CLBO晶体：深紫外固体激光系统

引言

深紫外相干光源在激光精密加工、信息技术、激光医疗、集成电路制造、科学研究等领域都有重要的应用。目前主流的深紫外相干光源主要是准分子激光器。准分子激光器输出的光束质量差、线宽大、波长不可调，而且设备庞大、操作不便，最大的缺点是工作介质是有毒气体，不利于安全和环保,这些缺点使其应用受到很大限制。与准分子激光器相比，固体激光器具有重复频率高、光束质量好、相干性好、结构紧凑、操作方便、寿命长等优点。

以高功率可见／近红外固体激光器为基础，利用深紫外非线性光学晶体进行光学频率变换是获得深紫外相干光源的另一种有效途径。发展固体深紫外相干光源是国际激光领域近期研究的一个热点。

通过光学频率变换获得深紫外激光，最关键的是深紫外非线性光学晶体。CLBO晶体透光波长下限低，双折射可以满足深紫外波段和频相位匹配的要求，非线性系数大，抗损伤阈值高，容易生长出大尺寸晶体，是目前可以实用的性能最优的深紫外非线性光学晶体本文介绍了一种基于CLBO晶体和频技术的深紫外固体激光系统，对系统中涉及的近红外固体激光器和多级光学频率变换模块进行了详细说明，并给出了系统的实验结果。

深紫外固体激光系统的构成

深紫外固体激光系统由倍频Nd∶YAG激光器、可调谐钛宝石激光器、三倍频模块、近红外激光器以及和频模块构成，如图1所示。

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倍频激光器

用调Q倍频Nd∶YAG激光器抽运钛宝石激光器可以获得很高的增益。系统中的倍频Nd∶YAG激光器结构如图2所示。这台激光器采用脉冲氙灯侧面抽运，由振荡和放大两级构成。两级均采用了中国科学院安徽光学精密机械研究所提供的抽运组件。包括脉冲氙灯和Nd∶YAG晶体棒两部分，封装在由合肥星月夜光技术应用研究所研制的F4型固体激光抽运腔内。整个抽运组件由流动的冷却水提供冷却，以保证激光器工作的稳定性。振荡级Nd∶YAG尺寸为φ6 mm×120 mm,放大级Nd∶YAG尺寸为φ7 mm×107 mm。两根Nd∶YAG晶体棒的通光端面都镀有对1064nm的增透膜。反射镜M1和M2组成激光谐振腔。其中，为了补偿热透镜效应，M1选用的是曲率半径为3 m的凸面镜，对1064nm基频光全反射；M2是平面镜，对1064nm基频光的反射率为20%。这种腔型设计可以使腔内振荡模体积大，抽运效率高。谐振腔内除工作介质Nd∶YAG晶体棒外，还有一个布儒斯特片和一个KD*P电光Q开关。KD*P晶体作为电光Q开关的材料，具有开关速度快、温度稳定性好、抗损伤阈值高等优点。为了防止高压电场长时间加在KD*P晶体上会破坏晶体的性能，Q开关采用加压工作方式，即：KD*P上不加高压时，晶体的自然双折射形成光预偏置，线偏振光往返通过KD*P后偏振方向旋转90°,由于布儒斯特片的检偏作用，腔内损耗很大，无法形成激光振荡；KD*P上加高压时，电光效应产生了π/2的附加相位延迟，线偏振光往返通过KD*P后偏振方向保持不变，能以很小的损耗通过布儒斯特片，从而在腔内形成激光振荡。为了有效利用空间，谐振腔内产生的1064nm基频光由M2输出后经两个直角等腰转光棱镜(P1,P2)反射送入放大级，放大后通过一块7 mm×7mm×5mm的KTP晶体倍频生成532nm绿光。由于采用的是腔外倍频的形式，倍频效率低于60%,输出光中还残留很多基频光。在KTP晶体后用一块滤光片滤除残余的基频光，以免对后级产生不良影响。振荡级氙灯工作电压600V,放大级氙灯工作电压650V,调Q频率10Hz时，倍频Nd∶YAG激光器输出平均功率1 W（单脉冲能量100mJ)、脉宽10ns的绿激光。

可调谐钛宝石激光器

可调谐钛宝石激光器的结构如图3所示。调Q倍频Nd∶YAG激光器输出的532nm抽运光经一个倒装望远镜系统(L1)缩束后，由两个直角等腰转光棱镜(P3,P4)反射到激光工作介质钛宝石晶体上。钛宝石晶体尺寸为5 mm×5 mm×10 mm,品质因数(FOM)为100,通光端面镀有对532nm和716nm的增透膜。用组合透镜缩束而不是简单地聚焦，是为了降低入射到钛宝石表面的抽运光的峰值功率密度，以免对钛宝石表面造成损伤，同时增加有效抽运体积。为了避免抽运光直接损伤后端腔镜(M3),采用近轴抽运方式。平面反射镜M3,M4组成谐振腔，其中M3对716nm光全反射，M4对700~800nm光反射率为50%。钛宝石有很宽的荧光发射谱，两个布儒斯特角入射的ZF6色散棱镜(DP1,DP2)组成的棱镜对和装在步进马达上的M3配合就可以进行波长调谐。在重复频率10 Hz,单脉冲能量100mJ的绿光抽运作用下，用激光功率计测得输出716nm光的平均功率为18mW。

三倍频模块

图4是三倍频模块的结构示意图，其中倍频和三倍频晶体选用的都是BBO晶体。可调谐钛宝石 激光器输出的716nm光经透镜组(L2)聚焦到第一块BBO晶体(BBO1,6 mm×6 mm×6 mm)内进行倍频，满足II类相位匹配条件。生成的358nm倍频光和余下的716nm基频光在第二块BBO晶体(BBO2,4 mm×4 mm×7 mm)中和频，得到238.7nm三倍频光，满足I类相位匹配条件。为了滤除输出光中残留的716nm基频光和358nm倍频光，采用了平行平面反射镜对(M5,M6)多次反射滤光的方法。M5和M6对238.7nm三倍频光的反射率为92%,对716nm基频光和358nm倍频光的反射率低于5%。经过这两个反射镜4~6次反射后，输出的716nm基频光和358nm倍频光只剩下不到6×10-6,238.7nm三倍频光还剩余60%以上。在重复频率10 Hz,单脉冲能量100mJ的绿光抽运作用下，输出的238.7nm激光用激光功率计LP-3A测得的平均功率是0.4mW。

近红外激光器

和三倍频模块输出的238.7nm紫外光进行和频的近红外光可以由两种途径得到。第一种途径是直接利用倍频Nd∶YAG激光器输出光中残留的基频光，经过光延迟线后送入和频模块。这种方法可以实现输入和频模块的两路光脉冲的自动同步。另一种途径是利用另外一台近红外固体激光器（连续/脉冲）的输出。如果用的是脉冲激光器，就需要同步触发电路来实现输入和频模块的两路光脉冲的同步。这种方法的优点是可以根据需要自由选择用于和频的近红外激光波长。实验中用的是本课题组研制的全固态声光调QNd∶YVO4激光器,其结构如图5所示。抽运LD输出808nm光，经焦距为3mm的非球面透镜L3聚焦到激光晶体Nd∶YVO4 内。Nd∶YVO4的入射端面镀有对808nm高透射、对1064nm全反射的膜层，作为谐振腔的后端镜(M7)。前端腔镜M8是凹面镜，对1064nm的透射率为5%。声光Q开关置于激光晶体和M8之间。抽运LD连续输出最大功率为3 W,调Q工作频率0~100 kHz连续可调。实验中，此激光器工作于30 kHz,输出平均功率1 W,脉冲宽度10ns。用一个同步触发控制电路生成两路调Q触发信号，分别控制电光调Q倍频Nd∶YAG激光器和声光调QNd∶YVO4激光器输出脉冲的产生时刻。这两路调Q触发信号都来源于同一个555定时器输出的脉冲串，从而实现了两路光脉冲的同步。

和频模块

图6是和频模块的结构示意图。三倍频模块输出的238.7nm紫外光被平面反射镜M10,M9反射后与全固态声光调QNd∶YVO4激光器输出的1064nm近红外光合为一束光，再由焦距为10 cm的透镜L5聚焦到和频晶体CLBO内进行和频。M9,M10都镀有对238.7nm光高反射、对1064nm光高透射的膜。为了减小紫外光的损耗，聚焦透镜L5的材料选用紫外级的熔融石英。合光前1064nm光需经透镜组(L4)进行适当的光束变换，使得1064nm光和238.7nm光在CLBO晶体内能够充分交迭，提高和频转换效率。CLBO晶体按照理论计算得到相位匹配角88.3°切割，尺寸为4 mm×4 mm×4 mm。CLBO晶体后用一个色散棱镜DP3将和频生成的195nm深紫外光和残余的238.7nm紫外光，1064nm近红外光分离。色散棱镜DP3用透光波段170~7800nm的CaF2作为材料，顶角66.7°。光束以195nm的布儒斯特角56.7°入射，出射的195nm光和238.7nm光的分光角度约4.4°。

实验结果

用光谱仪对系统中的716nm,358nm,238.7nm和195nm激光进行测量，得到的光谱图如图7所示。

实验中，固定声光调QNd∶YVO4激光器工作在30 kHz,输出平均功率1 W,改变倍频Nd∶YAG激光器（调Q频率10 Hz)的输出功率，用激光功率计LP-3A测得195nm输出功率曲线如图8所示。在532nm抽运功率1 W时获得最高输出功率217μW。固定倍频Nd∶YAG激光器工作在10 Hz,输出平均功率1 W,改变声光调QNd∶YVO4激光器（调Q频率30 kHz)的输出功率，测得195nm输出功率曲线如图9所示。当1064nm光平均功率超过1 W时，195nm光输出功率反而下降。这是由于1064nm光的光子数比238.7 m光的光子数多，当1064nm光功率超过最佳值后，光能量会通过1064nm和195nm的差频过程流向238.7nm,使得输出195nm光功率下降。

结论

室温下，通过脉冲三倍频钛宝石激光器输出的238.7nm紫外光和全固态声光调Q Nd∶YVO4激光器输出的1064nm近红外光在非线性晶体CLBO中进行和频，实现了195nm深紫外激光的稳定输出，获得平均功率217μW、重复频率10Hz的195nm深紫外激光。实验中，195nm激光的输出功率主要受限于灯抽运电光调Q倍频Nd∶YAG激光器输出的532nm抽运光能量。提高调Q倍频Nd∶YAG激光器的重复频率和单脉冲能量，195nm激光的输出功率和转换效率将大幅度提高。