腔内倍频准连续紫外激光器的设计及实现

谈蕊，钟小明

（1.河南省洛阳市电光设备研究所，洛阳　471003；2.中国人民解放军63880部队，洛阳　471003）



腔内倍频准连续紫外激光器的设计及实现

谈蕊1，钟小明2

（1.河南省洛阳市电光设备研究所，洛阳471003；2.中国人民解放军63880部队，洛阳471003）

摘要：准连续紫外激光器在精密材料微加工、紫外固化、光刻蚀等领域有广泛的应用，目前，国内高功率准连续紫外激光器的研制尚处于起步阶段，在激光功率稳定、光束质量等方面存在挑战。设计了一套基于腔内倍频的准连续紫外激光器，以808nm半导体泵浦Nd：YVO4晶体LBO紫外激光器，实现了波长为355nm的25～50kHz准连续紫外激光输出，激光器最高功率达3.48W，热效应得到了有效控制，光束质量较好。该研究结果将助于紫外高功率准连续激光器的商业化开发及应用。

关键词：准连续紫外激光器；高功率；腔内倍频

自20世纪90年代以来，大功率半导体二极管激光器的迅猛发展，推动了激光二极管泵浦的全固态激光器（Diode Pumped Solid State Laser，DPSSL）进步，是当今激光器领域的研究热点之一［1-3］。半导体激光二极管泵浦准连续紫外激光器具有光束质量好、功率稳定性好、可靠性高、使用方便、体积小等诸多优点，在精密材料微加工、紫外固化、光刻等领域应用广泛［4-6］，需求量日益增大，商业前景广阔，受到越来越多的关注。但是国内的准连续紫外激光器一般平均功率较小，且功率的稳定性以及光束质量还有待进一步的改进，缺乏可用于工业加工的稳定商用高功率紫外激光器，国内的苏州德龙激光有限公司赵裕兴［7］发明的半导体二极管泵浦高功率紫外激光器具有高的输出能量，但是设计中的结构复杂，四个非球面透镜大大增加了成本和装调的难度，本文的高功率准连续紫外激光器研制，对缩短国内外的技术差距具有重要的现实意义。

1　激光器设计

采用808nm半导体激光二极管（光纤耦合）单端泵浦激光晶体方式，基于腔内倍频技术，实现1064nm基频光到532nm倍频光转换，再通过1064nm基频光与532nm倍频光的和频得到355nm紫外激光。激光腔内具有较大的模体积，同时倍频晶体处具有较小的光斑，显著提高了倍频转换效率。利用非球面光学耦合系统，保证了激光晶体处泵浦光与晶体处振荡激光达到很好的模匹配，提高了基频光转换效率。三倍频晶体采用布儒斯特角切割，明显降低偏振模耦合损耗。另外，此方法对非线性晶体的镀膜要求较低，在同样晶体及镀膜条件下，采用腔内倍频方式的激光器工作寿命长，激光输出功率稳定、转换效率高、光束质量好。

图1　激光器设计原理图1.非球面透镜，2.前端镜，3.Nd：YVO4，4.声光Q开关，5.全反镜，6.三倍频晶体，7.二倍频晶体，8.后腔镜）

图1为激光器设计原理图，泵浦源采用功率为30W的808nm半导体激光二极管，通过芯径为400μm，数值孔径为0.22的光纤耦合到接头1上。晶体3是掺杂浓度为0.3%的Nd：YVO4的晶体，1064nm激光的偏振方向为横向。二倍频晶体7为I类匹配的LBO晶体，尺寸为3*3*10mm，三倍频晶体为II类匹配的LBO晶体，尺寸为3*3*19.05mm，二倍频晶体7和三倍频晶体6都采用TEC严格控温。

DPSSL运转时激光晶体会产生热透镜效应，主要是因为激光晶体因吸收泵浦光能量发热，散热过程中激光介质内会一定程度的形成温度梯度分布，其对腔内激光的影响效果与有焦距的透镜产生效果相当。表现为：受泵浦光影响，晶体温度的径向分布会使晶体的折射率、通光方向长度产生变化，使DPSSL整体性能受影响，特别是模式耦合的效率、腔模尺寸、输出光束的质量、谐振腔稳定性等。由于不同泵浦功率时激光晶体的热透镜效应不同，热透镜焦距也不同，但谐振腔结构是不变的，因此热透镜的焦距变化，必然会使谐振腔产生失稳现象。所以设计、优化激光谐振腔时，一定要把激光晶体热透镜的效应作为重点考虑。本文所研制的激光器充分考虑到热效应，通过理论分析后设计优化，很好地消除了热效应的影响。

在LD抽运下激光介质产生的等效凸透镜焦距的表达式：

式中，ω：泵浦光在介质中的半径，δ：激光介质内热损耗的功率占吸收功率的比例，Pin：抽运光的功率，dn/dT：介质折射率随温度变化率，a：激光介质对泵浦光吸收系数，l：介质的长度。泵浦光的光强是高斯分布时，ω可定义为：泵浦光在ω处强度是在轴心强度的1/e。当Nd：YVO4晶体的掺杂浓度为0.5%，Kc=0.054W/cm·K，dn/dT=（）4.7±0.6 ×10-6/K。由式（1）可以得出：当泵浦光的功率太大或泵浦光光斑半径太小都会使热焦距变短，因此与腔模相位匹配条件下大功率LD泵浦时，增大泵浦光的束腰半径，可以尽量消除热透镜效应。因此采用泵浦源功率为30W时，热焦距约为15cm左右。

如图1所示，采用单端泵浦方式泵浦激光晶体，其中半导体二极管输出808nm泵浦光，经过由两个非球面透镜构成的非球面光学耦合系统及透镜1耦合到激光晶体3内，产生的1064nm激光经过由三个平面镜（2，5，8）构成的谐振腔进行腔内振荡，并由Q开关4进行调制；调制的1064nm基频光两次经过二倍频晶体7，进行1064nm基频光到532nm倍频光的转换，未完成二次倍频转换的剩余1064nm基频光与532nm倍频光，经过三倍频晶体6进行和频，得到的355nm紫外激光从三倍频晶体布儒斯特角切割的一面输出；三倍频晶体的355nm激光出射面以布儒斯特角切割放置，可以减小偏振模耦合损耗。图2为实验装置图。

图2　实验装置图

2　激光输出特性测试

测试功率计为以色列OPHIR公司的NOVAII，探头型号30（150）-A-SV，激光输出时，LD模块温度是24.5℃，二倍频LBO晶体温度是48.5℃，三倍频LBO晶体温度是50℃。表1和表2分别表示输出紫外激光的脉宽和功率曲线表，可以看出紫外激光输出最高功率可达3.48W。

表1　紫外激光脉宽和频率表

表2　紫外激光输出功率与电流之间的关系

图3所示为激光输出的光斑测试图，可以看到光斑能量分布为典型的高斯分布。激光输出模式为TEM00模。成功实现了波长355nm的25～50kHz紫外准连续激光输出，最高功率可达3.48W，且很好地抑制了热效应，光束质量较好。

图3　光斑图

3　结论

腔内倍频准连续紫外激光器光腔内具有较大的模体积，同时倍频晶体处具有较小的光斑，提高了倍频转换效率。利用非球面光学耦合系统，保证泵浦激光与振荡激光达到很好的模匹配，提高基频光转换效率。三倍频晶体采用布儒斯特角切割，有利于降低偏振模耦合损耗。基于腔内倍频技术，利用腔内较高的光强实现非线性频率转换，通过倍频晶体的光斑尺寸不需要聚焦到非常小就可以获得比较高的光强，实现高的转换效率，可以大大减小晶体损坏的几率，而且此方法对非线性晶体的镀膜要求相当低，在同样晶体及镀膜条件下，激光器的工作寿命也较长，输出激光稳定性高。

参考文献

［1］刘喜斌，蒋胜意，贺鹏，等.DPSSL二极管泵浦固体激光器研究进展［J］.湖南理工学院学报：自然科学版，2014，27（2）：67-70.

［2］周寿桓，赵鸿，唐小军.高平均功率全固态激光器［J］.中国激光，2009，36（7）：1605-1618.

［3］崔锦江，檀慧明，王帆，等.大功率医用全固态561nm黄光激光器［J］.激光与光电子学进展，2012，49（1）：01140-1-011401-5.

［4］张志伟.薄片式Yb：YAG激光器及其应用［J］.强激光与粒子束，2005，17（B04）：11-14.

［5］张菲，曾晓雁，李祥友，等.355nm和1064nm全固态激光器刻蚀印刷线路板［J］.中国激光，2008，35（10）：1637-1643.

［6］凌磊，楼祺洪，叶震寰，等.紫外激光刻蚀多层线路板初步研究［J］.中国激光，2003，30（10）：953-955.

［7］赵裕兴，李立卫，吕楠楠.半导体二极管双端泵浦高功率波紫外激光器的设计方法［P］.中国专利：200810020724.7，2008-2-22.

Design and Implementation of Intracavity-frequency-doubling Quasi-CW Ultraviolet Laser

TAN Rui1，ZHONG Xiaoming2
（1.Institute of Luoyang Electronic-Optical Equipments，Luoyang 471003；2.Unit 63880 of PLA，Luoyang 471003）

Abstract：Quasi-CW ultraviolet laser has widely used in micromachinging，UV CURING and light etching. In our country，Development of continuous-high power ultraviolet laser is still in the starting stage at present，a challenge to Laser power stability and beam quality，etc.This paper designs a set of quasi-CW ultraviolet laser based on Intracavity Frequency Doubling，808nm Semiconductor Laser pumped Nd；YVO4Crystal Ultraviolet Laser with LBO Frequency Tripling，the output wavelength is 355nm within 25～50kHz and the peak power is 3.48W，effective control of thermal effect，laser beam quality is better. The research results would make for the commercialization and application of the quasi-CW ultraviolet laser.

Key words：Quasi-CW ultraviolet laser；high power；intracavity-frequency-doubling

中图分类号：TN248

文献标识码：A

文章编号：1672-9870（2016）02-0019-03

收稿日期：2015-09-20

作者简介：谈蕊（1983-），女，硕士，工程师，E-mail：trvzxm1213@163.com