高效率高功率全固态紫外激光器

８ ７ ６ ５ ４ ３ ２ １ 、芋＼矗事０４苫Ｐｊｏ。∞暑。≯《 Ｏ
图４紫外激光的单脉冲波形 Ｆｉｇ．４ Ｐｕｌｓｅ ｓｈａｐｅ ｏｆ Ｑ－ｓｗｉｔｃｈｅｄ ＵＶ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ
ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ
图２平均激光输出功率随抽运功率的变化曲线
Ｆｉｇ．２ Ａｖｅｒａｇｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｖｅｒｓｕｓ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｐｕｍｐ ｐｏｗｅｒ
１０６４ ｎｍ。平面镜Ｍ。和ＭＳ是１０６４ ｒｉｍ的单点全反
镜（Ｒ＞９９．８％），入射角为４５。。，。是焦距为５０ ｍｍ 的平凸薄透镜，两个端面分别镀１０６４ ｎｍ和５３２ ｎｒｎ 增透膜（Ｒ。。。。。。＜ｏ．２％，Ｒ眦。。＜ｏ．２％）。ｆ，透镜 的焦平面处放置一类临界相位匹配ＬＢＯ二倍频晶 体，晶体尺寸为３ ｍｉｎｘ ３ ｉｌｌｍ×１０ ｍｍ，晶体的两个 端面镀１０６４ ｎｍ和５３２ ｎｍ的双增透膜（Ｒ，。６。。。＜ ０．２％，Ｒ。。。。＜ｏ．２％）。Ｍ５为平凹反射镜，凹面曲 率半径为１００ ｍｍ，凹面镀１０６４ ｎｍ和５３２ ｎｍ高反膜 （Ｔ。。。。。。＜ｏ．２％，Ｔ５。：。。＜ｏ．２％）。在凹面反射镜的 焦平面处放置二类临界相位匹配ＬＢＯ三倍频晶体， 晶体尺寸为３ ｍｍ×３ ｍｍ×１０ ｍｍ，晶体的两个端 面镀１０６４ ｎｍ，５３２ ｎｍ和３５５ ｎｍ的三色增透膜。＾ 为焦距５０ ｍｍ的平凸薄透镜，镀膜与三倍频激光晶 体一致，其作用是对输出的紫外激光进行准直，压缩 紫外光的发散角。Ｍｓ和Ｍ６为入射角４５。的平面镜 分光镜，反射面镀膜为对１０６４ ｎｍ和５３２ ｎｍ高反，对 ３５５ ｎｍ高透，不仅起到折转紫外激光输出方向的功 能，同时可以滤掉１０６４ ｎＩＩｌ和５３２ ｎｍ激光。基频激 光器中采用的声光Ｑ开关为美国Ｎｅｏｓ公司生产的 熔石英Ｑ开关，通光方向长度为１０ ｍｍ；由中心频 率为２７ ＭＨｚ，射频功率为５０ Ｗ的声光驱动电源驱 动，在调制重复频率为１～１００ ｋＨｚ的范围内连续可 调‘１引。
１期
石朝辉等：高效率高功率全固态紫外激光器
抽运光功率为２３．３ Ｗ时，紫外激光输出功率最大， 达到１．８６ ｗ。注入抽运光功率继续增加，基频光和 二倍频光功率也随之增大，但是紫外激光输出功率 反而减小。其原因是高功率抽运下，虽然基频光和 二倍频光的功率增大了，但其光束质量急剧恶化，导 致三倍频晶体中的合频效率下降使紫外光输出功率 降低。
ｌａｓｅｒ ｉｎｔｏ ＴＨＧ ＬＢＯ ｃｒｙｓｔａｌ，ｗｈｉｃｈ ａｖｏｉwenku.baidu.comｓ ｔｈｅ ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｌｅｎｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，
ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ３５５ ｎｍ ＵＶ ｌａｓｅｒ ｒｅａｃｈｅｓ ｔｏ １．８６ Ｗ ａｔ ｔｈｅ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｐｕｍｐ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ２３．３ Ｗ。ａｎｄ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｗａｖｅ ｉＳ ａｂｏｕｔ ７．２８ Ｗ ａｔ ２０ ｋＨｚ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ。ａｎｄ Ｏ－Ｏ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉＳ ａｂｏｕｔ ２５．５％ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ＵＶ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｃａｎ ｓｔｉｌｌ ｗｏｒｋ ａｔ ａ ｇｏｏｄ ｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｙ ｅｖｅｎ ａｔ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｏｕｔｐｕｔ。ｗｈｉｃｈ ｍｅａｎｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＵＶ ｌａｓｅｒ ｃａｎ ｈａｖｅ ａ ｖｅｒｙ ｇｏｏｄ ｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｙ ｅｖｅｎ ａｔ ｔｈｅ
ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｌａｓｅｒ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｌａｓｅｒ；ａｌｌ ｓｏｌｉｄ—ｓｔａｔｅ；ａｃｏｕｓｔｏ—ｏｐｔｉｃ Ｑｓｗｉｔｃｈｉｎｇ；ｅｎｄ—ｐｕｍｐｅｄ；ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｔｈｉｒｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ
凹面反射镜的方式进行聚焦，避免了１０６４ ｎｍ和５３２ ｎｍ激光聚焦时由于波长的不同而产生的色差效应，有效地提高
了三倍频的倍频效率。最终在注入抽运光功率为２３．３ Ｗ，声光调Ｑ激光器的调制频率为２０ ｋＨｚ的工作条件下，基 频光输出功率为７．２８ ｗ时，得到紫外激光输出功率为１．８６ Ｗ，１０６４ ｎｍ基频光到３５５ ｎｍ紫外激光的光一光转换效率
ｃｏｕｐ ｓｖｓｔ
。蠢：：：Ｄ ｆｉｂｅｔ ｂｕｎｄｌｅ
图１全固态紫外激光器的实验装置
Ｆｉｇ．１ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｌ—ｓｏｌｉｄ—ｓｔａｔｅ ＵＶ ｌａｓｅｒ
激
光
３ ｍｍ×１０ ｍｍ，ａ轴切割，通光方向长度为１０ ｍｍ。 晶体的两个通光面分别镀１０６４ ｎｍ和８０８ ｎｍ增透膜 （Ｒ。。。。。。＜０．５％，Ｒ。。。。。＜５％），晶体的侧面用铟箔 包住，装在用循环水冷却的紫铜块内，制冷系统温度 设定在１８℃。为获取大的基模体积，谐振腔采用简 单的平行平面腔结构，腔长为２００ ｍｍ左右。平面镜 Ｍ１一面对８０８ ｎｍ增透（Ｒ＜５％），另一面对８０８ ｎｍ 增透（Ｒ＜５％）和１０６４ ｎｌＴｌ全反（Ｒ＞９９．５％）。平面 镜Ｍｚ为输出耦合镜，输出透过率为Ｔ一２０％＠
３０
中
国
外及可见波段的激光器已经在很多行业取得了大量 的应用，例如激光调阻、存储芯片维修、太阳能电池 划线、激光标刻等。与传统的红外和可见波段的激 光器相比，紫外激光器具有更短的波长，不仅可以获 得更小的聚焦光斑，而且在一些特殊的材料上具有 更高的吸收系数，因此紫外激光可应用于硅和陶瓷 材料的加工、蓝宝石晶体划线、多层ＰＣＢ电路板铜 层的打孔等。除此之外，紫外激光器也可广泛应用 于医疗、光化学、光生物学等科研领域。与传统的准 分子紫外激光器相比，全固态紫外激光器具有光束 质量好、功率稳定性好、可靠性高、使用方便、体积小 等诸多优点。近年来利用非线性频率变换技术获得 高功率紫外激光输出的研究已成为激光技术领域的 一个研究热点［１￣９］。文中采用激光二极管（ＬＤ）光 纤束模块端面抽运Ｎｄ：ＹＶＯ。激光晶体，腔内插入 声光调Ｑ器件，实现高功率准连续１０６４ ｎｍ基频激 光输出，腔外分别采用Ｉ类相位匹配ＬＢＯ作为倍频 和Ⅱ类相位匹配的ＬＢＯ作为三倍频晶体，采用凹面 反射镜将倍频后的绿光和未倍频的基频光进行聚 焦，有效地避免了普通单透镜聚焦时产生的色差效 应，最终实现了高功率、高效率的准连续３５５ ｎｍ紫 外激光输出。
ＳＨＩ Ｚｈａｏ—ｈｕｉｌ＇２“，ＦＡＮ Ｚｈｏｎｇ—ｗｅｉ３，ＺＨＡＮＧ Ｙｉｎ９３，ＺＨＡＮＧ Ｊｉｎ９１’２…，
ＮＩＵ Ｇａｎ９１＇２…，ＷＡＮＧ Ｐｅｉ—ｆｅｎ９１’２“，ＣＵＩ Ｊｉａｎ—ｆｅｎ９１’２…，ＰＥＩ Ｂ０３
１ Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，
Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ
１０００８５，Ｃｈｉｎａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ－ｐｕｍｐｅｄ Ｎｄ：ＹＶ０４ ａｌｌ—ｓｏｌｉｄ—ｓｔａｔｅ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ（ＵＶ）ｌａｓｅｒ ｗａｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｕｎｄｅｒ ａｃｏｕｓｔｏ—ｏｐｔｉｃ Ｑ－ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｕｓｉｎｇ ｔｙｐｅ Ｉ ｐｈａｓｅ－ｍａｔｃｈｅｄ ＬｉＢａ ０５（ＬＢ０）ａｓ ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ （ＳＨＧ）ｃｒｙｓｔａｌ ａｎｄ ｔｙｐｅ ＩＩ ｐｈａｓｅ－ｍａｔｃｈｅｄ ＬＢＯ ａｓ ｔｈｉｒｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ（ＴＨＧ）ｃｒｙｓｔａｌ．Ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｏ ｏｐｔｉｃａｌ（０—０）ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｗａｖｅ ｔｏ ＴＨＧ ＵＶ ｌａｓｅｒ．ａ ｃｏｎｃａｖｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｍｉｒｒｏｒ ｉＳ ｕｓｅｄ ｔｏ ｆｏｃｕｓ ｔｈｅ
为２５．５％，此外，对紫外激光光束质量的测试表明，该紫外激光器具有高功率输出的同时仍有很好的光束质量。
关键词激光技术；紫外激光器；全固态；声光调Ｑ；端面抽运；二倍频；三倍频；色差效应
中图分类号ＴＮ ２４８．１
文献标识码Ａ
Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ａｌｌ＿＿Ｓｏｌｉｄ－－Ｓｔａｔｅ Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ Ｌａｓｅｒ
３实验结果和讨论
由于Ｎｄ：ＹＶＯ。激光晶体的上能级寿命为９６弘ｓ 左右，２０ ｋＨｚ左右为其最佳工作频率，实际实验数 据也证明了这一点。声光调Ｑ激光器的调制频率 设置为２０ ｋＨｚ，在不同的工作电流下分别测试了 １０６４ ｎｍ，５３２ ｎｍ和３５５ ｎｍ激光的平均输出功率，测 试的结果见图２。测试激光输出功率时，采用的是 相干公司ＰＭｌ００—１９Ｃ型功率计。随着抽运光功率 的不断增加，输出激光功率也在不断增大，在注入的
第３４卷第１期 ２００７年１月
中 国激光 ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＡＳＥＲＳ
文章编号：０２５８—７０２５（２００７）０１—００２９—０４
Ｖ０１．３４，Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ，２００７
高效率高功率全固态紫外激光器
石朝辉１’２…，樊仲维３，张 瑛３，张 晶１’２…，牛 岗１’２”，王培峰１’２”，崔建丰１’２…，裴 博３
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图３ ３５５ ｎｍ激光平均输出功率和光一光转换效率 随基频光功率的变化曲线
１引 言
随着半导体激光产业的迅猛发展，以半导体激
光器作为抽运源的全固态激光器（ＤＰＳＳＬ）的研究 取得了巨大的进展。半导体激光器抽运的全固态红
收稿日期：２００６—０４—２５；收到修改稿日期：２００６—０６—１４ 作者简介：石朝辉（１９８０一），男，博士研究生，现在北京国科世纪激光技术有限公司从事高功率全固态激光器及其频率变 换技术研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｉｚｈ＠１２６．ｃｏｍ 导师简介：樊仲维（１９６５一），男，吉林人，研究员，博士生导师，主要从事衍射光学理论与器件、光学仪器设计与研制、大功 率全固态激光技术与谐波产生技术、全色激光显示技术、高亮度半导体激光耦合技术等方面的研究。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｆａｎｚｗ＠ｃｏｓｃｅｎｔｒａｌ．ｏｒｇ
２ 实验装置
实验装置如图１所示，抽运源为北京国科世纪 激光公司生产的大功率半导体激光器光纤束模块 （型号为ＧＫＦＭ－３０），该模块的最大输出功率为 ３０ ｗ，出口光纤束直径为１．１ ｍｍ，数值孔径（ＮＡ） 为０．１１。输出激光中心波长为８０７～８１０ ｎｍ （２５℃），通过调节制冷系统的工作温度，使其工作 波长接近８０８．７ ｎｍ，与Ｎｄ：ＹＶＯ。晶体的吸收峰相 匹配。通过采用自行研制的非球面光学耦合系统将 抽运光整形为直径７５０，ｕｍ左右的圆形光斑，系统的 传输透过率为９２％。Ｎｄ：ＹＶＯ。激光晶体中Ｎｄ３＋ 的原子数分数为０．３％［Ｉｏ，１１］，晶体尺寸为３ ｍｍ×
Ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｊｉｌｉｎ １３００３３，Ｃｈｉｎａ
２ Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３９，Ｃｈｉｎａ
３
Ｂｅｉｊｉｎｇ
ＧＫ
Ｌａｓｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
／
１中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３
、
＼２中国科学院研究生院，北京１０００３９；３北京国科世纪激光技术有限公司，北京１０００８５／
摘要报道了采用大功率国产光纤束模块端面抽运Ｎｄ：ＹＶＯ。激光晶体的腔外三倍频紫外激光器，用声光调Ｑ技
术实现了高功率高光束质量基频光输出。采用ＬＢＯ Ｉ类相位匹配和ＬＢＯ ＩＩ类相位匹配的腔外倍频方法，并利用