重頻可調(diào)高功率綠光皮秒激光器

徐思志，夏瀛，高瑜博，2，劉星，2，歐陽德欽，2，陳業(yè)旺，2，吳旭，2，徐方華，郭麗，趙俊清，郭春雨，呂啟濤，2，，阮雙琛，2

（1 深圳技術(shù)大學(xué) 先進(jìn)光學(xué)精密制造技術(shù)廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518118）

（2 深圳技術(shù)大學(xué) 中德智能制造學(xué)院，深圳 518118）

（3 大族激光科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，深圳 518103）

（4 深圳大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院 深圳市激光工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518060）

0 引言

高功率超快激光具有脈沖寬度窄、峰值功率高、對(duì)材料熱影響區(qū)域小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、交通設(shè)備、3C 元器件等領(lǐng)域［1-3］。與傳統(tǒng)的連續(xù)和納秒紅外激光加工相比，超快激光加工具有加工精度高、熱影響區(qū)小、材料適用性廣等優(yōu)點(diǎn)。此外，高功率綠光皮秒激光光子能量更高、熱影響區(qū)域更小、加工分辨率更高以及更有利于多種工業(yè)材料的吸收，可以有效提高加工精度，特別在電池焊接以及硬脆材料切割等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［4-5］。同時(shí)，在深紫外激光產(chǎn)生、空間碎片激光測(cè)距和生物芯片封裝等前沿領(lǐng)域應(yīng)用前景極大［6-8］。基于非線性倍頻晶體使得1 μm 皮秒激光產(chǎn)生二次諧波（Second-harmonic Generation，SHG）是產(chǎn)生高功率綠光皮秒激光的主流方案，非線性倍頻晶體在強(qiáng)激光的作用下產(chǎn)生二次非線性效應(yīng)，使基頻光轉(zhuǎn)換為倍頻激光輸出［9-12］。

2011 年，中國科學(xué)院光電研究院的麻云鳳等報(bào)道了基于三級(jí)功率放大系統(tǒng)的LiB3O5（LBO）倍頻實(shí)驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)平均功率27.16 W、重復(fù)頻率80 MHz、脈沖寬度10.45 ps 的532 nm 綠光輸出，倍頻效率達(dá)到50.58%［13］。2012 年，布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的ZHI Z 等報(bào)道了110 W、1.3 GHz 的亞皮秒光纖放大器倍頻產(chǎn)生65 W 綠光的實(shí)驗(yàn)［14］。2018 年，中科院半導(dǎo)體所的QI Y 等報(bào)道了基于96 W 非保偏摻鐿光纖放大器二次諧波產(chǎn)生的46 W 綠光皮秒激光［15］。2020 年，北京工業(yè)大學(xué)的陳檬等報(bào)道了基于改進(jìn)邁克爾遜干涉儀的100 ps、50 W、1 kHz 綠光脈沖串激光器，輸出整體包絡(luò)約4 ns，該激光器參數(shù)適用于空間碎片激光測(cè)距領(lǐng)域［16］。2021 年，河北工業(yè)大學(xué)的陳暉等報(bào)道了基于光子晶體光纖放大器（Photonic Crystal Fiber Amplifier，PCFA）及LBO 倍頻的百瓦級(jí)515 nm 皮秒激光器，其輸出最高平均功率為103.1 W，重復(fù)頻率為57 MHz［17］。2022 年，捷克科學(xué)院ZBYNEK H 等報(bào)道了基于碟片再生放大器的LBO 腔外倍頻實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)120 W、1 kHz 的515 nm 綠光皮秒激光輸出，過高的基頻光單脈沖能量導(dǎo)致倍頻過程需要在真空腔中進(jìn)行，且該裝置存在調(diào)整要求和使用成本過高的缺點(diǎn)［18］。相較于PCFA 及碟片再生放大技術(shù)，主振蕩放大技術(shù)（Master Oscillator Power Amplifier， MOPA）是實(shí)現(xiàn)高功率皮秒激光更直接可靠的技術(shù)。在不需要過于復(fù)雜光路的前提下，MOPA 系統(tǒng)具有重復(fù)頻率可調(diào)范圍廣、單脈沖能量適中、技術(shù)方案較為成熟等優(yōu)勢(shì)，更有利于實(shí)現(xiàn)高功率綠光皮秒激光器的高效穩(wěn)定輸出，也有利于超快激光設(shè)備加工工藝的開發(fā)，在工業(yè)加工領(lǐng)域具有更大的應(yīng)用價(jià)值［19-21］。

本文采用大光斑尺寸基頻光泵浦LBO 晶體產(chǎn)生近百瓦級(jí)高功率綠光皮秒激光，基頻光放大器包括光纖預(yù)放大器以及四級(jí)固體端泵放大器，實(shí)現(xiàn)500 kHz～4 MHz 重頻可調(diào)、平均功率148.7 W、脈沖寬度8 ps 的1 064 nm 激光輸出。采用LBO 晶體的溫度相位匹配條件，獲得了2 MHz、最高平均功率95 W 的綠光皮秒激光穩(wěn)定輸出，倍頻光-光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)65 %，系統(tǒng)重復(fù)頻率在500 kHz～4 MHz 可調(diào)。

1 全固態(tài)皮秒激光放大器

高功率綠光皮秒激光的實(shí)驗(yàn)光路如圖1，系統(tǒng)由種子光、光纖預(yù)放大器、串聯(lián)四級(jí)的全固態(tài)皮秒激光放大器和倍頻轉(zhuǎn)換模塊四個(gè)部分組成。其中種子光由中心波長(zhǎng)1 064 nm、脈沖寬度7.8 ps 和重復(fù)頻率為20 MHz 的全光纖SESAM 鎖模激光器產(chǎn)生，通過聲光調(diào)制器（Acoustic Optical Modulator， AOM）調(diào)制成500 kHz～4 MHz 脈沖序列。為得到足夠高的平均功率和脈沖能量，先將毫瓦量級(jí)脈沖序列輸入至第1 級(jí)光纖預(yù)放大模塊，而后進(jìn)一步耦合到串聯(lián)四級(jí)的固體端泵放大模塊。其中第1 級(jí)端泵放大為雙通放大器，采用偏振分光棱鏡（PBS）、波片（WP）和雙色鏡（DM1）的組合實(shí)現(xiàn)種子光兩次通過增益介質(zhì)，第2、3、4 級(jí)端泵放大為單通放大器。

圖1 皮秒綠光激光器Fig.1 The picosecond green laser

端泵固體放大器的增益介質(zhì)均采用4 mm×4 mm×15 mm 的Nd∶YVO4晶體，摻雜濃度為0.3%，晶體兩端均鍍878.6 nm 和1 064 nm 的高透膜。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、高效的皮秒激光輸出，所有晶體均固定在水冷銅制熱沉上進(jìn)行散熱。皮秒激光放大系統(tǒng)采用光纖耦合的半導(dǎo)體激光器（Laser Diode， LD）作為泵浦源，LD 的中心波長(zhǎng)為878.6 nm，輸出光纖芯徑為400 μm，數(shù)值孔徑NA 為0.22。其中第一級(jí)泵浦LD1 最大輸出功率為65 W，泵浦LD2、LD3、LD4 最大功率均為115 W。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究，半導(dǎo)體激光器相應(yīng)的耦合鏡組倍率分別為1/2、1/2.5、1/2.5、1/2.5 時(shí)，放大器轉(zhuǎn)換效率最高。種子光經(jīng)過第1、2 級(jí)的固體放大模塊，輸出基頻激光平均功率分別為13 W、54.5 W，相應(yīng)的功率提取效率分別為19.9%、36.09%。繼而通過3、4 級(jí)端泵模塊分別將基頻光功率放大到117 W、148.5 W，相應(yīng)的功率提取效率分別為54.35%、27.39%。使用自相關(guān)儀（PulseCheck，APE）測(cè)量2 MHz 時(shí)最大輸出功率基頻光的脈沖寬度，測(cè)量自相關(guān)曲線如圖2（a），經(jīng)sech2擬合測(cè)得脈沖寬度為8.08 ps，該脈沖激光可以滿足超快激光“冷加工”脈寬需求。同時(shí)，利用光譜儀（HR4000CG，Ocean Optics）測(cè)得基頻光的中心波長(zhǎng)為1 064.2 nm，如圖2（b）。此時(shí)，利用光束質(zhì)量分析儀（Beamsquare SP90449，Ophir）測(cè)量基頻光的光束質(zhì)量因子，光束的空間分布情況如圖2（c），束腰半徑約為250 μm。圖2（d）為該激光器滿功率運(yùn)轉(zhuǎn)120 min 穩(wěn)定性測(cè)試曲線，測(cè)試結(jié)果表明該激光器在148 W 附近穩(wěn)定工作，功率抖動(dòng)均方根小于0.7 %，因此該激光器適用于后續(xù)二倍頻實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明放大脈沖激光輸出功率穩(wěn)定，光束質(zhì)量較好，對(duì)實(shí)現(xiàn)高功率皮秒倍頻綠光輸出具備良好的適用性。圖3 為基頻光在不同重復(fù)頻率下，最大平均功率和相應(yīng)單脈沖能量的變化曲線。當(dāng)重復(fù)頻率為0.5 MHz 時(shí)，單脈沖能量為274 μJ，相應(yīng)的峰值功率為33.415 MW；當(dāng)重復(fù)頻率升高至4 MHz 時(shí)，單脈沖能量降低至37.875 μJ，相應(yīng)的峰值功率為4.618 MW。

圖2 基頻光光束特性（@2 MHz）Fig.2 Beam characteristics of fundamental laser（@2 MHz）

圖3 不同重復(fù)頻率基頻光平均功率和單脈沖能量Fig.3 Average power and pulse energy of fundamental laser with different pulse repetition rates

2 高功率激光倍頻實(shí)驗(yàn)

高功率倍頻實(shí)驗(yàn)光路如圖1 中倍頻模塊所示，放大器輸出的基頻光通過倍率為2/1 的透鏡組Coupler 5被耦合到倍頻晶體中，其中λ/2 波片WP3 用于調(diào)節(jié)基頻光的偏振方向，以提高倍頻效率。經(jīng)過擴(kuò)束入射到晶體的基頻光斑半徑約為500 μm，采用較大基頻光光斑入射的方式可以有效防止倍頻晶體和表面膜層出現(xiàn)閾值損傷，有利于更高功率、高脈沖能量皮秒激光的頻率轉(zhuǎn)換，提高高功率綠光皮秒激光輸出的穩(wěn)定性。倍頻晶體為6 mm×6 mm×14 mm 的I 類相位匹配（“o+o→e”）LBO，晶體切角為θ=90°，φ=10.4°，兩側(cè)端面均鍍有對(duì)1 064 nm 以及532 nm 的高透膜，以提高倍頻效率。晶體通過銦箔包裹后夾持于溫度42 ℃～46 ℃可調(diào)的恒溫模塊中，溫度調(diào)節(jié)采用半導(dǎo)體制冷器（Thermoelectric Cooler，TEC），控溫精度為±0.1 ℃。輸出激光經(jīng)過一對(duì)二色分光鏡（HR@532 nm，HT@1 064 nm），用于分離倍頻光和殘余的基頻光。實(shí)驗(yàn)通過調(diào)節(jié)倍頻晶體的工作溫度以及基頻光的重復(fù)頻率，研究不同晶體溫度和重復(fù)頻率對(duì)該綠光皮秒激光器輸出功率及轉(zhuǎn)換效率的影響。

利用TEC 進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，精確調(diào)控LBO 晶體恒溫模塊溫度，在溫度43.7 ℃時(shí)，輸出倍頻光功率達(dá)到最大功率95 W?；l光工作重頻為2 MHz 時(shí)，輸出綠光功率隨LBO 晶體溫度的變化曲線如圖4（a），結(jié)果表明使用LBO 晶體倍頻時(shí)，溫度對(duì)相位匹配的影響是極其敏感的。在（43.7±0.3）℃能實(shí)現(xiàn)較好的相位匹配，輸出的倍頻光平均功率均可達(dá)到90 W 以上，該綠光激光器可以穩(wěn)定工作。晶體溫度在該穩(wěn)定工作溫度范圍以外時(shí)，二次諧波過程相位失配，倍頻效率快速降低。

圖4 倍頻光功率的參數(shù)曲線Fig.4 Parametric curves of SHG power

圖4（b）為綠光最大輸出功率（黑色實(shí)線）及對(duì)應(yīng)的單脈沖能量（紅色實(shí)線）隨基頻光重復(fù)頻率的變化曲線，結(jié)果顯示：當(dāng)輸入基頻光為500 kHz～4 MHz 時(shí)均可以達(dá)到60 W 以上的倍頻激光輸出，在800 kHz～4 MHz 均可實(shí)現(xiàn)80 W 以上綠光輸出；在500 kHz 時(shí)，激光器輸出最高脈沖能量132 μJ；最高功率隨基頻光重復(fù)頻率增大呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)基頻光重復(fù)頻率為2 MHz 時(shí)，綠光最高輸出功率達(dá)到95 W。一方面，不同重復(fù)頻率會(huì)致使光路中未進(jìn)行水冷的光學(xué)元件（如Coupler 5）產(chǎn)生不同的熱透鏡效應(yīng)，進(jìn)而使作用在倍頻晶體上的光斑尺寸以及熱效應(yīng)存在差異。另一方面，重復(fù)頻率上升會(huì)導(dǎo)致基頻光單脈沖能量降低，倍頻效率隨之降低。實(shí)驗(yàn)中使用的耦合透鏡組在2 MHz 時(shí)平衡了這幾點(diǎn)影響，實(shí)現(xiàn)最穩(wěn)定、最高效率倍頻激光輸出。

圖5（a）為2 MHz 綠光輸出功率（黑色曲線）和轉(zhuǎn)化效率（紅色曲線）與基頻光功率的關(guān)系曲線。由圖可以看出，倍頻綠光輸出功率及轉(zhuǎn)化效率整體隨基頻光功率的升高而升高；在基頻光為50 W 時(shí)出現(xiàn)倍頻效率下降，110 W 時(shí)出現(xiàn)倍頻效率增長(zhǎng)速率下降。主要原因是基頻光通過不同放大級(jí)的光束質(zhì)量和發(fā)散角存在差異而導(dǎo)致倍頻晶體熱效應(yīng)不同。當(dāng)基頻激光為145 W 時(shí)，綠光輸出達(dá)到最高平均功率 95 W，對(duì)應(yīng)的峰值功率為7.4 MW，倍頻轉(zhuǎn)換效率達(dá)到65 %，且倍頻光轉(zhuǎn)化效率仍有上升趨勢(shì)。圖5（b）為使用Ocean 光譜儀（USB2000+，Ocean Optics）測(cè)量的綠光光譜，其中心波長(zhǎng)為532.1 nm。

圖5 倍頻光的功率特性Fig.5 Power characteristics of the SHG laser

圖6（a）是95 W 綠光輸出功率下，使用光束質(zhì)量分析儀測(cè)量的聚焦光斑形貌和空間分布趨勢(shì)，光束質(zhì)量因子為，光束質(zhì)量與基頻光相比有所提升。圖6（b）是95 W 皮秒綠光輸出的近場(chǎng)光斑形貌與尺寸，近場(chǎng)光斑的徑向尺寸為1.85 mm 以及1.32 mm。圖6（c）為2 MHz 綠光皮秒激光的自相關(guān)曲線，最終輸出綠光的脈沖寬度為6.4 ps，與基頻光相比，脈沖寬度有所壓縮。測(cè)量倍頻激光輸出93.5 W 連續(xù)工作6 h 的穩(wěn)定性情況如圖6（d），功率抖動(dòng)的均方根小于0.8%?？梢钥闯鲈谶B續(xù)工作2 h 左右時(shí)，輸出功率出現(xiàn)小幅度下降（<1.5 W），在可接受范圍內(nèi)。其主要原因在于長(zhǎng)時(shí)間工作情況下，系統(tǒng)熱累積導(dǎo)致耦合透鏡組和晶體溫度微小波動(dòng)，從而導(dǎo)致倍頻效率降低。該綠光皮秒激光器的光束質(zhì)量較好，有利于提升聚焦光斑質(zhì)量及準(zhǔn)直光束質(zhì)量，在激光精密加工和空間探測(cè)等領(lǐng)域具有較大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

圖6 倍頻光的光束特性Fig.6 Beam characteristics after SHG

3 結(jié)論

本文通過多級(jí)端泵Nd：YVO4的固體激光放大系統(tǒng)，獲得了平均功率148.7 W、脈沖寬度8 ps 的1 064 nm 激光輸出，再以1 mm 直徑的光斑耦合至LBO 晶體進(jìn)行倍頻，最終輸出重復(fù)頻率500 kHz～4 MHz可調(diào)的532 nm 皮秒激光。最高輸出功率為95 W@2 MHz，對(duì)應(yīng)最佳的二次諧波轉(zhuǎn)化效率為65%，且轉(zhuǎn)化效率有望隨基頻光功率進(jìn)一步提升，光束質(zhì)量因子為，光束質(zhì)量較基頻光得以優(yōu)化。在輸出平均功率為93.5 W 的情況下，系統(tǒng)穩(wěn)定工作6 h 以上，功率抖動(dòng)均方根低于0.8%。此外，研究了LBO晶體溫度的精細(xì)調(diào)控對(duì)晶體最佳相位匹配條件的影響，從而實(shí)現(xiàn)最高倍頻轉(zhuǎn)換效率。該激光系統(tǒng)具有光路簡(jiǎn)單、平均功率高、光束質(zhì)量好、重復(fù)頻率可調(diào)以及穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，有望實(shí)現(xiàn)電池焊接、硬脆材料加工等重要加工領(lǐng)域更高效、優(yōu)質(zhì)的加工，同時(shí)有望成為產(chǎn)生高功率紫外、深紫外激光的理想基頻光源，在工業(yè)加工和科學(xué)研究領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。