摘 要

本文基于倍频和频技术，利用LD泵浦，被动调Q方式的Nd：YAG激光器，通过腔内KTP晶体SHG和腔外LBO晶体SFG，成功获取了355nm紫外光。紫光激光在半导体芯片制造、信息检测、激光打标等领域有重要应用。

本文主要研究了基频光功率，晶体长度等因素对和频效率影响与参与和频的532nm激光与1064nm激光光强比例α对混频输出355nm紫光功率及和频效率的影响，且简要叙述了KTP、LBO晶体位置，方位对和频的影响。

研究结果表明：保持1064nm光强不变情况下，随着α增大，混频输出光强增大，且非线性晶体晶长L跟非线性系数的平方与和频输出光强成正比。

本文的特色：介绍了YAG固态激光器及紫外激光技术的发展与应用，接着从三波耦合方程出发对倍频和频的非线性变换过程进行分析并理论计算了和频光功率。利用腔内KTP晶体第一类相位匹配方式倍频，腔外LBO晶体第二类相位匹配方式和频成功获得了532nm绿光与355nm紫外光。在泵浦电流2A时，获得功率104.3mw 的1064nm基频光和功率1.2mw的532nm绿光。且成功利用紫外探头得到紫光波形。

关键词：高强度激光 非线性光学晶体 激光和频 和频效率

Abstract

In this paper, based on frequency-doubling and frequency technique, LD-pumped and passively Q-switched Nd:YAG lasers are used to obtain 355nm UV light through intracavity KTP crystal SHG and extracavity LBO crystal SFG. Violet laser has important applications in semiconductor chip manufacturing, information detection, laser marking and other fields.

In this paper, the effects of the fundamental frequency optical power, crystal length and other factors on the sum frequency efficiency, and the frequency and frequency of 532 nm laser and 1064 nm laser intensity α on the mixed output 355 nm violet power and sum frequency efficiency are briefly described. KTP, LBO crystal position, azimuth vs. sum frequency.

The results show that with the constant light intensity of 1064nm, with the increase of α, the output intensity of the mixed frequency increases, and the nonlinear crystal length L, the square of the nonlinear coefficient and the sum-frequency output light intensity are proportional to each other.

The characteristics of this paper: The development and application of YAG solid-state laser and ultraviolet laser technology are introduced. Then the nonlinear conversion process of frequency-doubling and frequency is analyzed from the three-wave coupling equation and the sum-frequency optical power is theoretically calculated. By using the first-order phase matching method of the cavity KTP crystal in the cavity frequency multiplication, and the second-stage phase matching method and frequency of the extracavity LBO crystal successfully obtained 532nm green light and 355nm ultraviolet light. At a pump current of 2A, 1064 nm baseband light with a power of 104.3 mw and 532 nm green light with a power of 1.2 mw were obtained. The UV probe was successfully used to obtain the violet waveform.

Keywords：High-intensity laser，Nonlinear optical crystals，Sum frequency，SHG efficiency

目录

第1章 绪论 1

1.1固体YAG激光器的发展与应用 1

1.2紫外激光技术应用 2

1.3紫外激光国内外研究进展 3

1.4本论文研究内容 4

第2章 获取355nm紫外激光理论基础 5

2.1倍频、和频理论 5

2.1.1非线性光学过程理论与应用 5

2.1.2倍频、和频理论分析 6

3.1.3相位匹配的考虑 8

2.1.4 KTP、LBO晶体的特性 10

2.2和频光特性分析 11

2.2.1和频光光强计算 11

2.2.2基频光倍频光比例对和频效率影响 13

2.2.3晶体长度对和频效率的影响 15

第3章 355nm紫外激光实验 17

3.1获取355nm紫光实验方案 17

3.1.1激光工作物质 17

3.1.2半导体激光端面泵浦 18

3.1.3饱和吸收调Q 18

3.1.4倍频和频方式选取 18

3.2实验装置 18

3.2.1激光光路调节 19

3.3 GCS-DSPL激光和频实验 20

3.3.1基频光和倍频光特性 20

3.3.2和频光观测 23

3.4 WGL-3激光和频实验 25

第4章 全文总结 27

参考文献 29

致谢 30

第1章 绪论

1.1固体YAG激光器的发展与应用

世界上第一台激光器（红宝石激光器），是梅曼在1960年位于美国加州的休斯实验室研制出来的^[1]，在此之后，激光原理与技术、激光通信、激光加工以激光对物质材料的影响等方面的研究日新月异。激光已经渗透到当代科学领域的各个学科，目前已经研制出的激光器根据工作介质的不同可分为固体激光器、半导体激光器、液体激光器以及光钎激光器。激光这种被誉为上个世纪的四大发明之一的新型技术极大地推动了自然科学以及社会的进步发展。特别是在上世纪八十年代的中后期，随着各种新型非线性光学材料和激光增益介质的研发成功、非线性频率变换技术飞速发展、以及半导体激光二级管的问世，使得以LD（半导体二极管）泵浦的固体激光器得到快速发展。跟传统的气体、液体激光器相比，LD泵浦固态激光器具备很多特有的优势。比如：体积小（体积缩小将近10倍）、效率高（能量转换效率可升至二十倍）、覆盖波段广（从深紫外至红外）、工作方式多种多样（可工作在调Q、锁模、连续与脉冲方式下）、长寿命（使用寿命可提高上百倍）、频率稳定、坚固耐用、光束质量好等。由于固体激光器具有以上优良性质，在激光器市场愈加受宠，市场需求十分巨大。

下面介绍下YAG激光器的发展历程：

1964年，相关科研人员在位于美国的MIT凌肯实验室率先研制出首台运用半导体二极管泵浦的全固态激光器^[2]，该激光器由于冷却条件过于苛刻，工作稳定性得不到保障。

1968年在美国麦道宇航公司诞生了第一台用GaAs LD泵浦的Nd:YAG激光器^[3]。在LD冷却到170K时，该Nd:YAG激光器的发射波长与Nd:YAG晶体的吸收峰相匹配。

1972年，在Danielmeyer与Ostermaye的努力下，在常温状态下可正常运转的全固态激光器研制成功。至此，探索新的可利用于LD泵浦的固态增益介质成为了固态激光器的研究热点。在上世纪九十年代，随着快速发展的LD技术，在巨大的市场需求与应用前景的刺激下，全固态激光器取得了重大的发展。

1992年，Kasinsk通过多次试验，在LD侧面泵浦条件下首次实现了输出能量高达1焦耳的激光脉冲，意味着固体激光器向着高功率进军。次年，又有报道宣称利用水冷技术研制出了输出功率上千瓦的Nd:YAG激光器。

1997年之后，从瓦级到千瓦级别的全固态激光器在美国，德国与日本实现了大规模的产业化。在本世纪初，全固态激光器的输出功率朝着十万瓦、百万瓦量级进军。

目前YAG固体激光器的工作物质种类繁多，在钇铝石榴石基质晶体中掺入不同离子

可构成不同的工作物质^[4]。本次实验所用Nd:YAG激光器被广泛的应用于各种学科与技术领域，包括激光加工、激光全息技术、光谱分析、量子光学、激光可控核聚变等高新技术领域。

1.2紫外激光技术应用

近年来，欧美发达国家及其地区，尤其是美国，德国对全固态紫外激光机的开发与应用给予了高度重视。国内也给予全固态紫外激光器的前沿发展和相关实际应用越来越多的关注。紫外激光在诸如半导体产业高新科技加工处理、高密度信息存储和生物医学领域都发挥着巨大作用

紫外激光与我们的生活息息相关，比如智能手机中最重要的SOC芯片，就需要深紫外光刻机来制造，紫外激光在对物质材料的精密加工处理方面有着极大的作用。根据物理光学理论，光是电磁波具有衍射现象，光的衍射现象的存在决定了光分辨率的有限性，又因为光的波长越长，分辨率越低。因此紫外激光相比于近红外以及可见光有着更高的分辨率，也即更小的聚焦光斑尺寸，可加工更小的零部件。同时，由于紫外光子的频率较高，具有较高的光子能量，高能光子可以对入射区域物质的化学键产生影响使其断裂，从而达到刻蚀的目的。由于高能光子是直接使目标区域物质材料化学键断裂，该过程中不会对目标区域周边材料造成影响，是冷处理过程。与之相比，传统的可见光或近红外光用于加工时，由于光子的能量不够高，不能直接断裂材料化学键，而是通过聚焦加热来处理目标区域材料，会对目标区域周边材料产生较大影响，尤其是对于导热性良好的材料，甚至会对周边区域产生严重破坏。正是由于紫外光同时具有优良的聚焦性能以及微乎其微的热影响区域的优点，因此许多可见激光与近红外激光不能加工的材料都可以利用紫外激光进行加工处理^[5]。例如在生产制备高精度的衍射光栅这种需要高精度，微小热影响区域的光学设备时，就需要利用紫外激光。

同理，在高密度信息存储领域也是大规模运用紫外激光。比如生活中常见的光盘，便是运用紫外激光雕刻。紫外激光的高分辨率可以在相同的面积内存储更多的信息，355nm、266nm以及深紫外激光在如今的超高密存储器中有着重要的应用。近年来紫光可控技术的进步与成熟，使其在生物医学尤其是外科手术上也占据一席之地。例如在眼科手术这种需要高精度与高安全性的外科手术中，对软组织进行切割，就需要紫外激光。现如今，由于智能手机的发展，近视人群也逐渐增加，紫外光在近视，散光、角膜疾病等眼科疾病的手术治疗上有着重要应用。同时由于不同结构的蛋白质具有不同的光学性质，利用紫外光谱仪可以对蛋白质进行鉴定，用于鉴别蛋白质是否变性。

由上可知，紫外激光在多种场合都有巨大的应用范围。紫外激光技术经过几十年来的迅猛发展，已经成为精密微加工、高密度信息存储器件制作的必备光源，在蒸蒸日上的半导体产业上也占据重要地位。在激光医疗切割、物质光谱分析、紫外激光标记^[6]等电子工业微加工、医疗器械等领域被广泛的应用并且有着日益增加的巨大市场。

1.3紫外激光国内外研究进展

美国、德国、日本等发达国家和地区因为对紫外激光技术研发起步较早，其发展水平较高且较成熟。在激光技术领域，欧美日各国诸如“激光核聚变计划”、“激光研究五年计划”、“光学促进计划”等相关项目极大的推动了整个激光产业的发展。

1997年，在CLEO会议上报道了频率6KHZ的8.8W 355nm紫外激光器^[7]。

2001年，美国光谱物理公司实现了最高功率为8W，重复频率在10kHz至100kHz可调频的355nm紫外激光的工业化生产应用^[8]。次年，相关研究人员利用新型YCBO晶体实现了124mw，重复频率20khz的355nm紫外光输出。

2004年,photonics公司生产出可输出功率可高达25W的紫外光输出^[9]。

2006年Coherent公司利用端面抽运结构产生1064nm的基频光，再将基频光通过LBO倍频晶体与LBO和频晶体，得到了在高达100kHz重复频率下的36W355nm紫外光输出^[10]。

2009年，相干公司利用腔内倍频的半导体泵浦调Q方式，获得重复频率8kHz，平均功率160W，光束质量=18与=16的355nm紫外光输出。

2011年，Y.F.Chen等科研人员又获得了转换效率分别为28.1%和35.6%的3.1W 和 2.45W355nm紫外光输出。次年，C.Jung等科研人员通过技术创新，利用Heist空间走离补偿技术使得355nm紫光输出功率提高接近两倍。

2013年，Peng Zhu等科研人员通过对MOPA结构产生的1064nm的基频光进行多级放大，利用LBO I类角度相位匹配墙外倍频和II类角度相位匹配腔外和频^[11]，得到了重复频率高达1MkHz，39.1W，光束质量小于1.1的355nm紫外光输出。

2014年，Kai Li又通过第一温度相位匹配LBO腔外倍频与第一类角度相位匹配LCB晶体腔外和频，得到了重复频率高达80MkHz，5.3W，光束质量小于1.5的紫光输出。

总体来看，我国在紫外激光技术方面依然距离发达国家有很大差距，国内紫外激光的平均功率与国外相比较较低，且三倍频效率比国外低将近一半。但是在我国在实用化深紫外激光技术处于国际领先状态，近年来，我国在深紫外光补偿以及非线性调制控制方面取得重大成果，多达八种的全新深紫外固态光源被发明应用。

1.4本论文研究内容

本文研究课题是混频355nm紫外光获取方法与特性分析。

论文主要工作见下：

（1）介绍YAG固态激光器与紫外光技术发展应用；

（2）对获取355nm紫光理论基础进行介绍，内容包括倍频和频理论分析，晶体内部相位匹配分析以及本次实验所用KTP、LBO晶体的特性介绍。对和频功率进行了理论计算，且给出了影响SHG过程的原因，提出了提高SFG效率的方法。

（3）设计实验装置，选取合适的激光工作物质、泵浦方式、调Q方式以及倍频和频方式。在较高输出激光功率密度、非线性晶体与激光共轴并满足相位匹配条件时获得355nm和频光并对输出355nm光束进行特性分析，探讨KTP、LBO晶体放置方位与角度、1064nm与532nm光波比例对输出355nm紫光影响，重点观测和频前后基频光、倍频光与和频光的特性变化。

第2章 获取355nm紫外激光理论基础

在当下，355nm光波的获取通常是利用1064nm光波通过SHG效应得到532nm光波，再将SHG过程中残留的1064nm光波与产生的532nm光波通过SFG效应和频输出355nm紫光。因此倍频和频过程、倍频和频晶体选取是至关重要的，本章先主要介绍了倍频、和频理论，通过推导非线性频率的转换公式可以知道诸如晶体长度、晶体非线性系数、基频光光束质量等因素对倍频、和频转换效率的影响。并且分析探讨了和频过程中的相位匹配条件，同时，本章还介绍了常用的倍频晶体KTP和和频晶体LBO的相关性质。在本章最后，对基频光与倍频光的比例对355nm和频光的影响进行了理论分析。

2.1倍频、和频理论

2.1.1非线性光学过程理论与应用

根据光的电磁学理论，光波实际是由电场和磁场相互激发而来，含有电场分量，因此光射入晶体时，会有电极化现象。光与物质之间有两个具体的相互作用过程，一个是物质在光场作用下诱发的响应过程，另一过程则是物质的响应最为子辐射源，对外产生辐射。晶体的电极化效应又可分为两种情况：一种是线性光学效应，当光场强度远小于晶体内部粒子的平均场强，此时光场仅能引起晶体内部的线性响应，即晶体内部极化程度跟光场强度成正比，会随着光场强度的增大而线性的增大， 比如日常生活中常见的光的反射、折射、衍射、双折射等现象便属于线性光学效应^[12]。但是激光器的发现让人们可根据需要产生高功率密度的激光，此时人们发现当光场强度足够大，与晶体内部原子的场强大小可比拟或者比内部场强更大时，会有不同与线性响应的异常现象，即非线性效应。此时晶体中的电极化强度P可表示为：

（2.1）

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