高效率三倍頻產(chǎn)生355 nm皮秒激光的實(shí)驗(yàn)研究*

程夢堯 王兆華 何會(huì)軍 王羨之 朱江峰 魏志義 ?

1)(西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,西安 710071)

2)(中國科學(xué)院物理研究所,北京 100190)

1 引 言

高重頻皮秒激光放大器具有平均功率高、脈沖能量大、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),在光參量放大[1]、同步抽運(yùn)[2,3]、激光微加工[4,5]等科學(xué)研究與工業(yè)加工領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用.同時(shí),利用非線性晶體將近紅外激光轉(zhuǎn)換通過二倍頻(second harmonic generation,SHG)及三倍頻(third harmonic generation,THG)轉(zhuǎn)化為綠光或紫外光后,可使激光具有更高的光子能量與更小的聚焦面積,不但可以有效提高加工精度,也可對(duì)一些特殊表面進(jìn)行加工[6,7],或用于表面物理實(shí)驗(yàn)[8]等研究中.特別是在如藍(lán)寶石等透明硬質(zhì)材料的切割中,綠光或紫外皮秒激光器具有獨(dú)特的優(yōu)勢.

通常由激光振蕩器直接產(chǎn)生的超短脈沖激光的能量非常低,為了產(chǎn)生高平均功率、高能量的皮秒激光,需要對(duì)振蕩器輸出的種子激光進(jìn)行放大;這可以采用再生放大技術(shù)[9]或者主振蕩功率放大(master oscillator power amplifier,MOPA)技術(shù)[10].高重頻再生放大中,由于脈沖間隔小于增益介質(zhì)的上能級(jí)壽命,需要消除倍周期分叉效應(yīng)[11]以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的脈沖輸出;而采用MOPA結(jié)構(gòu)放大時(shí)不會(huì)產(chǎn)生此效應(yīng),但由于缺少對(duì)應(yīng)重復(fù)頻率的皮秒種子源[12],需要對(duì)種子源脈沖選單后再放大,這樣會(huì)降低放大效率.結(jié)合兩種技術(shù)的特點(diǎn),我們采用再生放大加兩級(jí)單通放大的方案來實(shí)現(xiàn)高功率皮秒激光放大.其對(duì)再生放大器輸出功率要求低,可以較為容易地消除倍周期分叉效應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高功率高能量基頻光輸出.

在高效率THG中,一般先使用非線性晶體對(duì)基頻光進(jìn)行倍頻,而后再將倍頻光和基頻光進(jìn)行和頻,產(chǎn)生紫外激光,常用的非線性晶體有LBO[13],BBO[14],KDP[14],BIBO[15],CLBO[16],CBO[17]等非線性晶體,這些晶體的物理性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)如表1[18-20]所列.

表1 非線性晶體參數(shù)Table 1.Parameters of nonlinear crystal.

從表1可以看出,相比于其他晶體,LBO晶體具有損傷閾值高、走離角度小等優(yōu)點(diǎn),并且LBO晶體具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)[21],因此選用LBO晶體開展倍頻與和頻實(shí)驗(yàn).

2013年,北京工業(yè)大學(xué)的Chen等[22]報(bào)道了利用LBO晶體和再生放大器實(shí)現(xiàn)的皮秒紫外激光,他們利用可以輸出6.6 mJ基頻光的Nd：YAG再生放大器實(shí)現(xiàn)了2 mJ的355 nm皮秒紫外激光輸出,激光的重復(fù)頻率為1 kHz,THG效率為33.3%.這種大能量的皮秒紫外激光在科學(xué)研究中有著較為廣泛的應(yīng)用,但是由于激光器的重復(fù)頻率較低,因此無法在工業(yè)加工中使用.同年,德國亞琛工業(yè)大學(xué)的Zhu等[13]也利用LBO晶體在1 MHz的重復(fù)頻率下實(shí)現(xiàn)了39.1 W的355 nm皮秒紫外激光輸出,THG效率為46%;該實(shí)驗(yàn)中基頻光來自于一套多級(jí)多通放大系統(tǒng),選單后種子光經(jīng)過多級(jí)多通放大后在1 MHz重復(fù)頻率下被放大到84 W;這套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較高的平均功率,但是存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn).本文利用一套自建的全固態(tài)皮秒激光放大器實(shí)現(xiàn)了高效率的SHG與THG.全固態(tài)皮秒激光放大器由種子源、再生放大器和兩級(jí)單通放大器組成,輸出23.2 W平均功率、13.4 ps脈沖寬度、500 kHz重復(fù)頻率的1064 nm基頻光,基頻光在x和y方向上的M2分別為1.330和1.235.隨后利用兩塊LBO晶體作為SHG和THG晶體,分別得到了中心波長位于532 nm處12.7 W的SHG激光和中心波長位于355 nm處9.25 W的THG激光,相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率分別為54.7%和39.8%.并對(duì)倍頻光進(jìn)行了24 h的穩(wěn)定性測試,其均方根誤差(root mean square,RMS)小于0.2%.這套激光器系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)換效率高、平均功率高、結(jié)構(gòu)簡單、低成本等優(yōu)點(diǎn),可用于光參量放大、激光加工、材料表面處理等科學(xué)研究或工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域.

2 全固態(tài)皮秒激光放大器

實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)研制的全固態(tài)皮秒激光放大器及SHG與THG的光路圖如圖1所示.

圖1 全固態(tài)皮秒激光放大器及SHG與THG光路圖(HR,高反鏡;DM,雙色鏡;LD,二極管激光器;HT 1064 HR 532,在1064 nm處高透,在532 nm處高反)Fig.1.Structure of all-solid-state picosecond laser amplifier,SHG and THG (HR,high reflectivity mirror;DM,dichroic mirror;LD,laser diode;HT 1064 HR 532：high transmittance @ 1064 nm and high reflectivity @ 532 nm).

全固態(tài)皮秒激光放大器由種子源、再生放大器和兩級(jí)單通放大器組成.其中振蕩器采用了一臺(tái)最大輸出功率為2 W、重復(fù)頻率為68 MHz、輸出脈沖寬度8.3 ps的皮秒激光種子源(HighQ公司).我們在振蕩器與再生放大器之間插入了一個(gè)隔離器以避免回光入射到振蕩器中影響鎖模穩(wěn)定性.再生放大器中采用一塊20 mm長、a-cut、0.15 at.%摻雜濃度的Nd：YVO4晶體作為增益介質(zhì),而兩級(jí)單通放大器中采用兩塊10 mm長、a-cut、0.3 at.%摻雜濃度的Nd：YVO4晶體作為增益介質(zhì).為了實(shí)現(xiàn)更高的效率,所有晶體表面均鍍有對(duì)808 nm和1064 nm高透的介質(zhì)膜;同時(shí)所有晶體均用銦箔包裹后通過銅制通水熱沉進(jìn)行散熱,冷卻水溫度均為20 ℃.放大激光系統(tǒng)采用3個(gè)最大輸出功率為30 W的光纖耦合半導(dǎo)體激光器(laser diode,LD)作為抽運(yùn)源,分別用于再生放大器和兩級(jí)單通放大器中.再生放大器可以將振蕩器種子能量由nJ量級(jí)放大到μJ量級(jí),重復(fù)頻率經(jīng)過普克爾盒(Pockels cell,PC)選單為500 kHz.由于高重頻皮秒再生放大器中的脈沖間隔(2 μs)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于增益介質(zhì)的上能級(jí)壽命(120 μs),因此在再生放大器中容易產(chǎn)生倍周期分叉效應(yīng);需要進(jìn)行優(yōu)化,并以降低輸出功率為代價(jià),減小再生腔中PC的加壓時(shí)間來實(shí)現(xiàn)無分叉的穩(wěn)定脈沖輸出.最終,再生放大器將種子光的脈沖能量放大到9.72 μJ,重復(fù)頻率為500 kHz,平均功率為4.86 W.此時(shí),再生腔的抽運(yùn)功率為11.9 W,對(duì)應(yīng)的光光效率為40.8%;再生腔的加壓時(shí)間為205 ns.

圖2 種子光和基頻光自相關(guān)曲線(sech2擬合)(a)種子光自相關(guān)曲線;(b)基頻光自相關(guān)曲線Fig.2.Self-reference curve of seed laser and fundamental laser (sech2 fitting)：(a)Self-referencecurve of seed laser;(b)self-reference curve of fundamental laser.

再生放大激光的輸出平均功率較低,需要通過單通放大提高輸出平均功率.第一級(jí)單通放大中,在25 W的抽運(yùn)功率與4.6 W的入射功率下,輸出功率為14.5 W.第二級(jí)單通放大中,在25 W的抽運(yùn)功率下,輸出功率為23.2 W.兩級(jí)單通放大后輸出的基頻光為平行激光,光斑半徑約為1 mm.我們利用一臺(tái)最大掃描寬度為55 ps的自相關(guān)儀(PulseCheck,APE)分別測量了種子光與基頻光的脈沖寬度,測得基頻光的脈沖寬度為13.4 ps,與種子光的脈沖寬度(8.3 ps)相比有一定的展寬,種子光與基頻光的自相關(guān)曲線如圖2所示.

圖3 基頻光光譜圖和光束質(zhì)量(M2)圖 (a)基頻光光譜圖;(b)基頻光光束質(zhì)量(M2)圖Fig.3.Wavelength and beam quality (M2)of fundamental laser：(a)Wavelength of fundamental laser;(b)beam quality (M2)of fundamental laser.

也利用光譜儀(HR400CG-UV-NIR,Ocean Optics)和光束質(zhì)量分析儀(M2-200S,SPIRICON)分別測量了基頻光的光譜和光束質(zhì)量(M2),如圖3所示.圖3(a)是基頻光的光譜,可以看出基頻光光譜的中心波長位于1064 nm處;圖3(b)是基頻光的光束質(zhì)量(M2),其在x和y方向上的M2分別為1.330和1.235,表明基頻光具有較好的光束質(zhì)量.

3 頻率變換實(shí)驗(yàn)

頻率變換實(shí)驗(yàn)分為倍頻實(shí)驗(yàn)與和頻實(shí)驗(yàn),其光路圖如圖1所示.在基頻光入射前,一個(gè)λ/2波片和薄膜偏振片(thin film laser polarizer,TFP)用于調(diào)節(jié)入射光的功率;另一個(gè)λ/2波片用于調(diào)節(jié)入射激光的偏振方向,以調(diào)節(jié)倍頻效率.由于聚焦入射時(shí)可以提高激光的功率密度,從而在較短的晶體長度下實(shí)現(xiàn)高效率的頻率變換,并減小晶體內(nèi)的走離效應(yīng),因此在晶體前使用一個(gè)焦距為100 mm的平凸透鏡聚焦入射激光,晶體與平凸透鏡的距離約為90 mm.

為了實(shí)現(xiàn)高效率的相位匹配,在倍頻時(shí),選用一類相位匹配,LBO晶體的切割角為θ=90°,φ=11.6°;在和頻時(shí),選用二類相位匹配,LBO晶體的切割角為θ=42.2°,φ=90°.倍頻與和頻晶體表面均鍍有對(duì)1064,532和355 nm激光高透的介質(zhì)膜,同時(shí)晶體用銦箔包裹后通過銅制通水熱沉進(jìn)行冷卻,冷卻水溫度為20 ℃.

為了實(shí)現(xiàn)較高的和頻效率,利用商業(yè)軟件SNLO對(duì)非線性晶體的長度與和頻效率的關(guān)系進(jìn)行了計(jì)算.首先假設(shè)入射到倍頻晶體上的基頻光為高斯光束,單脈沖能量約為46.4 μJ,當(dāng)和頻效率最高時(shí),倍頻效率應(yīng)為40%,此時(shí)假設(shè)倍頻時(shí)沒有能量損耗,可得到倍頻后剩余基頻光的單脈沖能量為27.8 μJ,倍頻光的單脈沖能量為18.6 μJ.當(dāng)激光聚焦入射到和頻晶體上時(shí),和頻晶體上的剩余基頻光峰值功率密度約為7 GW/cm2;根據(jù)這個(gè)峰值功率密度,計(jì)算得到當(dāng)和頻晶體長度為3 mm時(shí),和頻效率最高,因此選用3 mm長的LBO晶體作為和頻晶體.

在確定了和頻晶體長度后,需要通過計(jì)算基頻光與倍頻光在晶體中走離效應(yīng)來確定倍頻晶體長度,如圖4所示.在和頻晶體,選用二類匹配,因此倍頻光與基頻光在經(jīng)過和頻晶體時(shí),會(huì)在yz平面內(nèi)產(chǎn)生走離,走離角為9.3 mrad,經(jīng)過3 mm長晶體后,走離距離為28 μm;而倍頻晶體,選用一類相位匹配,倍頻光與基頻光會(huì)在xy平面內(nèi)走離,走離角為7 mrad,因此選用4 mm長的倍頻晶體時(shí),其在空間上走離距離也為28 μm,正好可以補(bǔ)償基頻光與倍頻光的走離,提高和頻效率.

圖4 SHG與THG過程中光束空間走離及補(bǔ)償?shù)脑硎疽鈭DFig.4.Schematic diagram of space walk-off and compensation for SHG and THG.

最終,在SHG時(shí),使用5 mm×5 mm截面的4 mm長LBO晶體,切割角度為θ=90°,φ=11.6°,滿足一類相位匹配;THG時(shí),和頻部分使用一塊5 mm×5 mm截面的3 mm長LBO晶體,切割角為θ=42.2°,φ=90°,滿足二類相位匹配.

在SHG實(shí)驗(yàn)中,通過仔細(xì)調(diào)節(jié)激光入射角度、偏振方向和SHG晶體與聚焦透鏡的距離,最終在23.2 W的基頻光下得到了12.7 W的SHG激光,中心波長為532 nm,SHG效率為54.7%.也測量了SHG激光24 h的功率穩(wěn)定性,如圖5所示,其24 h內(nèi)的功率穩(wěn)定性(RMS)小于0.2%,表明SHG激光有很好的功率穩(wěn)定性.

圖5 SHG激光功率穩(wěn)定性Fig.5.Power stability of SHG power.

在進(jìn)行THG實(shí)驗(yàn)時(shí),為了使和頻輸出功率達(dá)到最大,需要在SHG實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,減小倍頻晶體與聚焦透鏡的距離,使倍頻效率降低到約40%左右;此時(shí)在SHG晶體后約1 mm處插入和頻晶體,就可在和頻晶體后得到高效率的THG激光輸出.通過仔細(xì)調(diào)節(jié)基頻光的各個(gè)參數(shù),最終,在23.2 W基頻光下,得到了9.25 W的THG激光,中心波長為355 nm,THG效率為39.8%,其功率曲線如圖6所示.

圖6 THG激光功率曲線圖Fig.6.THG output power versus input power.

圖7 (a)SHG與(b)THG光譜圖Fig.7.Wavelength of (a)SHG and (b)THG.

還測量了SHG和THG的光譜,如圖7所示.從圖7可以看出SHG和THG的中心波長分別為532 nm和355 nm.

4 總 結(jié)

利用一套自建的全固態(tài)皮秒激光放大器進(jìn)行了高效率的SHG與THG實(shí)驗(yàn).自建的全固態(tài)皮秒激光放大器由種子源、再生放大器、兩級(jí)單通放大器三部分組成,最終可以輸出23.2 W平均功率、13.4 ps脈沖寬度、1064 nm中心波長的基頻光,基頻光的重復(fù)頻率為500 kHz,其在x和y方向上的M2分別為1.330和1.235.隨后進(jìn)行的非線性頻率變換中,利用LBO晶體進(jìn)行了SHG與THG實(shí)驗(yàn),分別得到了中心波長位于532 nm處12.7 W的SHG激光和中心波長位于355 nm處9.25 W的THG激光,相應(yīng)的光光轉(zhuǎn)換效率分別為54.7%和39.8%.這種激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、平均功率高、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn),可以廣泛地用于科學(xué)研究與工業(yè)加工中,特別是在如藍(lán)寶石等透明硬質(zhì)材料的切割中具有重要的價(jià)值.