CLBO晶體：深紫外固體激光系統

引言

深紫外相干光源在激光精密加工、信息技術、激光醫療、集成電路制造、科學研究等領域都有重要的應用。目前主流的深紫外相干光源主要是準分子激光器。準分子激光器輸出的光束質量差、線寬大、波長不可調，而且設備龐大、操作不便，最大的缺點是工作介質是有毒氣體，不利于安全和環保,這些缺點使其應用受到很大限制。與準分子激光器相比，固體激光器具有重復頻率高、光束質量好、相干性好、結構緊湊、操作方便、壽命長等優點。

以高功率可見／近紅外固體激光器為基礎，利用深紫外非線性光學晶體進行光學頻率變換是獲得深紫外相干光源的另一種有效途徑。發展固體深紫外相干光源是國際激光領域近期研究的一個熱點。

通過光學頻率變換獲得深紫外激光，最關鍵的是深紫外非線性光學晶體。CLBO晶體透光波長下限低，雙折射可以滿足深紫外波段和頻相位匹配的要求，非線性系數大，抗損傷閾值高，容易生長出大尺寸晶體，是目前可以實用的性能最優的深紫外非線性光學晶體本文介紹了一種基于CLBO晶體和頻技術的深紫外固體激光系統，對系統中涉及的近紅外固體激光器和多級光學頻率變換模塊進行了詳細說明，并給出了系統的實驗結果。

深紫外固體激光系統的構成

深紫外固體激光系統由倍頻Nd∶YAG激光器、可調諧鈦寶石激光器、三倍頻模塊、近紅外激光器以及和頻模塊構成，如圖1所示。

倍頻激光器

用調Q倍頻Nd∶YAG激光器抽運鈦寶石激光器可以獲得很高的增益。系統中的倍頻Nd∶YAG激光器結構如圖2所示。這臺激光器采用脈沖氙燈側面抽運，由振蕩和放大兩級構成。兩級均采用了中國科學院安徽光學精密機械研究所提供的抽運組件。包括脈沖氙燈和Nd∶YAG晶體棒兩部分，封裝在由合肥星月夜光技術應用研究所研制的F4型固體激光抽運腔內。整個抽運組件由流動的冷卻水提供冷卻，以保證激光器工作的穩定性。振蕩級Nd∶YAG尺寸為φ6 mm×120 mm,放大級Nd∶YAG尺寸為φ7 mm×107 mm。兩根Nd∶YAG晶體棒的通光端面都鍍有對1064nm的增透膜。反射鏡M1和M2組成激光諧振腔。其中，為了補償熱透鏡效應，M1選用的是曲率半徑為3 m的凸面鏡，對1064nm基頻光全反射；M2是平面鏡，對1064nm基頻光的反射率為20%。這種腔型設計可以使腔內振蕩模體積大，抽運效率高。諧振腔內除工作介質Nd∶YAG晶體棒外，還有一個布儒斯特片和一個KD*P電光Q開關。KD*P晶體作為電光Q開關的材料，具有開關速度快、溫度穩定性好、抗損傷閾值高等優點。為了防止高壓電場長時間加在KD*P晶體上會破壞晶體的性能，Q開關采用加壓工作方式，即：KD*P上不加高壓時，晶體的自然雙折射形成光預偏置，線偏振光往返通過KD*P后偏振方向旋轉90°,由于布儒斯特片的檢偏作用，腔內損耗很大，無法形成激光振蕩；KD*P上加高壓時，電光效應產生了π/2的附加相位延遲，線偏振光往返通過KD*P后偏振方向保持不變，能以很小的損耗通過布儒斯特片，從而在腔內形成激光振蕩。為了有效利用空間，諧振腔內產生的1064nm基頻光由M2輸出后經兩個直角等腰轉光棱鏡(P1,P2)反射送入放大級，放大后通過一塊7 mm×7mm×5mm的KTP晶體倍頻生成532nm綠光。由于采用的是腔外倍頻的形式，倍頻效率低于60%,輸出光中還殘留很多基頻光。在KTP晶體后用一塊濾光片濾除殘余的基頻光，以免對后級產生不良影響。振蕩級氙燈工作電壓600V,放大級氙燈工作電壓650V,調Q頻率10Hz時，倍頻Nd∶YAG激光器輸出平均功率1 W（單脈沖能量100mJ)、脈寬10ns的綠激光。

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可調諧鈦寶石激光器

可調諧鈦寶石激光器的結構如圖3所示。調Q倍頻Nd∶YAG激光器輸出的532nm抽運光經一個倒裝望遠鏡系統(L1)縮束后，由兩個直角等腰轉光棱鏡(P3,P4)反射到激光工作介質鈦寶石晶體上。鈦寶石晶體尺寸為5 mm×5 mm×10 mm,品質因數(FOM)為100,通光端面鍍有對532nm和716nm的增透膜。用組合透鏡縮束而不是簡單地聚焦，是為了降低入射到鈦寶石表面的抽運光的峰值功率密度，以免對鈦寶石表面造成損傷，同時增加有效抽運體積。為了避免抽運光直接損傷后端腔鏡(M3),采用近軸抽運方式。平面反射鏡M3,M4組成諧振腔，其中M3對716nm光全反射，M4對700~800nm光反射率為50%。鈦寶石有很寬的熒光發射譜，兩個布儒斯特角入射的ZF6色散棱鏡(DP1,DP2)組成的棱鏡對和裝在步進馬達上的M3配合就可以進行波長調諧。在重復頻率10 Hz,單脈沖能量100mJ的綠光抽運作用下，用激光功率計測得輸出716nm光的平均功率為18mW。

三倍頻模塊

圖4是三倍頻模塊的結構示意圖，其中倍頻和三倍頻晶體選用的都是BBO晶體。可調諧鈦寶石 激光器輸出的716nm光經透鏡組(L2)聚焦到第一塊BBO晶體(BBO1,6 mm×6 mm×6 mm)內進行倍頻，滿足II類相位匹配條件。生成的358nm倍頻光和余下的716nm基頻光在第二塊BBO晶體(BBO2,4 mm×4 mm×7 mm)中和頻，得到238.7nm三倍頻光，滿足I類相位匹配條件。為了濾除輸出光中殘留的716nm基頻光和358nm倍頻光，采用了平行平面反射鏡對(M5,M6)多次反射濾光的方法。M5和M6對238.7nm三倍頻光的反射率為92%,對716nm基頻光和358nm倍頻光的反射率低于5%。經過這兩個反射鏡4~6次反射后，輸出的716nm基頻光和358nm倍頻光只剩下不到6×10-6,238.7nm三倍頻光還剩余60%以上。在重復頻率10 Hz,單脈沖能量100mJ的綠光抽運作用下，輸出的238.7nm激光用激光功率計LP-3A測得的平均功率是0.4mW。

近紅外激光器

和三倍頻模塊輸出的238.7nm紫外光進行和頻的近紅外光可以由兩種途徑得到。第一種途徑是直接利用倍頻Nd∶YAG激光器輸出光中殘留的基頻光，經過光延遲線后送入和頻模塊。這種方法可以實現輸入和頻模塊的兩路光脈沖的自動同步。另一種途徑是利用另外一臺近紅外固體激光器（連續/脈沖）的輸出。如果用的是脈沖激光器，就需要同步觸發電路來實現輸入和頻模塊的兩路光脈沖的同步。這種方法的優點是可以根據需要自由選擇用于和頻的近紅外激光波長。實驗中用的是本課題組研制的全固態聲光調QNd∶YVO4激光器,其結構如圖5所示。抽運LD輸出808nm光，經焦距為3mm的非球面透鏡L3聚焦到激光晶體Nd∶YVO4 內。Nd∶YVO4的入射端面鍍有對808nm高透射、對1064nm全反射的膜層，作為諧振腔的后端鏡(M7)。前端腔鏡M8是凹面鏡，對1064nm的透射率為5%。聲光Q開關置于激光晶體和M8之間。抽運LD連續輸出最大功率為3 W,調Q工作頻率0~100 kHz連續可調。實驗中，此激光器工作于30 kHz,輸出平均功率1 W,脈沖寬度10ns。用一個同步觸發控制電路生成兩路調Q觸發信號，分別控制電光調Q倍頻Nd∶YAG激光器和聲光調QNd∶YVO4激光器輸出脈沖的產生時刻。這兩路調Q觸發信號都來源于同一個555定時器輸出的脈沖串，從而實現了兩路光脈沖的同步。

和頻模塊

圖6是和頻模塊的結構示意圖。三倍頻模塊輸出的238.7nm紫外光被平面反射鏡M10,M9反射后與全固態聲光調QNd∶YVO4激光器輸出的1064nm近紅外光合為一束光，再由焦距為10 cm的透鏡L5聚焦到和頻晶體CLBO內進行和頻。M9,M10都鍍有對238.7nm光高反射、對1064nm光高透射的膜。為了減小紫外光的損耗，聚焦透鏡L5的材料選用紫外級的熔融石英。合光前1064nm光需經透鏡組(L4)進行適當的光束變換，使得1064nm光和238.7nm光在CLBO晶體內能夠充分交迭，提高和頻轉換效率。CLBO晶體按照理論計算得到相位匹配角88.3°切割，尺寸為4 mm×4 mm×4 mm。CLBO晶體后用一個色散棱鏡DP3將和頻生成的195nm深紫外光和殘余的238.7nm紫外光，1064nm近紅外光分離。色散棱鏡DP3用透光波段170~7800nm的CaF2作為材料，頂角66.7°。光束以195nm的布儒斯特角56.7°入射，出射的195nm光和238.7nm光的分光角度約4.4°。

實驗結果

用光譜儀對系統中的716nm,358nm,238.7nm和195nm激光進行測量，得到的光譜圖如圖7所示。

實驗中，固定聲光調QNd∶YVO4激光器工作在30 kHz,輸出平均功率1 W,改變倍頻Nd∶YAG激光器（調Q頻率10 Hz)的輸出功率，用激光功率計LP-3A測得195nm輸出功率曲線如圖8所示。在532nm抽運功率1 W時獲得最高輸出功率217μW。固定倍頻Nd∶YAG激光器工作在10 Hz,輸出平均功率1 W,改變聲光調QNd∶YVO4激光器（調Q頻率30 kHz)的輸出功率，測得195nm輸出功率曲線如圖9所示。當1064nm光平均功率超過1 W時，195nm光輸出功率反而下降。這是由于1064nm光的光子數比238.7 m光的光子數多，當1064nm光功率超過最佳值后，光能量會通過1064nm和195nm的差頻過程流向238.7nm,使得輸出195nm光功率下降。

結論

室溫下，通過脈沖三倍頻鈦寶石激光器輸出的238.7nm紫外光和全固態聲光調Q Nd∶YVO4激光器輸出的1064nm近紅外光在非線性晶體CLBO中進行和頻，實現了195nm深紫外激光的穩定輸出，獲得平均功率217μW、重復頻率10Hz的195nm深紫外激光。實驗中，195nm激光的輸出功率主要受限于燈抽運電光調Q倍頻Nd∶YAG激光器輸出的532nm抽運光能量。提高調Q倍頻Nd∶YAG激光器的重復頻率和單脈沖能量，195nm激光的輸出功率和轉換效率將大幅度提高。

文章來源:中國激光, 2009, 36 (7): 1826（如有侵權，請聯系刪除）