引言

深紫外相干光源在激光精密加工、信息技術(shù)、激光醫(yī)療、集成電路制造、科學(xué)研究等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。目前主流的深紫外相干光源主要是準(zhǔn)分子激光器。準(zhǔn)分子激光器輸出的光束質(zhì)量差、線寬大、波長不可調(diào)，而且設(shè)備龐大、操作不便，最大的缺點是工作介質(zhì)是有毒氣體，不利于安全和環(huán)保,這些缺點使其應(yīng)用受到很大限制。與準(zhǔn)分子激光器相比，固體激光器具有重復(fù)頻率高、光束質(zhì)量好、相干性好、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、壽命長等優(yōu)點。

以高功率可見／近紅外固體激光器為基礎(chǔ)，利用深紫外非線性光學(xué)晶體進(jìn)行光學(xué)頻率變換是獲得深紫外相干光源的另一種有效途徑。發(fā)展固體深紫外相干光源是國際激光領(lǐng)域近期研究的一個熱點。

通過光學(xué)頻率變換獲得深紫外激光，最關(guān)鍵的是深紫外非線性光學(xué)晶體。CLBO晶體透光波長下限低，雙折射可以滿足深紫外波段和頻相位匹配的要求，非線性系數(shù)大，抗損傷閾值高，容易生長出大尺寸晶體，是目前可以實用的性能最優(yōu)的深紫外非線性光學(xué)晶體本文介紹了一種基于CLBO晶體和頻技術(shù)的深紫外固體激光系統(tǒng)，對系統(tǒng)中涉及的近紅外固體激光器和多級光學(xué)頻率變換模塊進(jìn)行了詳細(xì)說明，并給出了系統(tǒng)的實驗結(jié)果。

深紫外固體激光系統(tǒng)的構(gòu)成

深紫外固體激光系統(tǒng)由倍頻Nd∶YAG激光器、可調(diào)諧鈦寶石激光器、三倍頻模塊、近紅外激光器以及和頻模塊構(gòu)成，如圖1所示。

倍頻激光器

用調(diào)Q倍頻Nd∶YAG激光器抽運鈦寶石激光器可以獲得很高的增益。系統(tǒng)中的倍頻Nd∶YAG激光器結(jié)構(gòu)如圖2所示。這臺激光器采用脈沖氙燈側(cè)面抽運，由振蕩和放大兩級構(gòu)成。兩級均采用了中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所提供的抽運組件。包括脈沖氙燈和Nd∶YAG晶體棒兩部分，封裝在由合肥星月夜光技術(shù)應(yīng)用研究所研制的F4型固體激光抽運腔內(nèi)。整個抽運組件由流動的冷卻水提供冷卻，以保證激光器工作的穩(wěn)定性。振蕩級Nd∶YAG尺寸為φ6 mm×120 mm,放大級Nd∶YAG尺寸為φ7 mm×107 mm。兩根Nd∶YAG晶體棒的通光端面都鍍有對1064nm的增透膜。反射鏡M1和M2組成激光諧振腔。其中，為了補(bǔ)償熱透鏡效應(yīng)，M1選用的是曲率半徑為3 m的凸面鏡，對1064nm基頻光全反射；M2是平面鏡，對1064nm基頻光的反射率為20%。這種腔型設(shè)計可以使腔內(nèi)振蕩模體積大，抽運效率高。諧振腔內(nèi)除工作介質(zhì)Nd∶YAG晶體棒外，還有一個布儒斯特片和一個KD*P電光Q開關(guān)。KD*P晶體作為電光Q開關(guān)的材料，具有開關(guān)速度快、溫度穩(wěn)定性好、抗損傷閾值高等優(yōu)點。為了防止高壓電場長時間加在KD*P晶體上會破壞晶體的性能，Q開關(guān)采用加壓工作方式，即：KD*P上不加高壓時，晶體的自然雙折射形成光預(yù)偏置，線偏振光往返通過KD*P后偏振方向旋轉(zhuǎn)90°,由于布儒斯特片的檢偏作用，腔內(nèi)損耗很大，無法形成激光振蕩；KD*P上加高壓時，電光效應(yīng)產(chǎn)生了π/2的附加相位延遲，線偏振光往返通過KD*P后偏振方向保持不變，能以很小的損耗通過布儒斯特片，從而在腔內(nèi)形成激光振蕩。為了有效利用空間，諧振腔內(nèi)產(chǎn)生的1064nm基頻光由M2輸出后經(jīng)兩個直角等腰轉(zhuǎn)光棱鏡(P1,P2)反射送入放大級，放大后通過一塊7 mm×7mm×5mm的KTP晶體倍頻生成532nm綠光。由于采用的是腔外倍頻的形式，倍頻效率低于60%,輸出光中還殘留很多基頻光。在KTP晶體后用一塊濾光片濾除殘余的基頻光，以免對后級產(chǎn)生不良影響。振蕩級氙燈工作電壓600V,放大級氙燈工作電壓650V,調(diào)Q頻率10Hz時，倍頻Nd∶YAG激光器輸出平均功率1 W（單脈沖能量100mJ)、脈寬10ns的綠激光。

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可調(diào)諧鈦寶石激光器

可調(diào)諧鈦寶石激光器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。調(diào)Q倍頻Nd∶YAG激光器輸出的532nm抽運光經(jīng)一個倒裝望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(L1)縮束后，由兩個直角等腰轉(zhuǎn)光棱鏡(P3,P4)反射到激光工作介質(zhì)鈦寶石晶體上。鈦寶石晶體尺寸為5 mm×5 mm×10 mm,品質(zhì)因數(shù)(FOM)為100,通光端面鍍有對532nm和716nm的增透膜。用組合透鏡縮束而不是簡單地聚焦，是為了降低入射到鈦寶石表面的抽運光的峰值功率密度，以免對鈦寶石表面造成損傷，同時增加有效抽運體積。為了避免抽運光直接損傷后端腔鏡(M3),采用近軸抽運方式。平面反射鏡M3,M4組成諧振腔，其中M3對716nm光全反射，M4對700~800nm光反射率為50%。鈦寶石有很寬的熒光發(fā)射譜，兩個布儒斯特角入射的ZF6色散棱鏡(DP1,DP2)組成的棱鏡對和裝在步進(jìn)馬達(dá)上的M3配合就可以進(jìn)行波長調(diào)諧。在重復(fù)頻率10 Hz,單脈沖能量100mJ的綠光抽運作用下，用激光功率計測得輸出716nm光的平均功率為18mW。

三倍頻模塊

圖4是三倍頻模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，其中倍頻和三倍頻晶體選用的都是BBO晶體?？烧{(diào)諧鈦寶石 激光器輸出的716nm光經(jīng)透鏡組(L2)聚焦到第一塊BBO晶體(BBO1,6 mm×6 mm×6 mm)內(nèi)進(jìn)行倍頻，滿足II類相位匹配條件。生成的358nm倍頻光和余下的716nm基頻光在第二塊BBO晶體(BBO2,4 mm×4 mm×7 mm)中和頻，得到238.7nm三倍頻光，滿足I類相位匹配條件。為了濾除輸出光中殘留的716nm基頻光和358nm倍頻光，采用了平行平面反射鏡對(M5,M6)多次反射濾光的方法。M5和M6對238.7nm三倍頻光的反射率為92%,對716nm基頻光和358nm倍頻光的反射率低于5%。經(jīng)過這兩個反射鏡4~6次反射后，輸出的716nm基頻光和358nm倍頻光只剩下不到6×10-6,238.7nm三倍頻光還剩余60%以上。在重復(fù)頻率10 Hz,單脈沖能量100mJ的綠光抽運作用下，輸出的238.7nm激光用激光功率計LP-3A測得的平均功率是0.4mW。

近紅外激光器

和三倍頻模塊輸出的238.7nm紫外光進(jìn)行和頻的近紅外光可以由兩種途徑得到。第一種途徑是直接利用倍頻Nd∶YAG激光器輸出光中殘留的基頻光，經(jīng)過光延遲線后送入和頻模塊。這種方法可以實現(xiàn)輸入和頻模塊的兩路光脈沖的自動同步。另一種途徑是利用另外一臺近紅外固體激光器（連續(xù)/脈沖）的輸出。如果用的是脈沖激光器，就需要同步觸發(fā)電路來實現(xiàn)輸入和頻模塊的兩路光脈沖的同步。這種方法的優(yōu)點是可以根據(jù)需要自由選擇用于和頻的近紅外激光波長。實驗中用的是本課題組研制的全固態(tài)聲光調(diào)QNd∶YVO4激光器,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。抽運LD輸出808nm光，經(jīng)焦距為3mm的非球面透鏡L3聚焦到激光晶體Nd∶YVO4 內(nèi)。Nd∶YVO4的入射端面鍍有對808nm高透射、對1064nm全反射的膜層，作為諧振腔的后端鏡(M7)。前端腔鏡M8是凹面鏡，對1064nm的透射率為5%。聲光Q開關(guān)置于激光晶體和M8之間。抽運LD連續(xù)輸出最大功率為3 W,調(diào)Q工作頻率0~100 kHz連續(xù)可調(diào)。實驗中，此激光器工作于30 kHz,輸出平均功率1 W,脈沖寬度10ns。用一個同步觸發(fā)控制電路生成兩路調(diào)Q觸發(fā)信號，分別控制電光調(diào)Q倍頻Nd∶YAG激光器和聲光調(diào)QNd∶YVO4激光器輸出脈沖的產(chǎn)生時刻。這兩路調(diào)Q觸發(fā)信號都來源于同一個555定時器輸出的脈沖串，從而實現(xiàn)了兩路光脈沖的同步。

和頻模塊

圖6是和頻模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。三倍頻模塊輸出的238.7nm紫外光被平面反射鏡M10,M9反射后與全固態(tài)聲光調(diào)QNd∶YVO4激光器輸出的1064nm近紅外光合為一束光，再由焦距為10 cm的透鏡L5聚焦到和頻晶體CLBO內(nèi)進(jìn)行和頻。M9,M10都鍍有對238.7nm光高反射、對1064nm光高透射的膜。為了減小紫外光的損耗，聚焦透鏡L5的材料選用紫外級的熔融石英。合光前1064nm光需經(jīng)透鏡組(L4)進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓馐儞Q，使得1064nm光和238.7nm光在CLBO晶體內(nèi)能夠充分交迭，提高和頻轉(zhuǎn)換效率。CLBO晶體按照理論計算得到相位匹配角88.3°切割，尺寸為4 mm×4 mm×4 mm。CLBO晶體后用一個色散棱鏡DP3將和頻生成的195nm深紫外光和殘余的238.7nm紫外光，1064nm近紅外光分離。色散棱鏡DP3用透光波段170~7800nm的CaF2作為材料，頂角66.7°。光束以195nm的布儒斯特角56.7°入射，出射的195nm光和238.7nm光的分光角度約4.4°。

實驗結(jié)果

用光譜儀對系統(tǒng)中的716nm,358nm,238.7nm和195nm激光進(jìn)行測量，得到的光譜圖如圖7所示。

實驗中，固定聲光調(diào)QNd∶YVO4激光器工作在30 kHz,輸出平均功率1 W,改變倍頻Nd∶YAG激光器（調(diào)Q頻率10 Hz)的輸出功率，用激光功率計LP-3A測得195nm輸出功率曲線如圖8所示。在532nm抽運功率1 W時獲得最高輸出功率217μW。固定倍頻Nd∶YAG激光器工作在10 Hz,輸出平均功率1 W,改變聲光調(diào)QNd∶YVO4激光器（調(diào)Q頻率30 kHz)的輸出功率，測得195nm輸出功率曲線如圖9所示。當(dāng)1064nm光平均功率超過1 W時，195nm光輸出功率反而下降。這是由于1064nm光的光子數(shù)比238.7 m光的光子數(shù)多，當(dāng)1064nm光功率超過最佳值后，光能量會通過1064nm和195nm的差頻過程流向238.7nm,使得輸出195nm光功率下降。

結(jié)論

室溫下，通過脈沖三倍頻鈦寶石激光器輸出的238.7nm紫外光和全固態(tài)聲光調(diào)Q Nd∶YVO4激光器輸出的1064nm近紅外光在非線性晶體CLBO中進(jìn)行和頻，實現(xiàn)了195nm深紫外激光的穩(wěn)定輸出，獲得平均功率217μW、重復(fù)頻率10Hz的195nm深紫外激光。實驗中，195nm激光的輸出功率主要受限于燈抽運電光調(diào)Q倍頻Nd∶YAG激光器輸出的532nm抽運光能量。提高調(diào)Q倍頻Nd∶YAG激光器的重復(fù)頻率和單脈沖能量，195nm激光的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率將大幅度提高。