率變換過程實(shí)現(xiàn)目標(biāo)波長(zhǎng)輸出，但該基頻光源的泵浦源為綠光激光器，該泵浦源通過nd:yag激光倍頻產(chǎn)生，額外引入了一次非線性頻率變換過程，降低了系統(tǒng)整體電光轉(zhuǎn)換效率；此外，鈦寶石晶體本身熱效應(yīng)嚴(yán)重，需要良好的溫控措施提供穩(wěn)定保障，該晶體只能使用藍(lán)綠波段進(jìn)行泵浦，也使得激光系統(tǒng)體積龐大且成本增加；另外一種基于鈦寶石激光器的方案是，在非線性頻率變換過程中，采用倍頻、四倍頻兩次非線性頻率變換過程獲得目標(biāo)波長(zhǎng)激光，除了存在泵浦源和晶體溫控的問題外，四倍頻過程需要利用kbbf晶體，該晶體產(chǎn)能有限，價(jià)格昂貴，并且易損壞，長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述背景技術(shù)中存在的至少一項(xiàng)技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于ld泵浦翠綠寶石晶體的高重頻193nm激光器，其兼顧泵浦源穩(wěn)定性好且集成度高、基頻光源波長(zhǎng)短、非線性頻率變換過程少、系統(tǒng)整體電光轉(zhuǎn)換效率高且系統(tǒng)成本較低。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，一種基于ld泵浦翠綠寶石晶體的高重頻193nm激光器，其包括：ld泵浦源、翠綠寶石激光振蕩器和非線性頻率變換模塊；

4、所述ld泵浦源用于產(chǎn)生激光并輸入至翠綠寶石激光振蕩器；

5、所述翠綠寶石激光振蕩器包括沿著光路依次設(shè)置有第一雙色鏡、翠綠寶石晶體、第一平凸透鏡、雙折射濾光片、調(diào)q器件、第一四分之一波片和輸出耦合鏡；所述翠綠寶石激光振蕩器用于產(chǎn)生基頻光源；所述基頻光源依次經(jīng)過第一二分之一波片及第二平凸透鏡輸入至非線性頻率變換模塊中，得到193.4nm激光。

6、作為一種實(shí)施方式，所述非線性頻率變換模塊包括沿光路設(shè)置的倍頻非線性晶體、三倍頻非線性晶體、四倍頻非線性晶體及分光棱鏡。

7、作為一種實(shí)施方式，所述ld泵浦源輸出的激光依次經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡打在翠綠寶石晶體上。

8、作為一種實(shí)施方式，所述翠綠寶石晶體的切割方式為沿晶體c軸切割和布儒斯特角切割中的一種，鉻離子摻雜濃度為0.2-0.22at.％，晶體端面鍍有對(duì)6xxnm、700nm-800nm波段增透膜。

9、在另一些實(shí)施例中，還提供了一種基于ld泵浦翠綠寶石晶體的高重頻193nm激光器，其包括：ld泵浦源、翠綠寶石再生放大器和非線性頻率變換模塊；

10、所述ld泵浦源用于產(chǎn)生激光并輸入至翠綠寶石再生放大器；

11、所述翠綠寶石再生放大器包括第二雙色鏡、諧振腔、第二二分之一波片、法拉第旋光器、第二薄膜偏振片和第八反射鏡；諧振腔以第一反射鏡和第七發(fā)反射鏡為端鏡，諧振腔內(nèi)還設(shè)置有翠綠寶石晶體、第一薄膜偏振片和普克爾盒；

12、所述翠綠寶石再生放大器的種子光經(jīng)過依次第二薄膜偏振片、法拉第旋光器、第二二分之一波片和第一薄膜偏振片進(jìn)入諧振腔內(nèi)，種子光在以第一反射鏡和第七發(fā)反射鏡為端鏡的諧振腔中多次振蕩，每次經(jīng)過翠綠寶石晶體時(shí)種子光得到一次放大；當(dāng)撤去普克爾盒兩端高壓，放大后的種子光偏振態(tài)變?yōu)閟偏振，在第一薄膜偏振片反射輸出；放大后的輸出激光再依次經(jīng)過第二二分之一波片、法拉第旋光器、第二薄膜偏振片和第八反射鏡進(jìn)行空間準(zhǔn)直，最后依次經(jīng)過第一二分之一波片和第二平凸透鏡進(jìn)入非線性頻率變換模塊，獲得193nm激光。

13、作為一種實(shí)施方式，所述諧振腔還包括第二反射鏡、第二雙色鏡、第三反射鏡、第四反射鏡、第五反射鏡、第六反射鏡和第二四分之一波片；

14、進(jìn)入諧振腔內(nèi)的種子光的偏振態(tài)為s偏振，通過普克爾盒和第二四分之一波片，經(jīng)過第七反射鏡反射，再次通過第二四分之一波片和普克爾盒，激光偏振態(tài)改變?yōu)閜偏振，此時(shí)普克爾盒兩端施加四分之一波電壓，種子光透射經(jīng)過第一薄膜偏振片，依次經(jīng)過第六反射鏡、第五反射鏡、第四反射鏡、第三反射鏡、翠綠寶石晶體、第二雙色鏡、第二反射鏡和第一反射鏡，再原路返回至第七反射鏡，此時(shí)激光的偏振態(tài)仍為p偏振。

15、作為一種實(shí)施方式，第二雙色鏡為平面鏡，對(duì)638nm激光高透，透過率大于95％，對(duì)700nm-800nm激光高反，反射率大于99.9％；

16、第一反射鏡為平面鏡，對(duì)700nm-800nm波段激光高反，反射率大于99.9％；

17、第二反射鏡為平凹鏡，曲率半徑為800mm，對(duì)700nm-800nm波段激光高反，反射率大于99.9％；

18、第三反射鏡為平面鏡，對(duì)700nm-800nm波段激光高反，反射率大于99.9％；

19、第四反射鏡為平凹鏡，曲率半徑為500mm，對(duì)700nm-800nm波段激光高反，反射率大于99.9％；

20、第五反射鏡為平面鏡，對(duì)700nm-800nm波段激光高反，反射率大于99.9％；

21、第六反射鏡為平面鏡，對(duì)700nm-800nm波段激光高反，反射率大于99.9％；

22、第七反射鏡為平面鏡，對(duì)700nm-800nm波段激光高反，反射率大于99.9％；

23、第八反射鏡為平面鏡，對(duì)700nm-800nm波段激光高反，反射率大于99.9％。

24、作為一種實(shí)施方式，第一薄膜偏振片消光比大于500:1，以與腔內(nèi)激光傳輸方向呈布儒斯特角的角度插入；

25、第二薄膜偏振片消光比大于500:1，與種子光傳輸方向呈布儒斯特角。

26、作為一種實(shí)施方式，種子光的中心波長(zhǎng)為773.6nm。

27、作為一種實(shí)施方式，所述非線性頻率變換模塊包括沿光路設(shè)置的倍頻非線性晶體、三倍頻非線性晶體、四倍頻非線性晶體及分光棱鏡。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

29、(1)本發(fā)明所使用的基頻光源由翠綠寶石激光器產(chǎn)生，翠綠寶石晶體是一種性能優(yōu)異的激光晶體，能夠?qū)崿F(xiàn)700nm-800nm波段激光的可調(diào)諧輸出，該晶體損傷閾值高、熱導(dǎo)率高、適合大功率泵浦，對(duì)提升基頻光源功率進(jìn)而提升193nm激光功率有益。并且翠綠寶石激光器輸出的激光是線偏光，可以直接通過波片調(diào)整以滿足非線性晶體相位匹配的要求。

30、(2)本發(fā)明所使用的基頻光源為773.6nm左右，通過最多三次非線性過程即可獲得193.4nm左右的激光輸出，相比于1μm、1.5μm波段基頻光源而言，非線性頻率變換過程更少，總體轉(zhuǎn)換效率更高。

31、(3)本發(fā)明所述激光器屬于全固態(tài)激光器，與傳統(tǒng)的準(zhǔn)分子氣體激光器相比，在光束質(zhì)量、激光重復(fù)頻率等參數(shù)方面優(yōu)勢(shì)明顯，特別是重復(fù)頻率主要受普克爾盒的控制，能夠達(dá)到khz甚至mhz量級(jí)，并且全固態(tài)激光器更加小型、便攜、魯棒性好、易于維護(hù)。

32、(4)本發(fā)明所述激光器與同為固體激光器的鈦寶石激光器方案相比，該發(fā)明所使用的ld泵浦源電光轉(zhuǎn)換效率高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，并且激光產(chǎn)生過程中的量子虧損更低，此外該發(fā)明所使用的晶體熱管理裝置簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的進(jìn)一步集成與簡(jiǎn)化。

33、(5)在非線性頻率變換模塊中，充分利用基頻光源及頻率變換過程中產(chǎn)生的新波長(zhǎng)激光的偏振特性，對(duì)使用的三塊晶體進(jìn)行不同切割角度的設(shè)計(jì)，采用級(jí)聯(lián)倍頻的方式，避免了其他器件的引入，大幅地縮減了整個(gè)變頻模塊的體積，對(duì)系統(tǒng)集成化、小型化有益。另外，所使用的非線性晶體為lbo和bbo，制造技術(shù)相當(dāng)成熟，有效地控制了成本。

34、本發(fā)明附加方面的優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。