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基于腔外倍频的全固态紫外激光器

摘要：论述了一种基于小功率泵浦的外部环形腔内倍频的全固态紫外激光器。二次谐波和四次谐波都发生在外部三个镜子组成的腔内。该腔入射光的阻抗匹配需要消除，腔的适应需要简化，因为镜子对1064 nm不是高反，只震荡532nm绿光。实验结果表明，该外腔的转换效率高于单道条件。

紫外光(UV)可以应用到大量高科技领域, 像光刻、超高密度光盘主控、微制造技术等。二极管泵浦固体激光是一种很有前途的可以替代准分子激光光源。由于二极管泵浦固体激光器发出光的基频光是1064nm，最简单获得紫外光的方式是将红外通过两个倍频晶体。通过腔内的倍频晶体产生的倍频光已证明可以达到瓦特数量级。然而，大多数的二极管激光器工作在高重复频率，但又相对低功耗，并要求严格聚焦，以获得高转化效率。高入射功率密度会导致晶体中的热变形和非线性吸收。我们对这个问题的解决方法是使用一个外部环形腔产生四次谐波（FHG），它由一个腔的两个倍增阶段组成，并在倍频阶段谐振。因为外腔，不必要高聚焦，而且晶体损伤概率变小。

图1 四次谐波的实验装置

M1-M3：镜子，M：平面镜，L1：透镜，PZT：压电陶瓷

图1所示为实验装置示意图，建在一个空气悬浮隔振台上。商业二极管泵浦调Q-Nd：YAG激光器在1064nm无需任何改变被用作泵浦激光源。平凸透镜用于聚焦泵浦光束进入谐振腔；脉冲宽度，重复率和入射激光的最大平均功率分别是12ns、23 kHz和160mW；倍频晶体是一个2times;2times;10Ⅱ型KTP晶体，表面镀膜减少1064nm红外和532nm绿光反射；四倍频晶体是1times;1times;3立方毫米BBO晶体，表面镀有增透膜，切割为Ⅰ类相位匹配角47.7°；M3对532nm绿光高反（Rgt;99.9％）；M1和M2对266nm高透（Tgt;85％），对532nm高反（Rgt;99.7％）。

他们也被传输在1064nm（Tgt;83％）。这三个镜子的曲率半径都为100mm。M是平面镜并用作分光镜反射532nm绿光到光电二极管（PD）和发送266nm紫外到检测器。该LM-2 UV检测器和LabMaster的Ultima P540被用来测量266 nm激光的输出功率。压电转换器（PZT）连接M3由继电回路控制，使得腔长可以调谐到二次谐波波长的整数倍。因为输出包含1064nm、532nm、和266nm光，KG5、UG5分别分别用来滤除1064nm红外和532nm绿光。

这样设计的原因是1064nm光单程通过谐振腔。能量以四倍频紫外光的形式被耦合在谐振腔。因为谐振波（532纳米）以腔内倍频的方式产生，需要阻抗匹配，这需要消除腔内的输入光。最初提出这个想法的是Giordano和Matone在计算连续锁模激光器的效率FHG的情况下。该532nm的光在环形腔谐振，所以腔内绿光强度增强，紫外输出功率提高。单通配置成立比较与谐振条件。建立一个单通构造与谐振条件比较。我们用这个表达“单通”没有任何反馈腔FGH，例如，第二谐波受阻后BBO晶体。要想这些单泵激光器高效的产生紫外激光要求泵浦光良好地聚焦在非线性晶体的中心。图2显示单泵的情况。透镜聚焦基频光进入KTP晶体。为实现更高的转换效率，我们把BBO晶体靠近KTP晶体。在这种方式中，BBO晶体置于激光束的束腰位置，获得了更大的功率密度。

图2 单通的实验装置

我们测得的平均输出功率在两个单通和谐振的配置，结果如图所示：

图3 1064nm平均输入功率与紫外平均输出功率函数

由于过滤器对266nm紫外有一定的损耗，实际266nm输出功率将比数据略高。UG5的透过率与对266nm的反射率的分别为0.9和0.85。我们认为实际266nm的输出功率如图3和图4（b）所示。可以看出，在图3的外腔的转换比单程高，因为在外腔的532nm有共振增强的现象，但单通没有。较高的二次谐波功率使四次谐波的能量转换效率更高。

图4 基频、倍频与和频功率曲线

紫外线输出功率的比例增加在单道绿色的光功率的平方条件，环形腔输出功率的增加

成比例为第四大功率的1064nm功率。

二次谐波的转换效率由改进的表达给出：

其中

是相位失配，是非线性晶体长度，A 是基频光的横截面积，是基频光频率，deff是有效非线性系数，和分别是磁导率和真空介电常数，是相关非线性晶体的介电常数，是基频光功率。为了清楚地表示和之间的关系，（1）式可以写成：

方程（2）适用于1064 nm和532 nm分别产生532nm和266nm。在下面我们测量单通状态的绿光和紫外功率，其结果与在图4（a）示出拟合曲线显示紫外功率与绿光功率平方成正比。因为它很难直接在环形腔内测量绿光功率，我们只能测M1后1064nm的功率。从图4（b）我们可以看出，紫外功率增加比例是1064nm增加比例的四倍。方程Y = a*b是拟合曲线。拟合曲线图（a）和（b）表明实验数据与理论吻合较好。总之，产生的紫外在266nm具有低泵浦功率的谐振腔，含有KTP晶体和BBO晶体。外部腔允许使用一个大的光束的输入辐射大小，这减轻了在谐波产生的热问题晶体。

整个系统仍然存在一些缺陷。首先，伺服环具有一些滞后，所以紫外线的输出功率激光不是所有时间都稳定。第二，BBO晶体有一个4.88°的大走离角，这会导致紫外点是椭圆形的。如果我们完善伺服系统和使用CLBO晶体代替BOO作为四次谐波晶体，输出功率会更加稳定，并且转换效率将大大提高。

基于LBO三倍频的激光二极管泵浦Nd：GDV04紫外激光器

我们论证了一个基于LBO晶体腔外三倍频的激光二极管泵浦Nd:GdVO4紫外激光器，通过声光（A-O）调Q，我们获得了355nm紫外激光，脉冲宽度为25ns，脉冲重复频率为20kHz。通过使用I类非临界相位匹配LBO晶体，当泵浦功率为16 W时，倍频光功率为822mW，355nm紫外光功率260mW，LBO晶体的转换效率（1 064 nm-355 nm）是5.9%。通过一小时拷机，得到355nm激光的稳定性为1.7%。

紫外激光能提供辐射波长在0.4nm以下的高能量密度，即使能量低。不同于红外线处理工艺，紫外线反应过程不是一个“热”类型的反应。与红外激光相比，紫外光易于被聚合物和金属吸收。紫外光子具有较高的能量能直接破坏材料表面的分子键。相较于准分子紫外激光器，激光二极管（LD）泵浦固体紫外激光器具有效率高，结构紧凑，长寿命，低维护费用，高光束质量和高重复频率的特点。近年来，高功率的355 nm紫外固体激光器在在工业和医疗等领域的应用显著地引起了人们的注意。各种硼酸盐晶体，包括YCOB，BBO，LBO和CLBO，都可以产生355纳米的紫外光。然而，Nd:GdVO紫外激光与LBO晶体却是较少被报道。我们在本文中展示了一个基于LBO晶体腔外三倍频的激光二极管泵浦Nd：GdVO4激光器。 基于Ⅰ类相位匹配LBO晶体，355nm紫外输出功率为260mW，并且转换效率（1064nm-355nm）为5.9％。同时，我们也通过实验分析了KTP，LBO和周期性极化钽酸锂（PPLT）的特征。Nd∶GdVO4晶体是一种与 Nd:YVO4类似的激光晶体，但Nd:GdVO4比热容比Nd:YVO4高。在实验中，我们选择Nd:GdVO4晶体作为增益晶体，KTP、LBO和周期性极化钽酸锂（PPLT）晶体作为非线性光学晶体研究1064nm激光的倍频特性。对1064nm激光进行和频时采用Ⅰ类相位匹配KTP晶体，有效非线性系数为7.34pW/V，接受角50 mrad/cm，允许温度25℃/cm、走离角lmrad。对于倍频，LBO是最常用的晶体，因为LBO有的高损伤阈值为26GW/，可避免灰色轨道效应，大相位匹配接收角和窄的走离角。重要的是LBO晶体Ⅰ类和Ⅱ类非临界相位匹配具有大相匹配角。所以我们可以利用非临界相位匹配克服走离效应从而得到高的转换效率。在实验中，我们使用Ⅰ类非临界相位匹配LBO实现倍频与角度调谐。在这种情况下，有效非线性系数为0.836pW/V小于温度调谐时的0.94pW/V。而且使用角度调谐使该设备结构紧凑，简单的消除对温度控制装置的需求。用PPLT倍频具有最高的转换效率，因为PPLT具有最大的非线性系数并可以在原则上使用非临界相位匹配。但它匹配不完善导致转化效率低。基于Sellmeier色散方程和相位匹配条件，PPLT倍频晶体的匹配温度为110.7℃，光栅周期为7.71um，厚度为0.5mm,长度为14mm。

通常，三次谐波产生（THG）的实现有两个步，第一步倍频（SHG）和第二步和频（SFG）。常用的光学晶体对于1064nm三倍频的特征如表1所示：

表1 基于1064nm三倍频的非线性光学晶体性质

如表1所示，BBO晶体的有效非线性系数的四种晶体中间最大的。但是它的接收角小和走离角大是不利于提高转换效率的。CLBO晶体的非线性光学性质在BBO和LBO晶体之间。CLBO晶体已经被证明是一个很好的四倍频晶体，和CBO用作三倍频晶体被报道。但这两种晶体在现在很难购买，因此相关实验研究不能进行。这就是为什么选择LBO晶体作为谐波晶体进行这个实验。

355nm实验装置见图1：

图1激光二极管泵浦紫外激光器原理图

一个平-平腔用于生成脉冲基波。腔的长度约130毫米。Nd∶GdVO4晶体[0. 5at. %,a-cut,4times;4times;8]

的泵浦源是一个波长为808nm的光纤耦合半导体激光器，最大输出功率为30W，数值孔径为0.2。半导体激光器输出通过一个耦合效率为90%准直透镜聚焦到Nd∶GdVO4晶体上。激光晶体左侧镀有涂敷膜，对1064nm高反，对808nm泵浦高透，并且作为谐振腔的一面；激光晶体的另一侧涂敷膜对1064nm高透。该

输出平面镜对1064nm的透过率为40％。为了降低高功率泵浦导致的热量过高，晶体外面包裹一层铟箔，并且固定在用水循环降温的铜块上。声光（A-O）Q开关的驱动频率为80兆赫，Q开关被放置靠近输出镜的位置，目的是为了输出较小的模式。声光调Q对1064nm的转换的效率是65%。三个波长的偏振关系如图2所示：

图2 倍频、和频光在LBO晶体的偏振方向

倍频光的偏振方向垂直于基频光，当通过LBO晶体和频时完全满足相位匹配条件。355nm绿光是1064nm红外通过LBO晶体Ⅰ类非临界相位匹配（，）产生的，LBO晶体尺寸为3 x 3 x 10mm³。

混合532nm与1064nm，通过LBO晶体（3 x 3 x 10mm³）Ⅱ类相位匹配（，）和频产生355nm紫外。为了实现最大和频效率，该LBO晶体被放置在的透镜的焦点。倍频LBO晶体两个表面涂有对1064nm和532nm的增透薄膜。同样，和频LBO晶体两个表面也涂有对1064nm和532nm的增透膜。

1064纳米连续红外功率与脉冲红外功率曲线如图3所示：

图3 不同泵浦功率下1064nm连续红外与脉冲红外功率

连续红外的阈值泵浦功率为2.5 W。当泵浦功率为19W时，输出的1064nm功率为7.8W，转换效率为37.3%。40%的高输出率对连续光产生并不是最佳选择，因此阈值较高而效率较低。但它对调Q激光有很大好处，可以获得短的脉冲宽度和高的峰值功率。在同一泵浦功率下，准连续1064纳米的平均输出功率为5.03瓦，重复频率为20千赫，脉冲宽度为25纳秒，单脉冲能量为0.25 mJ，峰值功率为10kW。图4显示了不同泵浦功率下基于KTP、LBO和PPTL晶体的倍频输出功率：

图4 不同泵浦功率下KTP、LBO、PPLT对应的倍频功率

当入射泵功率为16W时，对于KTP、LBO和PPTL三种晶体，输出的532 nm绿光功率分别为2.03W、822mW和1.07W，倍频转换效率分别为47%、19%和23 %。最后，该SHG和THG基于LBO晶体的输出功率曲线如图5所示：

图5 LBO作用不同泵浦功率下的倍频、和频光功率

当泵功率为16W时，得到355nm最大平均输出功率为260毫瓦，和频转换效率为5.9%，经过一小时拷机，355nm输出功率波动低于1.7%。一个腔外三倍频紫外激光器通过Ⅰ类非临界相位匹配角度调谐的LBO是获得高效稳定的355 nm紫外光的有效途径。通过激光二极管端面泵浦Nd:YVO4激光器声光调Q产生准连续1064纳米红外。当泵浦功率为16W是，通过使用I类非临界相位匹配的LBO晶体产生822mW的倍频输出。355纳米的输出功率

通过Ⅱ型相位匹配LBO晶体产生的355nm紫外激光功率为260毫瓦，转换效率（1064 nm-355 nm）为5.9%，脉冲宽度为25 ns，脉冲重复频率为20千赫。经过一小时拷机，355纳米激光功率波动为7%。

双BBO晶体走离补偿产生266nm紫外

摘要：一个腔内倍频Nd:YAG激光器采用两个BBO晶体走离补偿装置通过532nm倍频光产生266nm紫外。从532 nm（CO3）灯是由腔内倍频Nd：YAG激光产生一倍。而这装置就转换效率而言是有效的，当2和4因两晶体之间的空气间隙造成相位差为时，通过第二块BBO晶体很容易发生4到2的反转。这里讨论的性能特点，特别提到第二个BBO晶体的角度带宽。

高功率紫外激光在材料加工上变得越来越重要，一个有前途的紫外光源可以通过晶体（BBO）从532nm（）获得266nm（）紫外。虽然BBO，可以由助熔剂法和提拉法生长，具有良好的属性，但有一个缺点是由大双折射率造成的大走离角，这限制了在频率变换时基波和谐波的相互作用长度。相互作用能增加，然而，走离补偿（WOC）包含两个BBO晶体，这些与它们各自的光轴对准的设备在交替的方向（见图1，C）。这样的走离补偿装置的效

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