高能量高转换效率355 nm紫外激光器

崔建丰， 李福玖， 邬小娇， 岱 钦， 李业秋， 张 鹏， 张善春

(1. 沈阳理工大学 理学院， 辽宁 沈阳 110159； 2. 鞍山紫玉激光科技有限公司灯泵实验室， 辽宁 鞍山 114044)

1 引 言

紫外波段激光相较于红外波段激光，有着波长短、分辨率高、单光子能量大等优点，在工业、军事、科研等领域有着广阔的发展前景。相较于早期利用繁杂笨重的准分子激光器或氮气激光器得到紫外波段激光而言，通过固体激光器和频得到的355 nm紫外光具有更高的稳定性、可靠性及便捷性，但目前通过1 064 nm和频得到355 nm激光的和频效率不及50%[1]。2011年，Huang等将TEM50和TEM00模的355 nm紫外光的转换效率分别做到了35.6%和28.1%[2]。2013年，Zhu等将1 064 nm到355 nm的转换效率做到了46%[3]。在氙灯泵浦Nd∶YAG激光器领域，其转换效率也不高[4]。转换效率大小在一定程度上限制了其实用价值，所以，得到更高倍频效率的355 nm激光器具有重要的意义。

本文研究了灯泵电光调Q脉冲激光器的三倍频效率，工作物质为Nd∶YAG晶体，谐振腔输出镜选用高斯镜来获得较高的基频光束质量，利用LBO晶体进行腔外二倍频与三倍频。从理论和实验两方面分析了二倍频输出特性等对三倍频效率的影响，最终获得重复频率10 Hz、单脉冲能量608 mJ的355 nm紫外光，倍频转换效率达60%。

2 实验原理及装置

2.1 三倍频原理及其效率

关于355 nm激光的转换效率最高时532 nm的最佳转换效率应为多少的问题，不同的文献[5-6]得出的结论也不尽相同。用1 064 nm的基频光进行三倍频得到355 nm的过程中，一个355 nm的光子需要一个1064 nm的光子和一个532 nm的光子合成，而一个532 nm的光子需要2个1 064 nm的光子得到，所以要得到一个355 nm的光子，需要3个1 064 nm的光子，其中有2个光子变成一个532 nm的光子，简单地看，三倍频效率最佳时的二倍频效率应为66.7%，但是，转换效率的高低并不是只看光子数的配比，还由其他因素决定。

光在介质中的传播过程就是光与物质相互作用的过程，分为介质对光的响应过程和介质的辐射过程[7-8]、非线性光学现象是高阶极化的现象[9]，把非线性光学效应看作介电材料内部电荷受电场感应重新分布而产生电极化来研究，得到其耦合波方程：

(1)

式中，A1、A2、A3分别为3种光波的振幅，ω为各光波的频率，deff为有效非线性系数，Δk为相位匹配系数，n为各光波的折射率，c为光速。小信号的情况下，可以假设基波是一个常数，那么可以忽略前两个方程，对第三个方程进行积分，可得三倍频光的振幅为：

(2)

式中，L为晶体长度，根据功率密度I与振幅之间的关系：

(3)

式中，ε0为真空中的介电常数，可将得到的三倍频光量用功率密度表示为：

(4)

式中，λ为各光波的波长。这里我们要讨论的是二倍频的效率对三倍频效率的影响，所以我们只讨论I1、I2对功率密度I3的影响，把其他的变量当成一个常量a，于是设：

(5)

所以，(4)式可简化为：

I3=aI1I2，

(6)

由于二倍频光是由基频光倍频而来，所以剩余的基频光功率密度I1与由基频光二倍频得到的二倍频光功率密度I2之和为基频光倍频前的功率密度且为定值I，即I=I1+I2，所以和频效率η表示为：

(7)

通过计算，当I2=I/2时，其三倍频转换效率取得最大值，即当二倍频的转换效率为50%时，其三倍频的转换效率达到最高。

2.2 倍频晶体的选择及匹配方式设计

相较于其他倍频晶体，LBO晶体具有很高的损伤阈值，其损伤阈值的能量密度为24.6 J/cm2，功率密度为18.9 GW/cm2，要比KTP、BBO和KD*P等晶体的损伤阈值强很多。本研究的激光为高能量、高峰值功率的355 nm强脉冲紫外光，由于紫外光的单光子能量较大，破坏力较强，这对于晶体损伤阈值的要求较为苛刻。所以本研究的倍频晶体采用LBO晶体。

图1是实验光束匹配方案示意图。由于本研究用到的1 064 nm基频光为线偏振光，所以采用的是Ⅰ类相位匹配LBO晶体作为二倍频，垂直偏振的基频光倍频后会得到水平偏振的532 nm的激光，所以采用Ⅱ类相位匹配LBO晶体作为三倍频。二倍频LBO晶体的匹配方式采用临界相位匹配，基频光偏振方向为垂直偏振。经过Ⅰ类的LBO倍频后，得到水平偏振的532 nm的激光。三倍频LBO晶体的匹配方式也为临界相位匹配，水平偏振的532 nm的激光和垂直偏振的基频光经过Ⅱ类的LBO晶体三倍频后，最终得到垂直偏振的355 nm的激光。

图1 光束匹配方案示意图

2.3 实验装置

本实验采用的电源为1 000 W、10 Hz的灯泵电源，单脉冲最大能量100 J，最高电压1 200 V，采用的冷却方式为水冷却。

实验光路如图2所示，工作物质为Nd∶YAG晶体棒，本振和放大极的晶体棒的尺寸分别为φ8×125 mm和φ10×125 mm，掺杂浓度为1%，晶体棒两端面的斜切角为0.5°以防止自激振荡，泵浦方式为氙灯泵浦以得到更高的单脉冲能量。M1为平凹反射镜，曲率半径r=9 m，曲面镀1 064 nm高反膜，反射率R>99.6%。M2为输出镜，选用凹凸r=2 m的高斯镜，端面倾斜角为2°，凸面朝向腔内，镀1 064 nm部分透射膜，透过率T=85%；凹面镀1 064 nm增透膜，T>99%。谐振腔腔长为410 mm。调Q方式为电光加压调Q。P1、P2、P3为偏振片，水平放置，布儒斯特角为56°。由于得到的本振光发散角略大，在输出镜后放置r=1.5 m的平凸透镜f进行准直。M3、M4、M5、M6为45°反射镜，镀45° 1 064 nm高反膜，反射率R>99.5%。利用φ10×125 mm的Nd∶YAG晶体棒对本振光进行行波放大，得到1.01 J的1 064 nm基频光。利用LBO晶体对基频光进行二倍频，晶体尺寸为12 mm×12 mm×12 mm，双面镀1 064 nm与532 nm增透膜，T>98%，角度为θ=90°，Φ=10.8°。温度控制方式为电温控，温度控制在(30±0.1) ℃。将二倍频得到的532 nm光再与倍频后剩余的1 064 nm基频光进行三倍频，三倍频晶体为LBO晶体，尺寸为12 mm×12 mm×15 mm，双面镀1 064，532，355 nm增透膜，T>96%，角度为θ=43.4°，Φ=90°，其温度控制在(30±0.1) ℃。最后对其进行分束，M7、M8为45°分光镜，镀45° 355 nm高反、1 064 nm和532 nm高透膜，355 nm反射率R>99%，1 064 nm和532 nm透过率T>95%。最终得到355 nm的激光输出。

图2 光路示意图

3 实验结果与分析

本实验中，当电压为1 150 V、氙灯单脉冲能量注入约为90 J、重复频率为10 Hz时，得到1.01 J的基频光。垂直偏振的基频光经过LBO晶体二倍频后，得到偏振方向为水平偏振的532 nm激光，调节二倍频晶体的角度使其转换效率最高。将其与剩余的1 064 nm基频光进行三倍频，调节三倍频晶体角度，使其三倍频效率最高。最终得到608 mJ垂直偏振的355 nm激光输出，光谱图如图3所示。

1 064 nm基频光脉宽如图4所示，脉冲宽度为7.3 ns。355 nm紫外激光脉宽如图5所示，脉冲宽度为5.7 ns。得到的355 nm紫外光及1 064 nm基频光光斑形状如图6所示，当得到608 mJ的355 nm紫外激光输出时，1 064 nm激光发散角为1.03 mrad。其能量输出特性曲线如图7所示，基频到三倍频的转换效率为60%。

经过理论计算及实验数据分析可知，当得到的355 nm的激光能量最高时，532 nm激光的转换效率并不是66.7%，而是约为50%。当得到608 mJ的355 nm激光时，如果将二倍频效率调到更接近66.7%，355 nm的能量也会下降。

如图7所示，当电源电压较小时，532 nm的输出能量较低，二倍频效率相对较差，三倍频的效率主要受532 nm激光的限制。当加大电压时，二倍频的效率随着电压的增大而增加，三倍频的效率也随着532 nm激光增加而增加，主要的原因是：由于电源注入能量的增加，晶体棒会变热，由于热透镜效应，基频光就会会聚，发散角变小，如图6(d)所示光斑，当单脉冲能量注入约为80 J时，光束的发散角为2.4 mrad；当将单脉冲能量注入增加到约90 J时，光束发散角减小到了1.03 mrad，从而使二倍频效率增加，三倍频效率也随之增加。当电压为1 150 V、能量注入约为90 J时，为了得到更为匹配的发散角，从而使其三倍频效率达到最佳，我们选择了r=1.5 m的平凸透镜作为准直镜，以使得532 nm的转换效率在50%左右。最终得到了608 mJ的355 nm激光。

图3 光谱图

图4 1 064 nm激光脉宽图

图5 355 nm激光脉宽图

图6 355 nm及1 064 nm激光光束模式图。(a)波长355 nm，L=0 m处，电源电压1 070 V，光斑直径9.18 mm；(b)波长355 nm，L=1.8 m处，电源电压1 070 V，光斑直径13.5 mm；(c)波长1 064 nm，L=0 m处，电源电压1 150 V，光斑直径9.00 mm；(d)波长1 064 nm，L=1.8 m处，电源电压1 150 V，光斑直径10.85 mm。

图7 激光能量输出特性曲线

4 结 论

实验研究了以灯泵Nd∶YAG电光调Q脉冲激光器作为基频光来对其进行二倍频和三倍频以得到355 nm的紫外激光。倍频方式为腔外倍频，二倍频和三倍频晶体均采用LBO晶体。当氙灯的能量注入约为90 J、重复频率为10 Hz时，得到单脉冲能量为1.01 J的1 064 nm的基频光，用 Ⅰ 类的LBO晶体倍频，将其二倍频效率调到最高。加上三倍频晶体，优化其入射角度，使其三倍频效率达到最大。然后监测355 nm激光的能量，并优化二倍频晶体的角度，使355 nm激光的能量达到最高。当三倍频效率最高时，从1 064 nm到532 nm的转换效率约为50%，最终获得了608 mJ的355 nm的紫外光输出，脉宽为5.733 ns，使1 064 nm基频光到355 nm三倍频紫外光的转换效率达到了60%。