紫外光源与紫外激光器现状

研 究 已 经 能 够 使 转 化 效 率 达 到 5 0 %左 右 。利 用 和 频
和差频 ,能够设计出造价不算很高的需要频率激光 。
光 参 量 振 荡 ( OPO ) 是 一 种 频 率 和 强 度 比 较 高 的
泵浦光和另一种频率及强度比较低的信号光通过非
线性晶体 ,会使信号光得到放大 ,并且产生差频的空
闲波 ,如设计成谐振腔形式 ,则会形成光参量振荡器 ,
OPO 是 实 现 全 固 态 可 调 谐 激 光 光 源 的 有 效 办 法 。
例 如 用 LD 泵 浦 Nd: YAG 晶 体 产 生 1 0 6 4 nm 近 红 外 激 光 辐 射 , 通 过 KD × P (磷 酸 二 氢 钾 ) 等 晶 体 产 生 2
(1. 河南理工大学基础部 ,河南 焦作 454000; 2. 北京大学物理系 ,北京 100871)
摘要 :文章简要回顾紫外光源发展历史 ,重点介绍了紫外激光器的种类和各种紫外激光器性能和 应用情况 ,侧重于准分子激光器和晶体倍频激光近年的发展情况 。 关键词 :紫外光源 ;激光器 ;准分子激光 ;晶体倍频 中图分类号 : O434. 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1008 - 7257 (2006) 03 - 0059 - 02
频 转 化 效 率 。 LBO ( L iB3 O5 ) 晶 体 1 9 8 9 年 由 中 国 陈 创 天 等 最 早 发 现 [7 ] , 倍 频 系 数 约 为 KD × P 晶 体 3 倍 , 但
其 损 伤 阈 值 比 BBO 晶 体 高 很 多 , 最 小 透 射 波 长
1 5 5 nm ,不 潮 解 , 稳 定 性 好 。但 LBO 晶 体 内 B3 O7 基 团 所 组 成 的 ( B3 O5 ) n ϖ ∞螺 旋 链 基 本 上 沿 4 5 °方 向 围 绕 z轴 旋 转 , 同 时 此 螺 旋 链 在 x - y面 上 的 投 影 和 x、y轴
收稿日期 : 2006 - 01 - 06 作者简介 :凡瑞霞 (1976 - ) ,女 ,河南兰考人 ,河南理工大学教师 。
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焦 作 大 学 学 报 2006年 7月
谐 波 发 生 ( THG ) 、四 次 谐 波 发 生 ( FOHG ) 、五 次 谐 波
对于 紫 外 光 源 , 太 阳 就 是 很 好 的 紫 外 光 源 。但 是 ,由于臭氧层的阻挡 ,地球表面紫外光强度很低 。 早 期 常 用 紫 外 光 源 有 汞 灯 、氘 灯 等 。上 世 纪 六 十 年 代 ,随着激光的发明 ,各种紫外激光也很快发明出来 , 主 要 有 氩 离 子 激 光 器 、准 分 子 激 光 器 、翠 绿 石 激 光 器 、 3 倍 频 4 倍 频 Nd、YAG 激 光 器 、氟 分 子 激 光 器 、氦 镉 激 光 器 、金 属 蒸 汽 激 光 器 、氮 分 子 激 光 器 等 等 。
P2ω
=
52. 2L2 deff 2 nα2 n2ωλ2ω cA
Pω2
式 中 , L 为 倍 频 晶 体 的 长 度 , deff 为 倍 频 晶 体 的 非
线 性 有 效 系 数 , nω 为 基 频 光 在 倍 频 晶 体 中 的 折 射 率 ,
n2ω 为 倍 频 光 在 倍 频 晶 体 中 的 折 射 率 ,λ2ω为 倍 频 光 在
常 用 准 分 子 激 光 器 有 A rF ( 1 9 3 nm , 现 代 和 下 一 代 cpu 的 主 要 光 刻 工 具 ) 、KrCl ( 2 2 2 nm ) 、KrF ( 2 4 8 nm ) 、 XeCl ( 3 0 8 nm ) 、XeF ( 3 5 1 nm ) 等 。激 光 脉 冲 频 率 一 般 在 10～100Hz,有些特殊用途的能够达到 1000Hz,平 均 功 率 一 般 在 1 0 ～ 1 0 0W , 脉 冲 长 度 一 般 在 纳 秒 量 级。
倍 频 5 3 2 nm 辐 射 , 再 通 过 与 1 0 6 4 nm 和 频 或 者 再 一 次
倍 频 就 会 产 生 近 紫 外 辐 射 ( 3 5 5 nm ) 或 者 深 紫 外 辐 射
( 2 6 6 nm ) 激 光 输 出 。
现实过程中 ,需要考虑晶体对变换中各波长是否
有大的吸收 ,并且需要考虑晶体有效非线性效应系数
1. 准分子激光器介绍 ( Excimer Laser)
准分子激光器是一种脉 冲 激光 器 , 最 早出 现 于 1 9 7 1 年 。经 过 较 长 时 间 的 研 究 和 发 展 , 显 示 了 极 强 的 生 命 力 。早 期 的 准 分 子 激 光 器 是 以 液 态 氙 ( Xe ) 为 工作物质 ,但由于其运行要求附加条件很高 ,科技工 作 者 对 其 进 行 了 积 极 的 改 造 。 Searles等 人 于 1 9 7 5 年 研制成输出不可见紫外激光的惰性气体卤化物溴化 氙 ( XeB r) 准 分 子 激 光 器 。同 年 , B rau 等 人 制 成 氟 化 氙 ( XeF ) 激 光 器 。我 国 则 于 1 9 7 7 年 制 成 XeF 准 分 子 激 光器 。
2. 晶体倍频实现连续波紫外激光器
准分子激光器虽然有很多优点 ,但它毕竟是脉冲 激光器 ,在一些领域如材料光谱分析等领域使用不甚 方 便 , 所 以 紫 外 连 续 光 激 光 器 市 场 应 用 前 景 很 大 。由 于紫外光子能量大 ,直接通过外激励源激励产生一定 高功率的连续波紫外激光器可能性不大 ,即使实现可 能也会夹带 很 多 附 属 设 备 从 而 无 法 推 广 应 用 。故 实 现紫外连续波激光一般是应用晶体材料非线性效应 变频方法产生 ,变频过程光子必须满足能量动量守恒 条 件 , 具 体 变 频 的 方 法 有 二 次 谐 波 发 生 ( SHG ) 、三 次
也 几 乎 呈 4 5 °夹 角 , 这 些 结 构 特 征 决 定 LBO 晶 体 的 双
折 射 率 很 小 , 实 测 双 折 射 率 只 有 0. 0 4 5 , 这 大 大 限 制
了 LBO 晶 体 的 可 相 匹 配 范 围 。因 此 , 尽 管 LBO 晶 体
的 紫 外 截 止 波 长 可 达 到 1 5 5 nm , 但 可 相 匹 配 范 围 在 紫 外 区 只 能 达 到 2 7 7 nm , 所 以 对 一 般 的 1. 0 6μm 激 光 ,
准 分 子 激 光 器 是 CO2 激 光 器 和 YAG 激 光 器 之 后 的第三代材料加工激光器 ,因为其所发出的激光为紫 外 短 脉 冲 激 光 , 具 有 波 长 短 , 光 子 能 量 高 等 优 点 。另 外对于切割精度要求很高的眼科手术 ,现在大多是应 用 准 分 子 激 光 实 现 的 。除 此 之 外 , 现 代 很 多 可 调 谐 染 料激光器使用准分子激光器作为泵浦源的 。
发 生 ( F IHG ) 、和 频 发 生 ( SFG ) 、差 频 发 生 ( DFG ) 、光
参 量 振 荡 ( OPO ) 等 一 些 过 程 。
二 次 谐 波 发 生 ( SHG) 又 称 倍 频 , 倍 频 主 要 特 点 是
它是最低的非线性效应 ,倍频效率相对比较高 ,二倍
频频率转化公式 [2] :
准分子激光器工作介质一般是是一定比例混合 的惰性气体和强受电子卤族元素气体 ,当基态的惰性 气体原子被激发时 ,核外电子被激发到更高的轨道上
而改变了电子壳层全部填满的状态 ,使之和其它原子 形成短寿命的分子 ,这种处于激发态的分子称为受激 准 分 子 , 简 称 准 分 子 。准 分 子 激 光 的 产 生 可 以 分 三 个 过程 ,即 :激光气体的激励过程 ;准分子生成反应过程 和 准分 子 解 离 发 生 过 程 。其 激 励 方 式 有 电 子 束 激 励 、 放 电激 励 、光 激 励 、微 波 激 励 和 质 子 束 激 励 等 五 种 。 不同活性物质产生不同波长的准分子激光 ,一般为紫 外 、远 紫 外 和 真 空 紫 外 波 段 。
四 倍 频 就 不 能 用 LBO 实 现 。
CLBO ( CsL iB6 O10 ) 晶 体 1 9 9 5 年 由 Yusuke Mori 等 人 [8 ] 发 现 , 有 效 非 线 性 系 数 是 KD × P 晶 体 2. 2 倍 , 最
小 透 射 波 长 1 7 5 nm , 双 折 射 系 数 0. 5 2。并 且 损 伤 阈
真空中的波长 , c为真空中的光速 , A 为基频光在倍
频 晶 体 中 光 斑 面 积 , Pω 为 基 频 光 的 功 率 。 和 频 ( SFG ) 又 叫 激 光 频 率 上 转 换 , 相 应 差 频
( DFG) 为 激 光 频 率 下 转 换 。通 过 和 频 , 可 以 把 CO2 激 光 器 1 0. 6μm 红 外 输 出 转 化 到 可 见 光 范 围 , 现 在 晶 体
值 特 别 高 , 达 到 2 6 GW / cm2 。文 献 [9 ] 报 道 用 CLBO 晶
体 实 现 了 非 常 好 的 四 倍 频 转 化 效 率 。另 外 CLBO 晶 体
生 长 周 期 很 短 , 有 报 道 1 4 0 ×1 4 0 ×1 1 0mmCLBO 晶 体 生 长 只 需 用 两 个 星 期 , 而 美 国 生 长 3 7 0mmKD × P 需 要
BBO (β - BaB2 O3 ) 晶 体 1 9 8 4 年 由 中 国 陈 创 天 等
最 早 发 现 [4 ] , BBO 晶 体 在 λ = 1. 0 6μm 有 效 倍 频 系 数 是 KD × P 的 6 倍 , 光 损 伤 阈 值 也 很 高 ( 7 0 0 nm 红 光 附
近 Pth = 1 0 GW / cm 2 ) 最 小 透 射 光 波 长 0. 1 9μm , 缺 点 是 易 潮 解 。有 文 献 报 道 [5, 6 ] 利 用 BBO 晶 体 1 0 % 四 倍