緊湊型全固態(tài)266nm脈沖激光器

張 辰，高蘭蘭，邵志強

（長春理工大學理學院，吉林長春130022）

緊湊型全固態(tài)266nm脈沖激光器

張 辰，高蘭蘭，邵志強

（長春理工大學理學院，吉林長春130022）

報道了利用激光二極管端面抽運Nd∶YAG晶體，通過Cr4＋∶YAG晶體可飽和吸收被動調Q，KTP晶體腔外倍頻及BBO晶體腔外四倍頻，實現266 nm連續(xù)脈沖輸出。簡要分析了被動調Q基本原理，計算并模擬了1064 nm基頻光在理想狀態(tài)下Cr4＋∶YAG晶體不同初始透過率對脈沖激光單脈沖能量的影響。LD抽運功率為4.8 W時，得到266 nm紫外激光平均輸出功率為5.63mW，單脈沖能量約為0.5μJ。在緊湊型毫瓦級266 nm激光器實用化方面取得了一定進展。

全固態(tài)；266 nm；被動調Q；脈沖；倍頻

1 引 言

紫外波段激光器（Ultraviolet，UV），由于波長短，能量更集中，分辨率高，在工業(yè)零部件加工、微電子學、光譜分析及醫(yī)療等領域有著廣泛的應用前景。特別是在工業(yè)加工領域，由于UV激光的短波長和高光子能量特點，其聚焦光斑可以更小，同時高能量UV光子直接破壞材料的分子鍵，加工的尺寸可以更小，加工的精度得到提高［1］。以355 nm和266 nm為代表的全固態(tài)UV激光在工業(yè)加工領域已經得到了廣泛應用。

2006年，中國科學院物理研究所報道了采用CLBO晶體對平均功率120 W綠光激光器進行倍頻，得到28.4W的266 nm UV激光［2］。2007年，中科院物理研究所耿愛叢等，做出了平均功率1.3W的實用化266 nm激光器［3］。2012年，趙書云等報道平均功率1.12W的實用化266 nm激光器［4］。

目前，國內外對實用化266 nm激光器的研究與報道仍集中在大功率LD或其列陣作泵浦源來實現紫外激光輸出，而毫瓦級實用化LD泵浦266 nm激光器的研究與報道依然不多。

本文簡要分析了被動調Q基本原理，并計算了理想狀態(tài)下可飽和吸收晶體不同初始透過率對脈沖激光單脈沖能量的影響，采用最大功率5W單管LD端面泵浦Nd∶YAG晶體，Cr4＋∶YAG晶體被動調Q產生1064 nm脈沖激光，腔外倍頻及四倍頻的方式，產生平均功率為5.6 mW，單脈沖能量0.5μJ的266 nm脈沖激光。在毫瓦級、小功率、緊湊型、實用化激光器方面取得了一定進展。

2 理論分析

由激光原理知，基頻光波到倍頻光波的轉化效率為：

式中，L為倍頻晶體的長度；deff是倍頻晶體的非線性有效系數；n1是基頻光在倍頻晶體中的折射率；n2是倍頻光在倍頻晶體中的折射率；c是真空中的光速；I1（0）為入射的基頻光的光強；ω1為入射的基頻光頻率。由式（1）知，倍頻轉換效率正比于入射的基頻光波的功率密度，基頻光的功率密度越高，倍頻轉換效率也越高。因此，在腔外倍頻全固態(tài)激光器中，我們可以通過腔內調Q的方式，獲得峰值功率密度高、單脈沖能量高的基頻光，從而提高倍頻轉換效率。對于脈沖激光，單脈沖能量越大，脈沖寬度越窄，則脈沖峰值功率越高，倍頻轉換效率越高［5－6］。

被動調Q激光器的動態(tài)特性可以通過相應的速率方程組來描述。根據被動調Q理論［7－9］，考慮可飽和吸收體ESA的被動調Q速率方程組可以寫為：

式中，φ是諧振腔中的光子數密度；n是瞬間反轉粒子數密度；ngs和nes分別是Cr4＋∶YAG晶體中基態(tài)和激發(fā)態(tài)的粒子數密度；σ是增益介質的受激發(fā)射截面；l1是增益介質的長度；ns0是Cr4＋∶YAG晶體內總的粒子數密度；c是真空中的光速；R是輸出鏡反射率，ls是可飽和吸收體的長度；γ是增益介質的反轉簡并因子（對Nd∶YAG晶體γ＝1）；tr＝2l2／c，是光在光程長為l2的諧振腔內往返的時間，σgs是可飽和吸收體的基態(tài)吸收截面；σes是Cr4＋∶YAG晶體的激發(fā)態(tài)吸收截面；τs是Cr4＋∶YAG晶體的激發(fā)態(tài)壽命；τ是增益介質的上能級壽命；Wp是泵浦速率；L是腔內耗散性損耗（設L＝0.05）。

泵浦開始時，腔內光子數很低，Cr4＋∶YAG粒子絕大多數處在基態(tài)，在Cr4＋∶YAG達到飽和之前，我們可以認為式（2）左邊為0，同時，ngs＝ns0。則可得初始粒子數密度：

隨著抽運繼續(xù)，Cr4＋∶YAG晶體內處于基態(tài)的粒子數被激發(fā)到激發(fā)態(tài)，令ngs＝0，閾值反轉粒子數密度nt為：

在調Q激光脈沖輸出以后，腔內反轉粒子數迅速減少到閾值反轉粒子數以下，得到剩余反轉粒子數密度nf：

從以上幾式可以看出，對于被動調Q激光器，初始反轉粒子數密度ni與抽運速率Wp無關［7］。被動調Q激光器輸出脈沖能量、峰值功率、脈寬與Cr4＋∶YAG晶體初始透過率T0及輸出鏡反射率R有關，具體公式如下［8］：

式中，E為單脈沖能量；P為峰值功率；τp為單脈沖寬度；hν為振蕩光子能量；A為光束在Cr4＋∶YAG中的有效截面積。

由上式可知，可通過求解ni、nt及nf，并根據工作物質，輸出鏡及Cr4＋∶YAG晶體的相關參數，模擬計算被動調Q激光器的輸出峰值功率、脈沖能量和脈沖寬度。

表1、表2為數值模擬所用參數。表1為Cr4＋∶YAG晶體及本實驗中所用到的Nd∶YAG晶體參數，表2為本實驗中所用激光器參數，將其代入公式（9）～（11），可模擬激光器輸出特性與Cr4＋∶YAG晶體初始透過率關系［11］。其中hν為1064 nm激光振蕩光子能量。實驗中我們所用的激光器等效諧振腔長約為16 mm左右，故激光在諧振腔內往返一周時間約為0.11 ns。在實驗中我們所用的輸出鏡對1064 nm激光反射率為90%。

表1 Cr4＋∶YAG及Nd∶YAG晶體相關參數Tab.1 The parameters of Cr4＋∶YAG and Nd∶YAG

表2 本實驗中所用激光器的參數Tab.2 The parameters of the laser used in this experiment

將表1參數代入公式，通過Matlab模擬，可以得出被動調Q激光器單脈沖能量及脈沖寬度與Cr4＋∶YAG晶體初始透過率關系，如圖1和圖2所示。計算得到Cr4＋∶YAG晶體初始透過率為76.1%時，1064 nm基頻光單脈沖能量為52.7μJ，脈沖寬度為0.9 ns。

隨著Cr4＋∶YAG晶體初始透過率的提高，脈沖激光單脈沖能量隨之變小，脈沖寬度隨之變寬。由于Cr4＋∶YAG初始透過率增加，諧振腔內損耗變小，致使激光器的閾值也相應變小。在同樣的注入電流下，反轉粒子數達到閾值所需的時間變短，調Q建立的時間變短了，所以調Q脈沖輸出單脈沖能量也隨之變小。而激光器閾值的減小，使工作物質中上能級粒子數密度減小，脈沖的時間和熄滅的過程需要的時間變長，輸出的調Q脈沖寬度隨之變寬。

圖1 單脈沖能量與Cr4＋∶YAG晶體初始透過率關系Fig.1 Single pulse energy vs.initial transmission of Cr4＋∶YAG crystal

圖2 脈沖寬度與Cr4＋∶YAG晶體初始透過率關系Fig.2 Pulse width vs.initial transmission of Cr4＋∶YAG crystal

3 實驗裝置

實驗裝置如圖3所示。M1為凹面鏡，曲率半徑為50 mm，鍍有808 nm高透和1064 nm高反射膜。M2為平面鏡，鍍有1064 nm部分反射膜，T＝10%。M1、M2構成1064 nm基頻光諧振腔，兩鏡相距15 mm。LD最大輸出功率為4.8 W，中心波長為808 nm。工作物質為Nd∶YAG晶體，尺寸為φ3 mm× 5mm，摻雜濃度為1.0%，兩端鍍有808 nm和1064 nm雙增透膜。采用Cr4＋∶YAG晶體被動調Q。Cr4＋∶YAG晶體厚度為2mm，初始透過率為76.1%。

圖3 實驗裝置圖Fig.3 Schematic of experimental setup

試驗中選用Ⅱ類臨界相位匹配KTP晶體進行倍頻，KTP晶體兩面鍍1064 nm和532 nm雙增透膜，尺寸為2 mm×2 mm×9 mm，切割角θ＝90.0°，φ＝25.2°，此時有效非線性系數為3.58 pm／V，為了實現Ⅱ類臨界相位匹配，KTP晶體光軸與水平成45°放置。采用BBO晶體作為四倍頻晶體。BBO晶體雙面鍍1064 nm、532 nm和266 nm增透膜，其切割角θ＝44.7°。

實驗中采用分光光柵M3進行分光，反射鏡M4鍍有266 nm高反射膜，及532 nm增透膜。由于系統(tǒng)經過調Q后可以達到較高的峰值功率，因此未采用額外的聚焦系統(tǒng)，這樣使整個系統(tǒng)非常緊湊。裝置中采用的晶體用銦箔包裹，放入銅槽并用TEC溫控。

4 實驗結果

在實驗中，首先不放入KTP晶體與BBO晶體，M1與M2構成1064 nm激光諧振腔，LD泵浦功率4.8 W時，獲得平均功率551 mW的1064 nm脈沖激光，此時重復頻率為11.39 kHz，單脈沖能量約為48.4μJ，與理論計算值接近。而脈沖寬度約為10ns，是因為實際實驗中工作物質中心的反轉粒子數密度與邊緣反轉粒子數密度有差別，使得實際輸出脈沖是由許多建立時間不同的脈沖疊加，所以造成與實際調Q脈沖建立時間有一定的差距，造成實際輸出被動調Q脈沖寬度變大。

然后將KTP晶體直接放在M1、M2腔外，盡量接近M2位置，此時構成腔外倍頻532 nm激光器的結構，獲得532 nm綠光輸出，LD抽運功率為4.8 W時，綠光平均功率為159.5 mW，脈沖寬度約為5 ns，單脈沖能量為14μJ。圖4為532 nm激光平均功率隨LD抽運功率變化曲線。

圖4 532nm平均功率隨LD抽運功率的變化曲線Fig.4 Output power at532 nm vs.LD power

然后將BBO晶體置于KTP晶體之后，盡量接近KTP晶體位置，得到266 nm紫外激光輸出。當LD抽運功率為4.8 W，532 nm綠光平均功率159.5 mW時，輸出的266 nm紫外激光平均功率為5.63 mW，單脈沖能量約為0.5μJ。圖5為266 nm紫外激光平均功率隨LD抽運功率變化曲線。

圖5 266 nm激光平均功率隨LD抽運功率的變化曲線Fig.5 Output power at266 nm vs.LD power

圖6為266nm激光光斑，如圖所示，266nm激光光斑成橢圓形，這是由BBO晶體走離效應所致。

圖6 266 nm激光光斑圖Fig.6 Spot shape of the 266 nm laser

5 結 論

通過分析被動調Q基本原理，計算并模擬了LD泵浦Nd∶YAG激光器在理想狀態(tài)下脈沖1064 nm基頻光在Cr4＋∶YAG不同初始透過率時的單脈沖能量，并與實驗過程中得到的數據進行了對比，得到了相近的結果。

采用LD端面抽運Nd∶YAG晶體，利用Cr4＋∶YAG的可飽和吸收被動調Q，KTP晶體倍頻，獲得532 nm脈沖輸出，再經BBO晶體四倍頻，實現266 nm連續(xù)脈沖輸出。在LD注入功率為4.8 W時得到266 nm紫外光的平均輸出功率為5.63 mW，單脈沖能量為0.5μJ。實現了小功率全固態(tài)266 nm紫外激光器。

實驗過本實驗中不足之處在于由于實驗條件限制，未采用初始透過率不同的被動調Q晶體進行對比實驗，以繼續(xù)提高激光單脈沖能量及峰值功率。

此激光器采用直型諧振腔設計，結構簡單緊湊，調節(jié)容易，成本較低，在小功率266 nm紫外激光器實用化方面取得了一定的進展。

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Com pact all-solid-state 266 nm pulse laser

ZHANG Chen，GAO Lan-lan，SHAO Zhi-qiang
（College of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China）

266 nm ultraviolet pulse laser is achieved by KTP crystal extra-cavity frequency doubling and BBO crystal extra-cavity frequency quadrupling of a laser in Nd∶YAG end-pumped by LD and passively Q-switched by Cr4＋∶YAG.The basic principle of passively Q-switched is analyzed，and the influence of the initial transmission of the Cr4＋∶YAG on single pulse energy of the 1064nm laser under the ideal condition is calculated and simulated.When the pump power is 4.8W，the output power of 5.63mW and single pulse energy of 0.5μJ at 266 nm laser is obtained.Certain progress of practicability of compactmilliwatt levels 266nm laser has been made.

all-solid-state；266 nm；passively Q-switched；pulse； frequency doubling

TN248.1

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.05.004

1001-5078（2014）05-0491-05

長春市科技局項目（No.2011101）；汽車仿真與控制國家重點實驗室開放基金（No.20111108）資助。

張 辰（1988－），男，碩士研究生，主要從事全固態(tài)激光技術及非線性頻率變換技術等方面的研究。E-mail：zc_ark＠163.com

2013-09-24