一种紫外飞秒激光器的制作方法

本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种紫外飞秒激光器。

背景技术：

紫外飞秒激光一般通过腔外倍频产生，具有飞秒激光高峰值功率和紫外光短波长的特点，因此激光器内部光学器件非常容易损坏，从而影响激光器寿命。紫外光谐波分离器是激光器中比较容易损坏的光学元件，其是一种镀紫外光反射其它光透射的分光膜的分束镜，不镀膜的损伤阈值远远大于镀膜，因此可以使用不镀膜的分光元件替换掉镀膜的分束镜。常见的不镀膜分光器件有：色散补偿棱镜对和格兰泰勒棱镜。色散补偿棱镜对布鲁斯特角入射，透过率较高，但是调节麻烦，而且会引入较大的色散，影响紫外飞秒激光的脉宽；格兰泰勒棱镜入射光为正入射，且有一部分能量会在空气隙中损失，上述两种不镀膜分光器件的紫外光透过率一般低于90％。

综上，将不镀膜、透过率高且不影响紫外飞秒激光参数的谐波分离器用于紫外飞秒激光器中会大幅提高激光器寿命。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种紫外飞秒激光器，该紫外飞秒激光器使用不镀膜、透过率高且不影响紫外飞秒激光参数的谐波分离器。

本发明提供一种紫外飞秒激光器，包括基频飞秒激光器、二倍频晶体、偏振控制器、三倍频晶体、第一双折射晶体、第一挡光块和第二挡光块，所述基频飞秒激光器、二倍频晶体、偏振控制器、三倍频晶体和第一双折射晶体沿激光的出射方向依次设置，所述第一双折射晶体包括第一入射端面、第一出射端面和第二出射端面，所述第一入射端面和第一出射端面平行，所述第二出射端面位于第一出射端面的反射光的出光方向上，所述第一入射端面和第一出射端面均透射三倍频飞秒激光，且所述第一入射端面部分反射二倍频飞秒激光和基频飞秒激光，所述第一出射端面全反射二倍频飞秒激光和基频飞秒激光，所述第二出射端面透射二倍频飞秒激光和基频飞秒激光；所述第一挡光块位于第一入射端面的反射光的出光方向上，所述第二挡光块位于第二出射端面的出光方向上；从三倍频晶体出射的不同波长的激光以三倍频光的布鲁斯特角经第一入射端面射入第一双折射晶体，经第一双折射晶体后，不同波长的激光发生分离。

进一步地，所述第一双折射晶体还包括第三出射端面和第四出射端面，所述第三出射端面与第二出射端面平行，所述第三出射端面和第二出射端面均全反射三倍频飞秒激光、部分反射基频飞秒激光和二倍频飞秒激光，所述第四出射端面透射基频飞秒激光和二倍频飞秒激光。

进一步地，所述紫外飞秒激光器还包括第四挡光块，所述第四挡光块位于第三出射端面的透射光的出光方向上。

进一步地，所述紫外飞秒激光器还包括第二双折射晶体，所述第二双折射晶体与第一双折射晶体对称放置，所述第二双折射晶体包括第二入射端面和透射端面，所述第二入射端面和透射端面平行，且均透射三倍频飞秒激光，所述第二入射端面位于第一出射端面的透射光的出光方向上。

进一步地，所述二倍频晶体是按ⅰ类相位匹配角切割的lbo或bbo晶体。

进一步地，所述三倍频晶体是按ⅰ类相位匹配角切割的lbo或bbo晶体。

进一步地，所述第一双折射晶体和第二双折射晶体均为紫外光透明的α-bbo晶体。

进一步地，所述第一双折射晶体和第二双折射晶体均为紫外光透明的石英晶体。

本发明还提供一种紫外飞秒激光器，包括基频飞秒激光器、二倍频晶体、二倍频光谐波分离器、第三挡光块、四倍频晶体、第一双折射晶体、第一挡光块和第二挡光块，所述基频飞秒激光器、二倍频晶体、二倍频光谐波分离器、四倍频晶体和第一双折射晶体沿着激光的出射方向依次设置，所述第三挡光块位于二倍频光谐波分离器的基频飞秒激光的出光方向上，所述四倍频晶体位于二倍频光谐波分离器的二倍频飞秒激光的出光方向上，所述第一双折射晶体包括第一入射端面、第一出射端面和第二出射端面，所述第一入射端面和第一出射端面平行，所述第二出射端面位于第一出射端面的反射光的出光方向上，所述第一入射端面和第一出射端面均透射四倍频飞秒激光，且所述第一入射端面部分反射二倍频飞秒激光，所述第一出射端面全反射二倍频飞秒激光，所述第二出射端面透射二倍频飞秒激光，所述第一入射端面位于四倍频晶体的出光方向上，所述第一挡光块位于第一入射端面的反射光的出光方向上，所述第二挡光块位于第二出射端面的出光方向上；从四倍频晶体出射的不同波长的激光以四倍频光的布鲁斯特角经第一入射端面射入第一双折射晶体，经第一双折射晶体后，不同波长的激光发生分离。

进一步地，所述紫外飞秒激光器还包括第二双折射晶体，所述第二双折射晶体与第一双折射晶体对称放置，所述第二双折射晶体包括第二入射端面和透射端面，所述第二入射端面和透射端面平行，且均透射四倍频飞秒激光，所述第二入射端面位于第一出射端面的透射光的出光方向上。

进一步地，所述二倍频晶体是按ⅰ类相位匹配角切割的lbo或bbo晶体。

进一步地，所述四倍频晶体是按ⅰ类相位匹配角切割的bbo晶体。

进一步地，所述第一双折射晶体和第二双折射晶体均为紫外光透明的α-bbo晶体。

进一步地，所述第一双折射晶体和第二双折射晶体均为紫外光透明的石英晶体。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明提供的紫外飞秒激光器采用双折射晶体，不镀膜，相较于镀膜的分束镜，损伤阈值大幅提升；本发明提供的紫外飞秒激光器以布鲁斯特角入射，相较于格兰泰勒棱镜，透过率大幅提升；与色散补偿棱镜对相比，本发明提供的紫外飞秒激光器体积小，调试方便，使用寿命长，且基本不改变紫外飞秒光的脉宽。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种紫外飞秒激光器的结构示意图。

图2为本发明实施例1提供的一种紫外飞秒激光器的光路示意图。

图3为本发明实施例3提供的一种紫外飞秒激光器的结构示意图。

图4为本发明实施例3提供的一种紫外飞秒激光器的光路示意图。

图5为本发明实施例5提供的一种紫外飞秒激光器的结构示意图。

图6为本发明实施例5提供的一种紫外飞秒激光器的光路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

实施例1：

参考图1，本发明的实施例1提供了一种紫外飞秒激光器，包括基频飞秒激光器1、二倍频晶体2、偏振控制器3、三倍频晶体4、第一双折射晶体5、第一挡光块6、第二挡光块7和第二双折射晶体8，基频飞秒激光器1、二倍频晶体2、偏振控制器3、三倍频晶体4、第一双折射晶体5和第二双折射晶体8沿激光的出射方向自左至右依次设置，第二双折射晶体8与第一双折射晶体5对称放置，第一双折射晶体5包括第一入射端面s51、第一出射端面s52和第二出射端面s53，第一入射端面s51和第一出射端面s52平行，第一入射端面s51位于三倍频晶体4的出光方向上，第二出射端面s53位于第一出射端面s52的反射光的出光方向上，第一入射端面s51和第一出射端面s52均透射三倍频飞秒激光，且第一入射端面s51部分反射二倍频飞秒激光和基频飞秒激光，第一出射端面s52全反射二倍频飞秒激光和基频飞秒激光，第二出射端面s53透射二倍频飞秒激光和基频飞秒激光，第二双折射晶体8包括平行的第二入射端面s81和透射端面s82，第二入射端面s81和透射端面s82均透射三倍频飞秒激光，第二入射端面s81位于第一出射端面s52的透射光的出光方向上，第一挡光块6位于第一入射端面s51的反射光的出光方向上，第二挡光块7位于第二出射端面s53的出光方向上。

实施例1中，基频飞秒激光器1为中心波长1030nm的飞秒激光器，二倍频晶体2可以是按ⅰ类相位匹配角切割的lbo或bbo晶体，三倍频晶体4可以是按ⅰ类相位匹配角切割的lbo或bbo晶体。

实施例1中，第一双折射晶体5为紫外光透明的双折射晶体，如：α-bbo晶体，α-bbo晶体的theta角等于75°，phi角等于0°。对于α-bbo晶体，波长343nm的飞秒激光为寻常光(o光)，波长515nm和1030nm的飞秒激光为异常光(e光)。那么入射角等于59.72°时，波长343nm的飞秒激光的折射角为30.28°，波长515nm和1030nm的飞秒激光的折射角为46.28°和47.54°；本实施例中对α-bbo晶体的尺寸不作限制，如图2所示，激光入射方向与法线的角度为θb,θb为三倍频飞秒激光入射的布鲁斯特角，第一出射端面s52和第二出射端面s53之间具有一定的夹角β，第一入射端面s51和第一出射端面s52的长度为13mm，第二出射端面s53的长度为16mm。

除不具有第二出射端面s53外，第二双折射晶体8与第一双折射晶体5完全相同。

参考图2，实施例1提供的紫外飞秒激光器的工作原理为：基频飞秒激光器1射出线偏振、中心波长1030nm的基频飞秒激光，波长1030nm的基频飞秒激光通过二倍频晶体2发生二倍频效应，输出波长1030nm的基频飞秒激光和波长515nm的二倍频飞秒激光，波长1030nm的基频飞秒激光和波长515nm的二倍频飞秒激光通过偏振控制器3发生偏振效应，输出偏振态相同且为线偏振的波长1030nm的基频飞秒激光和波长515nm的二倍频飞秒激光，相同偏振态的波长1030nm的基频飞秒激光和波长515nm的二倍频飞秒激光再通过三倍频晶体4发生三倍频效应，输出波长1030nm的基频飞秒激光、波长515nm的二倍频飞秒激光和波长343nm的三倍频飞秒激光，经过三倍频效应后，三倍频飞秒激光的偏振态与二倍频飞秒激光、剩余基频飞秒激光的偏振态垂直，假设剩余的波长1030nm的基频飞秒激光与波长515nm的二倍频飞秒激光的偏振态为s偏振，那么波长343nm的三倍频飞秒激光的偏振态为p偏振，波长1030nm的基频飞秒激光、波长515nm的二倍频飞秒激光和波长343nm的三倍频飞秒激光以343nm的布鲁斯特角经第一入射端面s51射入第一双折射晶体5，波长515nm的二倍频飞秒激光和波长1030nm的基频飞秒激光经第一入射端面s51部分反射后打在第一挡光块6上，剩余的波长515nm的二倍频飞秒激光和波长1030nm的基频飞秒激光透过第一入射端面s51后在第一出射端面s52上发生全反射，再经第二出射端面s53透射后打在第二挡光块7上，第二出射端面s53切割β角，保证输出光入射角接近0度，增加透过率；波长343nm的三倍频飞秒激光以布鲁斯特角依次经第一入射端面s51和第一出射端面s52透射后以θb射出，由于是斜入射，三倍频飞秒激光经第一出射端面s52出射后存在空间色散，有空间色散的波长343nm的三倍频飞秒激光以布鲁斯特角射入第二入射端面s81，经透射端面s82透射后，空间色散得到补偿。

由于波长515nm的二倍频飞秒激光和波长1030nm的基频飞秒激光在第一出射端面s52发生全反射，波长343nm的三倍频飞秒激光在第一出射端面s52完全透射，因此二倍频飞秒激光、基频飞秒激光与三倍频飞秒激光在第一双折射晶体5的内部完全分离。假设入射的343nm的三倍频飞秒激光脉宽为350fs，经过第一双折射晶体5和第二双折射晶体8后，脉宽为352.3fs，色散几乎可以忽略。

实施例2：

实施例2与实施例1的区别仅在于：实施例2中的第一双折射晶体5和第二双折射晶体8为紫外光透明的石英晶体；其余结构则与实施例1基本相同。

实施例3：

参考图3，本发明的实施例3提供了一种紫外飞秒激光器，包括基频飞秒激光器1、二倍频晶体2、二倍频光谐波分离器9、第三挡光块10、四倍频晶体11、第一双折射晶体5'、第一挡光块6、第二挡光块7和第二双折射晶体8'，基频飞秒激光器1、二倍频晶体2、二倍频光谐波分离器9、四倍频晶体11、第一双折射晶体5'、第二双折射晶体8'沿着激光的出射方向自左至右依次设置，第三挡光块10位于二倍频光谐波分离器9的基频飞秒激光的出光方向上，四倍频晶体11位于二倍频光谐波分离器9的二倍频飞秒激光的出光方向上，第二双折射晶体8'与第一双折射晶体5'对称放置，第一双折射晶体5'包括第一入射端面s51'、第一出射端面s52'和第二出射端面s53'，第一入射端面s51'和第一出射端面s52'平行，第一入射端面s51'位于四倍频晶体11的出光方向上，第二出射端面s53'位于第一出射端面s52'的反射光的出光方向上，第一入射端面s51'和第一出射端面s52'均透射四倍频飞秒激光，且第一入射端面s51'部分反射二倍频飞秒激光，第一出射端面s52'全反射二倍频飞秒激光，第二出射端面s53'透射二倍频飞秒激光，第二双折射晶体8'包括平行的第二入射端面s81'和透射端面s82'，第二入射端面s81'和透射端面s82'均透射四倍频飞秒激光，第二入射端面s81'位于第一出射端面s52'的透射光的出光方向上，第一挡光块6位于第一入射端面s51'的反射光的出光方向上，第二挡光块7位于第二出射端面s53'的出光方向上。

实施例3中，基频飞秒激光器1为中心波长1030nm的飞秒激光器，二倍频晶体2可以是按ⅰ类相位匹配角切割的lbo或bbo晶体，四倍频晶体11可以是按ⅰ类相位匹配角切割的bbo晶体。

实施例3中，第一双折射晶体5'为紫外光透明的双折射晶体，如：α-bbo晶体。如图4所示，激光入射方向与法线的角度为θb,第一出射端面s52'和第二出射端面s53'之间具有一定的夹角β，对于α-bbo晶体，四倍频飞秒激光为寻常光(o光)，二倍频飞秒激光为异常光(e光)。

除不具有第二出射端面s53'外，第二双折射晶体8'与第一双折射晶体5'完全相同。

参考图4，实施例3提供的紫外飞秒激光器的工作原理为：基频飞秒激光器1射出线偏振、中心波长1030nm的基频飞秒激光，波长1030nm的基频飞秒激光通过二倍频晶体2发生二倍频效应，输出波长1030nm的基频飞秒激光和波长515nm的二倍频飞秒激光，波长1030nm的基频飞秒激光和波长515nm的二倍频飞秒激光通过二倍频光谐波分离器9后滤除剩余的波长1030nm的基频飞秒激光，剩余的波长1030nm的基频飞秒激光打在第三挡光块10上，分离出的波长515nm的二倍频飞秒激光通过四倍频晶体11发生四倍频效应，输出波长257nm的四倍频飞秒激光和波长515nm的二倍频飞秒激光，且四倍频飞秒激光的偏振态与二倍频飞秒激光的偏振态垂直，波长257nm的四倍频飞秒激光和波长515nm的二倍频飞秒激光以257nm的布鲁斯特角经第一入射端面s51'射入第一双折射晶体5'，波长257nm的四倍频飞秒激光无损耗进入第一双折射晶体5'，波长515nm的二倍频飞秒激光经第一入射端面s51'部分反射后打在第一挡光块6上，剩余的波长515nm的二倍频飞秒激光透过第一入射端面s51'后，在第一出射端面s52'发生全反射，再经第二出射端面s53'透射后打在第二挡光块7上，波长257nm的四倍频飞秒激光依次经第一入射端面s51'和第一出射端面s52'透射后以θb射出，经第一双折射晶体5'后，波长257nm的四倍频飞秒激光和波长515nm的二倍频飞秒激光完全分离，由于波长257nm的四倍频飞秒激光是斜入射进入第一双折射晶体5'，因此存在空间色散，有空间色散的波长257nm的四倍频飞秒激光以布鲁斯特角射入第二入射端面s81'，经透射端面s82'透射后，空间色散得到补偿。

实施例4：

实施例4与实施例3的区别仅在于：实施例4中的第一双折射晶体5'和第二双折射晶体8'为紫外光透明的石英晶体；其余结构则与实施例3基本相同。

实施例5：

参考图5，本发明的实施例5提供了一种紫外飞秒激光器，包括基频飞秒激光器1、二倍频晶体2、偏振控制器3、三倍频晶体4、第一双折射晶体5”、第一挡光块6、第二挡光块7、第四挡光块12和第二双折射晶体8”，基频飞秒激光器1、二倍频晶体2、偏振控制器3、三倍频晶体4、第一双折射晶体5”和第二双折射晶体8”沿激光的出射方向自左至右依次设置，第一双折射晶体5”和第二双折射晶体8”对称放置，第一双折射晶体5”包括第一入射端面s51”、第一出射端面s52”、第二出射端面s53”、第三出射端面s54”和第四出射端面s55”，第一入射端面s51”与第一出射端面s52”平行，第二出射端面s53”与第三出射端面s54”平行，第一入射端面s51”位于三倍频晶体4的出光方向上，第一出射端面s52”位于第三出射端面s54”的反射光的出光方向上，第二出射端面s53”位于第一入射端面s51”的透射光的出光方向上，第四出射端面s55”位于第一出射端面s52”的反射光的出光方向上，第一入射端面s51”和第一出射端面s52”均透射三倍频飞秒激光，第一入射端面s51”部分反射基频飞秒激光和二倍频飞秒激光，第一出射端面s52”全反射基频飞秒激光和二倍频飞秒激光，第二出射端面s53”和第三出射端面s54”均全反射三倍频飞秒激光，第二出射端面s53”和第三出射端面s54”均部分反射基频飞秒激光和二倍频飞秒激光，第四出射端面s55”透射基频飞秒激光和二倍频飞秒激光，第一入射端面s51”与第二出射端面s53”之间存在一定的夹角α，α＝135°-θb,θb为三倍频飞秒激光入射的布鲁斯特角，第二双折射晶体8”包括平行的第二入射端面s81”和透射端面s82”，第一挡光块6位于第一入射端面s51”的反射光的出光方向上，第二挡光块7位于第二出射端面s53”和第四出射端面s55”的透射光的出光方向上，第四挡光块12位于第三出射端面s54”的透射光的出光方向上。

实施例5中，基频飞秒激光器1为中心波长1030nm的飞秒激光器，二倍频晶体2可以是按ⅰ类相位匹配角切割的lbo或bbo晶体，三倍频晶体4可以是按ⅰ类相位匹配角切割的lbo或bbo晶体。

实施例5中，第一双折射晶体5”和第二双折射晶体8”为紫外光透明的双折射晶体，如：α-bbo晶体，α-bbo晶体的theta角等于75°，phi角等于0°；第一双折射晶体5”和第二双折射晶体8”也可以是紫外光透明的石英晶体。

参考图6，实施例5提供的紫外飞秒激光器的工作原理为：基频飞秒激光器1射出线偏振、中心波长1030nm的基频飞秒激光，波长1030nm的基频飞秒激光通过二倍频晶体2发生二倍频效应，输出波长1030nm的基频飞秒激光和波长515nm的二倍频飞秒激光，波长1030nm的基频飞秒激光和波长515nm的二倍频飞秒激光通过偏振控制器3发生偏振效应，输出偏振态相同且为线偏振的波长1030nm的基频飞秒激光和波长515nm的二倍频飞秒激光，相同偏振态的波长1030nm的基频飞秒激光和波长515nm的二倍频飞秒激光再通过三倍频晶体4发生三倍频效应，输出波长1030nm的基频飞秒激光、波长515nm的二倍频飞秒激光和波长343nm的三倍频飞秒激光，经过三倍频效应后，三倍频飞秒激光的偏振态与二倍频飞秒激光、剩余基频飞秒激光的偏振态垂直，假设剩余的波长1030nm的基频飞秒激光与波长515nm的二倍频飞秒激光的偏振态为s偏振，那么波长343nm的三倍频飞秒激光的偏振态为p偏振，波长1030nm的基频飞秒激光、波长515nm的二倍频飞秒激光和波长343nm的三倍频飞秒激光以θb射入第一入射端面s51”，三倍频飞秒激光完全透过，再依次经第二出射端面s53”和第三出射端面s54”全反射后以θb射出第一出射端面s52”，二倍频飞秒激光或基频飞秒激光依次经第二出射端面s53”和第三出射端面s54”部分反射，再经第一出射端面s52”全反射后，透过第四出射端面s55”，打在第二挡光块7上，从第二出射端面s53”和第三出射端面s54”透射的二倍频飞秒激光或基频飞秒激光分别打在第二挡光块7和第四挡光块12上。三倍频飞秒激光和二倍频或基频飞秒激光在第一出射端面s52”完全分离；由于从第一出射端面s52”射出的三倍频飞秒激光为斜入射，因此存在空间色散，有空间色散的三倍频飞秒激光以布鲁斯特角射入第二入射端面s81”，经透射端面s82”透射后，空间色散得到补偿。

上述实施例1-实施例5中，对第一挡光块6、第二挡光块7、第三挡光块10、第四挡光块12的材质不作限制，只要能阻挡住激光即可。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。