[发明专利]一种短波长深紫外激光输出装置

说明书

本发明提供一种短波长深紫外激光输出装置，包括依次设置的第一基频源、倍频晶体、KBBF‑PCD器件、旋光器、高反镜和第二基频源；所述第一基频源，用于产生第一基频光；所述倍频晶体，通过非线性过程产生倍频光输出；所述KBBF‑PCD器件，用于输出4倍频光；所述旋光器，用于使所述4倍频光的偏振方向旋转45度后输出；所述高反镜，用于将旋转45度的所述4倍频光按照原光路返回至旋光器，偏振方向再旋转45度后，返回所述KBBF‑PCD器件中；所述第二基频源，用于产生第二基频光并与再次进入KBBF‑PCD器件的4倍频光进行和频，产生短波长深紫外激光输出。本发明利用单块KBBF‑PCD器件实现短波长深紫外激光输出；所需基频源要求低，体积小，造价低，稳定性高。

技术领域

本发明涉及激光输出技术领域，更具体地，涉及一种短波长深紫外激光输出的装置。

背景技术

激光作为二十世纪最伟大的发明之一，已普遍应用于科学研究、工业、国防、医疗等领域，并带动了非线性光学、激光光谱学、量子光学、光通信、激光显示等诸多学科的兴起和发展。在特殊波长方面，短波长深紫外(DUV)波段一般介于40nm到200nm之间，由于其波长短、光子能量大，其在物理、化学、材料、生物、信息、资环等领域均有重要应用价值。

短波长深紫外激光产生方法主要包括同步辐射，气体放电，准分子激光器，自由电子激光器和全固态激光器。同步辐射和气体放电均属于非相干光源。同步辐射在1～200nm宽波段的应用中扮演了主要角色，但是缺点在于能量分辨率低(1～5meV)，光子流通量较小(10¹⁰～10¹²photon/s)，体积庞大，需巨额成本，由于是非相干光源，同步辐射光束聚焦性能不佳，导致光子流密度不高，约10¹²～10¹⁴photon/(s·cm²)。气体放电光源优点是连续运转，简单而体积小，但通常仅能利用几种气体产生特定波长的DUV光源，例如He产生58.5nm DUV光，波长单一，与同步辐射一样，它也具有非相干光的缺点，能量分辨率低(～1.2meV)，光子流通量小(<10¹⁴photon/s)。作为广泛应用的相干光源之一，准分子激光器自二十世纪七十年代发明以来，发挥了重要作用，特别是在光刻方面，DUV准分子激光器有ArF(193nm)及F2(157nm)两种。但是，准分子激光器波长调谐范围窄，气体有毒、一次充气寿命有限，基于横向气体放电运转，其光束质量较差，高光束质量、高功率运转的调控技术很复杂，难以满足各种科研装备对深紫外光源实用化与精密化的要求。DUV自由电子激光器是一种输出特性很好的新一代激光源，是同步辐射向相干输出发展的必然结果，其巨大优势在于可调范围很宽(可短至X光)且功率大，缺点是体积大、造价高，且目前技术尚不够成熟。和频(SFM)方法可通常用非线性光学(NLO)晶体产生DUV激光，但是SMF系统需要两个不同波长的激光器实现严格的时间同步、空间和偏振匹配，难于实现精密化、实用化。上述DUV光源的局限性阻碍了其广泛应用，特别是对于实用化、精密化要求高的前沿科学仪器及相关科研工作。通过半导体二极管(LD)泵浦固体激光(DPL)倍频(SHG)方法获得的DUV光源(本文以下DUV-DPL均指此类)展示了巨大的应用优势，是较理想的精密化、实用化相干光源。

由于之前没有用于直接倍频获得DUV激光的非线性光学晶体，主要通过在KB5、LBO、BBO、LB4、CLBO、CBO等非线性光学晶体中实现和频。然而这些非线性光学晶体均存在自身的缺点，如KB5、LB4晶体的非线性系数较小，BBO晶体在极低的温度下才能产生DUV激光，CLBO晶体易于潮解，LBO晶体和CBO晶体也均存在潮解性问题。特别地，和频技术系统需要两台不同波长的激光器实现严格的时间同步、空间和偏振匹配，而且设备复杂难以实现精密化和实用化。