[发明专利]延长受强激光束辐射的非线性光学系统使用寿命的设备和包括该设备的非线性光源

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于延长经受强激光束辐射的一个或多个线性或非线性光学元件的使用寿命的设备。本发明特别应用于光频转换器，特别是包括非线性晶体的光学谐波生成器，这种晶体经受到可能是破坏性的辐射，例如强烈集中的UV射线。本发明还应用于频率可调的光学参量振荡器(OPO)激光源。

背景技术

固体激光器已知用于制造具有非常好的光质量的光束并且在许多应用中被使用，包括半导体微加工、塑料产品标志、太阳能电池蚀刻等等。对于大部分应用来说，有必要将激光器发出的通常为红外线的射线转换成频率较高的射线。制造基本频率的第二、第三、第四或甚至第五谐波以获得高功率高质量的连续或脉冲UV光束是相当令人感兴趣的。

脉冲固体激光器能够在持续时间相对较短的脉冲(小于200ns)上产生超过一百瓦特的平均功率。可以列举激光介质，例如Nd:YVO4、Nd:YAG、Nd:YLF，以及Nd或Yb掺杂的玻璃纤维，以用作能够以非常高的频率(通常是10到500kHz)工作的激光脉冲源。第三谐波的制造现在已经工业化了，并且约为20W的功率已经在355nm获得，4W在266nm获得，并且人们越来越关注更短的波长。

当希望制造高频脉冲激光的谐波时主要困难在于遭受高功率UV的光学元件的使用寿命。已知使得包括光学处理或非线性晶体的元件遭受长时间的强UV辐射会导致该元件在接近于被照亮区域的区域中的不可逆转的降级。这种降级的物理原因仍然有待研究并且难以理解。存在用于延长一个区域的使用寿命的手段，但是它们并不总是能够达到这些源的工业应用所需要的使用寿命。利用入射功率强度所进行的加速以及短波长所造成的损坏是已知的，并且光学元件表面上的瑕疵也会造成这种损坏。

所观测到的效应是累积的并且会使得所产生的光束和UV功率的质量逐渐地降级。

为了制造UV射线，传统的方法在于将强光束聚焦于非线性晶体中。典型的晶体是LBO、BBO和CLBO，但是也可以使用任何其他晶体。在以高频工作的激光器的情况下，每个脉冲的低能量必须确保使得光束聚焦于约为100μm的直径范围内。功率强度因而达到每平方厘米几十千瓦并且最终造成严重的损坏。

用于限制晶体降级的一种已知的方法在于在从几小时到几星期的时期之后将横向平面内的非线性晶体移动至激光束轴线，从而找到还未被破坏的新的晶体区域。光束的大小约为100微米并且晶体大小通常为3×3mm，很容易将晶体表面分解成一百个以上的基本区域，这些基本区域将在进行移动的期间被光束逐一照射。例如，如果考虑光束可以在一个区域停留100小时而损失小于其功率的10％，则晶体使用寿命增加一因数100以达到大约10,000小时。当所有区域已经被一一使用过时，必须更换晶体。这种方法在Marason的专利US 5,179,562中针对连续激光的情形而被描述，并且在专利US 5,825,562(Lai等人)中针对脉冲激光的特定情形而被描述。专利US 5,825,562描述了一种平移系统，其包括两个互相垂直并且垂直于激光束的平移板。其他专利公开了对于按照垂直于光束的平面内的晶体的圆形路径的平移或移动系统的改进(专利申请US2003/0147433，“Extended lifetime harmonic generator”，Kafka等人；专利US 6,859,225，“Method of programmed displacement for prolonged usage of optical element under the irradiation of intense laser beam”)。这些方法被用于所有通过生成商业上可获得的第三或第四谐波来进行UV发射的固体激光器。

上述方法的主要缺点在于它们需要完美的平移而不会产生晶体围绕与光束轴垂直的轴的任何转动。实际上，非线性晶体中的谐波的生成是基于相位匹配的。相位匹配是通过非常精细地调节晶体轴与激光束之间的角度来获得的。如果这个角度在平移期间变化，则转换效率将改变并且谐波辐射中产生的功率将改变。15mm长的LBO晶体的典型准确度远低于1毫弧度。对于双折射很强的晶体(例如BBO)或非常短的波长来说会更低。因此有必要确保晶体在垂直于激光束轴的两个方向中的几毫米的平移不会导致大于几毫弧度的转动。这种准确度在几毫米的移动中以及在几年的时期内非常难以维持。此外，可移动元件的存在使得晶体的稳固变得不可能，该晶体的取向因而会在传送事件期间改变。因此有必要每次平移晶体都重新调节相位匹配。这种匹配的重新调节通常通过改变晶体温度来进行，但是它需要复杂的控制回路。