高功率全固態紫外激光器調研

1、紫外激光作用

紫外激光具有波長短、易聚焦、解析度高、光子能量大等特點而被廣泛應用於激光雷達、生物分子機制研究、激游標記和激光通訊等方面。具體來說，在雷達領域，紫外激光可以用來探測對流層底層的水汽含量；在生物學領域，紫外激光可以用來對物質中的蛋白質濃度及純度進行測定；在醫學領域，紫外激光可以直接打斷細胞間的分子鍵，進而避免熱損傷；在工業領域，紫外激光是打標機、光刻機的最佳光源；通信領域，紫外激光通信竊聽率低、抗干擾能力強等優勢。

2、紫外激光器可實現方案

最常用的固態紫外激光器方案為：利用摻釹粒子的固體激光器產生1μm附近的紅外光，然後通過非線性晶體進行頻率轉換到紫外波段。目前紫外激光器一般集中在266nm和355nm,兩個不同的波段實現方案也存在一些差異，本題限定了設計波段為355nm,故此處僅展示一些355nm波段紫外激光器的現行方案。

2.1

腔外倍頻方案

圖1 美國Spectra-Physics公司2001年方案結構圖

2001年美國Spectra-Physic公司採用LD雙端抽運、雙棒泵浦的方案得到了高泵浦效率，同時採用聲光調Q方式獲得了高重頻、較高功率的紫外激光輸出，完整的系統結構如圖1所示。該系統在抽運功率104W條件下，在重頻20—60KHz範圍內獲得了12W、355nm紫外光的輸出，脈寬為25-75ns，光束髮散角約0.25mrad，光束質量M^2

2006年，美國相干公司採用圖2所示的結構在重頻100KHz範圍內實現了36W、355nm紫外激光輸出，脈寬為31ns，光束質量M^2

圖2 美國相干公司2006年方案結構圖

如圖2所示，該方案首先使用端泵浦、Z型摺疊腔、Q開關技術實現了基頻1064nm種子激光的輸出，然後採用了MOPA結構對輸入的種子激光進行了一級放大，然後在腔外進行了整形聚焦，並通過二倍頻、三和頻將波長變換到355nm。值得指出的是，該系統中為了避免和頻晶體長時間工作後的熱損傷、增加系統使用壽命，使用二維步進電機對和頻晶體進行控制，當晶體產生壞點後，通過步進電機將晶體平移至新位置。

圖3（1） 清華大學2009年一級放大方案結構圖

圖3（2） 清華大學2010年兩級放大方案結構圖

2009年，清華大學採用LD雙端面808nm泵浦、聲光調Q、一級MOPA放大方式獲得了60KHz、43W紫外激光輸出，脈寬10.7ns,光束質量M^2

次年，課題組採用類似的結構，但是加入了兩級MOPA放大得到了大功率（如圖3（2）所示）、更高重頻的激光輸出。具體來說，在70KHz重頻下，獲得了35.1W的355nm紫外光輸出，脈寬為15.7ns。此方案提高了紅外-紫外的光光轉換效率。由於三倍頻晶體輸出的損傷問題，該方案的最佳紫外激光質量的穩定工作時間只有幾分鐘，因此無法用於實際工業生產。

圖4 清華大學2012年兩級放大方案結構圖

2012年，清華大學採用在激光增益介質Nd:YVO4各向同性吸收區的888nm泵浦波長，LD單端泵浦、一級放大結構，在重複頻率65KHz下，獲得了24.3W的紫外激光輸出，脈寬為18ns，光束質量M^2

2.2

腔內倍頻方案

2009年，相干公司報道了一台平均功率為160W的紫外激光器，，激光器系統結構如圖5所示。該系統使用雙棒Nd:YAG串接結構，在兩個增益晶體間插入〖90〗^°石英旋轉器和雙折射補償器，實現了像傳遞和雙折射補償。在2700W泵浦下，獲得了8KHz、160W的紫外激光輸出，脈衝寬度約為45ns。但是該結構的光束質量較差：M^2約為18。

圖5 相干公司2009年腔內倍頻方案結構圖

2010年，山東大學用簡單的聲光調Q加腔內倍頻結構，在抽運功率7.2W、重頻19.6KHz時，得到了平均功率110Mw、脈衝寬度23.9ns、光束質量M^2約為3的紫外光輸出，結構腔長僅為60mm,次激光器結構如下圖：

圖6 山東大學2010年腔內倍頻方案結構圖

2011年，上海光機所用圖7所示的方案進行了實驗。該方案採用LD雙端面抽運，用一個U型腔進行電光調Q和腔內倍頻，其中M5作為紫外光輸出耦合鏡，與光軸成一定角度放置。在抽運功率20.4W和電光調Q重複頻率為10KHz的工作條件下，獲得了平均輸出功率為1.29W、脈寬為9.6ns的紫外激光輸出。此系統的光光轉換效率為6.3%，光束質量M^2

圖7 上海光機所2011年腔內倍頻方案結構圖

2013年，湖北工業大學課題組設計了圖8所示的系統結構用雙端泵浦Nd:YVO4採用聲光調Q方式，利用兩塊LBO晶體分別進行腔內倍頻、和頻，最終產生355nm紫外光的輸出。在抽運功率54W，重複頻率40KHz條件下，獲得了平均功率6.67W、脈衝寬度為20ns的紫外激光輸出，光束質量M^2=1.1。

圖8 湖北工業大學2013年腔內倍頻方案結構圖

2014年，英國和立陶宛科研合作，提出了圖9所示的激光器。激光器由聲光調Q、端面泵浦Nd:YAG增益介質模塊組成。在10KHz重複頻率下，獲得了220W平均功率的紫外355nm激光輸出，輸出脈衝寬度為65ns。該激光器是為多模輸出而設計的，系統中包含了兩路完全相同的光路，其中一路所得的激光通過一個二分之一波片進行偏轉，以達到輸出光無偏振態的目的，因此光束質量較差，M^2約為32。

圖9 英國和立陶宛聯合設計（2014年）腔內倍頻方案結構圖

3、基頻晶體材料Nd:YAG和Nd:YVO4對比

YAG性質穩定、硬度高、光學各向同性、能夠接受三價置換離子，因此可以作為激光晶體的基質。Nd:YAG晶體屬於四能級結構（如圖10（1）），室溫下Nd:YAG晶體最強發射譜線為1.064μm,對應躍遷能級為(_^4)F_(3/2) 能級到(_^4)I_(11/2) 能級，受激發射截面σ_21為2.8×〖10〗^(-19) 〖cm〗^2，熒光壽命為230μs。其吸收譜線如圖10（2）所示，可以看出吸收帶寬約為4nm

圖10（1）Nd:YAG晶體四能級結構

（2）摻Nd濃度為1%時的吸收譜線

YVO4晶體與YAG晶體同屬四能級系統，吸收譜（如圖11）與半導體激光器泵浦源光譜重合較好。Nd: YVO4晶體作為半導體激光器泵浦的激光晶體有兩個顯著特點：受激發射界面為25×〖10〗^(-19) 〖cm〗^2，約為Nd:YAG晶體的五倍，熒光壽命為96μs。對808波長吸收係數大且吸收帶較寬，約為21nm。除此以外,Nd: YVO4晶體輸出激光沿著特殊的π方向呈線偏振。線偏振光有助於在非線性倍頻過程中實現相位匹配從而提高非線性轉換效率。

圖11 YVO4摻Nd濃度為0.7%時的吸收譜線

4、倍頻晶體的選擇

為實現高效的轉換，倍頻晶體應該具有寬透明波段、大的非線性係數、適當的雙折射，高的抗光損傷閾值、大的接收角度和接收帶寬、小的走離角、穩定的物理化學性能等特性。常用的紫外—可見光波段的非線性晶體有BBO、LBO、CLBO、CBO等。其中CLBO易潮解，還沒有在商業激光器上使用。CBO具有良好的光學特性，但是製造工藝尚不成熟，因此這裡主要對BBO和LBO進行討論。

BBO為三方晶系，3m點群，透明區域大，相位匹配範圍大，非線性係數大，抗損傷閾值高，吸收帶寬大，光學均勻性好。顯然，BBO優點是能夠在較寬的波段內實現相位匹配、激光損傷閾值高。但是不能實現溫度相位匹配，同時接收角小、離散角大、微潮解，是短脈衝、高功率激光倍頻的候選材料。

LBO是中國科學院物質結構研究所發明的一種性能優越的晶體，其透光波段寬、光學均勻性好、內部包絡少、倍頻轉換效率較高、損傷閾值高、接收角大、小的走離角，機械硬度高、不易潮解、化學性能穩定，另外該晶體可以通過角度或溫度調諧實現相位匹配，特別適用於固體激光系統的二倍頻、三倍頻以及光參量振蕩和放大。

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