脈沖LD泵浦電光調(diào)Q深紫外激光器

岱　欽，史瑞新，崔建豐，李　漫，李業(yè)秋，烏日娜，姚　俊

(1.沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽　110159；2.吉林大學(xué) 口腔醫(yī)學(xué)院，吉林 長春　130021；3.鞍山紫玉激光科技有限公司，遼寧 鞍山　114000)

?

脈沖LD泵浦電光調(diào)Q深紫外激光器

岱欽1*，史瑞新2，崔建豐3，李漫1，李業(yè)秋1，烏日娜1，姚俊1

(1.沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院，遼寧 沈陽110159；2.吉林大學(xué) 口腔醫(yī)學(xué)院，吉林 長春130021；3.鞍山紫玉激光科技有限公司，遼寧 鞍山114000)

研制了千赫茲213 nm深紫外全固態(tài)激光器。激光器采用脈沖LD側(cè)面泵浦方式和電光調(diào)Q技術(shù)，實現(xiàn)了10瓦級基頻光的穩(wěn)定輸出。利用多次倍頻技術(shù)，實現(xiàn)了穩(wěn)定的213 nm深紫外激光輸出。當(dāng)LD泵浦電流為80 A時，213 nm激光輸出的最大平均功率達(dá)到了151 mW，激光器重復(fù)頻率為1 kHz，激光脈沖寬度為10 ns，功率不穩(wěn)定度為3%。同時，對激光在非線性晶體中的偏振匹配和不同重復(fù)頻率條件下的激光器運(yùn)轉(zhuǎn)特性進(jìn)行了分析。

深紫外；LD脈沖泵浦；全固態(tài)激光器

*Corresponding Author,E-mail:daiqin2003@126.com

1　引　　言

深紫外激光以其波長短、光子能量高、可聚焦能力強(qiáng)等優(yōu)點，在精密加工和光刻、高密度數(shù)據(jù)存儲、激光醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、高端LIBS測量等領(lǐng)域都有重要的難以替代的應(yīng)用[1-9]。通常的深紫外獲得方法有兩種：一是采用準(zhǔn)分子激光器直接激發(fā)，二是通過多次倍頻。前者通常使用類似KrF之類的有毒氣體，有一定的潛在危險性，同時光束質(zhì)量一般比較差，而且造價昂貴；后者多為低重復(fù)頻率如10 Hz的大能量脈沖激光器變頻，雖然效率和出光能量尚可，但由于頻率太低，很多應(yīng)用無法滿足。深紫外全固態(tài)激光器與其他激光器相比具有諸多優(yōu)點，利用深紫外非線性光學(xué)頻率變換獲得深紫外尤其是千赫茲量級重復(fù)頻率的深紫外相干光源已成為當(dāng)前一個研究熱點[10]。蘇艷麗等[11]采用聲光調(diào)Q激光二極管抽運(yùn)Nd∶YVO4晶體腔外五倍頻213 nm全固態(tài)激光器，在10.3 W抽運(yùn)功率下，獲得了平均輸出功率為3.1 mW的深紫外激光輸出。Gagn等[12]報道了脈沖能量為10 J、脈沖寬度為7 ns、重復(fù)頻率在0.1～30 kHz可調(diào)的五倍頻213 nm激光器，最大輸出平均功率為130 mW，用于制作光纖布拉格光柵。Wang等[13]利用Ⅰ類相位匹配CLBO晶體對10 kHz的120 W綠光激光倍頻，獲得了28.4 W的266 nm激光激光輸出。Liu等[14]利用Ⅰ類相位匹配的BBO晶體，在重復(fù)頻率為100 kHz時得到了14.8 W的266 nm激光輸出，從綠光到UV轉(zhuǎn)換效率為18.3%，在重復(fù)頻率150 kHz時得到了11.5 W紫外激光輸出。Zhu等[15]通過LD側(cè)面泵浦Nd∶YAG/Cr4+∶YAG/YAG復(fù)合晶體，在泵浦功率為115.1 W時，獲得了重復(fù)頻率為12.5 kHz、脈沖寬度為60 ns、平均功率為1.27 W的266 nm激光輸出。

本文采用脈沖LD側(cè)面泵浦方式、電光調(diào)Q技術(shù)實現(xiàn)了高光束質(zhì)量的基頻光輸出。利用腔外BBO五倍頻技術(shù)，當(dāng)LD泵浦電流80 A時，213 nm激光輸出最大平均功率達(dá)到了151 mW，激光重復(fù)頻率為1 kHz，脈沖寬度為10 ns，功率不穩(wěn)定度為3%。

2　實驗裝置

所研制的激光器結(jié)構(gòu)如圖1所示。激光器采用脈沖LD側(cè)面泵浦方式，采用15個BAR(美國CEO公司提供)均勻三角側(cè)面泵浦，單個BAR功率為80 W，滿負(fù)荷電流為100 A。LD泵浦通過調(diào)制脈沖電源來驅(qū)動，脈沖寬度為100 μs，重復(fù)頻率為10～1 000 Hz可調(diào)。Nd∶YAG尺寸為φ2 mm×80 mm，增益介質(zhì)的摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為0.9%。激光模塊采用循環(huán)水冷卻方式，設(shè)置溫度為26 ℃。激光器采用電光Q開關(guān)(由Crystech公司提供)，驅(qū)動通過同步機(jī)與脈沖LD電源相連接，Q延時設(shè)置為110 μs。KTP晶體采用Ⅱ類相位匹配，兩面鍍1 064 nm和532 nm增透膜。四倍頻BBO晶體采用Ⅰ類相位匹配，晶體輸入面鍍1 064 nm和532 nm增透膜，輸出面鍍266 nm增透膜。五倍頻BBO晶體采用Ⅰ類相位匹配，晶體輸入面鍍1 064 nm和266 nm增透膜，輸出面鍍213 nm增透膜。KTP和2個BBO的尺寸均為5 mm×5 mm×7 mm，采用TEC冷卻方式。為了減小走離角對激光輸出的影響,3個非線性晶體盡量靠近放置。圖2為213 nm深紫外激光各諧波偏振匹配關(guān)系。

圖1213 nm深紫外全固態(tài)激光器結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1Schematic diagram of 213 nm solid-state lasers

圖2213 nm深紫外激光各諧波偏振匹配圖

Fig.2Polarization of each harmonic in fifth harmonic generation

為得到較好的光束質(zhì)量，諧振腔采用平行平面腔結(jié)構(gòu)，輸出鏡透過率為70%，腔長約為350 mm。激光器光路中插入λ/2波片，調(diào)整激光束在非線性晶體中的偏振匹配。實驗中，盡量壓縮光束發(fā)散角，以獲得213 nm激光較高的能量輸出。

3　結(jié)果與討論

實驗中適當(dāng)調(diào)節(jié)激光光路和系統(tǒng)的偏振狀態(tài)，使整個系統(tǒng)處于最佳匹配。實驗測量了激光器在500 Hz和1 kHz重復(fù)頻率下的輸出參量。在實驗裝置中，脈沖LD泵浦電流調(diào)至80 A。當(dāng)泵浦脈沖頻率為500 Hz時，1 064 nm激光輸出平均功率為6.8 W，532 nm激光輸出平均功率為4.7 W；當(dāng)泵浦脈沖頻率為1 kHz時，1 064 nm激光輸出平均功率為13.1 W，532 nm激光輸出平均功率為8.3 W。

四倍頻266 nm激光平均功率隨泵浦電流的變化曲線如圖3所示，實驗測量激光功率計為PM150-50 型激光功率計(Coherent公司)。從圖中可以看出，當(dāng)激光器重復(fù)頻率為500 Hz時，266 nm激光輸出最大平均功率為1.13 W；當(dāng)激光器重復(fù)頻率為1 kHz時，266 nm激光輸出最大平均功率達(dá)到了1.6 W。

圖3　266 nm激光平均功率隨泵浦電流的變化曲線

Fig.3266 nm laser output power varies with pump current

五倍頻213 nm激光平均功率隨泵浦電流的變化曲線如圖4所示?？梢钥闯?，當(dāng)激光器重復(fù)頻率為500 Hz、泵浦電流為80 A時，213 nm激光輸出最大平均功率為119 mW；當(dāng)重復(fù)頻率為1 kHz、泵浦電流為80 A時，213 nm激光輸出最大平均功率達(dá)到了151 mW，激光閾值在41 A左右。

當(dāng)泵浦功率繼續(xù)增加時，基頻光和二倍頻光功率也隨之增大。但是由于基頻光光束質(zhì)量的惡化以及非線性轉(zhuǎn)換過程中的走離效應(yīng)，激光器將產(chǎn)生退偏效應(yīng)，激光光束質(zhì)量變差，影響了213 nm激光的輸出效率，這種情況在1 kHz頻率下尤為明顯。

圖4　213 nm激光平均功率隨泵浦電流的變化曲線

我們采用DET10A型探測器(THORLABS公司)和TDS3032存儲示波器(TeKtronix公司)測量213 nm激光脈沖脈寬，測量得到的激光脈沖波形如圖5所示。在1 kHz重復(fù)頻率、最大輸出功率為151 mW時，213 nm激光的脈沖寬度約為10 ns，對應(yīng)的激光單脈沖能量為151 μJ，峰值功率為15 kW。

圖5激光器輸出脈沖寬度波形

Fig.5Profile of laser pulse

在1 kHz重復(fù)頻率下，213 nm激光的光斑照片如圖6所示，輸出鏡附近的激光光斑尺寸為3 mm。BBO晶體的走離效應(yīng)對遠(yuǎn)場光斑有一定的影響。我們測試了激光器在70 mW左右連續(xù)4 h輸出的穩(wěn)定性，功率不穩(wěn)定度為3%。

圖6　213 nm激光遠(yuǎn)場光斑

4　結(jié)　　論

采用脈沖LD側(cè)面泵浦方式、電光調(diào)Q技術(shù)實現(xiàn)了高光束質(zhì)量的基頻光輸出。利用腔外BBO五倍頻技術(shù)，實現(xiàn)了千赫茲重復(fù)頻率的213 nm深紫外全固態(tài)激光器。實驗測量并分析了不同重復(fù)頻率下的紫外激光運(yùn)轉(zhuǎn)特性。當(dāng)激光器重復(fù)頻率為1 kHz、泵浦電流為80 A時，213 nm激光輸出最大平均功率達(dá)到了151 mW，激光閾值約為41 A，激光脈沖寬度為10 ns，功率不穩(wěn)定度為3%。

[1]陳國夫,王賢華,杜戈果.全固態(tài)紫外激光器研究 [J].光子學(xué)報，1999,28(9):785-788.

CHEN G F,WANG X H,DU G G.All-solid-state ultraviolet laser [J].Acta Photon.Sinica,1999,28(9):785-788.(in Chinese)

[2]KOHGE Y,HANADA T,SUMIDA M,et al..Photodissociation dynamics of nitromethane at 213 nm studied by ion-imaging [J].Chem.Phys.Lett.,2013,556:49-54.

[3]王大輝,錢航,趙學(xué)慶，等.基于熒光成像的準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)多路光束自動準(zhǔn)直 [J].光學(xué) 精密工程,2015,23(4):949-955.

WANG D H,QIAN H,ZHAO X Q,et al..Automatic alignment of multiplexed beams of excimer laser system based on fluorescence imaging [J].Opt.Precision Eng.,2015,23(4):949-955.(in Chinese)

[4]史瑞新,周延民,胡敏，等.低能量激光照射對受張力的成骨細(xì)胞周期和胞內(nèi)Ca2+濃度的影響 [J].光學(xué) 精密工程,2015,23(7):1984-1989.

SHI R X,ZHOU Y M,HU M,et al..Effects of low level laser irradiation on cell cycle and intracellular calcium concentration of osteoblastic cells under mechanical strain [J].Opt.Precision Eng.,2015,23(7):1984-1989.(in Chinese)

[5]姚志軍,韓秋蕾.激光制導(dǎo)動靶照射精度測量系統(tǒng) [J].液晶與顯示,2014,29(6):1124-1130.

YAO Z J,HAN Q L.Laser radiation accurancy measurement system of moving target in laser guidance [J].Chin.J.Liq.Cryst.Disp.,2014,29(6):1124-1130.(in Chinese)

[6]毛小潔.高功率皮秒紫外激光器新進(jìn)展 [J].中國光學(xué),2015,8(2):182-190.MAO X J.New progress in high-power picosecond ultraviolet laser [J].Chin.Opt.,2015,8(2):182-190.(in Chinese)

[7]錢方,孫濤,郭勁，等.采用圖像特征的激光干擾跟蹤效果評估 [J].液晶與顯示,2014,29(5):805-811.

QIAN F,SUN T,GUO J,et al..Assessment of laser dazzling effects on tracking through image feature measurements [J].Chin.J.Liq.Cryst.Disp.,2014,29(5):805-811.(in Chinese)

[8]柳強(qiáng),閆興鵬,陳海龍,等.高功率全固態(tài)紫外激光器研究新進(jìn)展 [J].中國激光,2010,37(9):2289-2298.

LIU Q,YAN X P,CHEN H L,et al..New progress in high-power all-solid-state ultraviolet Laser [J].Chin.J.Lasers,2010,37(9):2289-2298.(in Chinese)

[9]于淼,金光勇,王超.高峰值功率KDP晶體四倍頻266 nm紫外激光器 [J].強(qiáng)激光與粒子束,2015,27(4):27041003.

YU M,JIN G Y,WANG C.High peak power fourth harmonic 266 nm UV laser using a KDP crystal [J].High Power Laser Part.Beams,2015,27(4):27041003.(in Chinese)

[10]林彥,霍玉晶,何淑芳.深紫外固體激光系統(tǒng) [J].中國激光,2009,36(7):1826-1830.

LIN Y,HUO Y J,HE S F.Deep ultraviolet solid-state laser system [J].Chin.J.Lasers,2009,36(7):1826-1830.(in Chinese)

[11]蘇艷麗,何京良,姜其,等.激光二極管抽運(yùn)Nd∶YVO4晶體五倍頻213 nm深紫外激光器 [J].中國激光,2006,33(12):1590-1592.

SU Y L,HE J L,JIANG Q,et al..Efficient 213 nm radiation fifth harmonic generation of a laser diode-pumped Nd∶YVO4laser [J].Chin.J.Lasers,2006,33(12):1590-1592.(in Chinese)

[12]GAGN M,KASHYAP R.New nanosecond Q-switched Nd∶VO4laser fifth harmonic for fast hydrogen-free fiber Bragg gratings fabrication [J].Opt.Commun.,2010,283(24):5028-5032.

[13]WANG G L,GENG A C,BO Y ,et al..28.4 W 266 nm ultraviolet beam generation by fourth-harmonic generation of an all-solid-state laser [J].Opt.Commun.,2006,259(2):820-822.

[14]LIU Q,YAN X P,FU X,et al..High power all-solid-state fourth harmonic generation of 266 nm at the pulse repetition rate of 100 kHz [J].Laser Phys.Lett.,2009,6(3):203-206.

[15]ZHU S Q,CHEN Z J,CHEN Z Q,et al..A LD side-pumped deep ultraviolet laser at 266 nm by using a Nd∶YAG/Cr4+∶YAG/YAG composite crystal [J].Opt.Laser Technol.,2014,63:24-28.

岱欽(1977-)，男，內(nèi)蒙古通遼人，博士，教授，2007年于中科院長春光機(jī)所獲得博士學(xué)位，主要從事固體激光技術(shù)方面的研究。

E-mail:daiqin2003@126.com

Pulse LD Pumped EO-Q Switched DUV Laser

DAI Qin1*,SHI Rui-xin2,CUI Jian-feng3,LI Man1,LI Ye-qiu1,WU Ri-na1,YAO Jun1

(1.School of Science,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.School and Hospital of Stomatology,Jilin University,Changchun 130021,China;3.Anshan ZY Laser Technology Co.,Ltd.,Anshan 114000,China)

A kHz 213 nm DUV solid-state-laser was developed adopting LD side-pumping configuration and electro-optical Q-switched techniques.A fundamental frequency radiation with the output power of 10 W was presented.The laser system could operate stably at the wavelength of 213 nm using multiple frequency techniques.When the pumping current of LD is 80 A,the maximum average output power of 213 nm beam arrives at 151 mW with the repetition rate of 1 kHz,the pulse width of 10 ns,and the power instability of 3%.Then,the polarization matching of the laser beam in the nonlinear crystal was analyzed.Furthermore,the operation properties of the laser system were studied detailedly under different repetition rates.

deep ultraviolet laser; pulse LD pump; solid-state laser

1000-7032(2016)04-0463-04

2015-12-04；

2016-01-11

國家自然科學(xué)基金(61378042)；遼寧省高校杰出青年學(xué)者成長計劃(LJQ2015093)；遼寧省科技計劃(2014220040)；沈陽市科技計劃(F16-210-6-00)；沈陽理工大學(xué)激光與光信息遼寧省重點實驗室開放基金資助項目

TN248.1

A

10.3788/fgxb20163704.0463