利用半导体材料非线性效应实现自锁模的超快紫外激光器

1.本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种利用半导体材料非线性效应实现自锁模的超快紫外激光器。


背景技术：

2.超快激光器是一种基于sesam、克尔透镜等锁模技术，脉冲宽度在ps甚至fs量级的激光器。超快激光的脉冲时间短，峰值功率高，产生的光电场强度极大，可以用来产生许多极端的物理条件，在科学研究中具有重要的应用价值。同时，极高的脉冲峰值功率和极短的脉冲持续时间也使得激光在与物质发生相互作用时，没有热效应的产生和传递，因此，在激光加工领域具有广阔的应用前景。紫外激光器具有激光波长短，单光子能量大，能聚焦到很小光斑等独特优点，在集成电路工艺、精细激光加工、生命科学等众多方面具有独特的应用价值。比如在集成电路的光刻工艺中，波长越短的紫外激光，可以获得越高的分辨率；在激光精细加工中，紫外光的单光子能量大，可以直接破坏材料的分子健或原子间连接，对材料的加工属于冷加工，不会产生熔融、碎屑、裂纹等热加工中经常出现的缺陷，因而加工质量极高。
3.超快紫外激光器同时具备超快激光器和紫外激光器的优点，所以其应用价值更加巨大。但另一方面，要把超快激光器和紫外激光器两者结合起来，其难度也会更大。目前获得超快紫外激光器的主要途径，是利用可饱和吸收体在固体激光器中实现被动锁模，然后在把固体激光器的波长进行非线性频率转换，获得超快紫外激光输出。这种被动锁模的固体超快紫外激光器的主要不足有下列几个：第一是紫外激光器的波长非常有限，因为能够从固体增益介质获得的基频激光波长是非常有限的；第二是超快激光器的输出功率不高，因为激光光斑在可饱和吸收体上聚焦很小，其热效应突出，极大地限制了激光器的输出功率；第三是激光器的结构更复杂，稳定性下降，且成本上升，因为所使用的可饱和吸收体的价格不菲，且更多的光学元件无疑会一定程度地降低激光器的稳定性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种利用半导体材料非线性效应实现自锁模的超快紫外激光器，以解决现有的超快紫外激光器的发射波长比较单一，输出功率受到限制，稳定性欠佳和成本偏高的问题。本发明利用超快紫外激光的自锁模过程、取消可饱和元件、将紫外波长和超快脉冲结合在一起，能够扩展超快紫外激光器的发射波长，提升输出功率，增加稳定性及降低成本，以扩大推广其在各相关领域的应用。
5.为了达到上述目的，本发明的技术方案为：利用半导体材料非线性效应实现自锁模的超快紫外激光器，包括半导体激光二极管激励光源和依次设置的前端反射镜、偏振及滤波器件、面发射增益介质、第一折叠镜、第一频率转换晶体、第二折叠镜、第二频率转换晶体和后端反射镜；所述前端反射镜、偏振及滤波器件、面发射增益介质、第一折叠镜、第一频率转换晶体、第二折叠镜、第二频率转换晶体和后端反射镜之间形成谐振腔；
6.所述半导体激光二极管激励光源用于发出激励光并投射到面发射增益介质上形成激励光斑；
7.所述前端反射镜是构成谐振腔的一个端镜，能够对基频激光波长进行反射；
8.所述偏振及滤波器件用于将基频激光变成线偏振光并进行滤波；
9.所述面发射增益介质吸收所述半导体激光二极管激励光源发出的激励光的光子能量并产生基频激光波长的受激辐射；所述受激辐射在所述谐振腔中形成基频激光振荡，所述基频激光振荡通过第一频率转换晶体和第二频率转换晶体完成两次频率转换，所述面发射增益介质能够产生非线性效应启动自锁模，最终通过所述后端反射镜输出超快紫外激光；
10.所述第一折叠镜用于折叠光路，所述第一折叠镜能够反射所述基频激光波长和能够透射第一频率转换晶体转换的二次谐波激光波长；从后端反射镜反射回来的二次谐波激光从所述第一折叠镜射出，形成二次谐波激光束；
11.所述第一频率转换晶体用于将基频激光波长转换为二次谐波激光波长；所述第二频率转换晶体能够透射所述基频激光波长和二次谐波激光波长；
12.所述第二折叠镜用于折叠光路，所述第二折叠镜能够反射所述基频激光波长和二次谐波激光波长；
13.所述第二频率转换晶体用于对在第一频率转换晶体中转换产生的二次谐波激光波长进行再次转换，产生紫外激光波长；所述第二频率转换晶体能够透射所述基频激光波长、二次谐波激光波长和紫外激光波长；
14.所述后端反射镜是构成谐振腔的的另一个端镜，所述后端反射镜能够反射基频激光波长和二次谐波激光波长以及能够透射紫外激光波长；所述紫外激光波长从所述后端反射镜射出，形成超快紫外激光束。
15.进一步，所述第一折叠镜和第二折叠镜之间的距离能够调节，所述第一折叠镜和第二折叠镜之间形成第一束腰臂长，所述第一束腰臂长用于调节第一频率转换晶体上的光斑大小；所述第二折叠镜和后端反射镜之间的距离能够调节，所述第二折叠镜和后端反射镜之间形成第二束腰臂长，所述第二束腰臂长用于调节第二频率转换晶体上的光斑大小。
16.进一步，所述面发射增益介质包括高反镜、增益区和高势垒载流子限制层；
17.所述高反镜能够反射所述增益区发射的激光波长；所述高反镜包括若干组低折射率材料层和若干组高折射率材料层；所述低折射率材料层和高折射率材料层交替设置；每层所述低折射率材料层和高折射率材料层的光学厚度均为所述增益区发射的激光波长的四分之一；
18.增益区能对基频激光波长提供增益；所述增益区包括若干组激励光吸收层和若干组基频光发射层；所述激励光吸收层和基频光发射层交替设置；激励光吸收层的带隙能小于半导体激光二极管激励光源所发射的激励光的光子能量，所述基频光发射层的带隙能小于激励光吸收层的带隙能；所述激励光吸收层吸收半导体激光二极管激励光源所发射的激励光的光子能量后，产生光生载流子；所述基频光发射层能俘获激励光吸收层中产生的光生载流子，并发射出激光波长；
19.所述高势垒载流子限制层的带隙能大于半导体激光二极管激励光源所发射的激励光的光子能量。
20.进一步，所述增益区中的基频光发射层所发射的激光波长能够通过改变材料种类及组分来进行改变。
21.进一步，所述面发射增益介质还包括能够防止面发射增益介质的表面发生氧化和退化的保护层。
22.进一步，所述增益区具有非线性效应，在高峰值功率脉冲作用下，能够形成非线性等效透镜。
23.进一步，所述非线性等效透镜能够使入射到面发射增益介质上面的激励光束、连续光束和锁模光束在面发射增益介质上的光斑大小为：连续光斑》锁模光斑》激励光斑。
24.进一步，所述半导体激光二极管激励光源发出的激励光通过快轴整形器和慢轴整形器后，投射在所述面发射增益介质上；所述快轴整形器和慢轴整形器用于对所述半导体激光二极管激励光源发出的激励光在快轴和慢轴进行整形。
25.进一步，所述非线性等效透镜为负透镜，能够启动自锁模。
26.本技术方案的工作原理在于：
27.从半导体激光二极管激励光源发出的激发光，经过快轴整形器和慢轴整形器，投射到面发射增益介质上，形成与激光光斑模式匹配的激励光斑；面发射增益介质中的增益区的激励光吸收层吸收激励光的能量，并由基频光发射层发射出基频激光波长。谐振腔由前端反射镜和后端反射镜作为两个端镜，其中包含了面发射增益介质、偏振及滤波器件、第一折叠镜、第一频率转换晶体、第二折叠镜、第二频率转换晶体等光学元件。由面发射增益介质中的基频光发射层发射出的基频激光波长在谐振腔中产生振荡，并经过第一频率转换晶体和第二频率转换晶体的频率转换，最终产生紫外激光波长并输出；紫外激光的波长可根据面发射增益介质中的基频光发射层的材料种类和组分不同而发生变化，产生超快的自锁模过程则由面发射增益介质中的非线性等效透镜启动。
28.在激光器的工作过程中，偏振及滤波器件将面发射增益介质中的增益区的基频光发射层发射出的基频激光变为线偏振光，并同时对基频激光的线宽进行压窄，以提高后续在第一频率转换晶体和第二频率转换晶体中频率转换的效率。第一折叠镜和第二折叠镜都是起到折叠光路的作用，同时二者配合使用，调节两者之间的第一束腰臂长，以便在两者之间的第一频率转换晶体上形成合适的光束束腰，提高在第一频率转换晶体中频率转换的效率。第二折叠镜和后端反射镜分别起到折叠光路和终止光路的作用，同时二者配合使用，调节两者之间的第二束腰臂长，以便在两者之间的第二频率转换晶体上形成合适的光束束腰，提高在第二频率转换晶体中频率转换的效率。基频激光振荡在第一频率转换晶体中完成第一次频率转换，变成二次谐波激光；第一次频率转换完成后，剩余的基频激光和在第一次频率转换中产生的二次谐波激光，在第二频率转换晶体中完成第二次频率转换，变成紫外波段激光，并从后端反射镜处输出，为超快紫外激光束。通过第二频率转换晶体后，剩余的二次谐波激光经过后端反射镜的反射，再通过第二折叠镜和第一频率转换晶体，从第一折叠镜处输出，为二次谐波激光束；输出此二次谐波激光束可以避免其再返回到面发射增益介质而产生不必要的废热。
29.本技术方案的有益效果在于：
30.第一，产生超快紫外激光的自锁模过程由面发射增益介质中的非线性等效透镜启动，而不需要额外的可饱和吸收元件，因而减少了激光器中光学元件的数量，增加了激光器
的稳定性，降低了激光器的成本。
31.第二，由于没有可饱和元件及其上面的热效应，激光器的输出功率可以得到较大幅度的提升。
32.第三，激光的发射波长可以随面发射增益介质中基频光发射层的材料种类和组分的改变而改变，因此紫外激光器的输出波长范围较为广泛。
33.第四，激光器把紫外波长和超快脉冲结合在一起，超快脉冲的高峰值功率可以进一步地提高激光器中的非线性频率转换的效率，从而获得更大的超快紫外激光输出功率，以适应更多的应用场景。
附图说明
34.图1为本发明利用半导体材料非线性效应实现自锁模的超快紫外激光器的原理图；
35.图2为图1中面发射增益介质的结构图；
36.图3为图1的等效光路图；
37.图4为激励光、连续光和锁模光三者在面发射增益介质上的光斑大小关系图。
具体实施方式
38.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
39.说明书附图中的附图标记包括：半导体激光二极管激励光源1、快轴整形器2、慢轴整形器3、面发射增益介质4、前端反射镜5、偏振及滤波器件6、第一折叠镜7、第一频率转换晶体8、第二折叠镜9、第二频率转换晶体10、后端反射镜11、第一束腰臂长12、第二束腰臂长13、二次谐波激光束14、超快紫外激光束15、高反镜16、增益区17、高势垒载流子限制层18、保护层19、低折射率材料层20、高折射率材料层21、激励光吸收层22、基频光发射层23、非线性等效透镜24、激励光束25、连续光束26、锁模光束27。
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.实施例基本如附图1所示：利用半导体材料非线性效应实现自锁模的超快紫外激光器，包括半导体激光二极管激励光源1和依次设置的前端反射镜5、偏振及滤波器件6、面发射增益介质4、第一折叠镜7、第一频率转换晶体8、第二折叠镜9、第二频率转换晶体10和后端反射镜11；前端反射镜5、偏振及滤波器件6、面发射增益介质4、第一折叠镜7、第一频率转换晶体8、第二折叠镜9、第二频率转换晶体10和后端反射镜11之间形成谐振腔；
42.半导体激光二极管激励光源1用于发出激励光并投射到面发射增益介质4上形成激励光斑；具体地半导体激光二极管激励光源1发出的激励光通过快轴整形器2和慢轴整形器3后，投射在面发射增益介质4上；快轴整形器2和慢轴整形器3用于对半导体激光二极管激励光源1发出的激励光在快轴和慢轴进行整形，使其投射在面发射增益介质4上的光斑大小与激光模式相匹配。
43.前端反射镜5是构成谐振腔的一个端镜，能够对基频激光波长进行反射，具体地前
端反射镜5上镀有对基频激光波长高反射率的膜层。
44.偏振及滤波器件6用于将基频激光变成线偏振光，以便基频激光后续在第一频率转换晶体8和第二频率转换晶体10中完成频率的转换；偏振及滤波器件6同时起到滤波的作用，能够把基频激光的线宽压窄，有利于提高后续频率转换过程的效率。
45.面发射增益介质4吸收半导体激光二极管激励光源1发出的激励光的光子能量并产生基频激光波长的受激辐射；受激辐射在谐振腔中形成基频激光振荡，基频激光振荡通过第一频率转换晶体8和第二频率转换晶体10完成两次频率转换，面发射增益介质4能够产生非线性效应启动自锁模，最终通过后端反射镜11输出超快紫外激光。具体地：如图2所示，面发射增益介质4包括高反镜16、增益区17、高势垒载流子限制层18和保护层19，高反镜16能够反射增益区17发射的激光波长；高反镜16包括若干组低折射率材料层20和若干组高折射率材料层21；低折射率材料层20和高折射率材料层21交替设置；每层低折射率材料层20和高折射率材料层21的光学厚度均为增益区17发射的激光波长的四分之一。
46.增益区17能对基频激光波长提供增益；增益区17包括若干组激励光吸收层22和若干组基频光发射层23；激励光吸收层22和基频光发射层23交替设置；激励光吸收层22的材料带隙能小于半导体激光二极管激励光源1所发射的激励光的光子能量，基频光发射层23的材料带隙能小于激励光吸收层22的材料带隙能；激励光吸收层22吸收半导体激光二极管激励光源1所发射的激励光的光子能量后，产生光生载流子；基频光发射层23能俘获激励光吸收层22中产生的光生载流子，并发射出激光波长。增益区17中的基频光发射层23所发射的激光波长能够通过改变材料种类及组分来进行改变。增益区17具有非线性效应，在高峰值功率脉冲作用下，能够形成非线性等效透镜24，非线性等效透镜24为负透镜，能够启动自锁模。非线性等效透镜24能够使入射到面发射增益介质4上面的激励光束25、连续光束26和锁模光束27在面发射增益介质4上的光斑大小为：连续光斑》锁模光斑》激励光斑，如图4所示。高势垒载流子限制层18的材料带隙能远大于半导体激光二极管激励光源1所发射的激励光的光子能量，能有效阻止激励光吸收层22中产生的载流子扩散到面发射增益介质4的外表面。保护层19是不易氧化的半导体材料，可以有效防止面发射增益介质4的表面发生氧化和退化。
47.超快紫外激光器原理图1的等效光路图如图3所示，其中包含了两个正透镜，即第一折叠镜7和第二折叠镜9的等效透镜。当在高的脉冲峰值功率下，面发射增益介质4中的非线性等效透镜24发挥作用时，其为负透镜，此时在合适的谐振腔参数下，使得入射在面发射增益介质4上的激励光束25、连续光束26和锁模光束27在面发射增益介质4上的光斑大小为：连续光斑》锁模光斑》激励光斑，使锁模光比连续光经历更小的损耗，从而启动激光器的自锁模过程，产生超快紫外激光。
48.第一折叠镜7用于折叠光路，第一折叠镜7能够反射基频激光波长和能够透射第一频率转换晶体8转换的二次谐波激光波长，具体地其反射面镀有对基频激光波长高反射率、对二次谐波激光波长高透射率的膜层，其透射面镀有对二次谐波激光波长高透射率的膜层；从后端反射镜11反射回来的二次谐波激光从第一折叠镜7射出，形成二次谐波激光束14。
49.第一频率转换晶体8用于将基频激光波长转换为二次谐波激光波长；第二频率转换晶体10能够透射基频激光波长和二次谐波激光波长，具体地其两端的通光面上均镀有对
基频激光波长和二次谐波激光波长高透过率的膜层。
50.第二折叠镜9用于折叠光路，第二折叠镜9能够反射基频激光波长和二次谐波激光波长，具体地第二折叠镜9镀有对基频激光波长和二次谐波激光波长均为高反射率的膜层。
51.第二频率转换晶体10用于对在第一频率转换晶体8中转换产生的二次谐波激光波长进行再次转换，产生紫外激光波长；第二频率转换晶体10能够透射基频激光波长、二次谐波激光波长和紫外激光波长，具体地其两端的通光面上均镀有对基频激光波长、二次谐波激光波长、紫外激光波长都是高透过率的膜层。
52.后端反射镜11是构成谐振腔的的另一个端镜，后端反射镜11能够反射基频激光波长和二次谐波激光波长以及能够透射紫外激光波长，具体地其反射面镀有对基频激光波长和二次谐波激光波长都是高反射率的膜层、对紫外激光波长是高透过率的膜层，其透射面镀有对紫外激光波长高透过率的膜层；紫外激光波长从后端反射镜11射出，形成超快紫外激光束15。
53.第一折叠镜7和第二折叠镜9之间的距离能够调节，第一折叠镜7和第二折叠镜9之间形成第一束腰臂长12，第一束腰臂长12用于调节第一频率转换晶体8上的光斑大小；第二折叠镜9和后端反射镜11之间的距离能够调节，第二折叠镜9和后端反射镜11之间形成第二束腰臂长13，第二束腰臂长13用于调节第二频率转换晶体10上的光斑大小。
54.具体实施过程如下：
55.半导体激光二极管激励光源1用电驱动，从半导体激光二极管激励光源1发出的激发光，经过快轴整形器2和慢轴整形器3，投射到面发射增益介质4上，形成与激光光斑模式匹配的激励光斑。面发射增益介质4中的增益区17中的激励光吸收层22的材料带隙能小于半导体激光二极管激励光源1所发出的激励光的光子能量，所以会吸收激励光的光子能量，产生光生载流子；而基频光发射层23的材料带隙能又小于激励光吸收层22的材料带隙能，所以，基频光发射层23的能俘获激励光吸收层22中产生的光生载流子，并发射出基频激光波长。
56.谐振腔由前端反射镜5和后端反射镜11作为两个端镜，其中包含了面发射增益介质4、偏振及滤波器件6、第一折叠镜7、第一频率转换晶体8、第二折叠镜9、第二频率转换晶体10等光学元件。由面发射增益介质4中的基频光发射层23发射出的基频激光波长在谐振腔中产生振荡，并经过第一频率转换晶体8和第二频率转换晶体10的频率转换，最终产生紫外激光波长并输出；紫外激光的波长可根据面发射增益介质4中的基频光发射层23的材料种类和组分不同而发生变化，产生超快的自锁模过程则由面发射增益介质4中的非线性等效透镜24启动。
57.在激光器的工作过程中，偏振及滤波器件6将面发射增益介质4中的增益区17的基频光发射层23发射出的基频激光变为线偏振光，并同时对基频激光的线宽进行压窄，以提高后续在第一频率转换晶体8和第二频率转换晶体10中频率转换的效率。第一折叠镜7和第二折叠镜9都是起到折叠光路的作用，同时二者配合使用，调节两者之间的第一束腰臂长12，以便在两者之间的第一频率转换晶体8上形成合适的光束束腰，提高在第一频率转换晶体8中频率转换的效率。第二折叠镜9和后端反射镜11分别起到折叠光路和终止光路的作用，同时二者配合使用，调节两者之间的第二束腰臂长13，以便在两者之间的第二频率转换晶体10上形成合适的光束束腰，提高在第二频率转换晶体10中频率转换的效率。基频激光
振荡在第一频率转换晶体8中完成第一次频率转换，变成二次谐波激光；第一次频率转换完成后，剩余的基频激光和在第一次频率转换中产生的二次谐波激光，在第二频率转换晶体10中完成第二次频率转换，变成紫外波段激光，并从后端反射镜11处输出，为超快紫外激光束15。通过第二频率转换晶体10后，剩余的二次谐波激光经过后端反射镜11的反射，再通过第二折叠镜9和第一频率转换晶体8，从第一折叠镜7处输出，为二次谐波激光束14；输出此二次谐波激光束14可以避免其再返回到面发射增益介质4而产生不必要的废热。
58.以下以两个实例来具体说明本发明的技术方案：
59.实例一：利用半导体材料非线性效应实现自锁模的超快紫外激光器的结构图如图1所示。半导体激光二极管激励光源1为波长是800nm的光纤耦合输出形式，光纤的纤芯直径为200μm，数值孔径0.22。快轴整形器2和慢轴整形器3分别为柱面透镜和球面透镜，两者组合起来对800nm激励光进行整形之后，投射在面发射增益介质4上面，透射光斑的直径为200μm。
60.面发射增益介质4的结构如图2所示，包括高反镜16、增益区17、高势垒载流子限制层18和保护层19组成。高反镜16由共60层交替设置的低折射率材料层20和高折射率材料层21构成，低折射率材料层20为alas材料，厚度为81nm；高折射率材料层21为gaas材料，厚度为69nm。高反镜16的反射谱的中心波长为976nm，在中心波长处的反射率大于99.99％，反射谱的半高全宽度大于60nm。
61.增益区17由30层交替设置的激励光吸收层22和基频光发射层23构成，激励光吸收层22为gaas材料，厚度67nm；基频光发射层23为in(0.18)gaas材料，厚度为8nm。基频光发射层23发射光谱的峰值波长为976nm，发射光谱的半高全宽度大于30nm。
62.前端反射镜5为曲率半径是100mm的平凹反射镜，s1面镀膜为976nmhr膜层,s2面无镀膜。
63.偏振及滤波器件6为厚度为1mm的融石英双折射滤波片，以布儒斯特角放置在谐振腔中，同时起到对基频激光进行起偏，和对基频激光进行线宽压窄的作用。
64.第一折叠镜7为曲率50mm的平凹反射镜，s1面镀膜为976nmhr@488nmar，s2面镀膜为488nmar。此处输出的二次谐波激光束14为波长为488nm的激光。
65.第一频率转换晶体6为3mm
×
3mm
×
10mm的lbo晶体，针对976nm基频激光和488nm二次谐波激光作切割，采用i类相位匹配，室温下使用。两个通光面镀膜为976nm@488nmar。
66.第二折叠镜9为曲率50mm的平凹反射镜，s1面镀膜为976nm@488nmhr，s2面无镀膜。
67.第二频率转换晶体10为3mm
×
3mm
×
5mm的bbo晶体，针对976nm基频激光、488nm二次谐波激光、325nm紫外激光作切割，采用ii类相位匹配，室温下使用。两个通光面镀膜为976nm@488nm@325nmar。
68.后端反射镜11为曲率半径是100mm的平凹反射镜，s1面镀膜为976nm@488nmhr，s2面镀膜为325nmar。此处输出的是波长为325nm的超快紫外激光束15。
69.激励光束25、连续光束26和锁模光束27在面发射增益介质4上的投射光斑的直径大小分别为200μm、300μm和220μm。
70.实例二：利用半导体材料非线性效应实现自锁模的超快紫外激光器的结构图如图1所示。半导体激光二极管激励光源1为波长是793nm的光纤耦合输出形式，光纤的纤芯直径为100μm，数值孔径0.22。快轴整形器2和慢轴整形器3分别为柱面透镜和球面透镜，两者组
合起来对793nm激励光进行整形之后，投射在面发射增益介质4上面，透射光斑的直径为100μm。
71.面发射增益介质4中的高反镜16由共50层交替设置的低折射率材料层20和高折射率材料层21构成，低折射率材料层20为alas材料，厚度为71nm；高折射率材料层21为al(0.1)gaas材料，厚度为60nm。高反镜16的反射谱的中心波长为852nm，在中心波长处的反射率大于99.99％，反射谱的半高全宽度大于50nm。
72.增益区17由32层交替设置的激励光吸收层22和基频光发射层23构成，激励光吸收层22为al(0.075)gaas材料，厚度65nm；基频光发射层23为al(0.023)gaas材料，厚度为8nm。基频光发射层23发射光谱的峰值波长为852nm，发射光谱的半高全宽度大于30nm。
73.前端反射镜5为曲率半径是150mm的平凹反射镜，s1面镀膜为852nmhr膜层,s2面无镀膜。
74.偏振及滤波器件6为厚度为1.5mm的融石英双折射滤波片，以布儒斯特角放置在谐振腔中，同时起到对基频激光进行起偏，和对基频激光进行线宽压窄的作用。
75.第一折叠镜7为曲率100mm的平凹反射镜，s1面镀膜为852nmhr@426nmar，s2面镀膜为426nmar。此处输出的二次谐波激光束14为波长为426nm的激光。
76.第一频率转换晶体6为4mm
×
4mm
×
5mm的lbo晶体，针对852nm基频激光和426nm二次谐波激光作切割，采用i类相位匹配，室温下使用。两个通光面镀膜为852nm@426nmar。
77.第二折叠镜9为曲率60mm的平凹反射镜，s1面镀膜为852nm@426nmhr，s2面无镀膜。
78.第二频率转换晶体10为2mm
×
2mm
×
3mm的bbo晶体，针对852nm基频激光、426nm二次谐波激光、284nm紫外激光作切割，采用ii类相位匹配，室温下使用。两个通光面镀膜为852nm@426nm@284nmar。
79.后端反射镜11为曲率半径是150mm的平凹反射镜，s1面镀膜为852nm@426nmhr，s2面镀膜为284nmar。此处输出的是波长为284nm的超快紫外激光束15。
80.激励光束25、连续光束26和锁模光束27在面发射增益介质4上的投射光斑的直径大小分别为100μm、200μm和130μm。
81.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
82.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具
体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

技术特征：
1.利用半导体材料非线性效应实现自锁模的超快紫外激光器，其特征在于：包括半导体激光二极管激励光源(1)和依次设置的前端反射镜(5)、偏振及滤波器件(6)、面发射增益介质(4)、第一折叠镜(7)、第一频率转换晶体(8)、第二折叠镜(9)、第二频率转换晶体(10)和后端反射镜(11)；所述前端反射镜(5)、偏振及滤波器件(6)、面发射增益介质(4)、第一折叠镜(7)、第一频率转换晶体(8)、第二折叠镜(9)、第二频率转换晶体(10)和后端反射镜(11)之间形成谐振腔；所述半导体激光二极管激励光源(1)用于发出激励光并投射到面发射增益介质(4)上形成激励光斑；所述前端反射镜(5)是构成谐振腔的一个端镜，能够对基频激光波长进行反射；所述偏振及滤波器件(6)用于将基频激光变成线偏振光并进行滤波；所述面发射增益介质(4)吸收所述半导体激光二极管激励光源(1)发出的激励光的光子能量并产生基频激光波长的受激辐射；所述受激辐射在所述谐振腔中形成基频激光振荡，所述基频激光振荡通过第一频率转换晶体(8)和第二频率转换晶体(10)完成两次频率转换，所述面发射增益介质(4)能够产生非线性效应启动自锁模，最终通过所述后端反射镜(11)输出超快紫外激光；所述第一折叠镜(7)用于折叠光路，所述第一折叠镜(7)能够反射所述基频激光波长和能够透射第一频率转换晶体(8)转换的二次谐波激光波长；从后端反射镜(11)反射回来的二次谐波激光从所述第一折叠镜(7)射出，形成二次谐波激光束(14)；所述第一频率转换晶体(8)用于将基频激光波长转换为二次谐波激光波长；所述第二频率转换晶体(10)能够透射所述基频激光波长和二次谐波激光波长；所述第二折叠镜(9)用于折叠光路，所述第二折叠镜(9)能够反射所述基频激光波长和二次谐波激光波长；所述第二频率转换晶体(10)用于对在第一频率转换晶体(8)中转换产生的二次谐波激光波长进行再次转换，产生紫外激光波长；所述第二频率转换晶体(10)能够透射所述基频激光波长、二次谐波激光波长和紫外激光波长；所述后端反射镜(11)是构成谐振腔的的另一个端镜，所述后端反射镜(11)能够反射基频激光波长和二次谐波激光波长以及能够透射紫外激光波长；所述紫外激光波长从所述后端反射镜(11)射出，形成超快紫外激光束(15)。2.根据权利要求1所述的利用半导体材料非线性效应实现自锁模的超快紫外激光器，其特征在于：所述第一折叠镜(7)和第二折叠镜(9)之间的距离能够调节，所述第一折叠镜(7)和第二折叠镜(9)之间形成第一束腰臂长(12)，所述第一束腰臂长(12)用于调节第一频率转换晶体(8)上的光斑大小；所述第二折叠镜(9)和后端反射镜(11)之间的距离能够调节，所述第二折叠镜(9)和后端反射镜(11)之间形成第二束腰臂长(13)，所述第二束腰臂长(13)用于调节第二频率转换晶体(10)上的光斑大小。3.根据权利要求1所述的利用半导体材料非线性效应实现自锁模的超快紫外激光器，其特征在于：所述面发射增益介质(4)包括高反镜(16)、增益区(17)和高势垒载流子限制层(18)；所述高反镜(16)能够反射所述增益区(17)发射的激光波长；所述高反镜(16)包括若干组低折射率材料层(20)和若干组高折射率材料层(21)；所述低折射率材料层(20)和高折射
率材料层(21)交替设置；每层所述低折射率材料层(20)和高折射率材料层(21)的光学厚度均为所述增益区(17)发射的激光波长的四分之一；增益区(17)能对基频激光波长提供增益；所述增益区(17)包括若干组激励光吸收层(22)和若干组基频光发射层(23)；所述激励光吸收层(22)和基频光发射层(23)交替设置；激励光吸收层(22)的带隙能小于半导体激光二极管激励光源(1)所发射的激励光的光子能量，所述基频光发射层(23)的带隙能小于激励光吸收层(22)的带隙能；所述激励光吸收层(22)吸收半导体激光二极管激励光源(1)所发射的激励光的光子能量后，产生光生载流子；所述基频光发射层(23)能俘获激励光吸收层(22)中产生的光生载流子，并发射出激光波长；所述高势垒载流子限制层(18)的带隙能大于半导体激光二极管激励光源(1)所发射的激励光的光子能量。4.根据权利要求3所述的利用半导体材料非线性效应实现自锁模的超快紫外激光器，其特征在于：所述增益区(17)中的基频光发射层(23)所发射的激光波长能够通过改变材料种类及组分来进行改变。5.根据权利要求3所述的利用半导体材料非线性效应实现自锁模的超快紫外激光器，其特征在于：所述面发射增益介质(4)还包括能够防止面发射增益介质(4)的表面发生氧化和退化的保护层(19)。6.根据权利要求3所述的利用半导体材料非线性效应实现自锁模的超快紫外激光器，其特征在于：所述增益区(17)具有非线性效应，在高峰值功率脉冲作用下，能够形成非线性等效透镜(24)。7.根据权利要求6所述的利用半导体材料非线性效应实现自锁模的超快紫外激光器，其特征在于：所述非线性等效透镜(24)能够使入射到面发射增益介质(4)上面的激励光束(25)、连续光束(26)和锁模光束(27)在面发射增益介质(4)上的光斑大小为：连续光斑>锁模光斑>激励光斑。8.根据权利要求1所述的利用半导体材料非线性效应实现自锁模的超快紫外激光器，其特征在于：所述半导体激光二极管激励光源(1)发出的激励光通过快轴整形器(2)和慢轴整形器(3)后，投射在所述面发射增益介质(4)上；所述快轴整形器(2)和慢轴整形器(3)用于对所述半导体激光二极管激励光源(1)发出的激励光在快轴和慢轴进行整形。9.根据权利要求6所述的利用半导体材料非线性效应实现自锁模的超快紫外激光器，其特征在于：所述非线性等效透镜(24)为负透镜，能够启动自锁模。

技术总结
本发明属于激光技术领域，具体公开了利用半导体材料非线性效应实现自锁模的超快紫外激光器，包括半导体激光二极管激励光源、前端反射镜、偏振及滤波器件、面发射增益介质、第一折叠镜、第一频率转换晶体、第二折叠镜、第二频率转换晶体和后端反射镜；半导体激光二极管激励光源发出的激励光被面发射增益介质吸收并产生受激辐射；面发射增益介质产生非线性效应，形成负透镜并启动激光器自锁模。受激辐射在谐振腔内形成基频激光，被转换为二次谐波激光和最终的紫外激光。本发明不需要额外的锁模元件，利用增益介质中的非线性效应实现自锁模，而且锁模光的高峰值功率可提高基频激光到紫外激光的转换效率，可广泛用于科研领域及高端制造业。端制造业。端制造业。


技术研发人员：张鹏 朱仁江 王涛 蒋丽丹
受保护的技术使用者：重庆师范大学
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/9/19