范灝然，陳 曦 ，鄭 磊，謝文俠，季 鑫，鄭 權(quán),2

（1.長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司,吉林 長春 130012；2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長春 130033）

1 引言

高重頻深紫外皮秒激光器，因具有分辨率高、加工速率快、熱損傷低等特性，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體檢測、光刻以及精密材料加工等工業(yè)領(lǐng)域[1-6]。相較于傳統(tǒng)激光器所采用的納秒脈沖，皮秒脈沖的峰值功率高，同時(shí)熱影響區(qū)域更小。此外，由于其脈寬更窄，大大減少了加工過程中與器件的作用時(shí)間，可更快地破壞物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)，降低熱效應(yīng)的影響。這種低熱損傷的燒蝕加工，更有利于提高加工精度，在加工質(zhì)量方面實(shí)現(xiàn)了光學(xué)“冷加工”[7-11]。而深紫外激光相較于可見光與紅外波段，其波長更短、單光子能量高、能量密度更加集中、成像分辨率相對更高，加工過程中也會降低熱效應(yīng)的影響。而對于半導(dǎo)體檢測而言，其使用的光源波長越短，檢測靈敏度越高。因此，采用深紫外波段的激光器可有效提高檢測靈敏度[12-17]。由此可知，深紫外皮秒激光器在工業(yè)加工及半導(dǎo)體檢測方面具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

257 nm 深紫外激光可通過940 nm 激光二極管抽運(yùn)全固態(tài)工作物質(zhì)Yb:YAG 形成1 030 nm激光，之后再通過四倍頻方式直接獲得。但因其屬于準(zhǔn)三能級結(jié)構(gòu)，不可避免地會受到由低轉(zhuǎn)化效率引起的廢熱的影響，由此會引發(fā)熱透鏡效應(yīng)以及熱致雙折射等，會極大地影響此類激光器的輸出功率和光束質(zhì)量，并對后期的倍頻產(chǎn)生較大影響。相較于傳統(tǒng)晶體介質(zhì)放大的方式，光纖放大器具有高增益、單模輸出等優(yōu)勢，但受限于光纖中的非線性效應(yīng)及損傷閾值，采用光纖放大器難以提高皮秒脈沖的峰值功率[18]。而由于摻鐿雙包層光子晶體光纖放大器的模場面積較大，在功率提升方面極具優(yōu)勢，并且能保證單模輸出。2021 年，河北工業(yè)大學(xué)的陳暉等人利用兩級大模場面積的光子晶體光纖放大器，獲得了輸出功率為190 W 的1 030 nm 基頻光，倍頻后得到輸出功率為103.1 W 的515 nm 綠光[19]。2022 年，深圳大學(xué)的He H J 等人利用端面泵浦Yb:YAG 晶體再生放大結(jié)構(gòu)，在10 Hz 重復(fù)頻率下，經(jīng)腔外倍頻得到的257 nm 紫外激光輸出的單脈沖能量為120 μJ，脈寬為2.4 ps[20]。2022 年，美國Advalue Photonics 公司采用全光纖放大結(jié)構(gòu)獲得了14.5 W、257 nm 深紫外激光[21]，目前處于商品化257 nm紫外激光器世界領(lǐng)先水平。

本文利用摻鐿雙包層光子晶體光纖放大器（Photonic Crystal Fiber Amplifier,PCFA），為輸出功率為20 mW，重頻為19.8 MHz，脈沖寬度為50 ps的光纖激光器作為種子源，通過一級光子晶體光纖棒作為預(yù)放大器，得到輸出功率為6.1 W 的1 030 nm 激光。再通過一級光子晶體光纖棒作為主放大器，獲得平均功率為86 W 的1 030 nm 基頻光輸出，經(jīng)過Ⅰ類相位匹配三硼酸鋰（LBO）晶體倍頻后得到輸出功率為20.7 W 的 515 nm 倍頻光，再經(jīng)過Ⅰ類相位匹配偏硼酸鋇（BBO）晶體倍頻后，得到輸出功率為5.2 W 的257 nm 深紫外激光，相較于基頻光的轉(zhuǎn)換效率為6.05%。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 光路結(jié)構(gòu)

高功率、高光束質(zhì)量、高峰值功率的1 030 nm基頻光是獲得257 nm 倍頻光的基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)采用PCFA 以及光纖種子源獲得高性能的1 030 nm基頻光，再經(jīng)過二倍頻晶體LBO 和四倍頻晶體BBO 進(jìn)行非線性頻率變換，最終獲得257 nm紫外激光輸出，具體光路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 257 nm 深紫外皮秒激光器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system of 257 nm deep ultraviolet picosecond laser

2.2 實(shí)驗(yàn)器件

實(shí)驗(yàn)裝置選用了中心波長為（1 030±0.15）nm，光譜寬度小于0.2 nm，重復(fù)頻率為19.8 MHz，脈沖寬度為50 ps，偏振消光比大于20 dB，平均功率為20 mW 的光纖種子源（Seed）。使用NKT 公司型號為aeroGAIN-ROD module 的摻鐿雙包層光子晶體光纖棒作為放大器，吸收峰為976 nm。該光子晶體光纖為雙包層（65 μm/275 μm）結(jié)構(gòu)，纖芯直徑為85 μm，內(nèi)層截面為正六邊形，長度為800 mm，在976 nm 處的吸收系數(shù)為15 dB 左右，光子晶體光纖棒兩端鍍有1 030 nm 抗反膜（R@1 030 nm≤0.2%）和976 nm 抗反膜（R@976 nm≤0.3%）。兩級雙包層光子晶體光纖棒經(jīng)中心波長為976 nm±0.5 nm 的波長鎖定（△λ/△T≈0.02）半導(dǎo)體激光模塊進(jìn)行泵浦（Laser Diode 1&2）。預(yù)放部分的半導(dǎo)體泵浦模塊（Laser Diode 1）輸出功率為67 W，主放部分的半導(dǎo)體泵浦模塊（Laser Diode 2）輸出功率為210 W。泵浦光經(jīng)泵浦準(zhǔn)直Laser lens A（f=35 mm，R@976 nm≤0.5%），雙色片M1 和M6（R@976 nm≤0.3%，R@1 030 nm≥99.6%），泵浦耦合鏡Laser lens B（f=45 mm，R@976 nm≤0.3%；R@1 030 nm≤0.2%）入射摻鐿雙包層光子晶體光纖棒放大器。皮秒種子源經(jīng)1 030 λ/2 波片、PBS1、法拉第旋轉(zhuǎn)器、PBS2、45°全反鏡M5 和M2（R@1 030 nm≥99.6%）、種子耦合鏡Laser lens C（f=67 mm，R@1 030 nm≤0.2%）進(jìn)入預(yù)放摻鐿光子晶體光纖棒放大器（Photonic crystal Yb ROD fiber gain module 1）中進(jìn)行放大，并通過雙色片M1、45°全反鏡M3（R@1 030 nm≥99.6%）、1 030 λ/4 波片、0°全反鏡M4（R@1 030 nm≥99.6%）后按原路返回。最終在PBS2 處向下經(jīng)45°全反鏡M7（R@1 030 nm≥99.6%）、主放級激光耦合鏡Laser lens D（f=60 mm，R@1 030 nm≤0.2%）進(jìn)入主放級摻鐿雙包層光子晶體光纖放大器（Photonic crystal Yb ROD fiber gain module 2）中進(jìn)行放大，并通過雙色片M6、45°全反鏡M8（R@1 030 nm≥99.6%）和1 030 λ/2 波片進(jìn)入倍頻光路。倍頻光路由倍頻聚焦鏡Laser lens E、二倍頻晶體LBO（θ=90°，φ=12.8°）和四倍頻晶體BBO（θ=49°φ=0°）組成。最終通過三角棱鏡分光，獲得257 nm 紫外激光輸出。該裝置中，兩級摻鐿雙包層光子晶體光纖棒經(jīng)過去離子水冷卻，水溫設(shè)置為25 °C，LBO 和BBO 置于由TEC 精確控溫的熱沉上，溫度設(shè)置為50 °C。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 基頻光實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在預(yù)放大階段，為了給主放大器提供足夠功率，采用雙程放大結(jié)構(gòu)，即種子光兩次通過由功率為67 W 的976 nm 半導(dǎo)體模塊泵浦的摻鐿雙包層光子晶體光纖棒放大器，當(dāng)種子光輸出為20 mW時(shí)，單次通過預(yù)放光纖棒可獲得1.2 W 的穩(wěn)定輸出，兩次經(jīng)過預(yù)放光纖棒后得到的1 030 nm 放大激光輸出功率6.1 W，雙程預(yù)放結(jié)構(gòu)對種子光的總放大倍率達(dá)300 倍左右，光束質(zhì)量因子M2<1.2。通過以上測量結(jié)果可知，經(jīng)過預(yù)放的皮秒信號光功率和光束質(zhì)量滿足進(jìn)入二級主放摻鐿雙包層光子晶體光纖棒的要求。信號光經(jīng)過主放級激光耦合鏡進(jìn)入主放級摻鐿雙包層光子晶體光纖放大器中再次放大，在波長鎖定976 nm 半導(dǎo)體泵浦模塊抽運(yùn)功率為210 W 時(shí)，實(shí)現(xiàn)1 030 nm 86 W 的激光輸出功率。

在本裝置中，雙包層光子晶體光纖棒的摻雜濃度為0.15 mol%，纖芯直徑為85 μm，包層直徑為275 μm，光纖棒放大器長度為800 mm，信號光的中心波長為1 030 nm，平均功率為6.1 W。泵浦光使用反向抽運(yùn)方式，主放大器在210 W 泵浦的情況下可得到最佳放大效果。此時(shí)，在兩級放大系統(tǒng)總泵浦功率為277 W 時(shí)，最終實(shí)現(xiàn)1 030 nm放大激光86 W 輸出功率。圖2（彩圖見期刊電子版）為CCD 相機(jī)測試經(jīng)兩級放大后，1 030 nm基頻光光斑的能量分布圖。

圖2 1 030 nm 基頻光光斑能量分布Fig.2 Spot energy distribution of 1 030 nm fundamental frequency laser

3.2 紫外激光實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

放大系統(tǒng)輸出的1030 nm 基頻光經(jīng)聚焦后，入射到LBO 和BBO 倍頻晶體中，得到515 nm 綠光和257 nm 紫外激光，四次諧波測量光譜如圖3 所示，中心波長為256.93 nm。為了得到較高的倍頻效率和較好的輸出光斑分布，倍頻聚焦鏡分別采用f為60、80、100、120 mm 共4 種規(guī)格的平凸聚焦鏡進(jìn)行聚焦，與之對應(yīng)，將分別獲得4.8 W、5.4 W，5.2 W、4.7 W 的257 nm 紫外激光。需要說明的是：雖然使用f=100 mm 聚焦鏡時(shí)，功率相較于使用f=80 mm 聚焦鏡時(shí)略低，但其輸出激光的發(fā)散角較小，且光斑橢圓度相對高一些，因此采用f=100 mm 的聚焦鏡更合適。此時(shí)，二倍頻得到輸出功率為47.5 W 的515 nm 綠光，倍頻轉(zhuǎn)換效率為55.2%，四倍頻得到輸出功率為5.2 W 的257 nm 紫外激光，其四倍頻轉(zhuǎn)換效率約為6.05%。

圖3 257 nm 紫外激光測量光譜圖Fig.3 Measurement spectrum of 257 nm ultraviolet laser

基頻光和紫外光輸出功率隨總泵浦功率的變化關(guān)系如圖4 所示。用CCD 相機(jī)測量四倍頻257 nm 深紫外激光輸出光斑能量分布如圖5（彩圖見期刊電子版）所示。圖6（彩圖見期刊電子版）為Thorlabs 公司狹縫式光束質(zhì)量分析儀測試257 nm 紫外激光光束質(zhì)量因子M2分布圖，其中，Mx2=1.31,My2=1.69。

圖4 1 030 nm 基頻光輸出功率和257 nm 紫外光輸出功率隨總泵浦功率的變化關(guān)系Fig.4 Laser output powers of 1 030 nm fundamental frequency light and 257 nm ultraviolet light as a function of total pump power

圖6 257 nm 紫外激光光束質(zhì)量因子M2 測量圖Fig.6 Measurement chart of quality factor M2 for 257 nm UV laser beam

使用APE 公司，型號為SM150 的自相關(guān)儀測得脈沖寬度如圖7 所示，τ=50.241 ps（Gaussian）。圖8 為使用示波器測得的輸出光頻率測量圖，可知，其重復(fù)頻率為19.8 MHz。

圖7 自相關(guān)儀測得的脈沖寬度Fig.7 Measurement of pulse width by autocorrelator

圖8 257 nm 紫外激光頻率測量圖Fig.8 257 nm UV laser frequency measurement chart

4 結(jié)論

本文應(yīng)用非線性頻率變換的方式，利用Ⅰ類相位匹配LBO 晶體作為二倍頻晶體和Ⅰ類相位匹配BBO 晶體作為四倍頻晶體，將976 nm 波長鎖定半導(dǎo)體激光二極管作為泵浦源，抽運(yùn)摻鐿雙包層光子晶體光纖放大器，產(chǎn)生1 030 nm 基頻光，再通過腔外四倍頻結(jié)構(gòu)將其轉(zhuǎn)化為257 nm深紫外激光。以光纖鎖模激光器為種子源，通過 一級放大器雙程放大作為預(yù)放和二級放大器作為 主放的結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計(jì)信號光和泵浦光的耦合系統(tǒng)，在976 nm 波長輸出總泵浦功率為277 W 下時(shí)，得到1 030 nm 基頻光輸出功率為86 W，腔外倍頻后得到二次諧波515 nm 綠光功率47.5 W，四次諧波257 nm 深紫外激光5.2 W，四次諧波倍頻轉(zhuǎn)換效率為6.05%，脈沖寬度為50.241 ps，重復(fù)頻率為19.8 MHz。通過這種方式獲得的深紫外 激光光束質(zhì)量好、系統(tǒng)穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡單、易于 產(chǎn)品化，有較高的市場應(yīng)用價(jià)值。