LD端面泵浦Nd∶YVO4高重頻紫外激光器

張詩夢，崔 源，賈 真，王 浩，岱 欽

(沈陽理工大學 理學院，沈陽110159)

紫外固體激光器具有光子能量高、脈寬短、分辨率高等特點，在材料的激光微細加工方面具有明顯的優(yōu)勢和廣闊的應用前景[1-6]。355nm波段激光主要是通過固體激光非線性頻率變換的方式來獲得。Nd∶YVO4激光晶體，相比于常用的Nd：YAG，具有受激輻射截面大，泵浦帶寬寬，對工作溫度變化不敏感等優(yōu)點，因此，采用電光效率高，容易實現(xiàn)近基模運轉(zhuǎn)的LD端面泵浦方式，可使Nd∶YVO4激光器獲得高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出。體具有很大優(yōu)勢。LD端面泵浦激光器一般通過準直聚焦系統(tǒng)耦合泵浦光，泵浦光與振蕩光耦合度高，因此，是目前工程化產(chǎn)品主要采用的方式。

2014年李玉瑤等[7]采用LD端面泵浦Nd∶YVO4腔內(nèi)倍頻和腔外和頻相結(jié)合的聲光調(diào)Q準連續(xù)355nm紫外激光器。在泵浦功率為28.6W時，355nm紫外激光最大輸出功率為4.2 W，激光脈沖寬度為20.6ns，重復頻率為20kHz。2015年報道了采用LD端面泵浦Nd∶YVO4激光晶體通過補償角度偏差引起的相位失配，當LD泵浦功率為13.33W、調(diào)Q頻率為15kHz時，355nm紫外激光輸出平均功率達到1.24W、其脈沖寬度為9.8ns[8]。2016年報道了采用LD端面泵浦聲光調(diào)Q 技術(shù)，對基頻光進行頻率變換，在LD 泵浦功率為14W時，得到紫外激光平均輸出功率為1.12W、脈沖寬度為34 ns，激光重復頻率為1kHz[9]。文獻[10]采用LD端面泵浦Nd∶YAG激光晶體和聲光調(diào)Q產(chǎn)生高重頻基頻光，利用3塊LBO晶體進行非線性頻率變換，實現(xiàn)了輸出平均功率2.7W，重復頻率12kHz，光-光轉(zhuǎn)換率43.4%的高效腔外頻率變換紫外激光器。

本文針對Nd∶YVO4激光晶體，采用激光二極管(LD)端面泵浦方式和聲光Q開關(guān)，利用LBO晶體進行腔內(nèi)三倍頻，實現(xiàn)高重頻、窄脈寬的355nm紫外激光輸出，在不同重復頻率運轉(zhuǎn)條件下，分析了紫外激光器的輸出特性。

1 激光器光路及調(diào)試

LD端面泵浦Nd∶YVO4激光實驗光路如圖1所示，激光諧振腔采用V型腔結(jié)構(gòu)，端泵LD采用808nm波段光纖輸出激光二極管，激光二極管最大輸出功率為50W。采用透鏡準直-聚焦系統(tǒng)使泵浦光光與諧振腔中的腔模達到良好的匹配。激光器光路中平面鏡M2鍍808nm增透，1064nm和532nm波段全反膜(R>99.5%)；M1鏡面鍍1064nm、532nm和355nm波段全反膜(R>99.5%)；輸出鏡M3鍍1064nm和532nm波段全反膜(R>99.5%)，355nm增透膜。精密調(diào)節(jié)溫控系統(tǒng)，使激光二極管的出射波長固定在808nm。激光晶體Nd∶YVO4的尺寸為3mm×3mm×15mm，a軸切割，摻雜摩爾分數(shù)為0.2%。采用GOOCH&HOUSE聲光Q開關(guān)，調(diào)Q波長為1064nm，透過率大于99.6%，通光口徑為4mm，利用射頻驅(qū)動聲光Q開關(guān)對激光進行Q調(diào)制。倍頻晶體LBO1采用Ⅰ類相位匹配，θ=90°，φ=11.2°，尺寸為5mm×5mm×25mm。和頻晶體LBO2采用Ⅱ類相位匹配，θ=43.3°，φ=90°，尺寸為5mm×5mm×30mm。兩塊晶體雙端面均鍍1064nm、532nm和355nm波段增透膜。非線性晶體LBO1和LBO2、Nd∶YVO4晶體及聲光Q開關(guān)采用離子水循環(huán)方式進行冷卻，溫控保持在25℃。諧振腔的總腔長為360mm。

圖1 聲光調(diào)Q Nd∶YVO4激光器實驗裝置

2 實驗結(jié)果分析

2.1 激光器輸出特性分析

利用準直激光調(diào)試激光器光路中的光學元件，使激光器輸出參數(shù)達到最佳狀態(tài)。利用激光功率計(PM150-50相干公司)，在激光重復頻率為30kHz條件下，實驗測量了紫外激光器的平均輸出功率隨泵浦電流的變化情況，如圖2所示，當LD泵浦電流為9.4A時，紫外激光平均功率達到5.38W，激光閾值約為5.2A。

圖2 激光輸出平均功率隨泵浦電流變化曲線

利用探測器(DET10A/M，Thorlabs公司)和300MHz示波器(TDS3034B，Tektronix公司)，在激光重復頻率為30kHz條件下，測量了輸出激光脈沖寬度隨LD泵浦電流的變化情況，如圖3所示。由圖3可以看出，輸出紫外激光脈沖寬度隨著泵浦電流的增大而減小。隨著泵浦電流的增大，亞穩(wěn)態(tài)上的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)會隨之增加，導致單脈沖能量增加，平均功率增大，脈沖寬度減小。

圖3 激光脈沖寬度隨泵浦電流的變化曲線

2.2 激光器的重復頻率影響分析

通過控制聲光調(diào)Q頻率，測量分析了激光器不同重復頻率運行條件下，激光輸出平均功率和脈沖寬度的變化情況，如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著激光重復頻率的提高，輸出激光平均功率下降，激光脈沖寬度變寬。當激光重復頻率變高時，單脈沖的儲能時間降低，激光上能級的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)變少，使得基頻激光凈增益減小，導致輸出基頻激光單脈沖能量下降，脈沖寬度變寬。同時非線性頻率轉(zhuǎn)換效率降低，紫外激光平均輸出功率隨重復頻率的增大而減小。

圖4 輸出激光脈沖寬度及平均功率隨聲光Q信號重復頻率的變化曲線

圖5為重復頻率30kHz，泵浦電流為9.4A時測試的輸出激光脈沖波形圖。

圖5 355nm激光單脈沖波形

在重復頻率為30kHz，泵浦電流為9.4A時，355mm紫外激光輸出平均功率為5.38W，脈沖寬度17.5ns。

3 結(jié)束語

針對增益高、泵浦帶寬寬的Nd∶YVO4激光晶體，采用了LD端面泵浦方式，利用聲光Q開關(guān)，設(shè)計了腔內(nèi)三倍頻V型諧振腔結(jié)構(gòu)獲得了高重頻、高增益的355nm紫外激光輸出。分析了不同重復頻率條件下的紫外激光輸出特性。在重復頻率為30kHz、泵浦電流為9.4A時，獲得了最高平均功率5.38W、脈沖寬度為17.5ns的355nm紫外激光輸出。