一种调控213nm激光输出功率的方法及其装置

技术领域

本公开涉及激光技术领域，具体涉及一种调控213nm激光输出功率的方法及其装置。

背景技术

控制激光输出功率的方式一般分为两类，一类是在输入端进行调控，例如控制激光泵浦源的电流或电压从而改变激光输出功率；另一类是在输出端进行控制，例如在激光输出端插入声光调制器用于控制激光输出功率。

但是，对于213nm激光器而言，首先，市面上没有可利用的在输出端进行功率控制的光学器件，其次，在输入端进行功率控制即在基频激光器的输出端调控1064nm功率输出，由于产生213nm激光需要进行至少3次频率转换，改变基频1064nm输入功率来调整多次混频后的输出光功率，会改变最终输出光213nm的光束质量，也使得频率转换中的输出功率、功率稳定性及光束质量变得不可控，增加了整个系统不稳定性。总的来说，现有市场上没有可利用的调控五倍频213nm激光输出功率的方法与装置。

发明内容

为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种调控213nm激光输出功率的方法及其装置，该方法实用可靠且在不需要增加额外光学器件的基础上实现了对213nm激光输出功率的精确控制。

本公开的一个方面提供了一种调控213nm激光输出功率的方法，其特征在于，包括：S1，设置三倍频晶体的温度；S2，利用三倍频晶体输出532nm激光及355nm激光；S3，对532nm激光及355nm激光进行和频得到213nm激光，并记录该213nm激光的输出功率；S4，重复执行S1～S3多次，其中，每次设置三倍频晶体的温度不同，并记录在不同温度下213nm激光的输出功率，进而得到三倍频晶体的温度与213nm激光的输出功率的对应关系；S5，根据该对应关系，调节三倍频晶体的温度，以调控213nm激光的输出功率。

进一步地，S4包括：S41，重复执行S1～S3多次，其中，每次设置三倍频晶体的温度不同，并记录在不同温度下213nm激光的输出功率；S42，通过数据拟合函数处理S41中得到的不同温度下对应的213nm激光的输出功率数据，得到三倍频晶体的温度与213nm激光的输出功率的对应关系，其中，该对应关系为213nm激光的输出功率与三倍频晶体温度的多项式表达式。

进一步地，S3包括：S31，利用五倍频晶体对532nm激光及355nm激光进行和频得到213nm的激光；S32，利用佩林布洛卡棱镜将532nm、355nm及213nm的激光分离处理，并使得213nm激光的出射方向与其进入佩林布洛卡棱镜的入射方向垂直；S33，记录213nm激光的输出功率。

进一步地，该方法还包括：S0，利用二倍频晶体将基频为1064nm激光倍频产生532nm激光，并将1064nm激光及532nm激光输出至三倍频晶体。

进一步地，S31中五倍频晶体放置在第三温控炉内，该五倍频晶体的工作温度为120℃～160℃，并保持一温度锁定。

进一步地，S1中三倍频晶体放置在第二温控炉内，第二温控炉用于根据基频1064nm激光与532nm激光相位匹配温度设置三倍频晶体的温度。

进一步地，该方法还包括：S2I，利用第一双色镜将三倍频晶体输出的1064nm激光透射，并反射532nm激光及355nm激光；S2II，采用波片将第一双色镜输出的532nm激光及355nm激光偏振方向进行调整，以使532nm激光的偏振方向与355nm激光的偏振方向一致；S2III，利用第二双色镜将波片输出的1064nm激光再次透射，并反射532nm激光及355nm激光；S2IV，采用扩速镜将经过第二双色镜的532nm激光及355nm激光进行激光光斑面积增大，并将光斑面积增大后的532nm激光及355nm激光输出至五倍频晶体。

进一步地，三倍频晶体的工作温度范围为50～70℃。

进一步地，S0中二倍频晶体放置在第一温控炉内，该二倍频晶体的工作温度为120℃～160℃，并保持一温度锁定。

本公开的另一个方面提供了一种调控213nm激光输出功率的装置，激光输出模块，包括三倍频晶体，用于输出532nm激光及355nm激光，并将532nm激光及355nm激光进行和频得到213nm激光；温度控制模块，该激光输出模块设置于温度控制模块内，其用于控制该三倍频晶体的温度，以使在不同的三倍频晶体的温度下得到对应的213nm激光输出功率；激光功率测试模块，用于测量213nm激光的输出功率；其中，通过温度控制模块多次设置三倍频晶体的温度的不同温度，并记录在不同温度下213nm激光的输出功率，进而得到三倍频晶体的温度与213nm激光的输出功率的对应关系，并根据该对应关系，调节三倍频晶体的温度，以调控213nm激光的输出功率。

本公开提供的一种调控213nm激光输出功率的方法及其装置，该方法利用非线性频率转换中温度相位匹配原理，通过调节温控炉的温度从而改变晶体温度达到调控五倍频213nm激光输出功率的目的，整个调控过程简单方便且不会改变213nm激光的光束质量和整个激光系统的稳定性，且有效避免了倍频晶体的走离效应，该方法实用可靠且在不需要增加额外光学器件的基础上实现了对213nm激光输出功率的精确控制。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的调控213nm激光输出功率的方法流程图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的调控213nm激光输出功率的方法中得到213nm激光的流程图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的调控213nm激光输出功率的方法中得到213nm激光的输出功率与三倍频晶体温度对应关系的流程图；

图4示意性示出了根据本公开实施例的调控213nm激光输出功率的装置结构图；

图5示意性示出了根据本公开实施例的调控213nm激光输出功率的实验装置图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

如图1所示，本公开的实施例提供了一种调控213nm激光输出功率的方法。

如图1所示，该方法包括：

S1，设置三倍频晶体的温度。

本公开的实施例中，该三倍频晶体放置在第二温控炉内，第二温控炉用于根据基频1064nm激光与532nm激光相位匹配温度设置三倍频晶体的温度，以使三倍频晶体工作温度保持在50～70℃范围内。

S2，利用三倍频晶体输出532nm激光及355nm激光。

本公开的实施例中，该532nm激光通过二倍频晶体将基频为1064nm激光倍频得到，该二倍频晶体输出剩余的1064nm激光及532nm激光作为三倍频晶体的入射光。其中，二倍频晶体放置在第一温控炉内，第一温控炉用于使得二倍频晶体处于稳定的恒温环境中，保证基频1064nm倍频产生高光束质量的532nm激光，其输出的532nm激光与剩余的1064nm激光同轴且没有走离效应，该二倍频晶体最佳的工作温度为120℃～160℃，并保持该温度范围内的某一温度锁定。本公开的实施例中，该二倍频晶体的工作温度设为150℃，并保持该温度锁定。

本公开的实施例中，三倍频晶体的折射率对温度变化较为敏感，可以通过改变三倍频晶体温度的方法来改变激光的折射率，从而达到相位匹配的目的。其中，经过二倍频晶体剩余的1064nm激光与532nm激光和频产生的355nm属于第二类相位匹配，1064nm激光为o光，532nm激光为e光，和频产生的355nm激光为o光，调节三倍频晶体温度并使得激光没有发生走离效应，走离效应是指光在各向异性介质中传播时，o光的能流方向与波矢不是同一方向上，即o光和e光在晶体中传播时将逐渐分开，即其对355nm激光输出光斑没有影响。当入射光沿非线性三倍频晶体所确定的方向传播时，改变三倍频晶体的温度，当三倍频晶体温度等于激光的相位匹配温度时，该输出激光的输出功率最高。在其他条件均不变的情况下，一定范围内微调三倍频温度可使相位匹配度发生改变从而使得激光的输出功率发生变化且激光的光束质量不发生变化。

S3，对532nm激光及355nm激光进行和频得到213nm激光，并记录该213nm激光的输出功率。

本公开的实施例中，利用五倍频晶体对532nm激光及355nm激光行和频得到213nm的激光，其中，五倍频晶体放置在第三温控炉内，该第三温控炉用于使得五倍频晶体处于设定好的高温环境中，保证五倍频晶体边界温度恒定不变，该五倍频晶体最佳的工作温度为120℃～160℃，并保持该温度范围内的某一温度锁定。

本公开的实施例中，由于五倍频晶体对温度敏感，其温度稍有变化，不仅213nm激光输出功率会发生较大变化，还会对213nm激光的输出光斑产生影响，因为532nm激光与355nm激光都属于

S4，重复执行S1～S3多次，其中，每次设置三倍频晶体的温度不同，并记录在不同温度下213nm激光的输出功率，进而得到三倍频晶体的温度与213nm激光的输出功率的对应关系。

本公开的实施例中，通过第二温控炉设置不同的三倍频晶体的温度，重复S1与S3步骤多次，记录在不同温度下213nm激光的输出功率，进而得到倍频晶体的温度与213nm激光的输出功率的对应关系，该对应关系可以是三倍频晶体温度与213nm激光的输出功率以表格式一一对应的关系，或是213nm激光的输出功率与三倍频晶体温度的多项式表达式关系等。

S5，根据该对应关系，调节三倍频晶体的温度，以调控213nm激光的输出功率。

根据本公开的实施例，如图2所示，S3包括：S31，利用五倍频晶体对532nm激光及355nm激光进行和频得到213nm的激光；S32，利用佩林布洛卡棱镜将532nm、355nm及213nm的激光分离处理，并使得213nm激光的出射方向与其进入佩林布洛卡棱镜的入射方向垂直；S33，记录213nm激光的输出功率。

根据本公开的实施例，该佩林布洛卡棱镜用于将532nm、355nm及213nm激光分离，由于三个波段的激光在佩林布洛卡棱镜中的折射率不同，其相应的出射光的偏折方向会有差异，根据计算使得213nm激光的出射方向与其进入佩林布洛卡棱镜的入射方向垂直，将213nm激光的出射方向与其进入佩林布洛卡棱镜的入射方向设置垂直是为了方便该方法对应的激光装置的集成设计，使得在保证各波长激光分离的状态下较好的输出213nm激光的同时降低激光装置的制备工艺难度。

根据本公开的实施例，如图3所示，S4包括：S41，重复执行S1～S3多次，其中，每次设置三倍频晶体的温度不同，并记录在不同温度下213nm激光的输出功率；S42，通过数据拟合函数处理S41中得到的不同温度下对应的213nm激光的输出功率数据，得到三倍频晶体的温度与213nm激光的输出功率的对应关系，其中，该对应关系为213nm激光的输出功率与三倍频晶体温度的多项式表达式。

例如，对三倍频晶体的温度进行扫描，并实时记录213nm输出功率，设激光相位匹配温度记为T

根据本公开的实施例，采用matlab拟合函数处理三倍频晶体温度与213nm输出功率的数据得到它们之间的关系，一般常用的拟合方式为多项式拟合函数。在matlab中，使用的多项式拟合函数命令为y＝polyfit(x，y，N)，其中，函数polyfit第一个参数x的含义是拟合数据的自变量，x为三倍频晶体的温度，第二个参数y的含义是因变量，y是213nm激光的输出功率，第三个参数N代表的是拟合多项式的阶数，给定的N不同，拟合出的多项式亦不同，其精度也相差很大。通过优化matlab函数程序，多项式阶数N的取值使得y的误差平方和精度控制在0.1以下，即可确定多项式阶数N的数值。经过matlab的计算，可以得到三倍频晶体温度与213nm激光的输出功率的多项式关系，有了该已知多项式，即可得到任意一处213nm激光输出功率对应的三倍频晶体温度，则实现了通过调节三倍频晶体温度调控213nm激光输出功率。

根据本公开的实施例，该方法还包括：S2I，利用第一双色镜将1064nm激光透射，并反射532nm激光及355nm激光；S2II，采用波片对532nm激光及355nm激光偏振方向进行调整，以使532nm激光的偏振方向与355nm激光的偏振方向一致；S2III，利用第二双色镜再次将1064nm激光透射，并反射532nm激光及355nm激光；S2IV，采用扩束镜将经过第二双色镜的532nm激光及355nm激光进行激光光斑面积增大，并将光斑面积增大后的532nm激光及355nm激光输出至五倍频晶体。

根据本公开的实施例，第一双色镜与第二双色镜均为HR@532nm+355nm、AR@1064nm的双色镜，其用于透射1064nm激光，反射532nm激光和355nm激光，使得532nm激光和355nm激光进入扩束镜参与下一阶段的五倍频晶体和频处理，而三倍频晶体后剩余的1064nm激光不再进入下一阶段的频率变换。

根据本公开的实施例，波片为λ/2@532nm、λ@355nm性能参数的波片，其用于将532nm激光的偏振态方向旋转到与355nm激光的偏振态一致，但其对355nm激光的偏振态方向没有任何改变。

根据本公开的实施例，扩束镜用于增大进入五倍频晶体入射光的光斑面积，使得532nm激光和355nm激光的光斑变大，光束发散角变小，有利于产生光束质量较好的213nm输出激光，提高晶体使用寿命以及改善213nm输出光斑形态。

图4示意性示出了根据本公开实施例的调控213nm激光输出功率的装置结构图。

如图4所示，该装置包括激光输出模块410、温度控制模块420及光功率测试模块430。

激光输出模块410，包括三倍频晶体，用于输出532nm激光及355nm激光，将532nm激光及355nm激光进行和频得到213nm激光。

温度控制模块420，该激光输出模块设置于温度控制模块内，其用于控制激光输出模块410的温度，以使在不同的三倍频晶体的温度下得到对应的213nm激光输出功率；

激光功率测试模块430，用于测量213nm激光的输出功率；其中，通过温度控制模块多次设置三倍频晶体的不同温度，并记录在不同温度下213nm激光的输出功率，进而得到三倍频晶体的温度与213nm激光的输出功率的对应关系，并根据该对应关系，调节三倍频晶体的温度，以调控213nm激光的输出功率。

根据本公开的实施例，激光输出模块410还包括二倍频晶体及五倍频晶体，二倍频晶体用于将基频为1064nm激光倍频得到532nm激光，并将1064nm激光与532nm激光输出给三倍频晶体，三倍频晶体用于将1064nm激光与532nm激光通过相位匹配，得到355nm激光，三倍频晶体输出剩余的532nm激光及355nm激光至五倍频晶体，五倍频晶体用于将532nm激光及355nm激光进行和频得到213nm的激光。

根据本公开的实施例，三倍频晶体输出的1064nm激光、532nm激光及355nm激光入射到五倍频晶体前还依次经过第一双色镜、波片、第二双色镜及扩束镜的处理，其处理过程及原理如上文内容所示，此处不再详细表述。

根据本公开的实施例，温度控制模块420包括第一温控炉、第二温控炉及第三温控炉，该二倍频晶体放置在第一温控炉内，该三倍频晶体放置在第二温控炉内，该五倍频晶体放置在第三温控炉内，第一温控炉、第二温控炉及第三温控炉分别用于以使二倍频晶体、三倍频晶体及五倍频晶体处于设定的温度环境中。

根据本公开的实施例，五倍频晶体输出的532nm激光、355nm激光及213nm激光经过佩林布洛卡棱镜分离处理后输出，由于三个波段的激光在佩林布洛卡棱镜中的折射率不同，其相应的出射光的偏折方向会有差异，根据计算使得213nm激光的出射方向与其进入佩林布洛卡棱镜的入射方向垂直。

根据本公开的实施例，根据该对应关系，调节三倍频晶体的温度，以调控213nm激光的输出功率的原理如上述内容所示，再次不再详细表述。

根据本公开的实施例，该装置对应的实验装置原理图如图5所示，基频1064nm激光入射到放置在第一温控炉10内的二倍频晶体11，二倍频晶体11将基频为1064nm激光倍频产生532nm激光，并输出给放置在第二温控炉20内的三倍频晶体21，根据三倍频晶体21的预设温度实现1064nm激光与532nm激光的相位匹配，得到激光波长为355nm激光，三倍频晶体21输出剩余的1064nm、剩余的532nm及355nm激光经过第一双色镜30将1064nm激光透射，反射532nm激光及355nm激光并输出至波片40，波片40将532nm激光及355nm激光偏振方向进行调整，以使532nm激光的偏振方向与355nm激光的偏振方向一致，波片40输出的激光再次经过第二双色镜50再次透射1064nm激光，并反射532nm激光及355nm激光，经过第二双色镜50的激光再经过扩束镜60进行532nm激光及355nm激光的光斑面积增大，光斑面积增大后的532nm激光及355nm激光经过五倍频晶体31进行和频得到213nm激光，五倍频晶体31放置在第三温控炉70内，其输出剩余的532nm激光、剩余的355nm激光及213nm激光至佩林布洛卡棱镜80，佩林布洛卡棱镜80将532nm、355nm及213nm的激光分离处理，并使得213nm激光的出射方向与其进入佩林布洛卡棱镜80的入射方向垂直，如图5所示，该输出激光通过佩林布洛卡棱镜80输出至激光功率测试仪90，通过激光功率测试仪90测试该213nm激光的输出功率，每次设置三倍频晶体21的温度不同，多次重复上述步骤，并通过激光功率测试仪90测试在不同温度下213nm激光的输出功率，并记录该输出功率，进而得到三倍频晶体21的温度与213nm激光的输出功率的对应关系，根据该对应关系，调节三倍频晶体21的温度，以调控213nm激光的输出功率。

尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的，如图5所示仅是根据本公开实施例例举的一实验装置结构示意图，在实际应用过程中该装置中某些部件可用其他相同或类似功能的部件替代或是实验原理装置结构更加简化或复杂，此实施例并不构成对该实验装置的限定。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。