蘇 鑫，姚 吉，王禹凝，楊祥輝，鄭 權(quán),3

(1. 長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司, 吉林 長春 130103；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

1 引 言

紫外激光具有波長短、光子能量高、可聚焦性能好的特點[1]。而脈沖寬度為皮秒級的紫外激光，與納秒激光相比，憑借極窄的脈沖寬度，縮短了激光與物質(zhì)相互作用的時間，可在短時間內(nèi)破壞物質(zhì)的分子鍵，不會對加工材料造成熱破壞，被稱為“冷加工”，同時具有較強的時間分辨率[2-3],廣泛應(yīng)用于TCSPC、高精度激光測距、精細(xì)材料加工等方向[4-8]。

紫外波段激光輸出的實現(xiàn)方法常利用晶體材料的非線性效應(yīng)通過變頻的方法來產(chǎn)生，先利用倍頻技術(shù)得到二次諧波，然后再利用和頻或倍頻技術(shù)得到紫外激光[8-9]。通過頻率變換技術(shù)實現(xiàn)213 nm深紫外激光器的研究有過一些報道。2004年，SAKUMA等人使用CLBO晶體，利用LD泵浦的Nd∶YVO4產(chǎn)生的1.064 μm激光進(jìn)行五倍頻， 實現(xiàn)平均功率為100 mW的213 nm連續(xù)紫外激光輸出[9]。2006年，國內(nèi)蘇艷麗等人利用BBO晶體對LD泵浦的Nd∶YVO4產(chǎn)生的1.064 μm激光進(jìn)行五倍頻，獲得重復(fù)頻率為20 kHz,平均功率為3 mW的213 nm準(zhǔn)連續(xù)紫外激光輸出，激光脈沖寬度為7.5 ns[11]。2016年，岱欽等人利用脈沖LD側(cè)面泵浦Nd∶YAG晶體，電光調(diào)Q的方式，輸出1.064 μm激光，在腔外使用BBO晶體實現(xiàn)五倍頻，輸出重復(fù)頻率為1 kHz，脈沖寬度為10 ns，平均功率為151 mW的213 nm激光[12]。這些研究涉及的213 nm激光多為較低重復(fù)頻率，脈沖寬度為納秒級或連續(xù)激光輸出。在TCSPC、高精度激光測距等方面，激光的脈沖寬度決定了測量系統(tǒng)的最小時間分辨率，更窄的脈沖寬則擁有更高的測量精度；而在精細(xì)激光加工方面，納秒激光加工往往伴隨著熱影響區(qū)、再鑄層、微裂紋等熱損傷；利用超短脈沖激光可在理論上實現(xiàn)冷加工，避免熱損傷[13]。同時，更高的重復(fù)頻率則意味著可以實現(xiàn)更高的采樣速率和加工速率。因此，對脈沖寬度為皮秒級的高重頻213 nm深紫外激光的研制尤為重要。

為了實現(xiàn)皮秒級脈沖寬度、高重頻、高轉(zhuǎn)換效率的紫外激光輸出，本文設(shè)計了一種光纖-固體混合放大激光器。本文使用脈沖寬度為皮秒級的1 064 nm光纖激光器作為種子源，經(jīng)過兩級端面泵浦的Nd∶YVO4放大后輸出平均功率為10.5 W的1 064 nm基頻光；再利用放大后的1 064 nm基頻光及其四倍頻后得到的266 nm激光進(jìn)行和頻，得到脈沖寬度690 ps、重復(fù)頻率5 MHz、平均功率約61 mW的213 nm紫外激光輸出。利用紫外激光器作為光源應(yīng)用在不同的生產(chǎn)加工和實驗研究中時，對激光的重復(fù)頻率、脈沖寬度等光學(xué)指標(biāo)會有不同的需求。而本文使用的光纖種子源為自制的光纖激光器[14]，可通過調(diào)制改變輸出激光的脈沖寬度和重復(fù)頻率，配合固體放大級和非線性頻率變換技術(shù)具有較大的拓展空間。

2 技術(shù)路線

獲得皮秒脈沖激光比較常用的方法有短腔法和鎖模法。其中，短腔法獲得的脈沖寬度約為百皮秒量級，要想獲得更短的脈沖寬度，則需要采用鎖模法。采用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM) 鎖模輸出的脈沖寬度在幾皮秒到幾十皮秒之間[2,13,15]。為了實現(xiàn)穩(wěn)定鎖模和高重復(fù)頻率，皮秒級高功率輸出往往要求復(fù)雜的腔體結(jié)構(gòu)，有些技術(shù)甚至采用了被動鎖模與附加相位鎖模相結(jié)合的手段。這些方法雖然能夠提高激光器的輸出脈沖質(zhì)量，但卻減弱了器件的穩(wěn)定性[16]。本文采用的光纖激光器是通過增益開關(guān)的方式輸出皮秒級脈沖寬度的種子光。這種技術(shù)是采用電流脈沖或高頻正弦電路直接調(diào)制光纖激光器中的半導(dǎo)體種子源，同時具有重復(fù)頻率連續(xù)可調(diào)、結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠等優(yōu)勢。光纖激光器的種子源輸出的激光再通過主振蕩功率放大(MOPA)的方式提高激光的平均輸出功率。超短脈沖具有脈寬窄、峰值功率高的特點。在放大過程中，具有較高峰值功率的脈沖激光在光纖中傳輸時容易產(chǎn)生自相位調(diào)制(SPM)、受激拉曼散射(SRS)以及四波混頻效應(yīng)(FWH)等非線性效應(yīng)，從而影響脈沖質(zhì)量，限制了平均功率的進(jìn)一步放大[17]。為了避免高峰值功率激光在光纖中傳輸時遇到的諸多弊端，本文采用光纖-固體混合放大的方式，采用兩級半導(dǎo)體端面泵浦的Nd∶YVO4晶體作為放大級，對光纖激光器輸出的種子光再次進(jìn)行放大。

Nd∶YVO4和Nd∶YAG是最常見的激光工作物質(zhì)，可選擇作為放大級的工作物質(zhì)。與各向同性的Nd∶YAG晶體相比，Nd∶YVO4有幾種光譜特征特別適合于激光二極管泵浦，而且吸收系數(shù)高、受激發(fā)射截面大，比Nd∶YAG晶體大5倍。Nd∶YVO4晶體是自然雙折射晶體，除了具有很強的偏振吸收特征外，還具有很強的偏振輻射特征，激光輸出沿著特殊的π方向，呈線性偏振。偏振輸出有一個顯著優(yōu)點，即避免了多余的熱致雙折射。Nd∶YVO4晶體在1 064.3 nm處有一較高的熒光峰，熒光譜線寬度為0.9 nm峰值波長與種子源的激光波長相吻合[18]。在本裝置連續(xù)泵浦的情況下，選擇Nd∶YVO4作為兩放大級的工作物質(zhì)?？紤]到過高的摻雜濃度會引起較大的熱透鏡效應(yīng)，放大級工作物質(zhì)的摻雜濃度選擇為0.3%。采用半導(dǎo)體激光二極管作為泵浦源，可實現(xiàn)泵浦光譜線與增益介質(zhì)吸收譜線較好的匹配，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、廢熱產(chǎn)生率低的特點，可通過半導(dǎo)體制冷即可導(dǎo)出熱量，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、環(huán)境適應(yīng)性及使用壽命[19]。

213 nm紫外激光最常見的獲得方式是采用基頻光1 064 nm及其四倍頻后得到的266 nm光束在和頻晶體中進(jìn)行和頻[10-12]，并采用Ⅰ類相位匹配的方式1 064 nm(o)+266 nm(o)→213 nm(e)實現(xiàn)。

KTP是一種綜合性能最為優(yōu)秀的非線性晶體材料之一，在光參量振蕩、和頻、差頻尤其是倍頻中得到了廣泛的應(yīng)用[20]。在Ⅱ類相位匹配方式時，非線性系數(shù)較大，因此，可選擇KTP作為二倍頻晶體。

CLBO和BBO晶體是廣泛用于紫外波段優(yōu)良的非線性晶體，廣泛應(yīng)用于Nd∶YAG激光的四次、五次諧波的產(chǎn)生。CLBO晶體的優(yōu)點是擁有較大的允許角和較小的走離角，而BBO晶體在213 nm的和頻過程中則擁有更高的非線性系數(shù)[10-12]。因此，本文選擇BBO作為本裝置中四倍頻及和頻部分的非線性晶體。由于BBO晶體具有較小的允許角和較大的走離角度，因此激光光束質(zhì)量控制特別重要，不應(yīng)該采用很強的聚焦。同時為了提高倍頻效率，通過使用長焦透鏡將1 064 nm基頻光進(jìn)行聚焦，增強非線性晶體上激光的能量密度。

3 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，種子源輸出的波長為1 064.3 nm、重復(fù)頻率為5 MHz、脈沖寬度約為52 ps、平均功率為2.5 W。為了避免放大級返回光損傷光纖種子源，在種子源與第一放大級之間放置光隔離器Optoisolator 1。輸出的種子光偏振方向調(diào)整為s波，與Nd∶YVO4晶體中π偏振吸收方向一致，Nd∶YVO4晶體尺寸為3 mm×3 mm×10 mm，雙端面鍍有1 064，808 nm雙波長增透膜。兩放大級的泵浦光波長均為808 nm，其中第一級的泵浦功率為14.8 W，第二級泵浦功率為28 W，通過光纖傳輸，光纖芯徑為400 μm。為了保證放大級的提取效率，使用平凸聚焦透鏡M1將種子光聚焦，聚焦后與泵浦光在晶體中的焦點重合。經(jīng)過模擬，第一級工作物質(zhì)處泵浦光的聚焦光斑尺寸均為600 μm。其中，M1平凸聚焦鏡的曲率半徑為103 mm，鍍有1 064 nm增透膜；M9，M11為泵浦光的聚焦透鏡，M9焦距為30 mm，M11的焦距為40 mm，鍍有808 nm增透膜；M10，M12為泵浦光的準(zhǔn)直透鏡，焦距為20 mm，鍍有808 nm增透膜。在兩放大級之間放有光隔離器Optoisolator 2。透鏡M3為雙凹透鏡，透鏡M2為平凸透鏡，M2，M3兩透鏡構(gòu)成準(zhǔn)直系統(tǒng)，用于調(diào)整放大后的1 064 nm基頻光發(fā)散角度。M5，M6鍍有45°的808 nm增透膜和1 064 nm全反射膜；M7，M8鍍有45°的1 064 nm全反射膜，實現(xiàn)光路的折疊。

圖1 混合放大213 nm激光器實驗裝置Fig.1 Experimental device of hybrid amplification 213 nm laser

平凸透鏡M4為放大后基頻光的聚焦透鏡，鍍有1 064 nm增透膜，曲率半徑為103 mm，焦點位于四倍頻晶體BBO1與和頻晶體BBO2之間。選擇切割角度θ=90°，Φ=24°的KTP作為二倍頻晶體，匹配方式為Ⅱ類相位匹配，晶體尺寸為4 mm×4 mm×7 mm，雙端面鍍有1 064，532 nm雙波長增透膜；采用切割角度為θ=47°，Φ=0°的BBO作為四倍頻晶體，匹配方式為Ⅰ類相位匹配，晶體尺寸為4 mm×4 mm×8 mm，雙端面鍍有1 064,532,266 nm三波長增透膜；切割角度為θ=51°，Φ=0°的BBO作為和頻晶體，匹配方式為Ⅰ類相位匹配，晶體尺寸為4 mm×4 mm×8 mm，進(jìn)光端面鍍有1 064,532,266 nm三波長增透膜，出光端面鍍有1 064,532,266,213 nm四波長增透膜，實現(xiàn)最終的213 nm激光輸出。最后，通過石英分光棱鏡Prism將四波長的激光分離開。

4 測量實驗與結(jié)果

經(jīng)過第一級Nd∶YVO4晶體放大后，平均功率為2.5 W的種子光可放大至5.2 W。在第二放大級模式匹配中，泵浦光的聚焦尺寸約為800 μm，較大的聚焦尺寸可防止泵浦光功率過于集中，帶來嚴(yán)重且不規(guī)則的熱透鏡效應(yīng)。通過第二級Nd∶YVO4晶體放大后，輸出的1 064 nm激光可達(dá)到10.5 W。使用自相關(guān)儀(A.P. E Pulse Check)對放大后的1 064 nm激光進(jìn)行測量，脈沖寬度實測為46 ps，見圖2。

圖2 混合放大后1 064 nm脈沖寬度Fig.2 Pulse width of 1 064 nm laser after mixed amplification

1 064 nm基頻光經(jīng)過衰減片衰減后，使用CCD相機(Thorlabs BC106N-VIS)探測基頻光經(jīng)過聚焦鏡M4后不同位置處的光斑直徑，見圖3?？v坐標(biāo)為此處的光斑直徑，橫坐標(biāo)為距M4透鏡的距離，其中曲線單側(cè)斜率為-0.015 3，光束質(zhì)量M2=1.24。其中，焦點位于M4透鏡后246 mm處B點，焦點處的光斑直徑約為110 μm。KTP晶體受限于較低的損傷閾值，將KTP晶體放置在200 mm處A點，此處的光斑直徑約為590 μm；BBO晶體擁有較高的損傷閾值，同時為了提升晶體處的激光功率密度，進(jìn)而提升非線性轉(zhuǎn)換效率，將四倍頻、和頻晶體緊密放置在焦點B兩側(cè)。在非線性匹配過程中，通過單透鏡聚焦的方式提升非線性晶體處的功率密度，從而提高非線性轉(zhuǎn)化效率?？紤]到不同波長的激光折射率不同，再次經(jīng)過光學(xué)透鏡會聚焦于不同位置，反而影響和頻的轉(zhuǎn)換效率，本裝置中并未在二倍頻或四倍頻后再次進(jìn)行準(zhǔn)直聚焦。

圖3 經(jīng)聚焦鏡M4后的光束直徑及M2測量曲線Fig.3 Beam diameter and M2 measurement curve after M4 focusing mirror

經(jīng)過二倍頻后，輸出532 nm激光的功率為3.6 W，二倍頻效率約為34.2%；經(jīng)過四倍頻后，得到約為710 mW的266 nm激光輸出，四倍頻效率為1 064 nm的6.76%；將剩余約6.9 W的1 064 nm基頻光與710 mW的266 nm激光進(jìn)行和頻，最終得到61 mW的213 nm激光輸出，和頻效率約為1 064 nm基頻光的0.58%。由于使用普通的光電探頭很難響應(yīng)到深紫外的光脈沖信號，為了測量最終獲得的213 nm激光脈沖寬度，采用間接測量的方式，使用熒光光譜儀(Pico Quant)捕獲輸出的213 nm光子，并以時間為橫坐標(biāo)記錄下213 nm激光的脈沖寬度，見圖4，半高寬為690 ps。由于所用的熒光光譜儀有一定的響應(yīng)時間，實際激光脈沖寬度會小于測量值。圖5為測量213 nm激光的功率-時間曲線，輸出功率的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.54 mW。圖6為使用光譜儀(鐳科Aurora4000)[14]記錄的213 nm激光光譜。

圖4 213 nm激光脈寬Fig.4 Pulse width of 213 nm laser

圖5 213 nm激光的功率穩(wěn)定性曲線Fig.5 Power stability curve of 213 nm laser

圖6 213 nm激光中心波長Fig.6 Central wavelength of 213 nm laser

5 結(jié) 論

本文采用脈沖寬為皮秒級的光纖激光器作為種子源，通過兩級泵浦功率為14.8,28 W，泵浦波長為808 nm泵浦的Nd∶YVO4放大模塊后，輸出約10.5 W的1 064 nm基頻光。經(jīng)過光束整形后，使用KTP晶體進(jìn)行二倍頻，BBO晶體實現(xiàn)四倍頻、五倍頻的頻率變換。最終得到61 mW的213 nm激光輸出，脈沖寬度為690 ps，基頻光到五倍頻的非線性轉(zhuǎn)換效率達(dá)到0.58%。213 nm激光相比與脈沖寬度為納秒級的激光器，在激光精細(xì)加工、TCSPC、高精度激光測距等領(lǐng)域的使用光源上有了更好的選擇。