高功率皮秒紫外激光器的实验研究

刘 斌，王彬宇，刘 崇，李齐良，胡 乐，陈 龙

(1.浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027；2.杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018；3.浙江东通光网物联科技有限公司，浙江 湖州 313009)

0 引 言

高功率皮秒激光器具有高峰值功率、窄脉冲宽度和非接触式加工等优势[1-2]，日益成为手机等智能终端屏幕面板切割行业的主要设备。目前，皮秒激光器的应用向着更短波长方向发展，对于面板的切割，波长为343 nm或者355 nm的超短脉冲紫外激光器有着十分明显的优势[3]，获得适应工业生产的高功率皮秒紫外激光器有着重要的研究意义。为此，法国的EOLITE Systems公司[4-5]、德国TRUMPF公司[6]、Edgewave公司[7]以及康斯坦茨大学[8]，国内的中科院半导体所[9]、中电十一所[10]和北京工业大学[11]等都投入大量资金及人力物力展开深入研究。其中三倍频都采用了腔外倍频的方式，技术相对较为成熟，而在红外激光的产生方式上则有较大的技术差异。德国TRUMPF公司采用了碟片介质的方案，Edgewave公司采用了板条介质的方案，北京工业大学等采用了光纤介质的方案，这些方案都是通过合理避免增益介质的热效应来获得光束质量优良的红外激光，从而获得更高的非线性转换效率。其中碟片和板条介质的方案过于复杂，技术难度大，而光纤介质的方案难以获得大能量激光输出。

相较于其他机构的研究，本文通过端面泵浦固体介质对光纤锁模皮秒种子源进行功率放大，实现高功率红外激光输出，采用球差补偿的方式，保证了基频光的光束质量，解决了块状固体增益介质在强泵浦条件下由于热管理能力差所导致的光束质量恶化问题，并保障了后续非线性转换过程中的转化效率。整套激光器系统具有结构简单，平均功率高，稳定性强等优点。

1 高功率皮秒激光放大器的实验探究

高功率的红外皮秒激光通常采用主振荡功率放大(Master Oscillator Power Amplifier，MOPA)的方式获得，种子光功率通常只有毫瓦量级，所以必须经过高增益放大器来实现功率放大，要获得功率大于30 W的紫外激光，通常需要有功率达到100 W量级的高功率红外激光输出，同时还要求红外激光具有优良的光束质量，从而保证后续的非线性转换过程获得良好的相位匹配从而得到更高的转换效率。因此，高功率皮秒激光器的研发难点主要在于红外激光在放大过程中获得高增益的同时，如何控制放大后激光的光束质量以及如何避免放大器内部器件因承受高峰值功率而损坏，放大的功率越高则困难越大。

目前常用的高增益放大器主要有光纤放大器、再生放大器以及多程行波放大器。光纤放大器优点是输出功率高，放大增益高，结构简单稳定，制作成本相对较低，不足之处是受光纤非线性影响，无法获得高单脉冲能量输出。再生放大器优点是放大器增益高，容易获得大能量单脉冲输出，缺点是系统结构复杂，同时电光开关需要高压，制作难度大，成本过高。多程行波放大器的优点是结构简单，稳定可靠，制作成本低，容易获得高功率高单脉冲能量输出，不足是单级放大增益小，但可以通过增加放大级数来获取需要的增益。

基于上述比较，本文选择基于端面泵浦Nd∶YVO4的行波放大器来实现高功率的红外激光输出。放大器的结构如图1所示，整个系统由3部分组成，分别是光纤部分包含皮秒种子源以及光纤预放大器、一级Nd∶YVO4前置放大器和四级单通Nd∶YVO4后置放大器。后置放大器采用单通放大的原因在于输入信号为大信号，多通放大的提取效率并没有显著增加，同时多通放大还存在寄生振荡的可能性，增加了系统的复杂度。

锁模皮秒种子源为光纤锁模激光器(Ekspla公司FP100型号)，输出激光的脉冲重复频率为40 MHz，平均功率为40 mW，脉冲宽度为6 ps。内置的脉冲选择器(pulse picker)可以实现对脉冲序列的降频功能。

图1 光纤-固体混合激光系统总体结构原理图

图1中，种子源部分采用脉冲重复频率为500 kHz，平均功率为0.5 mW的激光作为光纤预放的输入信号，经过隔离器1(ISO1)进入光纤预放大器，光纤预放大中，利用芯径为6 μm的单模保偏增益光纤对输入激光进行放大，可获得30 mW的激光输出。光纤预放大器输出的光束被准直透镜耦合后经过隔离器2(ISO2)进入前置Nd∶YVO4放大器(图1的右下方)，隔离器2由偏振分光镜(PBS)，法拉第旋光器(FR)和半波片组成，以防止回返光引起的器件损伤。由于光纤预放大的信号仍为小信号，图1中采用Nd∶YVO4作为增益介质，通过高反镜(HR)利用双程放大的方式来提高放大器增益，通过透镜将光束耦合到第一级前置放大器中。前置放大器采用了YVO4/Nd∶YVO4复合晶体，在Nd∶YVO4晶体前端键合了2 mm未掺杂的YVO4端帽以降低热效应。Nd∶YVO4晶体掺杂浓度为0.3 at.%，长度为8 mm，横截面为3 mm×3 mm，晶体端面镀有808 nm和1 064 nm的减反射膜，其中对1 064 nm的反射率小于0.2%，对808 nm反射率小于2%。复合晶体用铟膜包裹后安装在紫铜热沉中，热沉通水冷却，温度控制在20±1 ℃。泵浦光源(LD)为德国DILAS公司生产的芯径400 μm光纤耦合输出激光二极管，激光波长808 nm，输出功率30 W，数值孔径为0.22。从隔离器2输出的光束进入后续四级Nd∶YVO4后置放大器(图1的右上方)，这四级放大器均采用单程单端泵浦放大的方式，晶体的夹持方式及镀膜参数与一级前置放大器保持一致，也采用YVO4/Nd∶YVO4复合晶体作为增益介质，YVO4端帽长度2 mm，Nd∶YVO4晶体长度15 mm，掺杂浓度0.3 at.%。泵浦光源为美国nLight公司生产的芯径400 μm光纤耦合输出激光二极管，激光波长808 nm，输出功率70 W，数值孔径为0.22。使用文献[12-13]方法对热效应导致的球差进行补偿，通过对每一级增益介质泵浦光光斑大小的调节，入射激光光斑大小的调节，优化填充因子，实现了放大功率和光束质量的优化，同时避免高峰值功率导致的激光损伤。抽运效率反映了每一级放大器对泵浦能量的提取效率。实验系统采用五级放大结构，第一级放大后光束质量因子为1.26，第二级放大后光束质量因子恶化为1.43，第三级放大后进行了球差补偿，使光束质量因子优化为1.28，第四级放大后光束质量因子又产生了恶化，达到了1.65，第五级放大后进行了球差补偿，使光束质量因子优化为1.25，整个过程光束质量由恶化到改善，通过球差补偿提升了放大激光的光束质量，五级放大后，系统获得了百瓦量级近衍射极限的激光输出。使用自相关仪(来自德国APE GmbH)的PulseLink软件测量输出基频光的脉冲宽度，相比于种子源的 6 ps有所展宽，达到12.5 ps，这是由增益窄化效应导致的谱宽变窄引起的。使用Spiricon公司的SP620光束质量分析仪，采用图像处理软件BeamGage测量放大过程中的光束质量，表1给出了不同放大级的输出功率、抽运效率及光束质量的变化情况，最终输出激光的自相关曲线(蓝线为测量值，红线为拟合值)和光束质量图如图2所示。

表1 不同放大级的输出功率、抽运效率和光束质量

图2 自相关仪和光斑分析仪的测量结果

2 LBO三倍频实验探究

近年来，随着紫外非线性晶体性能的提升以及晶体表面镀膜技术的发展，非线性晶体的损伤阈值得到进一步提高，已经能够满足高功率皮秒激光三倍频的要求，常用的非线性晶体有LBO,BBO,KDP,BIBO,CLBO,CBO等[14-16]，其中LBO晶体具有损伤阈值高、走离角小等优点，同时具有稳定的物理化学性质，因此，本文选用LBO晶体作为获得紫外激光输出的非线性晶体。紫外倍频实验的光路如图3所示，主要分为二倍频实验和三倍频实验。

图3 二倍频和三倍频的实验原理图

图3(a)中，1 064 nm激光首先经过一个光强调节系统(λ/2波片和偏振分光镜组成)，然后经过多个反射镜(M1～M4)后进入二倍频LBO晶体。反射镜M2和M3之间放置由2个透镜组成的光束耦合系统，用以调节进入LBO晶体中的激光光斑大小。经过LBO晶体后的激光通过分光镜M5(532 nm高反射率和1 064 nm高透过率)，532 nm激光被反射镜反射，并用功率计测量功率，残余的1 064nm激光透过反射镜M5，进入光学陷阱。二倍频LBO晶体采用I类非临界相位匹配，晶体切割角度为θ=90°，φ=11.2°，晶体长度15 mm，横截面尺寸为5 mm×5 mm，晶体表面镀有双波长增透膜。晶体用紫铜夹具固定，放置在恒温加热箱中，晶体温度设置为45 ℃。LBO晶体的非线性转换效率对温度较为敏感，为了得到功率稳定的倍频激光输出，晶体温度可以自由调节，控温精度为0.01 ℃。通过优化LBO晶体内部入射激光的光斑直径和晶体的温度，倍频获得532 nm激光的最大功率可以达62 W。

图4 紫外355 nm激光的光束质量

图3(b)的三倍频实验中，将2块LBO晶体摆放在一起，三倍频LBO晶体为II类相位匹配，晶体的切割角为θ=42.2°，φ=90°。晶体入射面镀有1 064 nm和532 nm双色增透膜，出射面采用抛光处理，减少紫外光引起的LBO晶体损伤。为了使三倍频的效率达到最大，需要通过对耦合透镜进行设计调整，通过调整进入LBO晶体的光斑大小，实验获得30.3 W紫外皮秒激光输出三倍频的效率大于30%。通过Spiricon公司的SP620光束质量分析仪以及Beamgage软件测量了输出紫外激光的光束质量，测量结果如图4所示，激光的M2因子小于1.2，光强分布接近高斯型，但是具有轻微的像散特性。将本文取得的实验结果与研究机构及激光公司研究成果进行比较，结果如表2所示。

表2 不同研究机构及激光公司的紫外激光器参数比较

由图4可以看出，由于基频光的高光束质量，三倍频后的紫外激光依然保证了良好的光束质量，而更优异的光束质量可以保证在工业生产中更优异的加工效果和良品率。由表2可以看出，本文的和频效率达到了国际先进，国内领先的水平，相较于国外激光器公司脉冲频率更低，峰值功率更高，这将在工业加工上具有更大优势。

3 结束语

本文采用块状固体增益介质Nd∶YVO4作为放大器进行了紫外激光的实验研究，研究表明，光纤固体混合放大的方式，是实现高功率紫外皮秒激光输出的有效方法，运用锁模皮秒光纤种子源加多级端面泵浦Nd∶YVO4放大的结构，相较于再生放大技术、其他类型增益介质如板条和碟片的方式具有技术成熟度高，结构简单，稳定性强的特点，具有较高的性价比。本文采用增益介质自身的球差补偿方法解决了强泵浦条件下多级放大中光束质量的恶化问题，实现了高功率高光束质量的激光输出。本文研究的激光器可广泛应用于科学研究及工业加工中，尤其是面板等脆性材料的切割，具有重要的应用价值。