脉冲LD泵浦电光调Q深紫外激光器

岱　钦，史瑞新，崔建丰，李　漫，李业秋，乌日娜，姚　俊

(1.沈阳理工大学 理学院，辽宁 沈阳　110159；2.吉林大学 口腔医学院，吉林 长春　130021；3.鞍山紫玉激光科技有限公司，辽宁 鞍山　114000)



脉冲LD泵浦电光调Q深紫外激光器

岱钦1*，史瑞新2，崔建丰3，李漫1，李业秋1，乌日娜1，姚俊1

(1.沈阳理工大学 理学院，辽宁 沈阳110159；2.吉林大学 口腔医学院，吉林 长春130021；3.鞍山紫玉激光科技有限公司，辽宁 鞍山114000)

研制了千赫兹213 nm深紫外全固态激光器。激光器采用脉冲LD侧面泵浦方式和电光调Q技术，实现了10瓦级基频光的稳定输出。利用多次倍频技术，实现了稳定的213 nm深紫外激光输出。当LD泵浦电流为80 A时，213 nm激光输出的最大平均功率达到了151 mW，激光器重复频率为1 kHz，激光脉冲宽度为10 ns，功率不稳定度为3%。同时，对激光在非线性晶体中的偏振匹配和不同重复频率条件下的激光器运转特性进行了分析。

深紫外；LD脉冲泵浦；全固态激光器

*Corresponding Author,E-mail:daiqin2003@126.com

1　引　　言

深紫外激光以其波长短、光子能量高、可聚焦能力强等优点，在精密加工和光刻、高密度数据存储、激光医疗、环境监测、高端LIBS测量等领域都有重要的难以替代的应用[1-9]。通常的深紫外获得方法有两种：一是采用准分子激光器直接激发，二是通过多次倍频。前者通常使用类似KrF之类的有毒气体，有一定的潜在危险性，同时光束质量一般比较差，而且造价昂贵；后者多为低重复频率如10 Hz的大能量脉冲激光器变频，虽然效率和出光能量尚可，但由于频率太低，很多应用无法满足。深紫外全固态激光器与其他激光器相比具有诸多优点，利用深紫外非线性光学频率变换获得深紫外尤其是千赫兹量级重复频率的深紫外相干光源已成为当前一个研究热点[10]。苏艳丽等[11]采用声光调Q激光二极管抽运Nd∶YVO4晶体腔外五倍频213 nm全固态激光器，在10.3 W抽运功率下，获得了平均输出功率为3.1 mW的深紫外激光输出。Gagn等[12]报道了脉冲能量为10 J、脉冲宽度为7 ns、重复频率在0.1～30 kHz可调的五倍频213 nm激光器，最大输出平均功率为130 mW，用于制作光纤布拉格光栅。Wang等[13]利用Ⅰ类相位匹配CLBO晶体对10 kHz的120 W绿光激光倍频，获得了28.4 W的266 nm激光激光输出。Liu等[14]利用Ⅰ类相位匹配的BBO晶体，在重复频率为100 kHz时得到了14.8 W的266 nm激光输出，从绿光到UV转换效率为18.3%，在重复频率150 kHz时得到了11.5 W紫外激光输出。Zhu等[15]通过LD侧面泵浦Nd∶YAG/Cr4+∶YAG/YAG复合晶体，在泵浦功率为115.1 W时，获得了重复频率为12.5 kHz、脉冲宽度为60 ns、平均功率为1.27 W的266 nm激光输出。

本文采用脉冲LD侧面泵浦方式、电光调Q技术实现了高光束质量的基频光输出。利用腔外BBO五倍频技术，当LD泵浦电流80 A时，213 nm激光输出最大平均功率达到了151 mW，激光重复频率为1 kHz，脉冲宽度为10 ns，功率不稳定度为3%。

2　实验装置

所研制的激光器结构如图1所示。激光器采用脉冲LD侧面泵浦方式，采用15个BAR(美国CEO公司提供)均匀三角侧面泵浦，单个BAR功率为80 W，满负荷电流为100 A。LD泵浦通过调制脉冲电源来驱动，脉冲宽度为100 μs，重复频率为10～1 000 Hz可调。Nd∶YAG尺寸为φ2 mm×80 mm，增益介质的掺杂摩尔分数为0.9%。激光模块采用循环水冷却方式，设置温度为26 ℃。激光器采用电光Q开关(由Crystech公司提供)，驱动通过同步机与脉冲LD电源相连接，Q延时设置为110 μs。KTP晶体采用Ⅱ类相位匹配，两面镀1 064 nm和532 nm增透膜。四倍频BBO晶体采用Ⅰ类相位匹配，晶体输入面镀1 064 nm和532 nm增透膜，输出面镀266 nm增透膜。五倍频BBO晶体采用Ⅰ类相位匹配，晶体输入面镀1 064 nm和266 nm增透膜，输出面镀213 nm增透膜。KTP和2个BBO的尺寸均为5 mm×5 mm×7 mm，采用TEC冷却方式。为了减小走离角对激光输出的影响,3个非线性晶体尽量靠近放置。图2为213 nm深紫外激光各谐波偏振匹配关系。

图1213 nm深紫外全固态激光器结构示意图

Fig.1Schematic diagram of 213 nm solid-state lasers

图2213 nm深紫外激光各谐波偏振匹配图

Fig.2Polarization of each harmonic in fifth harmonic generation

为得到较好的光束质量，谐振腔采用平行平面腔结构，输出镜透过率为70%，腔长约为350 mm。激光器光路中插入λ/2波片，调整激光束在非线性晶体中的偏振匹配。实验中，尽量压缩光束发散角，以获得213 nm激光较高的能量输出。

3　结果与讨论

实验中适当调节激光光路和系统的偏振状态，使整个系统处于最佳匹配。实验测量了激光器在500 Hz和1 kHz重复频率下的输出参量。在实验装置中，脉冲LD泵浦电流调至80 A。当泵浦脉冲频率为500 Hz时，1 064 nm激光输出平均功率为6.8 W，532 nm激光输出平均功率为4.7 W；当泵浦脉冲频率为1 kHz时，1 064 nm激光输出平均功率为13.1 W，532 nm激光输出平均功率为8.3 W。

四倍频266 nm激光平均功率随泵浦电流的变化曲线如图3所示，实验测量激光功率计为PM150-50 型激光功率计(Coherent公司)。从图中可以看出，当激光器重复频率为500 Hz时，266 nm激光输出最大平均功率为1.13 W；当激光器重复频率为1 kHz时，266 nm激光输出最大平均功率达到了1.6 W。

图3　266 nm激光平均功率随泵浦电流的变化曲线

Fig.3266 nm laser output power varies with pump current

五倍频213 nm激光平均功率随泵浦电流的变化曲线如图4所示。可以看出，当激光器重复频率为500 Hz、泵浦电流为80 A时，213 nm激光输出最大平均功率为119 mW；当重复频率为1 kHz、泵浦电流为80 A时，213 nm激光输出最大平均功率达到了151 mW，激光阈值在41 A左右。

当泵浦功率继续增加时，基频光和二倍频光功率也随之增大。但是由于基频光光束质量的恶化以及非线性转换过程中的走离效应，激光器将产生退偏效应，激光光束质量变差，影响了213 nm激光的输出效率，这种情况在1 kHz频率下尤为明显。

图4　213 nm激光平均功率随泵浦电流的变化曲线

我们采用DET10A型探测器(THORLABS公司)和TDS3032存储示波器(TeKtronix公司)测量213 nm激光脉冲脉宽，测量得到的激光脉冲波形如图5所示。在1 kHz重复频率、最大输出功率为151 mW时，213 nm激光的脉冲宽度约为10 ns，对应的激光单脉冲能量为151 μJ，峰值功率为15 kW。

图5激光器输出脉冲宽度波形

Fig.5Profile of laser pulse

在1 kHz重复频率下，213 nm激光的光斑照片如图6所示，输出镜附近的激光光斑尺寸为3 mm。BBO晶体的走离效应对远场光斑有一定的影响。我们测试了激光器在70 mW左右连续4 h输出的稳定性，功率不稳定度为3%。

图6　213 nm激光远场光斑

4　结　　论

采用脉冲LD侧面泵浦方式、电光调Q技术实现了高光束质量的基频光输出。利用腔外BBO五倍频技术，实现了千赫兹重复频率的213 nm深紫外全固态激光器。实验测量并分析了不同重复频率下的紫外激光运转特性。当激光器重复频率为1 kHz、泵浦电流为80 A时，213 nm激光输出最大平均功率达到了151 mW，激光阈值约为41 A，激光脉冲宽度为10 ns，功率不稳定度为3%。

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岱钦(1977-)，男，内蒙古通辽人，博士，教授，2007年于中科院长春光机所获得博士学位，主要从事固体激光技术方面的研究。

E-mail:daiqin2003@126.com

Pulse LD Pumped EO-Q Switched DUV Laser

DAI Qin1*,SHI Rui-xin2,CUI Jian-feng3,LI Man1,LI Ye-qiu1,WU Ri-na1,YAO Jun1

(1.School of Science,Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2.School and Hospital of Stomatology,Jilin University,Changchun 130021,China;3.Anshan ZY Laser Technology Co.,Ltd.,Anshan 114000,China)

A kHz 213 nm DUV solid-state-laser was developed adopting LD side-pumping configuration and electro-optical Q-switched techniques.A fundamental frequency radiation with the output power of 10 W was presented.The laser system could operate stably at the wavelength of 213 nm using multiple frequency techniques.When the pumping current of LD is 80 A,the maximum average output power of 213 nm beam arrives at 151 mW with the repetition rate of 1 kHz,the pulse width of 10 ns,and the power instability of 3%.Then,the polarization matching of the laser beam in the nonlinear crystal was analyzed.Furthermore,the operation properties of the laser system were studied detailedly under different repetition rates.

deep ultraviolet laser; pulse LD pump; solid-state laser

1000-7032(2016)04-0463-04

2015-12-04；

2016-01-11

国家自然科学基金(61378042)；辽宁省高校杰出青年学者成长计划(LJQ2015093)；辽宁省科技计划(2014220040)；沈阳市科技计划(F16-210-6-00)；沈阳理工大学激光与光信息辽宁省重点实验室开放基金资助项目

TN248.1

A

10.3788/fgxb20163704.0463