本發(fā)明涉及一種深紫外-可見區(qū)(170-520nm)波長連續(xù)可調(diào)的納秒及皮秒脈沖激光器，主要由可見-近紅外區(qū)波長連續(xù)可調(diào)納秒及皮秒脈沖基頻激光光源系統(tǒng)、二倍頻系統(tǒng)、三倍頻系統(tǒng)、四倍頻系統(tǒng)部分構(gòu)成，提供波長范圍覆蓋170-520nm深紫外-可見區(qū)內(nèi)波長連續(xù)可調(diào)的納秒及皮秒脈沖激光光源。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代光譜技術(shù)的發(fā)展日新月異，人們對用于光譜研究的激發(fā)光源提出了越來越高的要求。同時實(shí)現(xiàn)納秒和皮秒脈沖光源輸出或單獨(dú)納秒脈沖光源、皮秒脈沖光源輸出，質(zhì)量高、穩(wěn)定性好、波長覆蓋范圍廣、操作簡單、調(diào)節(jié)方便的激光光源，越來越受到人們的關(guān)注，然而由于非線性倍頻晶體及當(dāng)前技術(shù)的限制，通常需要多塊晶體實(shí)現(xiàn)倍頻輸出，因此需要經(jīng)常更換非線性倍頻晶體，這使得寬波段內(nèi)激光的輸出變得非常困難。比如，目前的一些激光器，實(shí)現(xiàn)350-480nm波長連續(xù)輸出通常需要三塊倍頻晶體，而實(shí)現(xiàn)240-320nm波長連續(xù)輸出也需要三塊倍頻晶體。對于更短的紫外、深紫外區(qū)波段，實(shí)現(xiàn)206-240nm波長連續(xù)輸出需要三塊倍頻晶體，而且目前商品化的193-206nm波長連續(xù)輸出需要二塊倍頻晶體，并且還是通過更難以調(diào)節(jié)的和頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，效率低，使用也極不方便?？偟恼f來，當(dāng)前的波長可調(diào)激光光源還不能完全覆蓋深紫外-可見區(qū)，并且需要頻繁地更換倍頻晶體、更換反射鏡，且光路調(diào)節(jié)繁雜，操作和使用困難，這對激光光源的質(zhì)量、穩(wěn)定性也帶來了較大的影響。因此，發(fā)展納秒及皮秒脈沖寬度、寬波長覆蓋范圍、不需要更換倍頻晶體和反射鏡、質(zhì)量高、穩(wěn)定性好、操作簡單、調(diào)節(jié)方便的激光光源具有很大的實(shí)用價值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服以上的不足，本發(fā)明提供一種深紫外-可見區(qū)(170-520nm)波長連續(xù)可調(diào)的納秒及皮秒脈沖激光器，主要由可見-近紅外區(qū)波長連續(xù)可調(diào)納秒及皮秒脈沖基頻激光光源系統(tǒng)(680-1040nm)、二倍頻系統(tǒng)(340-520nm)、三倍頻系統(tǒng)(240-340nm)、四倍頻系統(tǒng)(170-240nm)四部分構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)波長范圍170-520nm深紫外-可見區(qū)全覆蓋高效率地輸出。每個倍頻系統(tǒng)均采用由單個倍頻晶體或成對倍頻晶體組成的激光倍頻系統(tǒng)。通過光柵自動轉(zhuǎn)動和手動調(diào)節(jié)光柵和倍頻晶體角度實(shí)現(xiàn)激光光源的選擇，通過光纖波長光譜儀光纖探頭和自動功率計分別實(shí)現(xiàn)激光光源的波長和功率監(jiān)測。不需要更換倍頻晶體和反射鏡，倍頻效率高。對于激光光源波長的改變，操作簡單、調(diào)節(jié)方便，大大提高了激光光源的穩(wěn)定性，保障了激光光源高質(zhì)量、高功率的穩(wěn)定輸出。

技術(shù)方案

所述脈沖激光器包括680-1040nm波長連續(xù)可調(diào)脈沖基頻激光光源系統(tǒng)、二 倍頻系統(tǒng)、三倍頻系統(tǒng)、四倍頻系統(tǒng)四部分，提供覆蓋170-520nm波長范圍的連續(xù)可調(diào)納秒及皮秒脈沖激光光源。將680-1040nm波長連續(xù)可調(diào)脈沖基頻激光光源通過二倍頻系統(tǒng)后得到340-520nm范圍內(nèi)波長連續(xù)可調(diào)的二倍頻脈沖激光光源，二倍頻脈沖激光光源和基頻脈沖激光光源經(jīng)過三倍頻系統(tǒng)得到240-340nm范圍內(nèi)波長連續(xù)可調(diào)的三倍頻脈沖激光光源，二倍頻激光光源經(jīng)過四倍頻系統(tǒng)得到170-240nm范圍內(nèi)波長連續(xù)可調(diào)的納秒及皮秒四倍頻激光光源。

每個倍頻系統(tǒng)均采用單個倍頻晶體組成激光倍頻系統(tǒng)，或利用二塊晶體對稱放置組成一套倍頻晶體系統(tǒng)，以進(jìn)一步提高倍頻效率和倍頻光光束質(zhì)量，同時使倍頻后的激光輸出光路變化很小，以利于光路的調(diào)節(jié)；二倍頻系統(tǒng)中的倍頻晶體Ⅰ為LBO或BBO晶體；三倍頻系統(tǒng)中的倍頻晶體Ⅱ?yàn)锽BO或LBO晶體；四倍頻系統(tǒng)中的倍頻晶體Ⅲ為KBBF或BBO晶體。

二倍頻系統(tǒng)為腔外二倍頻系統(tǒng)，或腔內(nèi)二倍頻系統(tǒng)，或折疊腔腔內(nèi)二倍頻系統(tǒng)，或折疊腔腔內(nèi)二倍頻系統(tǒng)和腔外二倍頻系統(tǒng)的組合；二倍頻系統(tǒng)為腔外二倍頻系統(tǒng)時，包括透鏡和倍頻晶體Ⅰ，由激光輸出耦合鏡輸出的680-1040nm范圍內(nèi)所需波長的基頻激光經(jīng)透鏡聚焦到倍頻晶體Ⅰ上，倍頻輸出340-520nm的二倍頻激光；二倍頻系統(tǒng)為腔內(nèi)二倍頻系統(tǒng)時，包括透鏡和倍頻晶體Ⅰ，透過摻Ti藍(lán)寶石后的所需波長的基頻光經(jīng)透鏡聚焦到倍頻晶體Ⅰ上進(jìn)行倍頻，再經(jīng)激光輸出耦合鏡輸出340-520nm的二倍頻激光和680-1040nm的基頻激光；二倍頻系統(tǒng)為折疊腔腔內(nèi)二倍頻系統(tǒng)時，包括凹面反射鏡和倍頻晶體Ⅰ，透過摻Ti藍(lán)寶石后的所需波長的基頻光經(jīng)凹面反射鏡聚焦到倍頻晶體Ⅰ上進(jìn)行倍頻，再經(jīng)激光輸出耦合鏡輸出340-520nm的二倍頻激光和680-1040nm的基頻激光；二倍頻系統(tǒng)為折疊腔腔內(nèi)二倍頻系統(tǒng)和腔外二倍頻系統(tǒng)的組合時，通過提拉或折疊或平移折疊腔腔內(nèi)二倍頻系統(tǒng)中的凹面反射鏡進(jìn)行折疊腔腔內(nèi)與腔外二倍頻系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。

680-1040nm波長連續(xù)可調(diào)脈沖基頻激光系統(tǒng)包括527nm納秒和/或527nm皮秒泵浦激光器，527nm納秒和/或527nm皮秒泵浦激光器發(fā)出的527nm激光經(jīng)527nm高反射680-1040nm高透射的反射鏡反射至摻Ti藍(lán)寶石上，激發(fā)摻Ti藍(lán)寶石發(fā)射出680-1040nm的基頻光，基頻光透過527nm高反射680-1040nm高透射的反射鏡后照射到光柵上，經(jīng)光柵選出所需波長的基頻光，所需波長的基頻光再透過527nm高反射680-1040nm高透射的反射鏡和摻Ti藍(lán)寶石由激光輸出耦合鏡輸出680-1040nm范圍內(nèi)的所需波長的基頻激光。

二倍頻系統(tǒng)的二倍頻激光由倍頻晶體Ⅰ倍頻基頻激光產(chǎn)生；四倍頻系統(tǒng)包括透鏡和倍頻晶體Ⅲ，由倍頻晶體Ⅰ倍頻輸出的二倍頻激光經(jīng)透鏡聚焦到倍頻晶體Ⅲ上，倍頻輸出170-240nm的四倍頻激光。倍頻晶體Ⅲ置于一抽真空或充氮?dú)獾墓鈱W(xué)腔中，倍頻晶體Ⅲ為KBBF晶體時輸出170-240nm的四倍頻激光，倍頻晶體Ⅲ為BBO晶體時輸出206-240nm的四倍頻激光。

三倍頻系統(tǒng)包括二個340-520nm高反射680-1040nm高透射的反射鏡、半波片、透鏡、倍頻晶體Ⅱ，由倍頻晶體Ⅰ輸出的二倍頻激光和基頻激光照射到第 一個340-520nm高反射680-1040nm高透射的反射鏡上，分為二路，第一路是經(jīng)第一個340-520nm高反射680-1040nm高透射的反射鏡反射的二倍頻激光再經(jīng)二個反射鏡反射至第二個340-520nm高反射680-1040nm高透射的反射鏡的反射面上，第二路是透過第一個340-520nm高反射680-1040nm高透射的反射鏡的基頻激光經(jīng)半波片和透鏡聚焦后透過第二個340-520nm高反射680-1040nm高透射的反射鏡，第一路與第二路光于第二個340-520nm高反射680-1040nm高透射的反射鏡的反射面匯聚后再照射到倍頻晶體Ⅱ上進(jìn)行倍頻，輸出240-340nm的三倍頻激光。

由倍頻晶體Ⅰ輸出的二倍頻激光和基頻激光經(jīng)可移動反射鏡進(jìn)行二倍頻激光輸出、三倍頻系統(tǒng)激光輸入、四倍頻系統(tǒng)激光輸入三條光路間的切換。

納秒、皮秒脈沖寬度的脈沖泵浦源的輸出波長為400-600nm；激光光源的波長和功率監(jiān)測通過光纖波長光譜儀光纖探頭和自動功率計實(shí)現(xiàn)；通過計算機(jī)控制光柵轉(zhuǎn)動或手動調(diào)節(jié)光柵和倍頻晶體的角度實(shí)現(xiàn)激光光源波長的選擇。

本發(fā)明所述的脈沖激光器應(yīng)用于拉曼光譜、熒光光譜、紫外可見吸收光譜、圓二色光譜、光電子能譜、光電子發(fā)射顯微鏡以及時間分辨光譜的激發(fā)光源。有益效果

本發(fā)明涉及一種深紫外-可見區(qū)(170-520nm)波長連續(xù)可調(diào)的納秒及皮秒脈沖激光器，其中，二倍頻系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)腔外二倍頻和腔內(nèi)二倍頻的在線轉(zhuǎn)換，每個倍頻系統(tǒng)均采用由單個倍頻晶體或成對倍頻晶體組成的激光倍頻系統(tǒng)。激光光源的選擇通過光柵自動轉(zhuǎn)動和手動調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)，激光光源的波長和功率監(jiān)測通過光纖波長光譜儀光纖探頭和自動功率計實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明激光光源波長范圍寬，實(shí)現(xiàn)170-520nm范圍內(nèi)納秒及皮秒脈沖激光輸出。

該脈沖激光器不需要更換倍頻晶體和反射鏡，倍頻效率高，對于激光光源波長的改變，操作簡單、調(diào)節(jié)方便，大大提高了激光光源的穩(wěn)定性，保障了激光光源高質(zhì)量、高功率的穩(wěn)定輸出。

本發(fā)明提供的脈沖激光器由于具有激光質(zhì)量高、穩(wěn)定性好、波長覆蓋范圍廣、操作簡單、方便調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，能夠作為拉曼光譜、熒光光譜、紫外可見吸收光譜、圓二色光譜、光電子能譜、光電子發(fā)射顯微鏡及時間分辨光譜的激發(fā)光源，用于拉曼光譜、熒光光譜、紫外可見吸收光譜、圓二色光譜、光電子能譜、光電子發(fā)射顯微成像以及時間分辨光譜的研究，推動和促進(jìn)這些研究領(lǐng)域的發(fā)展。

附圖說明

圖1為采用腔外倍頻技術(shù)的深紫外-可見區(qū)(170-240nm,240-340nm,340-520nm)波長連續(xù)可調(diào)的納秒及皮秒脈沖激光器的示意圖。

圖2為采用腔內(nèi)倍頻技術(shù)的深紫外-可見區(qū)(170-240nm,240-340nm,340-520nm)波長連續(xù)可調(diào)的納秒及皮秒脈沖激光器的示意圖。

圖3為采用折疊腔腔內(nèi)倍頻技術(shù)的深紫外-可見區(qū)(170-240nm,240-340nm,340-520nm)波長連續(xù)可調(diào)的納秒及皮秒脈沖激光器的示意圖。

圖4為采用腔外、折疊腔腔內(nèi)倍頻技術(shù)的深紫外-可見區(qū)(170-240nm,240-340nm,340-520nm)波長連續(xù)可調(diào)的納秒及皮秒脈沖激光器的示意圖。

圖5為采用其他泵浦光源的腔外倍頻技術(shù)的深紫外-可見區(qū)(170-240nm,240-340nm,340-520nm)波長連續(xù)可調(diào)的納秒及皮秒脈沖激光器的示意圖。

圖6為采用其他泵浦光源的折疊腔腔內(nèi)倍頻技術(shù)的深紫外-可見區(qū)(170-240nm,240-340nm,340-520nm)波長連續(xù)可調(diào)的納秒及皮秒脈沖激光器的示意圖。

圖7為采用腔外、折疊腔腔內(nèi)倍頻技術(shù)的深紫外-可見區(qū)(170-240nm,240-340nm,340-520nm)波長連續(xù)可調(diào)的皮秒脈沖激光器的示意圖。

圖8為采用腔外、折疊腔腔內(nèi)倍頻技術(shù)的深紫外-可見區(qū)(170-240nm,240-340nm,340-520nm)波長連續(xù)可調(diào)的納秒脈沖激光器的示意圖。

圖9為深紫外-可見區(qū)波長連續(xù)可調(diào)的納秒脈沖激光器的二倍頻轉(zhuǎn)化效率曲線。

圖10為深紫外-可見區(qū)波長連續(xù)可調(diào)的納秒脈沖激光器的三倍頻轉(zhuǎn)化效率曲線。

圖11為深紫外-可見區(qū)波長連續(xù)可調(diào)的納秒脈沖激光器的四倍頻轉(zhuǎn)化效率曲線。

具體實(shí)施方式

下述實(shí)施例結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行描述，所述實(shí)施例不限制本發(fā)明所要保護(hù)的范圍。

實(shí)施例1 采用腔外倍頻技術(shù)的深紫外-可見區(qū)(170-240nm,240-340nm,340-520nm)波長連續(xù)可調(diào)的納秒及皮秒脈沖寬度的脈沖激光器。

一種深紫外-可見區(qū)(170-240nm,240-340nm,340-520nm)波長連續(xù)可調(diào)納秒及皮秒脈沖寬度的脈沖激光器，包括可見-近紅外區(qū)波長連續(xù)可調(diào)納秒及皮秒脈沖基頻激光光源系統(tǒng)、二倍頻系統(tǒng)、三倍頻系統(tǒng)、四倍頻系統(tǒng)四部分。

527nm納秒和/或527nm皮秒泵浦激光器發(fā)出的527nm激光經(jīng)反射鏡、527nm高反射680-1040nm高透射的反射鏡反射至摻Ti藍(lán)寶石上，激發(fā)摻Ti藍(lán)寶石發(fā)射出680-1040nm的基頻光，基頻光透過527nm高反射680-1040nm高透射的反射鏡后照射到光柵上，經(jīng)光柵選出所需波長的基頻光，所需波長的基頻光再透過527nm高反射680-1040nm高透射的反射鏡和摻Ti藍(lán)寶石由激光輸出耦合鏡輸出680-1040nm范圍內(nèi)的所需波長的基頻激光。其波長的準(zhǔn)確讀數(shù)通過光纖波長光譜儀光纖探頭獲得，相應(yīng)的功率通過自動功率計讀出。680-1040nm范圍內(nèi)的基頻激光經(jīng)反射鏡、透鏡聚焦到倍頻晶體Ⅰ上，倍頻產(chǎn)生二倍頻激光，經(jīng)可移動反射鏡、反射鏡反射輸出，其功率通過自動功率計讀出。由倍頻晶體Ⅰ輸出的二倍頻激光和基頻激光照射到第一個340-520nm高反射680-1040nm高透射的反射鏡上，分為二路，第一路是經(jīng)第一個340-520nm高反射680-1040nm高透射的反射鏡反射的二倍頻激光再經(jīng)二個反射鏡反射至第二個340-520nm高反射680-1040nm高透射的反射鏡的反射面上，第二路是透過第一個340-520nm高反射680-1040nm高透射的反射鏡的基頻激光經(jīng)半波片和透鏡聚焦后透過第二個340-520nm高反射680-1040nm高透射的反射鏡，第一路與第二路光于第二個 340-520nm高反射680-1040nm高透射的反射鏡的反射面匯聚后再照射到倍頻晶體Ⅱ上進(jìn)行倍頻，輸出240-340nm的三倍頻激光，其功率通過自動功率計讀出。340-520nm范圍內(nèi)的二倍頻激光經(jīng)可移動反射鏡、反射鏡以及透鏡聚焦到倍頻晶體Ⅲ上，倍頻輸出170-240nm的四倍頻激光。倍頻晶體Ⅲ置于一抽真空或充氮?dú)獾墓鈱W(xué)腔中，倍頻晶體Ⅲ為KBBF晶體時輸出170-240nm的四倍頻激光，倍頻晶體Ⅲ為BBO晶體時輸出206-240nm的四倍頻激光，其功率通過自動功率計讀出。

實(shí)施例2 采用腔內(nèi)倍頻技術(shù)的深紫外-可見區(qū)(170-240nm,240-340nm,340-520nm)波長連續(xù)可調(diào)的納秒及皮秒脈沖激光器。

結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，圖2與圖1的區(qū)別在于，圖2為在原基頻激光器腔內(nèi)加入透鏡、倍頻晶體Ⅰ一起構(gòu)成腔內(nèi)倍頻激光器系統(tǒng)。

結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，圖3與圖1的區(qū)別在于，圖3在原基頻激光器腔內(nèi)加入由凹面反射鏡、倍頻晶體Ⅰ、激光輸出耦合鏡一起構(gòu)成新的折疊腔腔內(nèi)倍頻激光器系統(tǒng)；腔內(nèi)基頻光入射到非線性倍頻晶體上，得到更高倍頻效率的340-520nm范圍內(nèi)波長連續(xù)可調(diào)的腔內(nèi)二倍頻脈沖激光光源。再利用二倍頻脈沖激光光源和基頻脈沖激光光源經(jīng)過三倍頻系統(tǒng)可以高效率地得到240-340nm范圍內(nèi)波長連續(xù)可調(diào)三倍頻脈沖激光光源。同時腔內(nèi)二倍頻激光光源再經(jīng)過四倍頻系統(tǒng)，在170-240nm范圍內(nèi)可得到倍頻效率更高的波長連續(xù)可調(diào)納秒及皮秒四倍頻激光光源。

實(shí)施例3 采用腔外、腔內(nèi)倍頻技術(shù)的深紫外-可見區(qū)(170-240nm,240-340nm,340-520nm)波長連續(xù)可調(diào)納秒及皮秒脈沖寬度的脈沖激光器。

結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，圖4與圖1的區(qū)別在于，在圖4中，二倍頻系統(tǒng)為折疊腔腔內(nèi)二倍頻系統(tǒng)和腔外二倍頻系統(tǒng)的組合，通過提拉或折疊或平移折疊腔腔內(nèi)的凹面反射鏡，實(shí)現(xiàn)折疊腔腔內(nèi)二倍頻、腔外二倍頻激光器系統(tǒng)相互轉(zhuǎn)換。進(jìn)行腔內(nèi)倍頻時，通過提拉或折疊或平移將凹面反射鏡和可移動反射鏡3放置于光路中即可；進(jìn)行腔外倍頻時，通過提拉或折疊或平移將凹面反射鏡和可移動反射鏡3從光路中移開，通過提拉或折疊或平移將可移動反射鏡2放置于光路中。腔外、腔內(nèi)倍頻技術(shù)的深紫外-可見區(qū)(170-240nm,240-340nm,340-520nm)波長連續(xù)可調(diào)的納秒及皮秒脈沖激光器采用共同的三倍頻、四倍頻系統(tǒng)。

實(shí)施例4 采用其他泵浦光源的腔外、腔內(nèi)倍頻技術(shù)的深紫外-可見區(qū)(170-240nm,240-340nm,340-520nm)波長連續(xù)可調(diào)的納秒及皮秒脈沖激光器。

結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，圖5與圖1的區(qū)別在于，在圖5中，二倍頻系統(tǒng)為腔外二倍頻系統(tǒng)，泵浦光源為488nm的其他泵浦光源；結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，圖6與圖1的區(qū)別在于，在圖6中，二倍頻系統(tǒng)為折疊腔腔內(nèi)二倍頻系統(tǒng)，泵浦光源為488nm的其他泵浦光源。

實(shí)施例5 采用腔外、腔內(nèi)倍頻技術(shù)的深紫外-可見區(qū)(170-240nm,240-340nm,340-520nm)波長連續(xù)可調(diào)的皮秒脈沖激光器。

結(jié)構(gòu)同實(shí)施例3，圖7與圖3的區(qū)別在于，在圖7中，泵浦光源為527nm的皮秒脈沖激光光源。

實(shí)施例6 采用腔外、腔內(nèi)倍頻技術(shù)的深紫外-可見區(qū)(170-240nm,240-340nm,340-520nm)波長連續(xù)可調(diào)的納秒脈沖激光器。

結(jié)構(gòu)同實(shí)施例3，圖8與圖3的區(qū)別在于，在圖8中，泵浦光源為527nm的納秒脈沖激光光源。

實(shí)施例7 深紫外-可見區(qū)(170-520nm)波長連續(xù)可調(diào)的納秒脈沖激光器的波長功率曲線。

如圖9,10,11所示，深紫外-可見區(qū)波長連續(xù)可調(diào)的納秒脈沖激光器提供的波長范圍可以覆蓋170-520nm：二倍頻的最大轉(zhuǎn)換效率為62％(1680mW 812nm的基頻轉(zhuǎn)化為1040mW 406nm的二倍頻)；三倍頻的最大轉(zhuǎn)換效率為11.7％(1680mW 812nm的基頻轉(zhuǎn)化為196mW 270.7nm的三倍頻)；四倍頻的最大轉(zhuǎn)換效率為13.1％(660mW 434nm的二倍頻轉(zhuǎn)化為86mW 217nm的四倍頻)。因此，深紫外-可見區(qū)波長連續(xù)可調(diào)的納秒脈沖激光器能夠作為拉曼光譜、熒光光譜、紫外可見吸收光譜、圓二色光譜、光電子能譜、光電子發(fā)射顯微鏡及時間分辨光譜的激發(fā)光源，用于拉曼光譜、熒光光譜、紫外可見吸收光譜、圓二色光譜、光電子能譜、光電子發(fā)射顯微成像以及時間分辨光譜的研究，推動和促進(jìn)這些研究領(lǐng)域的發(fā)展。