談蕊，鐘小明

（1.河南省洛陽(yáng)市電光設(shè)備研究所，洛陽(yáng)　471003；2.中國(guó)人民解放軍63880部隊(duì)，洛陽(yáng)　471003）

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腔內(nèi)倍頻準(zhǔn)連續(xù)紫外激光器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

談蕊1，鐘小明2

（1.河南省洛陽(yáng)市電光設(shè)備研究所，洛陽(yáng)471003；2.中國(guó)人民解放軍63880部隊(duì)，洛陽(yáng)471003）

摘要：準(zhǔn)連續(xù)紫外激光器在精密材料微加工、紫外固化、光刻蝕等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，目前，國(guó)內(nèi)高功率準(zhǔn)連續(xù)紫外激光器的研制尚處于起步階段，在激光功率穩(wěn)定、光束質(zhì)量等方面存在挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)了一套基于腔內(nèi)倍頻的準(zhǔn)連續(xù)紫外激光器，以808nm半導(dǎo)體泵浦Nd：YVO4晶體LBO紫外激光器，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)為355nm的25～50kHz準(zhǔn)連續(xù)紫外激光輸出，激光器最高功率達(dá)3.48W，熱效應(yīng)得到了有效控制，光束質(zhì)量較好。該研究結(jié)果將助于紫外高功率準(zhǔn)連續(xù)激光器的商業(yè)化開發(fā)及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：準(zhǔn)連續(xù)紫外激光器；高功率；腔內(nèi)倍頻

自20世紀(jì)90年代以來，大功率半導(dǎo)體二極管激光器的迅猛發(fā)展，推動(dòng)了激光二極管泵浦的全固態(tài)激光器（Diode Pumped Solid State Laser，DPSSL）進(jìn)步，是當(dāng)今激光器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［1-3］。半導(dǎo)體激光二極管泵浦準(zhǔn)連續(xù)紫外激光器具有光束質(zhì)量好、功率穩(wěn)定性好、可靠性高、使用方便、體積小等諸多優(yōu)點(diǎn)，在精密材料微加工、紫外固化、光刻等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［4-6］，需求量日益增大，商業(yè)前景廣闊，受到越來越多的關(guān)注。但是國(guó)內(nèi)的準(zhǔn)連續(xù)紫外激光器一般平均功率較小，且功率的穩(wěn)定性以及光束質(zhì)量還有待進(jìn)一步的改進(jìn)，缺乏可用于工業(yè)加工的穩(wěn)定商用高功率紫外激光器，國(guó)內(nèi)的蘇州德龍激光有限公司趙裕興［7］發(fā)明的半導(dǎo)體二極管泵浦高功率紫外激光器具有高的輸出能量，但是設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，四個(gè)非球面透鏡大大增加了成本和裝調(diào)的難度，本文的高功率準(zhǔn)連續(xù)紫外激光器研制，對(duì)縮短國(guó)內(nèi)外的技術(shù)差距具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1　激光器設(shè)計(jì)

采用808nm半導(dǎo)體激光二極管（光纖耦合）單端泵浦激光晶體方式，基于腔內(nèi)倍頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)1064nm基頻光到532nm倍頻光轉(zhuǎn)換，再通過1064nm基頻光與532nm倍頻光的和頻得到355nm紫外激光。激光腔內(nèi)具有較大的模體積，同時(shí)倍頻晶體處具有較小的光斑，顯著提高了倍頻轉(zhuǎn)換效率。利用非球面光學(xué)耦合系統(tǒng)，保證了激光晶體處泵浦光與晶體處振蕩激光達(dá)到很好的模匹配，提高了基頻光轉(zhuǎn)換效率。三倍頻晶體采用布儒斯特角切割，明顯降低偏振模耦合損耗。另外，此方法對(duì)非線性晶體的鍍膜要求較低，在同樣晶體及鍍膜條件下，采用腔內(nèi)倍頻方式的激光器工作壽命長(zhǎng)，激光輸出功率穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好。

圖1　激光器設(shè)計(jì)原理圖1.非球面透鏡，2.前端鏡，3.Nd：YVO4，4.聲光Q開關(guān)，5.全反鏡，6.三倍頻晶體，7.二倍頻晶體，8.后腔鏡）

圖1為激光器設(shè)計(jì)原理圖，泵浦源采用功率為30W的808nm半導(dǎo)體激光二極管，通過芯徑為400μm，數(shù)值孔徑為0.22的光纖耦合到接頭1上。晶體3是摻雜濃度為0.3%的Nd：YVO4的晶體，1064nm激光的偏振方向?yàn)闄M向。二倍頻晶體7為I類匹配的LBO晶體，尺寸為3*3*10mm，三倍頻晶體為II類匹配的LBO晶體，尺寸為3*3*19.05mm，二倍頻晶體7和三倍頻晶體6都采用TEC嚴(yán)格控溫。

DPSSL運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)激光晶體會(huì)產(chǎn)生熱透鏡效應(yīng)，主要是因?yàn)榧す饩w因吸收泵浦光能量發(fā)熱，散熱過程中激光介質(zhì)內(nèi)會(huì)一定程度的形成溫度梯度分布，其對(duì)腔內(nèi)激光的影響效果與有焦距的透鏡產(chǎn)生效果相當(dāng)。表現(xiàn)為：受泵浦光影響，晶體溫度的徑向分布會(huì)使晶體的折射率、通光方向長(zhǎng)度產(chǎn)生變化，使DPSSL整體性能受影響，特別是模式耦合的效率、腔模尺寸、輸出光束的質(zhì)量、諧振腔穩(wěn)定性等。由于不同泵浦功率時(shí)激光晶體的熱透鏡效應(yīng)不同，熱透鏡焦距也不同，但諧振腔結(jié)構(gòu)是不變的，因此熱透鏡的焦距變化，必然會(huì)使諧振腔產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。所以設(shè)計(jì)、優(yōu)化激光諧振腔時(shí)，一定要把激光晶體熱透鏡的效應(yīng)作為重點(diǎn)考慮。本文所研制的激光器充分考慮到熱效應(yīng)，通過理論分析后設(shè)計(jì)優(yōu)化，很好地消除了熱效應(yīng)的影響。

在LD抽運(yùn)下激光介質(zhì)產(chǎn)生的等效凸透鏡焦距的表達(dá)式：

式中，ω：泵浦光在介質(zhì)中的半徑，δ：激光介質(zhì)內(nèi)熱損耗的功率占吸收功率的比例，Pin：抽運(yùn)光的功率，dn/dT：介質(zhì)折射率隨溫度變化率，a：激光介質(zhì)對(duì)泵浦光吸收系數(shù)，l：介質(zhì)的長(zhǎng)度。泵浦光的光強(qiáng)是高斯分布時(shí)，ω可定義為：泵浦光在ω處強(qiáng)度是在軸心強(qiáng)度的1/e。當(dāng)Nd：YVO4晶體的摻雜濃度為0.5%，Kc=0.054W/cm·K，dn/dT=（）4.7±0.6 ×10-6/K。由式（1）可以得出：當(dāng)泵浦光的功率太大或泵浦光光斑半徑太小都會(huì)使熱焦距變短，因此與腔模相位匹配條件下大功率LD泵浦時(shí)，增大泵浦光的束腰半徑，可以盡量消除熱透鏡效應(yīng)。因此采用泵浦源功率為30W時(shí)，熱焦距約為15cm左右。

如圖1所示，采用單端泵浦方式泵浦激光晶體，其中半導(dǎo)體二極管輸出808nm泵浦光，經(jīng)過由兩個(gè)非球面透鏡構(gòu)成的非球面光學(xué)耦合系統(tǒng)及透鏡1耦合到激光晶體3內(nèi)，產(chǎn)生的1064nm激光經(jīng)過由三個(gè)平面鏡（2，5，8）構(gòu)成的諧振腔進(jìn)行腔內(nèi)振蕩，并由Q開關(guān)4進(jìn)行調(diào)制；調(diào)制的1064nm基頻光兩次經(jīng)過二倍頻晶體7，進(jìn)行1064nm基頻光到532nm倍頻光的轉(zhuǎn)換，未完成二次倍頻轉(zhuǎn)換的剩余1064nm基頻光與532nm倍頻光，經(jīng)過三倍頻晶體6進(jìn)行和頻，得到的355nm紫外激光從三倍頻晶體布儒斯特角切割的一面輸出；三倍頻晶體的355nm激光出射面以布儒斯特角切割放置，可以減小偏振模耦合損耗。圖2為實(shí)驗(yàn)裝置圖。

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置圖

2　激光輸出特性測(cè)試

測(cè)試功率計(jì)為以色列OPHIR公司的NOVAII，探頭型號(hào)30（150）-A-SV，激光輸出時(shí)，LD模塊溫度是24.5℃，二倍頻LBO晶體溫度是48.5℃，三倍頻LBO晶體溫度是50℃。表1和表2分別表示輸出紫外激光的脈寬和功率曲線表，可以看出紫外激光輸出最高功率可達(dá)3.48W。

表1　紫外激光脈寬和頻率表

表2　紫外激光輸出功率與電流之間的關(guān)系

圖3所示為激光輸出的光斑測(cè)試圖，可以看到光斑能量分布為典型的高斯分布。激光輸出模式為TEM00模。成功實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)355nm的25～50kHz紫外準(zhǔn)連續(xù)激光輸出，最高功率可達(dá)3.48W，且很好地抑制了熱效應(yīng)，光束質(zhì)量較好。

圖3　光斑圖

3　結(jié)論

腔內(nèi)倍頻準(zhǔn)連續(xù)紫外激光器光腔內(nèi)具有較大的模體積，同時(shí)倍頻晶體處具有較小的光斑，提高了倍頻轉(zhuǎn)換效率。利用非球面光學(xué)耦合系統(tǒng)，保證泵浦激光與振蕩激光達(dá)到很好的模匹配，提高基頻光轉(zhuǎn)換效率。三倍頻晶體采用布儒斯特角切割，有利于降低偏振模耦合損耗?；谇粌?nèi)倍頻技術(shù)，利用腔內(nèi)較高的光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)非線性頻率轉(zhuǎn)換，通過倍頻晶體的光斑尺寸不需要聚焦到非常小就可以獲得比較高的光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)高的轉(zhuǎn)換效率，可以大大減小晶體損壞的幾率，而且此方法對(duì)非線性晶體的鍍膜要求相當(dāng)?shù)?，在同樣晶體及鍍膜條件下，激光器的工作壽命也較長(zhǎng)，輸出激光穩(wěn)定性高。

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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

中圖分類號(hào)：TN248

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-9870（2016）02-0019-03

收稿日期：2015-09-20

作者簡(jiǎn)介：談蕊（1983-），女，碩士，工程師，E-mail：trvzxm1213@163.com