高能量高轉(zhuǎn)換效率355 nm紫外激光器

崔建豐， 李福玖， 鄔小嬌， 岱 欽， 李業(yè)秋， 張 鵬， 張善春

(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燈泵實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 鞍山 114044)

1 引 言

紫外波段激光相較于紅外波段激光，有著波長(zhǎng)短、分辨率高、單光子能量大等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、軍事、科研等領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。相較于早期利用繁雜笨重的準(zhǔn)分子激光器或氮?dú)饧す馄鞯玫阶贤獠ǘ渭す舛?，通過固體激光器和頻得到的355 nm紫外光具有更高的穩(wěn)定性、可靠性及便捷性，但目前通過1 064 nm和頻得到355 nm激光的和頻效率不及50%[1]。2011年，Huang等將TEM50和TEM00模的355 nm紫外光的轉(zhuǎn)換效率分別做到了35.6%和28.1%[2]。2013年，Zhu等將1 064 nm到355 nm的轉(zhuǎn)換效率做到了46%[3]。在氙燈泵浦Nd∶YAG激光器領(lǐng)域，其轉(zhuǎn)換效率也不高[4]。轉(zhuǎn)換效率大小在一定程度上限制了其實(shí)用價(jià)值，所以，得到更高倍頻效率的355 nm激光器具有重要的意義。

本文研究了燈泵電光調(diào)Q脈沖激光器的三倍頻效率，工作物質(zhì)為Nd∶YAG晶體，諧振腔輸出鏡選用高斯鏡來獲得較高的基頻光束質(zhì)量，利用LBO晶體進(jìn)行腔外二倍頻與三倍頻。從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面分析了二倍頻輸出特性等對(duì)三倍頻效率的影響，最終獲得重復(fù)頻率10 Hz、單脈沖能量608 mJ的355 nm紫外光，倍頻轉(zhuǎn)換效率達(dá)60%。

2 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

2.1 三倍頻原理及其效率

關(guān)于355 nm激光的轉(zhuǎn)換效率最高時(shí)532 nm的最佳轉(zhuǎn)換效率應(yīng)為多少的問題，不同的文獻(xiàn)[5-6]得出的結(jié)論也不盡相同。用1 064 nm的基頻光進(jìn)行三倍頻得到355 nm的過程中，一個(gè)355 nm的光子需要一個(gè)1064 nm的光子和一個(gè)532 nm的光子合成，而一個(gè)532 nm的光子需要2個(gè)1 064 nm的光子得到，所以要得到一個(gè)355 nm的光子，需要3個(gè)1 064 nm的光子，其中有2個(gè)光子變成一個(gè)532 nm的光子，簡(jiǎn)單地看，三倍頻效率最佳時(shí)的二倍頻效率應(yīng)為66.7%，但是，轉(zhuǎn)換效率的高低并不是只看光子數(shù)的配比，還由其他因素決定。

光在介質(zhì)中的傳播過程就是光與物質(zhì)相互作用的過程，分為介質(zhì)對(duì)光的響應(yīng)過程和介質(zhì)的輻射過程[7-8]、非線性光學(xué)現(xiàn)象是高階極化的現(xiàn)象[9]，把非線性光學(xué)效應(yīng)看作介電材料內(nèi)部電荷受電場(chǎng)感應(yīng)重新分布而產(chǎn)生電極化來研究，得到其耦合波方程：

(1)

式中，A1、A2、A3分別為3種光波的振幅，ω為各光波的頻率，deff為有效非線性系數(shù)，Δk為相位匹配系數(shù)，n為各光波的折射率，c為光速。小信號(hào)的情況下，可以假設(shè)基波是一個(gè)常數(shù)，那么可以忽略前兩個(gè)方程，對(duì)第三個(gè)方程進(jìn)行積分，可得三倍頻光的振幅為：

(2)

式中，L為晶體長(zhǎng)度，根據(jù)功率密度I與振幅之間的關(guān)系：

(3)

式中，ε0為真空中的介電常數(shù)，可將得到的三倍頻光量用功率密度表示為：

(4)

式中，λ為各光波的波長(zhǎng)。這里我們要討論的是二倍頻的效率對(duì)三倍頻效率的影響，所以我們只討論I1、I2對(duì)功率密度I3的影響，把其他的變量當(dāng)成一個(gè)常量a，于是設(shè)：

(5)

所以，(4)式可簡(jiǎn)化為：

I3=aI1I2，

(6)

由于二倍頻光是由基頻光倍頻而來，所以剩余的基頻光功率密度I1與由基頻光二倍頻得到的二倍頻光功率密度I2之和為基頻光倍頻前的功率密度且為定值I，即I=I1+I2，所以和頻效率η表示為：

(7)

通過計(jì)算，當(dāng)I2=I/2時(shí)，其三倍頻轉(zhuǎn)換效率取得最大值，即當(dāng)二倍頻的轉(zhuǎn)換效率為50%時(shí)，其三倍頻的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最高。

2.2 倍頻晶體的選擇及匹配方式設(shè)計(jì)

相較于其他倍頻晶體，LBO晶體具有很高的損傷閾值，其損傷閾值的能量密度為24.6 J/cm2，功率密度為18.9 GW/cm2，要比KTP、BBO和KD*P等晶體的損傷閾值強(qiáng)很多。本研究的激光為高能量、高峰值功率的355 nm強(qiáng)脈沖紫外光，由于紫外光的單光子能量較大，破壞力較強(qiáng)，這對(duì)于晶體損傷閾值的要求較為苛刻。所以本研究的倍頻晶體采用LBO晶體。

圖1是實(shí)驗(yàn)光束匹配方案示意圖。由于本研究用到的1 064 nm基頻光為線偏振光，所以采用的是Ⅰ類相位匹配LBO晶體作為二倍頻，垂直偏振的基頻光倍頻后會(huì)得到水平偏振的532 nm的激光，所以采用Ⅱ類相位匹配LBO晶體作為三倍頻。二倍頻LBO晶體的匹配方式采用臨界相位匹配，基頻光偏振方向?yàn)榇怪逼?。?jīng)過Ⅰ類的LBO倍頻后，得到水平偏振的532 nm的激光。三倍頻LBO晶體的匹配方式也為臨界相位匹配，水平偏振的532 nm的激光和垂直偏振的基頻光經(jīng)過Ⅱ類的LBO晶體三倍頻后，最終得到垂直偏振的355 nm的激光。

圖1 光束匹配方案示意圖

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用的電源為1 000 W、10 Hz的燈泵電源，單脈沖最大能量100 J，最高電壓1 200 V，采用的冷卻方式為水冷卻。

實(shí)驗(yàn)光路如圖2所示，工作物質(zhì)為Nd∶YAG晶體棒，本振和放大極的晶體棒的尺寸分別為φ8×125 mm和φ10×125 mm，摻雜濃度為1%，晶體棒兩端面的斜切角為0.5°以防止自激振蕩，泵浦方式為氙燈泵浦以得到更高的單脈沖能量。M1為平凹反射鏡，曲率半徑r=9 m，曲面鍍1 064 nm高反膜，反射率R>99.6%。M2為輸出鏡，選用凹凸r=2 m的高斯鏡，端面傾斜角為2°，凸面朝向腔內(nèi)，鍍1 064 nm部分透射膜，透過率T=85%；凹面鍍1 064 nm增透膜，T>99%。諧振腔腔長(zhǎng)為410 mm。調(diào)Q方式為電光加壓調(diào)Q。P1、P2、P3為偏振片，水平放置，布儒斯特角為56°。由于得到的本振光發(fā)散角略大，在輸出鏡后放置r=1.5 m的平凸透鏡f進(jìn)行準(zhǔn)直。M3、M4、M5、M6為45°反射鏡，鍍45° 1 064 nm高反膜，反射率R>99.5%。利用φ10×125 mm的Nd∶YAG晶體棒對(duì)本振光進(jìn)行行波放大，得到1.01 J的1 064 nm基頻光。利用LBO晶體對(duì)基頻光進(jìn)行二倍頻，晶體尺寸為12 mm×12 mm×12 mm，雙面鍍1 064 nm與532 nm增透膜，T>98%，角度為θ=90°，Φ=10.8°。溫度控制方式為電溫控，溫度控制在(30±0.1) ℃。將二倍頻得到的532 nm光再與倍頻后剩余的1 064 nm基頻光進(jìn)行三倍頻，三倍頻晶體為L(zhǎng)BO晶體，尺寸為12 mm×12 mm×15 mm，雙面鍍1 064，532，355 nm增透膜，T>96%，角度為θ=43.4°，Φ=90°，其溫度控制在(30±0.1) ℃。最后對(duì)其進(jìn)行分束，M7、M8為45°分光鏡，鍍45° 355 nm高反、1 064 nm和532 nm高透膜，355 nm反射率R>99%，1 064 nm和532 nm透過率T>95%。最終得到355 nm的激光輸出。

圖2 光路示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)電壓為1 150 V、氙燈單脈沖能量注入約為90 J、重復(fù)頻率為10 Hz時(shí)，得到1.01 J的基頻光。垂直偏振的基頻光經(jīng)過LBO晶體二倍頻后，得到偏振方向?yàn)樗狡竦?32 nm激光，調(diào)節(jié)二倍頻晶體的角度使其轉(zhuǎn)換效率最高。將其與剩余的1 064 nm基頻光進(jìn)行三倍頻，調(diào)節(jié)三倍頻晶體角度，使其三倍頻效率最高。最終得到608 mJ垂直偏振的355 nm激光輸出，光譜圖如圖3所示。

1 064 nm基頻光脈寬如圖4所示，脈沖寬度為7.3 ns。355 nm紫外激光脈寬如圖5所示，脈沖寬度為5.7 ns。得到的355 nm紫外光及1 064 nm基頻光光斑形狀如圖6所示，當(dāng)?shù)玫?08 mJ的355 nm紫外激光輸出時(shí)，1 064 nm激光發(fā)散角為1.03 mrad。其能量輸出特性曲線如圖7所示，基頻到三倍頻的轉(zhuǎn)換效率為60%。

經(jīng)過理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)?shù)玫降?55 nm的激光能量最高時(shí)，532 nm激光的轉(zhuǎn)換效率并不是66.7%，而是約為50%。當(dāng)?shù)玫?08 mJ的355 nm激光時(shí)，如果將二倍頻效率調(diào)到更接近66.7%，355 nm的能量也會(huì)下降。

如圖7所示，當(dāng)電源電壓較小時(shí)，532 nm的輸出能量較低，二倍頻效率相對(duì)較差，三倍頻的效率主要受532 nm激光的限制。當(dāng)加大電壓時(shí)，二倍頻的效率隨著電壓的增大而增加，三倍頻的效率也隨著532 nm激光增加而增加，主要的原因是：由于電源注入能量的增加，晶體棒會(huì)變熱，由于熱透鏡效應(yīng)，基頻光就會(huì)會(huì)聚，發(fā)散角變小，如圖6(d)所示光斑，當(dāng)單脈沖能量注入約為80 J時(shí)，光束的發(fā)散角為2.4 mrad；當(dāng)將單脈沖能量注入增加到約90 J時(shí)，光束發(fā)散角減小到了1.03 mrad，從而使二倍頻效率增加，三倍頻效率也隨之增加。當(dāng)電壓為1 150 V、能量注入約為90 J時(shí)，為了得到更為匹配的發(fā)散角，從而使其三倍頻效率達(dá)到最佳，我們選擇了r=1.5 m的平凸透鏡作為準(zhǔn)直鏡，以使得532 nm的轉(zhuǎn)換效率在50%左右。最終得到了608 mJ的355 nm激光。

圖3 光譜圖

圖4 1 064 nm激光脈寬圖

圖5 355 nm激光脈寬圖

圖6 355 nm及1 064 nm激光光束模式圖。(a)波長(zhǎng)355 nm，L=0 m處，電源電壓1 070 V，光斑直徑9.18 mm；(b)波長(zhǎng)355 nm，L=1.8 m處，電源電壓1 070 V，光斑直徑13.5 mm；(c)波長(zhǎng)1 064 nm，L=0 m處，電源電壓1 150 V，光斑直徑9.00 mm；(d)波長(zhǎng)1 064 nm，L=1.8 m處，電源電壓1 150 V，光斑直徑10.85 mm。

圖7 激光能量輸出特性曲線

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)研究了以燈泵Nd∶YAG電光調(diào)Q脈沖激光器作為基頻光來對(duì)其進(jìn)行二倍頻和三倍頻以得到355 nm的紫外激光。倍頻方式為腔外倍頻，二倍頻和三倍頻晶體均采用LBO晶體。當(dāng)氙燈的能量注入約為90 J、重復(fù)頻率為10 Hz時(shí)，得到單脈沖能量為1.01 J的1 064 nm的基頻光，用 Ⅰ 類的LBO晶體倍頻，將其二倍頻效率調(diào)到最高。加上三倍頻晶體，優(yōu)化其入射角度，使其三倍頻效率達(dá)到最大。然后監(jiān)測(cè)355 nm激光的能量，并優(yōu)化二倍頻晶體的角度，使355 nm激光的能量達(dá)到最高。當(dāng)三倍頻效率最高時(shí)，從1 064 nm到532 nm的轉(zhuǎn)換效率約為50%，最終獲得了608 mJ的355 nm的紫外光輸出，脈寬為5.733 ns，使1 064 nm基頻光到355 nm三倍頻紫外光的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了60%。