紧凑型全固态266nm脉冲激光器

张 辰，高兰兰，邵志强

（长春理工大学理学院，吉林长春130022）

紧凑型全固态266nm脉冲激光器

张 辰，高兰兰，邵志强

（长春理工大学理学院，吉林长春130022）

报道了利用激光二极管端面抽运Nd∶YAG晶体，通过Cr4＋∶YAG晶体可饱和吸收被动调Q，KTP晶体腔外倍频及BBO晶体腔外四倍频，实现266 nm连续脉冲输出。简要分析了被动调Q基本原理，计算并模拟了1064 nm基频光在理想状态下Cr4＋∶YAG晶体不同初始透过率对脉冲激光单脉冲能量的影响。LD抽运功率为4.8 W时，得到266 nm紫外激光平均输出功率为5.63mW，单脉冲能量约为0.5μJ。在紧凑型毫瓦级266 nm激光器实用化方面取得了一定进展。

全固态；266 nm；被动调Q；脉冲；倍频

1 引 言

紫外波段激光器（Ultraviolet，UV），由于波长短，能量更集中，分辨率高，在工业零部件加工、微电子学、光谱分析及医疗等领域有着广泛的应用前景。特别是在工业加工领域，由于UV激光的短波长和高光子能量特点，其聚焦光斑可以更小，同时高能量UV光子直接破坏材料的分子键，加工的尺寸可以更小，加工的精度得到提高［1］。以355 nm和266 nm为代表的全固态UV激光在工业加工领域已经得到了广泛应用。

2006年，中国科学院物理研究所报道了采用CLBO晶体对平均功率120 W绿光激光器进行倍频，得到28.4W的266 nm UV激光［2］。2007年，中科院物理研究所耿爱丛等，做出了平均功率1.3W的实用化266 nm激光器［3］。2012年，赵书云等报道平均功率1.12W的实用化266 nm激光器［4］。

目前，国内外对实用化266 nm激光器的研究与报道仍集中在大功率LD或其列阵作泵浦源来实现紫外激光输出，而毫瓦级实用化LD泵浦266 nm激光器的研究与报道依然不多。

本文简要分析了被动调Q基本原理，并计算了理想状态下可饱和吸收晶体不同初始透过率对脉冲激光单脉冲能量的影响，采用最大功率5W单管LD端面泵浦Nd∶YAG晶体，Cr4＋∶YAG晶体被动调Q产生1064 nm脉冲激光，腔外倍频及四倍频的方式，产生平均功率为5.6 mW，单脉冲能量0.5μJ的266 nm脉冲激光。在毫瓦级、小功率、紧凑型、实用化激光器方面取得了一定进展。

2 理论分析

由激光原理知，基频光波到倍频光波的转化效率为：

式中，L为倍频晶体的长度；deff是倍频晶体的非线性有效系数；n1是基频光在倍频晶体中的折射率；n2是倍频光在倍频晶体中的折射率；c是真空中的光速；I1（0）为入射的基频光的光强；ω1为入射的基频光频率。由式（1）知，倍频转换效率正比于入射的基频光波的功率密度，基频光的功率密度越高，倍频转换效率也越高。因此，在腔外倍频全固态激光器中，我们可以通过腔内调Q的方式，获得峰值功率密度高、单脉冲能量高的基频光，从而提高倍频转换效率。对于脉冲激光，单脉冲能量越大，脉冲宽度越窄，则脉冲峰值功率越高，倍频转换效率越高［5－6］。

被动调Q激光器的动态特性可以通过相应的速率方程组来描述。根据被动调Q理论［7－9］，考虑可饱和吸收体ESA的被动调Q速率方程组可以写为：

式中，φ是谐振腔中的光子数密度；n是瞬间反转粒子数密度；ngs和nes分别是Cr4＋∶YAG晶体中基态和激发态的粒子数密度；σ是增益介质的受激发射截面；l1是增益介质的长度；ns0是Cr4＋∶YAG晶体内总的粒子数密度；c是真空中的光速；R是输出镜反射率，ls是可饱和吸收体的长度；γ是增益介质的反转简并因子（对Nd∶YAG晶体γ＝1）；tr＝2l2／c，是光在光程长为l2的谐振腔内往返的时间，σgs是可饱和吸收体的基态吸收截面；σes是Cr4＋∶YAG晶体的激发态吸收截面；τs是Cr4＋∶YAG晶体的激发态寿命；τ是增益介质的上能级寿命；Wp是泵浦速率；L是腔内耗散性损耗（设L＝0.05）。

泵浦开始时，腔内光子数很低，Cr4＋∶YAG粒子绝大多数处在基态，在Cr4＋∶YAG达到饱和之前，我们可以认为式（2）左边为0，同时，ngs＝ns0。则可得初始粒子数密度：

随着抽运继续，Cr4＋∶YAG晶体内处于基态的粒子数被激发到激发态，令ngs＝0，阈值反转粒子数密度nt为：

在调Q激光脉冲输出以后，腔内反转粒子数迅速减少到阈值反转粒子数以下，得到剩余反转粒子数密度nf：

从以上几式可以看出，对于被动调Q激光器，初始反转粒子数密度ni与抽运速率Wp无关［7］。被动调Q激光器输出脉冲能量、峰值功率、脉宽与Cr4＋∶YAG晶体初始透过率T0及输出镜反射率R有关，具体公式如下［8］：

式中，E为单脉冲能量；P为峰值功率；τp为单脉冲宽度；hν为振荡光子能量；A为光束在Cr4＋∶YAG中的有效截面积。

由上式可知，可通过求解ni、nt及nf，并根据工作物质，输出镜及Cr4＋∶YAG晶体的相关参数，模拟计算被动调Q激光器的输出峰值功率、脉冲能量和脉冲宽度。

表1、表2为数值模拟所用参数。表1为Cr4＋∶YAG晶体及本实验中所用到的Nd∶YAG晶体参数，表2为本实验中所用激光器参数，将其代入公式（9）～（11），可模拟激光器输出特性与Cr4＋∶YAG晶体初始透过率关系［11］。其中hν为1064 nm激光振荡光子能量。实验中我们所用的激光器等效谐振腔长约为16 mm左右，故激光在谐振腔内往返一周时间约为0.11 ns。在实验中我们所用的输出镜对1064 nm激光反射率为90%。

表1 Cr4＋∶YAG及Nd∶YAG晶体相关参数Tab.1 The parameters of Cr4＋∶YAG and Nd∶YAG

表2 本实验中所用激光器的参数Tab.2 The parameters of the laser used in this experiment

将表1参数代入公式，通过Matlab模拟，可以得出被动调Q激光器单脉冲能量及脉冲宽度与Cr4＋∶YAG晶体初始透过率关系，如图1和图2所示。计算得到Cr4＋∶YAG晶体初始透过率为76.1%时，1064 nm基频光单脉冲能量为52.7μJ，脉冲宽度为0.9 ns。

随着Cr4＋∶YAG晶体初始透过率的提高，脉冲激光单脉冲能量随之变小，脉冲宽度随之变宽。由于Cr4＋∶YAG初始透过率增加，谐振腔内损耗变小，致使激光器的阈值也相应变小。在同样的注入电流下，反转粒子数达到阈值所需的时间变短，调Q建立的时间变短了，所以调Q脉冲输出单脉冲能量也随之变小。而激光器阈值的减小，使工作物质中上能级粒子数密度减小，脉冲的时间和熄灭的过程需要的时间变长，输出的调Q脉冲宽度随之变宽。

图1 单脉冲能量与Cr4＋∶YAG晶体初始透过率关系Fig.1 Single pulse energy vs.initial transmission of Cr4＋∶YAG crystal

图2 脉冲宽度与Cr4＋∶YAG晶体初始透过率关系Fig.2 Pulse width vs.initial transmission of Cr4＋∶YAG crystal

3 实验装置

实验装置如图3所示。M1为凹面镜，曲率半径为50 mm，镀有808 nm高透和1064 nm高反射膜。M2为平面镜，镀有1064 nm部分反射膜，T＝10%。M1、M2构成1064 nm基频光谐振腔，两镜相距15 mm。LD最大输出功率为4.8 W，中心波长为808 nm。工作物质为Nd∶YAG晶体，尺寸为φ3 mm× 5mm，掺杂浓度为1.0%，两端镀有808 nm和1064 nm双增透膜。采用Cr4＋∶YAG晶体被动调Q。Cr4＋∶YAG晶体厚度为2mm，初始透过率为76.1%。

图3 实验装置图Fig.3 Schematic of experimental setup

试验中选用Ⅱ类临界相位匹配KTP晶体进行倍频，KTP晶体两面镀1064 nm和532 nm双增透膜，尺寸为2 mm×2 mm×9 mm，切割角θ＝90.0°，φ＝25.2°，此时有效非线性系数为3.58 pm／V，为了实现Ⅱ类临界相位匹配，KTP晶体光轴与水平成45°放置。采用BBO晶体作为四倍频晶体。BBO晶体双面镀1064 nm、532 nm和266 nm增透膜，其切割角θ＝44.7°。

实验中采用分光光栅M3进行分光，反射镜M4镀有266 nm高反射膜，及532 nm增透膜。由于系统经过调Q后可以达到较高的峰值功率，因此未采用额外的聚焦系统，这样使整个系统非常紧凑。装置中采用的晶体用铟箔包裹，放入铜槽并用TEC温控。

4 实验结果

在实验中，首先不放入KTP晶体与BBO晶体，M1与M2构成1064 nm激光谐振腔，LD泵浦功率4.8 W时，获得平均功率551 mW的1064 nm脉冲激光，此时重复频率为11.39 kHz，单脉冲能量约为48.4μJ，与理论计算值接近。而脉冲宽度约为10ns，是因为实际实验中工作物质中心的反转粒子数密度与边缘反转粒子数密度有差别，使得实际输出脉冲是由许多建立时间不同的脉冲叠加，所以造成与实际调Q脉冲建立时间有一定的差距，造成实际输出被动调Q脉冲宽度变大。

然后将KTP晶体直接放在M1、M2腔外，尽量接近M2位置，此时构成腔外倍频532 nm激光器的结构，获得532 nm绿光输出，LD抽运功率为4.8 W时，绿光平均功率为159.5 mW，脉冲宽度约为5 ns，单脉冲能量为14μJ。图4为532 nm激光平均功率随LD抽运功率变化曲线。

图4 532nm平均功率随LD抽运功率的变化曲线Fig.4 Output power at532 nm vs.LD power

然后将BBO晶体置于KTP晶体之后，尽量接近KTP晶体位置，得到266 nm紫外激光输出。当LD抽运功率为4.8 W，532 nm绿光平均功率159.5 mW时，输出的266 nm紫外激光平均功率为5.63 mW，单脉冲能量约为0.5μJ。图5为266 nm紫外激光平均功率随LD抽运功率变化曲线。

图5 266 nm激光平均功率随LD抽运功率的变化曲线Fig.5 Output power at266 nm vs.LD power

图6为266nm激光光斑，如图所示，266nm激光光斑成椭圆形，这是由BBO晶体走离效应所致。

图6 266 nm激光光斑图Fig.6 Spot shape of the 266 nm laser

5 结 论

通过分析被动调Q基本原理，计算并模拟了LD泵浦Nd∶YAG激光器在理想状态下脉冲1064 nm基频光在Cr4＋∶YAG不同初始透过率时的单脉冲能量，并与实验过程中得到的数据进行了对比，得到了相近的结果。

采用LD端面抽运Nd∶YAG晶体，利用Cr4＋∶YAG的可饱和吸收被动调Q，KTP晶体倍频，获得532 nm脉冲输出，再经BBO晶体四倍频，实现266 nm连续脉冲输出。在LD注入功率为4.8 W时得到266 nm紫外光的平均输出功率为5.63 mW，单脉冲能量为0.5μJ。实现了小功率全固态266 nm紫外激光器。

实验过本实验中不足之处在于由于实验条件限制，未采用初始透过率不同的被动调Q晶体进行对比实验，以继续提高激光单脉冲能量及峰值功率。

此激光器采用直型谐振腔设计，结构简单紧凑，调节容易，成本较低，在小功率266 nm紫外激光器实用化方面取得了一定的进展。

［1］ YU Jun，ZENG Zhijiang，ZHU Sangen et al.Research on advantages of UV laser in fine progressing technology［J］. Infrared，2008，29（6）：9－13.（in Chinese）俞君，曾智江，朱三根，等.紫外激光在微细加工技术中的优势研究［J］.红外，2008，29（6）：9－13.

［2］ LIU Qiang，YAN Xingpeng，CHEN Hailong，et al.New progress in high-power All-solid-state ultraviolet laser［J］.Chinese Journal of Laser，2010，37（9）：2289－2298.（in Chinese）柳强，闫兴鹏，陈海龙，等.高功率全固态紫外激光器研究新进展［J］.中国激光，2010，37（9）：2289－2298.

［3］ GENG Aicong，ZHANG Hongbo，WANG Guiling，et al. Practical All-solid-state 266 nm laser［J］.Jernal of Optoelectronics·Laser，2007，18（7）：767－769.（in Chinese）耿爱丛，张鸿博，王桂玲，等.实用化全固态266nm激光器的研究［J］.光电子·激光，2007，18（7）：767－769.

［4］ ZHAO Shuyun，XIAO Lei，WANG Xu，et al.Study on a practical 266nm ultraviolet laser［J］.Laser＆Infrared，2012，42（8）：883－886.（in Chinese）赵书云，肖磊，王旭，等.实用化266nm紫外激光器的研究［J］.激光与红外，2012，42（8）：883－886.

［5］ YAN Jixiang.Laser principle and technology［M］.Beijing：Higher Education Press，2004.（in Chinese）阎吉祥.激光原理与技术［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［6］ YAO Jianquan，XU Degang.All solid state laser and nonlinear optical frequency conversion technology［M］.Beijing：Science Press，2007.姚建铨，徐德刚.非线性光学频率变换及激光调谐技术［M］.北京：科学出版社，2007.

［7］ JDong.Numerical modeling of CW-pumped repetitively passively Q-switched Yb∶YAG lasers with Cr∶YAG as saturable absorber［J］.Optics Communications，2003，226：337－344.

［8］ John JDegnan.Theory of the optimally coupled Q-switched laser［J］.JEEE Journal of Quantum Electronics，1989，25（2）：214－220.

［9］ Koechner W.Solid-state laser engineering［M］.Beijing：Science Press，2002.（in Chinese）W克希耐尔.固体激光工程［M］.北京：科学出版社，2002.

［10］Y FChen，Y P Lan，H L Chang.Analyticalmodel for design criteria of passively Q-switched lasers［J］.JEEE Journal of Quantum Electronics，2001，37（3）：462－468.

［11］XU Tao.The characteristics of LD Side-pulse pumping Nd∶YAG passive Q-switch laser［D］.Changchun：Changchun University of Science and Technology，2012.许韬.LD侧面脉冲抽运Nd∶YAG被动调Q激光特性研究［D］.长春：长春理工大学，2012.

Com pact all-solid-state 266 nm pulse laser

ZHANG Chen，GAO Lan-lan，SHAO Zhi-qiang
（College of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China）

266 nm ultraviolet pulse laser is achieved by KTP crystal extra-cavity frequency doubling and BBO crystal extra-cavity frequency quadrupling of a laser in Nd∶YAG end-pumped by LD and passively Q-switched by Cr4＋∶YAG.The basic principle of passively Q-switched is analyzed，and the influence of the initial transmission of the Cr4＋∶YAG on single pulse energy of the 1064nm laser under the ideal condition is calculated and simulated.When the pump power is 4.8W，the output power of 5.63mW and single pulse energy of 0.5μJ at 266 nm laser is obtained.Certain progress of practicability of compactmilliwatt levels 266nm laser has been made.

all-solid-state；266 nm；passively Q-switched；pulse； frequency doubling

TN248.1

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.05.004

1001-5078（2014）05-0491-05

长春市科技局项目（No.2011101）；汽车仿真与控制国家重点实验室开放基金（No.20111108）资助。

张 辰（1988－），男，硕士研究生，主要从事全固态激光技术及非线性频率变换技术等方面的研究。E-mail：zc_ark＠163.com

2013-09-24