本技術(shù)涉及光電子和激光，特別是涉及一種全固態(tài)高功率連續(xù)波單頻紫外激光器。

背景技術(shù)：

1、紫外波段激光器具有波長(zhǎng)短、能量集中、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在高密度光盤、物質(zhì)表面改性、超微細(xì)加工、金屬探傷、紫外光刻等工業(yè)領(lǐng)域以及紫外線影、細(xì)胞解析、微型手術(shù)刀等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。尤其近年來(lái)連續(xù)波單頻266nm深紫外激光器在誘導(dǎo)熒光診斷、光生物學(xué)、大氣污染檢測(cè)、高分辨率光譜學(xué)等領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，引起了人們的高度重視，其較強(qiáng)的單色性及較窄的線寬特性對(duì)于提高分辨率及測(cè)量靈敏度、避免熒光干擾等具有重要的意義，被譽(yù)為研究化學(xué)、材料、生物學(xué)等最強(qiáng)大的工具之一。

2、全固態(tài)連續(xù)波單頻266nm紫外激光器的實(shí)現(xiàn)，主要基于非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換的外腔倍頻或者四倍頻全固態(tài)激光器獲得，與非固態(tài)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜、功率消耗較大、成本較高的準(zhǔn)分子激光器、離子激光器和自由電子激光器相比，具有光束質(zhì)量高、噪聲低、線寬窄等優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長(zhǎng)、可靠性較高，更有利于該波段激光器在前沿科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用且近年來(lái)隨著可見(jiàn)光波段激光技術(shù)的成熟和新型非線性晶體的涌現(xiàn)，紫外激光器的研究發(fā)展迅速，不斷向高功率、高光束質(zhì)量、高穩(wěn)定性方向發(fā)展。

3、對(duì)于266nm全固態(tài)紫外激光器的研究主要以脈沖激光器為主，連續(xù)波單頻激光器報(bào)道比較少。其中，比較有代表性的研究機(jī)構(gòu)有日本大阪大學(xué)、索尼公司、德國(guó)拉姆公司等。連續(xù)波激光器方面，1995年，索尼公司michio等人采用長(zhǎng)度為5mm的bbo晶體外腔倍頻532nm激光器，注入綠光功率為2.9w時(shí)，成功實(shí)現(xiàn)了最大功率為1.5w的連續(xù)波單頻266nm紫外激光的輸出，光-光轉(zhuǎn)換效率為52％。2008年，索尼公司t.südmeyer等人優(yōu)化了bbo晶體的損傷閾值和綠光吸收系數(shù)、倍頻腔結(jié)構(gòu)及pdh鎖腔方法，在采用光纖放大器將綠光輸出功率放大為20w的基礎(chǔ)上，外腔倍頻獲得了最高功率為12.2w的266nm紫外連續(xù)單頻激光輸出。但是由于bbo晶體的走離效應(yīng)比較嚴(yán)重，這些bbo作為倍頻晶體的方案中，倍頻光輸出光束質(zhì)量較差。2004年，日本應(yīng)慶大學(xué)的jun?sakuma等人采用走離角度較小、布儒斯特角切割的clbo晶體(caesium?lithium?borate)作為外腔倍頻晶體，在532nm泵浦功率為10w時(shí)，獲得了5w的連續(xù)266nm紫外輸出，光束質(zhì)量較好。但是由于clbo晶體具有高度吸濕性而易于潮解，較難空氣中長(zhǎng)期工作，并不適用于全固態(tài)紫外激光器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，限制了其在商業(yè)高功率uv激光器中的應(yīng)用。

4、2019年國(guó)防科技大學(xué)研究小組通過(guò)對(duì)中心波長(zhǎng)為1014.8nm的半導(dǎo)體紅外激光器四倍頻的方案，獲得了輸出功率為25mw的253.7nm深紫外激光器，該系統(tǒng)中在lbo晶體二倍頻及bbo晶體四倍頻過(guò)程中均設(shè)計(jì)了微小型環(huán)形倍頻腔結(jié)構(gòu)，大大濃縮了整個(gè)激光系統(tǒng)的體積，但該系統(tǒng)僅僅適用于小功率紫外激光的產(chǎn)生，而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，bbo晶體對(duì)于可見(jiàn)光與紫外光具有較大吸收系數(shù)，導(dǎo)致該紫外激光器長(zhǎng)期功率穩(wěn)定性較差。山西大學(xué)基于全固態(tài)高功率連續(xù)波單頻532nm綠光激光器優(yōu)勢(shì)，于2019年同樣開(kāi)展了全固態(tài)連續(xù)波單頻266nm激光器的探索性實(shí)驗(yàn)研究，采用i類臨界相位匹配的bbo晶體外腔倍頻全固態(tài)高功率nd:yvo4/lbo?532nm單頻綠光激光器，使用-couillaud偏振鎖定技術(shù)鎖定光學(xué)倍頻諧振腔結(jié)構(gòu)，當(dāng)注入單頻綠光功率為3w時(shí)，獲得了最高輸出功率為730mw的266nm連續(xù)波單頻激光輸出。但由于bbo晶體吸收基頻光與倍頻光導(dǎo)致的相位失配現(xiàn)象比較明顯，使得激光器樣機(jī)穩(wěn)定工作輸出功率只能達(dá)到200mw，且受bbo晶體走離效應(yīng)的影響，輸出光束質(zhì)量較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本技術(shù)的目的是提供一種全固態(tài)高功率連續(xù)波單頻紫外激光器，能夠在提高激光輸出穩(wěn)定特性的同時(shí)，提高激光轉(zhuǎn)化效率，保證光束質(zhì)量。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本技術(shù)提供了如下方案：

3、本技術(shù)提供了一種全固態(tài)高功率連續(xù)波單頻紫外激光器，包括：綠光激光器、光準(zhǔn)直偏振聚焦結(jié)構(gòu)、倍頻諧振腔、諧振腔鎖定結(jié)構(gòu)和bbo晶體；

4、所述倍頻諧振腔沿激光傳輸方向包括入射鏡、第一反射鏡、第二反射鏡和出射鏡；所述倍頻諧振腔還包括壓電陶瓷；所述第一反射鏡固定在所述壓電陶瓷上；所述壓電陶瓷與所述諧振腔鎖定結(jié)構(gòu)電連接；基于所述諧振腔鎖定結(jié)構(gòu)的電壓輸出信號(hào)調(diào)整所述壓電陶瓷的伸縮量，以改變所述倍頻諧振腔的腔長(zhǎng)；

5、所述bbo晶體設(shè)置在所述第二反射鏡和所述出射鏡之間的束腰處；

6、所述綠光激光器發(fā)射的激光經(jīng)所述光準(zhǔn)直偏振聚焦結(jié)構(gòu)準(zhǔn)直、偏振和聚焦后，入射至所述倍頻諧振腔中，穿過(guò)bbo晶體后進(jìn)行出射。

7、可選地，所述光準(zhǔn)直偏振聚焦結(jié)構(gòu)沿激光傳輸方向依次包括：光準(zhǔn)直單元、第三反射鏡、偏振控制單元和聚焦透鏡系統(tǒng)；綠光激光器發(fā)射的激光經(jīng)所述光準(zhǔn)直單元準(zhǔn)直后，由所述第三反射鏡反射至所述偏振控制單元，改變?nèi)肷浼す獾钠駪B(tài)，聚焦透鏡系統(tǒng)將改變偏振態(tài)后的激光聚焦至諧振腔內(nèi)。

8、可選地，所述光準(zhǔn)直單元包括：第一平凸透鏡；所述第一平凸透鏡為準(zhǔn)直透鏡；所述第一平凸透鏡用于將綠光激光器發(fā)射綠光準(zhǔn)直為近平行光；近平行光是指以平行光為基準(zhǔn)處于設(shè)定范圍內(nèi)的光。

9、可選地，所述偏振控制單元包括：第一半波片、光隔離器和第二半波片；

10、所述第一半波片用于控制準(zhǔn)直后綠光的偏振狀態(tài)；所述第二半波片用于調(diào)節(jié)透過(guò)光隔離器的激光偏振態(tài)，以滿足倍頻過(guò)程對(duì)于偏振態(tài)的要求。

11、可選地，所述聚焦透鏡系統(tǒng)包括第二平凸透鏡和平凹透鏡；第二平凸透鏡和平凹透鏡用于將改變偏振態(tài)的激光聚焦至諧振腔內(nèi)，在入射鏡和第一反射鏡之間形成泵浦光腰斑。

12、可選地，本技術(shù)提供的全固態(tài)高功率連續(xù)波單頻紫外激光器，還包括：溫度控制系統(tǒng)；

13、所述溫度控制系統(tǒng)用于將所述bbo晶體的工作溫度提高至設(shè)定溫度值。

14、可選地，所述bbo晶體采用i類角度相位匹配的工作方式，產(chǎn)生倍頻光。

15、可選地，所述bbo晶體為設(shè)定尺寸的長(zhǎng)方體；所述bbo晶體的兩個(gè)端面上均鍍有作用于基頻光和倍頻紫外光的減反膜。

16、可選地，諧振腔鎖定結(jié)構(gòu)包括：第四反射鏡、四分之一波片、偏振分束棱鏡、第一探測(cè)器、減法器、pid鎖定裝置和第二探測(cè)器；

17、所述第一探測(cè)器、所述pid鎖定裝置和所述第二探測(cè)器均與所述減法器電連接；所述pid鎖定裝置與所述壓電陶瓷電連接；

18、將所述入射鏡的反射光和所述倍頻諧振腔的腔內(nèi)循環(huán)光在所述入射鏡處的透射光組成的總光束經(jīng)所述第四反射鏡的反射后入射至所述四分之一波片，得到圓偏振光；所述圓偏振光經(jīng)所述偏振分束棱鏡后分成水平偏振光和豎直偏振光；所述水平偏振光經(jīng)所述第一探測(cè)器轉(zhuǎn)換為第一電信號(hào)；所述豎直偏振光經(jīng)所述第二探測(cè)器轉(zhuǎn)換為第二電信號(hào)；所述減法器基于所述第一電信號(hào)和所述第二電信號(hào)得到誤差信號(hào)；所述pid鎖定裝置對(duì)所述誤差信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)和處理，得到所述電壓輸出信號(hào)。

19、可選地，所述bbo晶體的設(shè)定尺寸為4×4×4mm；所述bbo晶體的設(shè)定溫度值為150℃。

20、根據(jù)本技術(shù)提供的具體實(shí)施例，本技術(shù)具有了以下技術(shù)效果：

21、本技術(shù)提供了一種全固態(tài)高功率連續(xù)波單頻紫外激光器，通過(guò)設(shè)計(jì)倍頻諧振腔的具體結(jié)構(gòu)，將bbo晶體設(shè)置在第二反射鏡和出射鏡之間的束腰處，可以保持較高的基頻光功率密度，提高倍頻效率和激光轉(zhuǎn)化效率，保證光束質(zhì)量。并且，本技術(shù)通過(guò)設(shè)置諧振腔鎖定結(jié)構(gòu)，采用偏振鎖定的方式調(diào)整壓電陶瓷的伸縮量，以精細(xì)調(diào)節(jié)倍頻諧振腔的腔長(zhǎng)，進(jìn)而可以將倍頻諧振腔實(shí)時(shí)鎖定到基頻光頻率上，實(shí)現(xiàn)高功率紫外倍頻輸出，提高激光輸出穩(wěn)定特性。