瓦級(jí)激光二極管端面抽運(yùn)351 nm紫外激光器

崔建豐， 高 濤， 張亞男， 王 迪， 岱 欽， 姚 俊

(1. 沈陽(yáng)理工大學(xué) 理學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110159； 2. 鞍山紫玉激光科技有限公司， 遼寧 鞍山 114000)

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瓦級(jí)激光二極管端面抽運(yùn)351 nm紫外激光器

崔建豐1，2*， 高 濤2， 張亞男2， 王 迪2， 岱 欽1， 姚 俊1

(1. 沈陽(yáng)理工大學(xué) 理學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110159； 2. 鞍山紫玉激光科技有限公司， 遼寧 鞍山 114000)

研制了輸出功率達(dá)瓦級(jí)的351 nm準(zhǔn)連續(xù)紫外激光器。激光器采用激光二極管(LD)端面抽運(yùn)Nd∶YLF晶體和聲光調(diào)Q技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了1 053 nm準(zhǔn)連續(xù)基波振蕩。在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的V型腔中，兩塊LiB3O5(LBO)晶體對(duì)基頻光進(jìn)行二倍頻和三倍頻，獲得了高功率351 nm準(zhǔn)連續(xù)紫外激光輸出。在LD抽運(yùn)功率為14 W、聲光調(diào)Q激光器的調(diào)制頻率為 1 kHz 的工作條件下，得到351 nm紫外激光平均輸出功率為1.12 W、脈沖寬度為34 ns、單脈沖能量為1.12 mJ、峰值功率達(dá)32.94 kW。 LD抽運(yùn)光到351 nm紫外激光的光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到8%，電光效率為3.4%，光束質(zhì)量良好。

激光器； 351nm紫外激光器； 聲光調(diào)Q； Nd∶YLF晶體

1 引 言

紫外激光器具有波長(zhǎng)短、可聚焦能力強(qiáng)、聚焦焦深長(zhǎng)以及光子能量大等優(yōu)點(diǎn)，在激光精密加工、激光醫(yī)療、光譜分析等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-7]。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)355 nm紫外波段的研究報(bào)道較多，通過(guò)腔內(nèi)或腔外三倍頻Nd∶YAG、Nd∶YVO4等晶體的1.06 μm譜線，結(jié)合調(diào)Q技術(shù)，獲得不同重復(fù)頻率355 nm紫外光輸出，成果顯著[8-19]。而Nd∶YLF晶體的1 053 nm譜線三倍頻獲得351 nm紫外波段的研究報(bào)道卻很少，人們只是針對(duì)Nd∶YLF的1 053 nm基波譜線和倍頻獲得的527 nm綠光譜線進(jìn)行了一些研究。 Deana等[20]采用LD側(cè)面泵浦Nd∶YLF晶體和被動(dòng)調(diào)Q方式，實(shí)現(xiàn)了單脈沖能量1 mJ、重復(fù)頻率1 kHz、脈寬10 ns的TEM00模1 053 nm激光輸出。 Huang等[21]采用LD端面抽運(yùn)Nd∶YLF晶體并在腔內(nèi)插入Cr4+∶YAG被動(dòng)調(diào)Q晶體，當(dāng)LD抽運(yùn)功率為12 W時(shí)，獲得了平均功率2.3 W、重復(fù)頻率8 kHz的1 053 nm激光，脈寬為9 ns，峰值功率達(dá)到32 kW。陸婷婷等[22]通過(guò)LD雙端抽運(yùn)兩塊Nd∶YLF晶體和電光調(diào)Q方式，當(dāng)重復(fù)頻率為500 Hz時(shí)，在U型腔中利用LBO晶體倍頻獲得了單脈沖能量11 mJ、平均功率5.5 W的527 nm綠光，光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到22%。

351 nm紫外激光的波長(zhǎng)與神光裝置三倍頻光波長(zhǎng)相同，可以作為神光裝置的靶瞄準(zhǔn)模擬光源[23]。Nd∶YLF晶體具有較長(zhǎng)的上能級(jí)壽命，在調(diào)Q脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)中更容易獲得高單脈沖能量的基頻光，進(jìn)而經(jīng)三倍頻后獲得高單脈沖能量的351 nm紫外光，在激光標(biāo)刻、打孔等工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。雖然Huang等[24]利用半球腔被動(dòng)調(diào)Q腔外三倍頻方式獲得了360 μJ、脈寬5 ns的351 nm紫外激光，但其頻率僅為100 Hz，無(wú)法滿足人們對(duì)高重頻351 nm紫外激光的要求，且被動(dòng)調(diào)Q方式不能對(duì)激光脈沖進(jìn)行主動(dòng)控制，限制了其應(yīng)用范圍。本文采用LD端面抽運(yùn)Nd∶YLF晶體聲光調(diào)Q方式，獲得了高功率、高單脈沖能量、準(zhǔn)連續(xù)的1 053 nm基頻光，通過(guò)腔內(nèi)倍頻和三倍頻，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)頻率1 kHz、功率1.12 W的351 nm紫外激光運(yùn)轉(zhuǎn)，單脈沖能量達(dá)到1.12 mJ，脈寬為34 ns。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

LD端面抽運(yùn)Nd∶YLF晶體腔內(nèi)三倍頻351 nm紫外激光器結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用國(guó)產(chǎn)808 nm光纖輸出半導(dǎo)體激光器做為抽運(yùn)源，最大輸出功率為40 W，光纖芯徑為400 μm，數(shù)值孔徑為0.22。通過(guò)調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)工作溫度，使其工作波長(zhǎng)在806 nm附近，與Nd∶YLF晶體吸收峰匹配。通過(guò)耦合透鏡將抽運(yùn)光整形為直徑700 μm左右的圓形光斑。Nd∶YLF晶體尺寸為3 mm×3 mm×12 mm，Nd3+離子摻雜摩爾分?jǐn)?shù)為1%，a軸切割，通光長(zhǎng)度為12 mm，兩個(gè)通光面分別鍍1 053 nm和806 nm增透膜。為提高晶體散熱效率，晶體采用銦焊的方式直接焊接到紫銅晶體熱沉上。晶體熱沉采用循環(huán)水冷卻，制冷溫度設(shè)定在19 ℃。為提高倍頻效率，諧振腔采用簡(jiǎn)單的V型腔結(jié)構(gòu)，將激光晶體和倍頻晶體分別置于諧振腔的兩臂內(nèi)，基頻光形式上兩次通過(guò)倍頻晶體，提高基頻光利用率，從而提高倍頻效率。諧振腔腔長(zhǎng)180 mm左右，由腔鏡M1、M2和M3組成。平凹鏡M1的曲率半徑R=-500 mm，平面鍍806 nm高透膜，凹面鍍806 nm高透膜和1 053 nm高反膜。平面鏡M2一面鍍1 053 nm全反膜和527 nm、351 nm高透膜，另一面鍍527 nm和351 nm高透膜，作為351nm紫外激光輸出鏡。平面鏡M3一面鍍1 053 nm、 527 nm和351 nm高反膜，另一面不鍍膜。LBO1為倍頻晶體，尺寸為3 mm×3 mm×15 mm，采用Ⅰ類(lèi)臨界相位匹配，切割角度θ=90°、Φ=12°。LBO2為三倍頻晶體，尺寸為3 mm×3 mm×20 mm，采用Ⅱ類(lèi)臨界相位匹配，切割角度θ=45.1°、Φ=90°，兩塊晶體通光面均鍍1 053 nm、527 nm和351 nm高透膜以降低腔內(nèi)損耗。兩塊晶體分別采用制冷系統(tǒng)控溫，控溫精度±0.1 ℃。腔內(nèi)插入布儒斯特片，抑制1 047 nm譜線振蕩。腔內(nèi)插入聲光Q開(kāi)關(guān)(QS041-10G-IN2，英國(guó)古奇公司)，重復(fù)頻率設(shè)置為1 kHz。平面鏡M4和M5為45°反射鏡，一面鍍45° 351 nm高反膜和1 053 nm、527 nm高透膜，另一面鍍1 053 nm和527 nm高透膜，用于濾除出射激光中少量的1 053 nm基頻光和剩余的527 nm倍頻光。

3 結(jié)果與討論

Nd∶YLF晶體上能級(jí)壽命為485 μs左右，使其更適合在重復(fù)頻率1～2 kHz左右工作。為了獲得高單脈沖能量的基頻光，提高二倍頻和三倍頻的轉(zhuǎn)換效率，我們?cè)O(shè)置脈沖重復(fù)頻率為1 kHz。351 nm紫外激光器的激光輸出功率隨抽運(yùn)光功率變化曲線如圖2所示。

紫外激光器的輸出功率與抽運(yùn)光功率接近線性變化。當(dāng)抽運(yùn)光功率為14 W時(shí)，獲得了平均功率為1.12 W的351 nm紫外激光輸出，此時(shí)紫外激光的脈沖寬度為34 ns，峰值功率高達(dá)32.94 kW。圖3所示為示波器采集的351 nm紫外激光的脈寬圖。

Fig.2 Output power of 351 nm ultraviolet laserversuspump power

采用相紙隨機(jī)記錄一組激光器出光口光斑，如圖4所示。光斑為圓形，能量分布均勻，光束質(zhì)量較好。通過(guò)在腔內(nèi)插入布儒斯特片抑制了Nd∶YLF晶體的1 047 nm強(qiáng)譜線振蕩，獲得了單一的351 nm紫外譜線，如圖5所示。

圖5 351 nm紫外激光光譜圖

Fig.5 Spectrum of 351 nm ultraviolet

4 結(jié) 論

本文采用LD端面抽運(yùn)Nd∶YLF晶體和聲光調(diào)Q腔內(nèi)二倍頻、三倍頻實(shí)現(xiàn)了高功率、高單脈沖能量的351 nm準(zhǔn)連續(xù)紫外激光輸出。當(dāng)LD注入功率為14 W、重復(fù)頻率為1 kHz時(shí)，獲得了平均功率1.12 W的351 nm紫外激光輸出，脈沖寬度為34 ns，峰值功率高達(dá)32.94 kW，光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到8%，光束質(zhì)量較好。所研制的351 nm紫外激光器采用的是簡(jiǎn)單的V型腔結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單緊湊，易于調(diào)節(jié)，實(shí)用性好，便于產(chǎn)品化生產(chǎn)。

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崔建豐(1977-)，男，吉林省吉林市人，博士，高級(jí)工程師，2007年于長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事半導(dǎo)體抽運(yùn)、燈抽運(yùn)高平均功率調(diào)Q激光器、大能量激光器及激光微加工系統(tǒng)的研究。

E-mail: cuijf@163.com

Watt-class Laser Diode End-pumped 351 nm Ultraviolet Laser

CUI Jian-feng1,2*, GAO Tao2, ZHANG Ya-nan2, WANG Di2, DAI Qin1, YAO Jun1

(1.SchoolofScience,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110159,China;2.AnshanZYLaserTechnologyCo.,Ltd.,Anshan114000,China)

A watt-class quasi-continuous 351 nm ultraviolet laser was fabricated by using frequency-doubled and frequency-tripled the radiation at 1 053 nm from laser diode (LD) end-pumped Nd∶YLF crystal under acoustic-opticalQ-switched in a simple V-shaped cavity with two LiB3O5(LBO) crystals. An average output power at 351 nm of 1.12 W is obtained at repetition rate of 1 kHz and pumped power of 14 W. The single pulse energy is 1.12 mJ with the pulse width of 34 ns at 351 nm, and the peak power is up to 32.94 kW. The optical-optical conversion efficiency is 8%, and the electro-optical conversion efficiency is 3.4%. The beam quality is satisfactory.

laser; 351 nm ultraviolet laser; acousto-opticalQ-switch; Nd∶YLF crystal

1000-7032(2016)11-1367-05

2016-05-30；

2016-07-16

科技部科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金(C262100678)； 遼寧省科技計(jì)劃(2014220040)； 沈陽(yáng)市科技計(jì)劃(F16-210-6-00)資助項(xiàng)目

TN248.1

A

10.3788/fgxb20163711.1367

*CorrespondingAuthor,E-mail:cuijf@163.com