ЛАЗЕР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ НА ОСНОВЕ СТРУКТУРИРОВАННОГО КРИСТАЛЛА SrBO ИЛИ PbBO Российский патент 2023 года по МПК H01S3/109 

Область техники, к которой относится настоящее изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к твердотельному лазеру большой мощности, снабженному, по меньшей мере, одним нелинейным преобразователем на основе структурированных кристаллов тетрабората стронция SrB4O7 (SBO) и тетрабората свинца PbB4O7 (PBO).

Предшествующий уровень техники настоящего изобретения

[0002] Спрос на лазерные инструменты, работающие в ультрафиолетовой (УФ) области спектра и, в частности, в дальней УФ-области спектра большой мощности, растет огромными темпами, удовлетворяя потребности, испытываемые такими сферами, как отрасли тяжелой промышленности, медицина, накопление и хранение информации, оптическая связь, развлечения и прочие сферы. Например, достижения в области фотолитографии полупроводников, микромеханической обработки и обработки материалов стимулируют спрос на источники когерентного излучения, работающие в ультрафиолетовой и дальней ультрафиолетовой областях спектра.

[0003] Хотя некоторые газовые лазеры, такие как эксимерные лазеры, могут испускать когерентный свет с отдельными длинами волн в УФ области и дальней УФ-области спектра с высокой средней выходной мощностью, по-прежнему существует потребность в компактных и производительных твердотельных лазерах с нелинейно-оптическими (NLO) кристаллами в этой области спектра, что обусловлено их хорошо известным высоким КПД (коэффициентом полезного действия), неприхотливостью в техобслуживании, небольшими габаритами и низкой общей стоимостью. Производительность твердотельных лазеров в ультрафиолетовой и дальней ультрафиолетовой областях спектра зависит, главным образом, от успехов в области производства высокопроизводительных и надежных нелинейно-оптических (NLO) кристаллов, достигнутых за последние два десятилетия.

[0004] В одновременно рассматриваемой заявке на патент США №… раскрывается способ производства структурированных неферромагнитных нелинейных кристаллов SBO иди PBO, причем содержание указанной заявки полностью включено в настоящий документ посредством ссылки. Эта подгруппа боратов обладает рядом замечательных свойств. Во-первых, она характеризуется уникально большой (даже для боратов) шириной запрещенной зоны, составляющей ~9 эВ, а ее УФ-граница составляет около 130 нм. В научной литературе нет соответствующих данных, но вполне вероятно, что кристалл SBO (как и многие другие бораты) должен обладать высокой степенью прозрачности в видимой/ближней инфракрасной (ИК) области спектра. Его поглощающая способность должна лежать в одном диапазоне ppm/см. Он характеризуется высокой механической прочностью и негигроскопичностью. Этот кристалл можно вырастить с использованием известных традиционных методик.

[0005] Кроме того, эти кристаллы обладают сверхвысокой (для боратов) удельной теплопроводностью, составляющей ~16 Вт/м*К. Этот порядок величин выше, чем у кристаллов BBO (бета-борат бария) и LBO (тетраборат лития). И, наконец, что не менее важно, кристалл SBO представляет собой один из немногих нелинейных материалов (если не единственный), который не обладает двухфотонным поглощением (TPA) при длине волны 266 нм, т.е. эффектом нелинейности, увеличивающим падение мощности и светоиндуцированное разрушение. Наряду с уникальной оптической прозрачностью и высоким показателем LIDT (тестирования повреждений лазерным излучением), кристалл SBO/PbBO является, вероятно, единственным нелинейным материалом, способным выдерживать постоянные нагрузки в режиме работы с высокой мощностью (импульсном или непрерывном) при длине волны 266 нм с плавностью, типичной для режимов нелинейного преобразования (~100-500 МВт/см²). Бесспорно, при использовании способа получения периодической структуры фазовой синхронизации, раскрытого в одновременно рассматриваемой заявке №…, эта группа боратов является идеальным материалом для нелинейного взаимодействия.

[0006] Следовательно, целесообразно создать лазер на основе SBO или PBO.

Краткое раскрытие настоящего изобретения

[0007] Указанную потребность удовлетворяет ряд лазерных систем высокой мощности, выполненных с возможностью работы в УФ диапазоне частот. Все раскрытые системы характеризуются одинаковой общей оптической схемой. В последней предусмотрен источник лазерного излучения и, по меньшей мере, один преобразователь частоты для выдачи субнаносекундных, предпочтительно пикосекундных импульсов в УФ области спектра. Специалисту в данной области техники понятно, что пикосекундные волоконные лазеры, используемые при генерировании высших гармоник, например, УФ-излучения, имеют преимущество над наносекундными волоконными лазерами, поскольку нелинейные кристаллы, работающие в пикосекундном импульсном режиме, обладают более продолжительным сроком службы в сравнении с кристаллами, которые облучаются наносекундными импульсами. Это преимущество становится еще более очевидным при использовании SBO или PBO, поскольку в этих кристаллах отсутствует двухфотонное поглощение.

Краткое описание фигур

[0008] Указанные и прочие аспекты и признаки станут понятнее при их описании в привязке к прилагаемым чертежам, где:

[0009] На фиг.1 показана общая оптическая схема лазерной системы согласно настоящему изобретению;

[0010] На фиг.2 показан структурированный кристалл SBO/PBO системы согласно настоящему изобретению;

[0011] На фиг.3 представлено схематическое изображение, иллюстрирующее пример реализации системы согласно настоящему изобретению, показанной на фиг.1, которая используется для генерирования четвертой гармоники (FH);

[0012] На фиг.4 представлено схематическое изображение, иллюстрирующее пример реализации системы согласно настоящему изобретению, показанной на фиг.1, которая используется для генерирования третьей и более высокой гармоник;

[0013] На фиг.5 представлено схематическое изображение, иллюстрирующее пример реализации системы согласно настоящему изобретению, показанной на фиг.1, которая используется для генерирования пятой гармоники;

[0014] На фиг.6 представлено схематическое изображение, иллюстрирующее пример реализации системы согласно настоящему изобретению, показанной на фиг.1, которая используется для параметрического преобразования; и

[0015] На фиг.7 изображен кристалл SBO/PBO, показанный на фиг.2, сконфигурированный из одной пластины и обеспечивающий преобразование основной частоты во множество последовательных гармоник.

Подробное раскрытие настоящего изобретения

[0016] Ниже подробно раскрыта идея настоящего изобретения. Везде, где это возможно, для обозначения одинаковых или схожих элементов или стадий на чертежах и в описании используются одни и те же или схожие номера позиций. Чертежи представлены в упрощенном виде, а их масштаб сильно отличается от реального.

[0017] На фиг.1 показана общая оптическая схема 40 лазерной системы согласно настоящему изобретению. Схема 40 сконфигурирована в виде источника 42 электромагнитного (ЭМ) излучения, падающего на преобразователь 44 частоты, который выполнен - по меньшей мере, частично - на базе структурированного нелинейного кристалла 10 SBO или PBO, и который выполнен с возможностью преобразования основной частоты в более высокую гармонику. Обычно преобразователи располагаются в однопроходном или многопроходном резонаторе.

[0018] Источник 42 ЭМ-излучения представляет собой лазерную систему 42, работающую в различных режимах, включая непрерывный режим (CW), квазинепрерывный режим (QCW) и импульсный режим работы. Во многих сферах применения источник 42 представляет собой мощный источник, выходная мощность которого составляет, по меньшей мере, 1 кВт и доходит до мегаваттного уровня. Однако частью раскрытого предмета изобретения являются также лазерные системы, работающие на уровне мощности ниже киловаттного.

[0019] Конфигурация источника 42 не ограничена какой-либо конкретной генерирующей средой. В предпочтительном варианте используется система твердотельного лазера, содержащая волоконную генерирующую среду или среду на алюмоиттриевом гранате (YAG), с дисковыми лазерами, представляющими собой подкласс лазеров YAG. Для легирования генерирующей среды используются светоизлучающие ионы различных редкоземельных металлов. Поскольку промышленный диапазон основных длин волн и их высших гармоник соотносится, главным образом, с источниками лазерного излучения, испускающими свет в диапазоне 1-2 мкм, излучатели света могут содержать ионы иттербия (Yb), эрбия (Er), неодима (Nd) и тулия. Однако указанные элементы не отображают исчерпывающий перечень всех редкоземельных элементов, которые могут быть использованы для генерирования светового излучения.

[0020] Архитектура источника 42 лазерного излучения может быть представлена в виде различных особых конфигураций. Например, представленная иллюстративная схема источника лазерного излучения включает в себя комбинацию генератора 43 и усилителя 44 мощности, образующую хорошо известную схему MOPA (задающий генератор (MO) - усилитель мощности (PA)). Задающий генератор 43 может включать в себя полупроводники или волокна, предпочтительно работающие на единичной частоте. Например, MO 43 может иметь конфигурацию, соответствующую схемам, раскрытым в патентах PCT/US15/65798 и PCT/US15/52893, которые являются собственностью патентообладателя текущих заявок, и содержание которых полностью включено в настоящий документ посредством ссылки. С учетом того, что мощность современных генераторов известного типа достигает киловаттного уровня, архитектура источника 42 может быть представлена, соответственно, только лазерами, в которых не используется усилитель. Что же касается усилителя, то примеры его реализации можно найти в патенте PCT/US2017/064297, где раскрыта система Yb/YAG, или в патенте USP 8068705, где описан волоконный усилитель, а также во многих других патентах, которые являются собственностью патентообладателя текущей заявки, и содержание которых полностью включено в настоящий документ посредством ссылки. Вне зависимости от своей конфигурации источник 42 лазерного излучения предпочтительно выдает единичную частоту, работая на одной поперечной моде с импульсами субнаносекундной длительности в режиме QCW или в импульсном режиме. Однако коэффициент M² качества пучка может превышать 1, составляя, например, 1,5.

[0021] Как показано на фиг.1 и 2, преобразователь 44 частоты предназначен для генерирования второй гармоники (SH), третьей гармоники (TH), четвертой гармоники (FH) и других более высоких гармоник, а также для осуществления оптического параметрического взаимодействия. Кристалл 10 SBO или PBO сконфигурирован с периодической структурой 12 доменов 30 и 32, имеющих соответствующую противоположную полярность+/-, которая поочередно меняется. Эти домены характеризуются высокопараллельными стенками. Периодическая структура 12 позволяет использовать методику QPM (квантованная фазовая модуляция) для генерирования длины волны более высоких гармоник основной частоты, включая генерирование второй гармоники, генерирование третьей и более высоких гармоник и оптическое параметрическое взаимодействие. Эксперименты, недавно проведенные заявителями, дали в итоге кристалл 10 объемной периодической структуры с последовательностью трехмерных доменов 30 и 32 равномерной размерности, обладающих соответствующей положительной или отрицательной полярностью, которая поочередно меняется и обеспечивает ограничительную апертуру кристалла, диаметр которой достигает нескольких сантиметров. Каждый из доменов характеризуется равномерной толщиной, соответствующей требуемой длине l когерентности и варьирующейся в пределах от около 0,2 мкм до около 20 мкм; и ограничительной апертурой, диаметр которой варьируется от около 1 мм до около 5 см. Кристалл 10 может быть использован в качестве оптического элемента, такого как преобразователь частоты, встроенный в лазер, который работает в различных частотных диапазонах. Например, кристалл 10, выполненный с возможностью преобразования основной частоты источника 42 лазерного излучения в дальнюю УФ-область спектра, характеризуется длиной l когерентности, варьирующейся в пределах от 0,2 нм до около 5 нм. Объемная структура может проходить через всю толщину блока кристалла 10 между его гранями +C и -C или заканчиваться на определенном расстоянии от одной из указанных граней. Кристалл 10 базируется на уникальных качествах, описанных выше и раскрытых в одновременно рассматриваемой заявке на патент США №62781371 тех же заявителей, которая была подана одновременно с текущей заявкой, и содержание которой полностью включено в текущую заявку посредством ссылки.

[0022] Кристалл 10 SBO/PBO отличается относительно короткой УФ-границей (λ_cutoff) поглощения или широкой запрещенной энергетической зоной (E_g), что гарантирует пропускание в УФ области и дальней УФ-области спектра. Более того, широкая запрещенная зона значительно уменьшает двухфотонное поглощение или многофотонное поглощение, что в свою очередь повышает порог повреждения лазерным излучением в кристалле и приводит к уменьшению нежелательных термооптических эффектов. Кроме того, бораты обычно характеризуются сверхнизким линейным поглощением.

[0023] Соответственно, кристалл SBO/PBO представляет особый интерес при использовании в лазерных системах, работающих в ультрафиолетовой (УФ) области/дальней УФ-области частотного спектра. Лазеры УФ области/дальней УФ-области спектра широко используются в различных сферах применения. Например, лазер дальней УФ-области спектра с длиной волны 266 нм используется в качестве внешнего затравочного лазера в составе лазера на свободных электронах с короткими импульсами выходного излучения, достигающими 4 нм, которые так необходимы при научных исследованиях в областях за пределами K-края углерода. Благодаря высокой фотонной энергии лазеров дальней УФ-области спектра прямыми выгодоприобретателями их промышленного применения являются такие сферы, как лазерная обработка материалов с широкой запрещенной зоной, микроэлектроника и многие другие сферы. Схемы преобразования могут быть самыми разными, а их примеры приведены ниже.

[0024] Как показано на фиг.3, один из примеров конфигурации системы 40 включает в себя преобразователь 46, имеющий схему со ступенями 46 SHG и 48 FHG. Ступень 46 SHG удваивает частоту волны накачки в диапазоне длин волн от 1 мкм до зеленой области видимого спектра, а последняя продолжает преобразование частоты для получения УФ-света/света дальней УФ-области спектра (50) с длиной волны, которая равна или меньше 2xx нм. Например, длина волны накачки при 1060 нм, выдаваемая источником 42 (основанная частота ω), в ступени 46 SHG преобразуется во вторую гармонику 2((длина волны 532 нм), которая, в свою очередь, преобразуется в четвертую гармонику 4((длина волны 266 нм). Ступень 46 SHG может основываться на кристалле BBO, LBO, CLBO (борат цезия-лития), SBO, PBO и прочих нелинейных кристаллах. Ступень 48 FHG содержит кристалл 10 SBO/PBO.

[0025] На фиг.4 приведен пример схемы, выполненной с возможностью генерирования TH (THG) 50. Система 40 включает в себя источник 42, выдающий световое излучение на основной частоте ω, которое падает на ступень 46 SHG. Последняя преобразует основную частоту во вторую гармонику 2ω. Ступень 50 THG принимает остальную часть светового излучения на основной частоте и вторую гармонику и объединяет эти частоты для получения третьей гармоники. Ступень 46 SHG может характеризоваться конфигурацией, показанной на фиг.3, тогда как ступень 50 THG включает в себя кристалл 10 SBO/PBO. Один из примеров, не носящий всеохватывающий характер, может быть проиллюстрирован основной длиной волны 1064 нм, которая в итоге преобразуется в TH около 355 нм. Система 40 может быть дополнительно снабжена ступенью 52 FiHG, объединяющей неиспользованную гармонику SH и сгенерированную гармонику TH.

[0026] На фиг.5 приведен еще один пример реализации системы 40 с преобразователем 44, выполненным с возможностью генерирования пятой гармоники (FiHG). Преобразователь 44 срабатывает, генерируя сначала гармонику SH в ступени 46 SHG. Неиспользованное световое излучение на основной частоте (накачки) отделяется от SH на выходе SHG 46 и далее направляется в FiHG 52 по пути, который задается отражающими элементами, такими как зеркала или призмы. При необходимости непреобразованное световое излучение на основной частоте может направляться через FHG 48.

[0027] Исходя из вышеизложенного, кристалл 10 SBO/PBP, в котором удовлетворяются условия фазового квазисинхронизма, может быть использован для повышения частоты вдвое, втрое и т.д., а также для генерации суммарных частот и генерации разностной частоты. Он может быть также использован для параметрического усиления. Как показано на фиг.6, световое излучение на сигнальной длине волны проходит через кристалл 10 вместе с пучком накачки с более короткой длиной волны, в результате чего образуется несколько выводов, которые включают в себя холостую волну, остаточный пучок накачки и отдельные выходные сигналы, что хорошо известно специалисту в данной области техники.

[0028] Как известно специалисту в данной области техники, для генерирования гармоники FH нерационально использовать стандартные кристаллы, такие как PPKTP (периодически поляризованный кристалл титанил-фосфата калия) или PIPLIN (периодически поляризованный кристалл ниобата лития), поскольку эта гармоника основной длины волны 1-2” совпадает с граничной длиной волны этих материалов (или даже выходит за ее пределы). Кристаллы, которые могут генерировать FH, характеризуются сверхнизкой нелинейностью. Однако кристалл SBO/PBO характеризуется высокой нелинейностью и граничной длиной волны, составляющей около 130 нм, что очевидно расширяет его преобразовательные возможности, тем самым позволяя лазерной системе 40 согласно настоящему изобретению работать на длине волны значительно меньше 200 нм и даже менее 160 нм, чего невозможно достичь с использованием общеизвестных кристаллов.

[0029] На фиг.7 показана еще одна конфигурация системы 40, содержащей источник 42 лазерного излучения, которым служит диодный лазер и кристалл 10 SBO/PBO. Учитывая характеристики последнего, кристалл 10 SBO/PBO сконфигурирован из монолитной пластины с возможностью удвоения основной частоты и последующего генерирования более высокой гармоники с длиной волны, например, 355 нм и 266 нм. Поэтому период доменной структуры вдоль пути прохождения света на основной частоте варьируется от одной для SHG до другой, например, для FHG. Такая конфигурация может быть использована в микрочипе размерами не более 5-10 мм и содержащим лазерный диод на ванадате и SBO 10 для генерирования выходной милливаттной мощности.

[0030] Следует понимать, что хотя настоящее изобретение раскрыто в привязке к его подробному описанию, это предшествующее описание носит иллюстративный характер и не ограничивает объем заявленного изобретения, который определяется объемом прилагаемой формулы. Например, импульсный режим раскрытых систем может быть реализован за счет использования методики усиления импульсов с линейной частотной модуляцией. Импульсные источники лазерного излучения могут быть также основаны на лазерах с пассивной синхронизацией мод или на лазерах с активной синхронизацией мод, выдающих наносекундные и субнаносекундные импульсы, т.е. фемтосекундные и пикосекундные импульсы. Средняя выходная мощность раскрытых импульсных систем может варьироваться в пределах от милливатт (мВт) до около 100 Вт в УФ области и дальней УФ-области частотного спектра. Соответственно, прочие аспекты, преимущества и модификации входят в объем последующей формулы.

Изобретение относится к лазерным системам. Раскрытая лазерная система снабжена источником лазерного излучения, испускающим свет на основной частоте. Испускаемый свет падает на преобразователь частоты, выполненный с функциональной возможностью преобразования основной частоты в более высокую гармонику, и включающий в себя, по меньшей мере, одну ступень преобразования частоты. Преобразователь частоты выполнен на базе нелинейного кристалла SrB₄O₇ или PbB₄O₇, предусматривающего наличие множества равномерных доменов, задающих объемную периодическую структуру с соответствующей периодически меняющейся полярностью оси кристалла, обеспечивая возможность использования методики квантованной фазовой модуляции. Технический результат - эффективная генерации высших гармоник лазерного излучения. 10 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Лазерная система, содержащая: источник лазерного излучения, испускающий свет на основной частоте; и преобразователь частоты, выполненный с возможностью преобразования основной частоты в более высокую гармонику и включающий в себя, по меньшей мере, одну ступень преобразования частоты на базе кристалла SrB4O7 (SBO) или PbB4O7 (PBO), причем кристалл SBO/PBO предусматривает наличие множества равномерных доменов, задающих объемную периодическую структуру с соответствующей периодически меняющейся полярностью оси кристалла, обеспечивая возможность использования методики квантованной фазовой модуляции (QPM).

2. Лазерная система по п. 1, в которой кристалл SBO/PBO выполнен с возможностью генерирования более высокой гармоники, выбираемой из группы, включающей в себя вторую гармонику, третью гармонику, четвертую гармонику и пятую гармонику, а также сочетания более высоких гармоник.

3. Лазерная система по п. 1, в которой кристалл SBO/PBO выполнен с возможностью обеспечения оптических параметрических взаимодействий.

4. Лазерная система по п. 1, в которой кристалл SBO/PBO характеризуется толщиной каждого домена для видимой области/дальней УФ-области спектра светового излучения, которая варьируется в пределах от 0,2 мкм до около 20 мкм, и ограничительной апертурой, минимальный диаметр которой варьируется от около 1 мм до около 5 см.

5. Лазерная система по п. 1, отличающаяся тем, что источник лазерного излучения включает в себя лазерную систему, работающую в непрерывном (CW), квазинепрерывном (QCW) или импульсном режимах.

6. Лазерная система по п. 5, в которой источник лазерного излучения содержит твердотельный лазер, выбранный из группы, включающей в себя волоконный лазер, лазер на алюмоиттриевом гранате (YAG) и дисковый лазер, причем твердотельный лазер характеризуется наличием усиливающей среды, легированной светоизлучающими примесями, которые выбираются из группы редкоземельных элементов, и выдающий световое излучение с длиной волны в диапазоне 1-2 мкм.

7. Лазерная система по п. 5, в которой источник лазерного излучения выполнен по схеме «задающий генератор (MO) – усилитель мощности (PA)».

8. Лазерная система по п. 7, в которой источник лазерного излучения выдает пакет импульсов в нано- и субнаносекундном диапазоне длительности импульсов.

9. Лазерная система по п. 1, в которой преобразователь включает в себя одну монолитную пластину SBO/PBO, сформованную с двумя разными периодами доменной структуры, причем световое излучение на основной частоте проходит по определенному пути через указанную пластину, которая характеризуется наличием входного конца с периодом для генерации второй гармоники (SHG) и выходного конца с периодом для более высокой гармоники.

10. Лазерная система по п. 2, в которой кристалл SBO выдает одномодовый свет с длиной волны около 130 нм и средней мощностью, по меньшей мере, 10 Вт на четвертой гармонике.

11. Лазерная система по п. 1, в которой домены характеризуются высокопараллельными стенками, отклоняющимися друг от друга менее чем на 1 микрон на расстоянии 10 мм.