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(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号
(43)申请公布日
(21)申请号 201910198919.9
(22)申请日 2019.03.15
(71)申请人 中国科学院物理研究所
地址 100190 北京市海淀区中关村南三街8
号
(72)发明人 张子越 韩海年 邵晓东 魏志义
(74)专利代理机构 北京市英智伟诚知识产权代
理事务所(普通合伙) 11521
代理人 刘丹妮
(51)Int.Cl.
H01S 3/109(2006.01)
H01S 3/107(2006.01)
H01S 3/13(2006.01)
(54)发明名称
一种低噪声高效率深紫外连续激光器
(57)摘要
本发明提供一种高输出耦合效率连续激光
系统,包括:连续激光产生装置,电光调制器装
置,模式匹配装置,第一输入耦合镜,第二高反射
率腔镜,第一凹面反射镜装置,倍频晶体,双色
镜,第二凹面反射镜。本发明的高耦合效率的腔
内倍频167nm连续激光产生,具有腔内损耗低,腔
内基频功率增强倍数高,非线性转化效率高,输
出耦合效率高的特点,结构简单,可靠性高。
权利要求书2页 说明书6页 附图3页
CN 109768464 A
2019.05.17
CN 109768464 A
1.一种连续激光系统,其特征在于,所述连续激光系统包括:
连续激光产生装置,用于输出连续基频激光;
电光调制器装置,用于调制连续基频光的频率和相位,产生调制边带;
模式匹配装置,用于调整基频激光的光斑束腰位置及束腰大小;
第一输入耦合镜,用于将基频光耦合进倍频增强腔,其反射率优选为80%-99.9999%;
第二高反射率腔镜,用于折叠腔镜,同时用于装载压电陶瓷,以锁定腔长;
第一凹面反射镜,用于将基频光聚焦到倍频晶体上;
第二凹面反射镜,用于准直基频光;
倍频晶体,用于产生非线性效应,将基频光转化为倍频光;和
双色镜,用于透过基频光,同时反射倍频连续激光,将倍频激光高效率的耦合输出;
优选地,所述连续激光系统为腔内倍频产生165~170nm、进一步优选为167~168nm、最
优选为167.75nm的连续激光的系统。
2.根据权利要求1所述的连续激光系统,其特征在于,所述连续激光产生装置输出窄线
宽激光,所述输出激光波长范围为334-336nm,优选为335nm;所述输出激光的线宽小于1兆
赫兹;所述输出激光的功率大于1瓦;和/或
所述连续激光产生装置的功率为100mw~10W;
优选地,所述连续激光产生装置为1342nm固态高功率窄线宽单频连续光激光器经过两
级腔内倍频后得到。
3.根据权利要求1或2所述的连续激光系统,其特征在于,所述电光调制器装置包括电
光晶体和高压驱动器,其用于调制基频连续光的频率和相位;
优选地,所述电光晶体选自以下一种或多种:铌酸锂晶体和磷酸二氢钾晶体;优选为铌
酸锂晶体。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的连续激光系统,其特征在于,所述模式匹配装置
包括一个或多个针对基频光镀高透膜的凹透镜和凸透镜;
优选地,所述模式匹配装置调整所述基频激光的光斑束腰半径为200μm~4mm,优选为
500μm~2mm,最优选为1.5mm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的连续激光系统,其特征在于,所述第一输入耦合
镜为针对基频光波段镀高反射率膜系的平面反射镜;
所述第二高反射率腔镜为针对基频光波段镀高反射率膜系的平面反射镜;
所述第一凹面反射镜为针对基频光波段镀高反射率膜系的凹面反射镜,其曲率半径优
选为50mm~300mm;
所述第二凹面反射镜为针对基频光波段镀高反射率膜系的凹面反射镜,其曲率半径为
50mm~300mm;和/或
优选地,所述第一输入耦合镜、所述第二高反射率腔镜、所述第一凹面反射镜、所述倍
频晶体、所述双色镜和所述第二凹面反射镜形成环形共振腔。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的连续激光系统,其特征在于,所述双色镜为针对
基频光波段镀高透射率大于99%优选大于99.5%的膜系,同时所述双色镜针对倍频光波段
镀高反射率大于85%优选大于90%的膜系的平面双色镜。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的连续激光系统,其特征在于,所述倍频晶体选自
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以下一种或多种:KBBF晶体、RBBF晶体;优选为KBBF晶体。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的连续激光系统,其特征在于,所述倍频晶体为布
儒斯特角设计。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的连续激光系统,其特征在于,所述连续激光系统
进一步包括:
压电陶瓷,用于作为制动器控制腔长;和/或
PDH锁定电路,用于获取误差信号,并产生反馈信号,锁定腔长和基频光波长。
10.一种深紫外激光器,其特征在于,所述深紫外激光器包括如权利要求1至9中任一项
所述的连续激光系统。
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一种低噪声高效率深紫外连续激光器
技术领域
[0001] 本发明属于连续激光技术领域,涉及一种深紫外连续激光产生系统,尤其涉及一
种高输出耦合效率的腔内倍频产生167nm连续激光的系统。
背景技术
[0002] 深紫外波段激光,尤其是200nm以下的深紫外激光器在光刻光谱学、半导体光刻、
微加工检测以及高分辨率光电发射光谱等方面都有重要应用。具体而言,能量分辨的角分
辨光电子能谱仪(ARPES)利用高能量的光子撞击物质,电子由光电效应产生。通过分析光子
的能量和角度分布,获得关于样品的电子能带结构信息。光子能量越高,可测量的布里渊区
域越大,因此波长越短的深紫外光源广受关注。连续深紫外光源相对于脉冲深紫外光源,还
具有能避免在测量点附近产生寄生电荷载流子的优点。此外,深紫外光源在光钟的精密测
量光谱学也有重要应用。单频的167.079nm激光源可用于诱导27Al+中的1S0→1P1跃迁,实现
直接激光多普勒冷却,以及直接检测27Al+的量子态离子。深紫外激光器的其他重要应用存
在于半导体计量领域。在用于光掩模的照明系统中,临界尺寸和焦深都线性地取决于激发
波长。
[0003] 通常准分子激光器广泛应用于这些任务中,但是准分子激光在脉冲状态下工作,
典型脉冲持续时间为10ns,重复频率为100Hz。但是很多深紫外的工作更倾向于连续固态激
光或者半导体二极管激光,该类激光不仅有望窄化线宽提高相干性,也能改善功率密度,还
能提高可靠性和易用性。然而,直接输出的固态和半导体连续光很难达到紫外波段,通过非
线性频率转换方法,光源的波段很长一段时间内因为缺乏合适的非线性晶体而被限制在
200nm以上。随着氟代硼铍酸钾晶体(KBBF)的出现,使得150nm-200nm波段的激光出现成为
可能。基于该KBBF晶体,目前已有诸多飞秒、皮秒、纳秒深紫外光源报道,这类光源均是基于
高能量、高峰值功率的飞秒、皮秒、纳秒激光单次通过KBBF倍频晶体,然而此种方法并不适
用于连续激光的倍频。因基频光聚焦功率密度较低,非线性晶体在深紫外波段转换效率也
比较低,深紫外连续倍频激光难以通过直接倍频产生。
[0004] 共振增强腔由于腔内损耗极小,使得腔内基频功率得到数十倍增强,从而增加腔
内非线性晶体的转换效率。然而针对167nm的共振增强腔倍频,输出镜既需要尽可能减小针
对基频光的损耗,同时又要高效率的导出倍频167nm激光。目前由于镀膜技术及镀膜材料的
限制,在能保证335nm反射率高于99%的情况下,167nm的透射率仅仅不到50%,无法实现高
效率的输出。
发明内容
[0005] 因此,本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷,提供一种连续激光系统及其应
用。
[0006] 在阐述本发明内容之前,定义本文中所使用的术语如下:
[0007] 术语“PDH”是指:Pound-Drever-Hall。
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[0008] 术语“KBBF晶体”是指:氟代硼铍酸钾晶体。
[0009] 术语“RBBF晶体”是指:氟硼铍酸铷晶体。
[0010] 为实现上述目的,本发明的第一方面提供了一种连续激光系统,所述连续激光系
统包括:
[0011] 连续激光产生装置,用于输出连续基频激光;
[0012] 电光调制器装置,用于调制连续基频光的频率和相位,产生调制边带;
[0013] 模式匹配装置,用于调整基频激光的光斑束腰位置及束腰大小;
[0014] 第一输入耦合镜,用于将基频光耦合进倍频增强腔,其反射率优选为80%-
99.9999%;第二高反射率腔镜,用于折叠腔镜,同时用于装载压电陶瓷,以锁定腔长;
[0015] 第一凹面反射镜,用于将基频光聚焦到倍频晶体上;
[0016] 第二凹面反射镜,用于准直基频光;
[0017] 倍频晶体,用于产生非线性效应,将基频光转化为倍频光;和
[0018] 双色镜,用于透过基频光,同时反射倍频连续激光,将倍频激光高效率的耦合输
出;
[0019] 优选地,所述连续激光系统为腔内倍频产生165~170nm、进一步优选为167~
168nm、最优选为167.75nm的连续激光的系统。
[0020] 根据本发明第一方面的连续激光系统,其中,所述连续激光产生装置输出窄线宽
激光,所述输出激光波长范围为334-336nm,优选为335nm;所述输出激光的线宽小于1兆赫
兹;所述输出激光的功率大于1瓦;和/或
[0021] 所述连续激光产生装置的功率为100mw~10W优选地,所述连续激光产生装置为
1342nm固态高功率窄线宽单频连续光激光器经过两级腔内倍频后得到。
[0022] 根据本发明第一方面的连续激光系统,其中,所述电光调制器装置包括电光晶体
和高压驱动器,其用于调制基频连续光的频率和相位;
[0023] 优选地,所述电光晶体选自以下一种或多种:铌酸锂(LiNbO3)晶体、磷酸二氢钾
(KDP)晶体;优选为铌酸锂(LiNbO3)晶体。根据本发明第一方面的连续激光系统,其中,所述
模式匹配装置包括一个或多个针对基频光镀高透膜的凹透镜和凸透镜;
[0024] 优选地,所述模式匹配装置调整所述基频激光的光斑束腰半径为200μm~4mm,优
选为500μm~2mm,最优选为1.5mm。根据本发明第一方面的连续激光系统,其中,所述第一输
入耦合镜为针对基频光波段镀高反射率膜系的平面反射镜;
[0025] 所述第二高反射率腔镜为针对基频光波段镀高反射率膜系的平面反射镜;
[0026] 所述第一凹面反射镜为针对基频光波段镀高反射率膜系的凹面反射镜,其曲率半
径优选为50mm~300mm;和/或
[0027] 所述第二凹面反射镜为针对基频光波段镀高反射率膜系的凹面反射镜,其曲率半
径为50mm~300mm;
[0028] 优选地,所述第一输入耦合镜、所述第二高反射率腔镜、所述第一凹面反射镜、所
述倍频晶体、所述双色镜和所述第二凹面反射镜形成环形共振腔。
[0029] 根据本发明第一方面的连续激光系统,其中,所述双色镜为针对基频光波段镀高
透射率大于99%优选大于99.5%的膜系,同时所述双色镜针对倍频光波段镀高反射率大于
85%优选大于90%的膜系的平面双色镜。
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[0030] 根据本发明第一方面的连续激光系统,其中,所述倍频晶体选自以下一种或多种:
KBBF晶体、氟硼铍酸铷(RBBF)晶体;优选为KBBF晶体。
[0031] 根据本发明第一方面的连续激光系统,其中,所述倍频晶体为布儒斯特角设计。
[0032] 根据本发明第一方面的连续激光系统,其中,所述连续激光系统进一步包括:
[0033] 压电陶瓷,用于作为制动器控制腔长;和/或
[0034] PDH锁定电路,用于获取误差信号,并产生反馈信号,锁定腔长和基频光波长。
[0035] 根据本发明第一方面的连续激光系统,其中,
[0036] 根据本发明第一方面的连续激光系统,其中,
[0037] 根据本发明第一方面的连续激光系统,其中,
[0038] 本发明的第二方面提供了一种深紫外激光器,所述深紫外激光器包括如第一方面
所述的连续激光系统。
[0039] 因此,本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷,提供一种高输出耦合效率的
腔内倍频产生167nm连续激光的系统,包括:
[0040] 高功率335nm连续激光产生装置,用于输出窄线宽335nm单频连续基频激光;
[0041] 电光调制器装置,用于调制335nm连续基频光的频率和相位,产生调制边带,方便
后续的腔长锁定。
[0042] 模式匹配装置,用于调整基频激光的光斑束腰位置及束腰大小。
[0043] 第一输入耦合镜,用于将基频光耦合进倍频增强腔。
[0044] 第二高反射率腔镜,用于折叠腔镜,同时用于装载压电陶瓷,以锁定腔长;
[0045] 第一凹面反射镜,用于将基频光聚焦到倍频晶体上;
[0046] 第二凹面反射镜,用于准直基频光;
[0047] 倍频晶体,用于产生非线性效应,将335nm基频光转化为167nm倍频光。
[0048] 双色镜,用于透过335nm基频光,同时反射倍频167nm连续激光,将167nm倍频激光
高效率的耦合输出。
[0049] 压电陶瓷,用于作为制动器控制腔长。
[0050] PDH锁定电路,用于获取误差信号,并产生反馈信号,锁定腔长和基频光波长。
[0051] 根据本发明的高输出耦合效率腔内倍频连续167nm激光产生系统,优选地,所述高
功率335nm连续激光产生装置为输出功率为1W、线宽小于1MHz的波长为335nm的单频连续光
激光器。
[0052] 根据本发明的高输出耦合效率腔内倍频连续167nm激光产生系统,优选地,所述电
光调制器装置,包括电光晶体和高压驱动装置。
[0053] 根据本发明的高输出耦合效率腔内倍频连续167nm激光产生系统,优选地,所述模
式匹配装置,用于镀335nm高透膜的一系列凹透镜和凸透镜组合。
[0054] 根据本发明的高输出耦合效率腔内倍频连续167nm激光产生系统,优选地,所述第
一输入输入镜是为针对335nm镀膜的输入耦合镜。
[0055] 根据本发明的高输出耦合效率腔内倍频连续167nm激光产生系统,优选地,所述第
二高反射率腔镜是针对335nm镀反射率高于99.5%高反膜的腔镜。
[0056] 根据本发明的高输出耦合效率腔内倍频连续167nm激光产生系统,优选地,所述第
一凹面反射镜是针对335nm镀反射率高于99.5%高反膜具有一定曲率的凹面反射镜。
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[0057] 根据本发明的高输出耦合效率腔内倍频连续167nm激光产生系统,优选地,所述第
二凹面反射镜是针对335nm镀反射率高于99.5%高反膜具有一定曲率的凹面反射镜。
[0058] 根据本发明的高输出耦合效率腔内倍频连续167nm激光产生系统,优选地,所述倍
频晶体为布儒斯特角设计的非线性晶体。
[0059] 根据本发明的高输出耦合效率腔内倍频连续167nm激光产生系统,优选地,所述双
色镜是针对335nm镀高于99.5%透射率的高透膜,同时针对167nm镀高于90%反射率的高反
膜的镜片,用于将167nm高效率的耦合输出腔外。
[0060] 根据本发明的高输出耦合效率腔内倍频连续167nm激光产生系统,优选地,所述压
电陶瓷用于在反馈电压下改变腔长,从而锁定共振波长。
[0061] 根据本发明的高输出耦合效率腔内倍频连续167nm激光产生系统,优选地,所述
PDH锁定电路,用于获取增强腔的透射光,与电光调制器的调制信号混频解调出误差信号,
同时产生反馈电压,施加到压电陶瓷上,锁定波长。
[0062] 本发明的连续激光系统可以具有但不限于以下有益效果:
[0063] 与现有技术相比,本发明的高输出耦合效率腔内倍频连续167nm激光产生系统,具
有结构简单,损耗低,转换效率和输出耦合效率高的特点。
附图说明
[0064] 以下,结合附图来详细说明本发明的实施方案,其中:
[0065] 图1示出了根据本发明实施例的高输出耦合效率腔内倍频连续167nm激光产生系
统的结构示意图;
[0066] 图2示出了根据本发明实施例的经电光调制器调制频率后的基频光以及产生的调
制边带。
[0067] 图3示出了根据本发明实施例的高输出耦合效率335nm-167nm倍频腔的理论计算
结果,主要是腔内循环功率、倍频光输出功率、非线性倍频转化效率随着输入耦合镜的反射
率的变化关系图。
[0068] 图4示出了335.5nm高功率连续光单频激光器的结构示意图。
[0069] 图5示出了PDH锁定技术原理图。
[0070] 附图标记说明:
[0071] 1、高功率335nm连续激光产生装置;2、电光调制器装置;3、模式匹配装置;4、第一
输入耦合镜;5、第二高反射率腔镜;6、第一凹面反射镜;7、倍频晶体;8、双色镜;9、第二凹面
反射镜;10、压电陶瓷;11、PDH锁定电路。
具体实施方式
[0072] 下面通过具体的实施例进一步说明本发明,但是,应当理解为,这些实施例仅仅是
用于更详细具体地说明之用,而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
[0073] 本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为
实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的,但是本发明仍然在此作尽
可能详细描述。本领域技术人员清楚,在上下文中,如果未特别说明,本发明所用材料和操
作方法是本领域公知的。
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[0074] 以下实施例中使用的仪器如下:
[0075] 高压驱动器、购自索雷博光电科技(上海)有限公司,型号HVA200。
[0076] 实施例1
[0077] 本实施例用于说明本发明连续激光系统的结构。
[0078] 图1是根据本发明实施例的高输出耦合效率腔内倍频连续167nm激光产生系统结
构示意图,其包括高功率335nm连续激光产生装置1、电光调制器装置2、模式匹配装置3、第
一输入耦合镜4、第二高反射率腔镜5、第一凹面反射镜6,倍频晶体7,双色镜8,第二凹面反
射镜9,压电陶瓷10,PDH锁定电路11。
[0079] 高功率335nm连续激光产生装置1为1342nm固态高功率窄线宽单频连续光激光器
经过两级腔内倍频后得到,包括1342nm固态环形激光谐振腔激光增益介质掺钕钒酸钇(Nd:
YVO4)晶体、两级倍频增强腔、腔内非线性晶体三硼酸锂晶体(LBO)、PDH锁定电路、法布里珀
罗参考腔等,,如图4所示,最终输出连续激光中心波长为335.5nm,线宽小于1兆赫兹,功率
超过1瓦。
[0080] 电光调制器装置2包括电光晶体铌酸锂(LiNbO3)晶体和高压驱动器,其用于调制
335nm基频连续光的相位,目的是在激光场两侧产生20MHz调制频率(ω±Ω),用于后面的
PDH锁定腔长。
[0081] 模式匹配装置3包括若干针对335nm基频光镀高透膜的凹透镜一片和凸透镜一片,
用于调整基频光的光斑直径至2mm,以及基频光的束腰位置与倍频腔内束腰位置重合,以便
于与倍频腔的腔模束腰位置和束腰大小进行模式匹配,以获得较高的非线性转化效率。
[0082] 第一输入耦合镜4,是针对335nm镀高反射率膜系的平面镜,反射率为r1,r1的值的
确定与腔内损耗相关,为实现阻抗匹配,需满足1-r1等于腔内总的损耗。
[0083] 第二高反射率腔镜5,是针对335nm镀高反射率膜系的平面镜,反射率r1>99%,反
射率越高,腔内损耗越小,腔内基频光增强倍数越高。同时该镜片装载在压电陶瓷上用于控
制锁定腔长和共振波长。
[0084] 第一凹面反射镜6,是针对335nm镀高反射率膜系的凹面镜,凹面镜曲率半径为R=
100mm或者150mm,用于将基频光聚焦到倍频晶体上,产生更高的功率密度,提高倍频晶体的
非线性转化效率。
[0085] 倍频晶体7为KBBF晶体,用于产生非线性倍频效应,将基频335.5nm的连续激光倍
频至167.75nm的倍频光,该晶体是布儒斯特角设计,为减小基频光在增强腔内的损耗。
[0086] 双色镜8,是针对335.5nm镀高透射率大于99.5%的膜系,同时针对167.75nm镀高
反射率大于90%的膜系的平面双色镜,该镜片置于腔内倍频晶体之后,用于高于90%的效
率导出167.75nm的倍频光,同时尽可能低的降低腔内基频光的透射损耗。
[0087] 第二凹面反射镜9,针对335.5nm镀高反射率膜系的凹面镜,凹面镜曲率半径为R=
100mm或者150mm,用于将晶体中透射出的发散的基频光准直,并折返到输入耦合镜上,形成
环形共振腔。
[0088] 压电陶瓷10,是由压电陶瓷片和电线构成的制动器,用于接受反馈电压信号,锁定
腔长。
[0089] PDH锁定电路11,如图5所示,是基于PDH稳频技术,用于锁定倍频增强腔的共振波
长与基频光波长的频率与相位,光电二极管探测到倍频增强腔透射信号,该信号是携带电
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光调制器调制信息的光频信号,在PDH锁定电路中与20MHz原始调制频率混频,解调出误差
信号,并缠身反馈电压信号,施加到压电陶瓷上,从而控制腔长实现波长锁定。
[0090] 图2示出了根据本发明实施例的经电光调制器调制频率后的基频光以及产生的调
制边带。
[0091] 图3示出了根据本发明实施例的高输出耦合效率335nm-167nm倍频腔的理论计算
结果,主要是腔内循环功率、倍频光输出功率、非线性倍频转化效率随着输入耦合镜的反射
率的变化关系图。
[0092] 根据本发明的高输出耦合效率腔内倍频连续167 .75nm激光产生系统,腔内损耗
小,腔内基频光功率增强倍数高,倍频晶体的非线性转化效率高,更容易产生较高功率的
167.75nm基频光输出,相对于单次通过倍频晶体,非线性转化效率得到数十倍的提升,同时
采用双色镜高效率的将167.75nm的基频光耦合输出腔外,相对于凹面反射镜耦合输出倍频
光,腔内损耗得到降低,同时输出耦合率由50%提升至90%以上。
[0093] 尽管本发明已进行了一定程度的描述,明显地,在不脱离本发明的精神和范围的
条件下,可进行各个条件的适当变化。可以理解,本发明不限于所述实施方案,而归于权利
要求的范围,其包括所述每个因素的等同替换。
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图2
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