腔內倍頻準連續紫外激光器的設計及實現

談蕊，鐘小明

（1.河南省洛陽市電光設備研究所，洛陽　471003；2.中國人民解放軍63880部隊，洛陽　471003）

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腔內倍頻準連續紫外激光器的設計及實現

談蕊1，鐘小明2

（1.河南省洛陽市電光設備研究所，洛陽471003；2.中國人民解放軍63880部隊，洛陽471003）

摘要：準連續紫外激光器在精密材料微加工、紫外固化、光刻蝕等領域有廣泛的應用，目前，國內高功率準連續紫外激光器的研制尚處于起步階段，在激光功率穩定、光束質量等方面存在挑戰。設計了一套基于腔內倍頻的準連續紫外激光器，以808nm半導體泵浦Nd：YVO4晶體LBO紫外激光器，實現了波長為355nm的25～50kHz準連續紫外激光輸出，激光器最高功率達3.48W，熱效應得到了有效控制，光束質量較好。該研究結果將助于紫外高功率準連續激光器的商業化開發及應用。

關鍵詞：準連續紫外激光器；高功率；腔內倍頻

自20世紀90年代以來，大功率半導體二極管激光器的迅猛發展，推動了激光二極管泵浦的全固態激光器（Diode Pumped Solid State Laser，DPSSL）進步，是當今激光器領域的研究熱點之一［1-3］。半導體激光二極管泵浦準連續紫外激光器具有光束質量好、功率穩定性好、可靠性高、使用方便、體積小等諸多優點，在精密材料微加工、紫外固化、光刻等領域應用廣泛［4-6］，需求量日益增大，商業前景廣闊，受到越來越多的關注。但是國內的準連續紫外激光器一般平均功率較小，且功率的穩定性以及光束質量還有待進一步的改進，缺乏可用于工業加工的穩定商用高功率紫外激光器，國內的蘇州德龍激光有限公司趙裕興［7］發明的半導體二極管泵浦高功率紫外激光器具有高的輸出能量，但是設計中的結構復雜，四個非球面透鏡大大增加了成本和裝調的難度，本文的高功率準連續紫外激光器研制，對縮短國內外的技術差距具有重要的現實意義。

1　激光器設計

采用808nm半導體激光二極管（光纖耦合）單端泵浦激光晶體方式，基于腔內倍頻技術，實現1064nm基頻光到532nm倍頻光轉換，再通過1064nm基頻光與532nm倍頻光的和頻得到355nm紫外激光。激光腔內具有較大的模體積，同時倍頻晶體處具有較小的光斑，顯著提高了倍頻轉換效率。利用非球面光學耦合系統，保證了激光晶體處泵浦光與晶體處振蕩激光達到很好的模匹配，提高了基頻光轉換效率。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，采用腔內倍頻方式的激光器工作壽命長，激光輸出功率穩定、轉換效率高、光束質量好。

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

圖1為激光器設計原理圖，泵浦源采用功率為30W的808nm半導體激光二極管，通過芯徑為400μm，數值孔徑為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激光的偏振方向為橫向。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嚴格控溫。

DPSSL運轉時激光晶體會產生熱透鏡效應，主要是因為激光晶體因吸收泵浦光能量發熱，散熱過程中激光介質內會一定程度的形成溫度梯度分布，其對腔內激光的影響效果與有焦距的透鏡產生效果相當。表現為：受泵浦光影響，晶體溫度的徑向分布會使晶體的折射率、通光方向長度產生變化，使DPSSL整體性能受影響，特別是模式耦合的效率、腔模尺寸、輸出光束的質量、諧振腔穩定性等。由于不同泵浦功率時激光晶體的熱透鏡效應不同，熱透鏡焦距也不同，但諧振腔結構是不變的，因此熱透鏡的焦距變化，必然會使諧振腔產生失穩現象。所以設計、優化激光諧振腔時，一定要把激光晶體熱透鏡的效應作為重點考慮。本文所研制的激光器充分考慮到熱效應，通過理論分析后設計優化，很好地消除了熱效應的影響。

在LD抽運下激光介質產生的等效凸透鏡焦距的表達式：

式中，ω：泵浦光在介質中的半徑，δ：激光介質內熱損耗的功率占吸收功率的比例，Pin：抽運光的功率，dn/dT：介質折射率隨溫度變化率，a：激光介質對泵浦光吸收系數，l：介質的長度。泵浦光的光強是高斯分布時，ω可定義為：泵浦光在ω處強度是在軸心強度的1/e。當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：當泵浦光的功率太大或泵浦光光斑半徑太小都會使熱焦距變短，因此與腔模相位匹配條件下大功率LD泵浦時，增大泵浦光的束腰半徑，可以盡量消除熱透鏡效應。因此采用泵浦源功率為30W時，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，其中半導體二極管輸出808nm泵浦光，經過由兩個非球面透鏡構成的非球面光學耦合系統及透鏡1耦合到激光晶體3內，產生的1064nm激光經過由三個平面鏡（2，5，8）構成的諧振腔進行腔內振蕩，并由Q開關4進行調制；調制的1064nm基頻光兩次經過二倍頻晶體7，進行1064nm基頻光到532nm倍頻光的轉換，未完成二次倍頻轉換的剩余1064nm基頻光與532nm倍頻光，經過三倍頻晶體6進行和頻，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為實驗裝置圖。

圖2　實驗裝置圖

2　激光輸出特性測試

測試功率計為以色列OPHIR公司的NOVAII，探頭型號30（150）-A-SV，激光輸出時，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系

圖3所示為激光輸出的光斑測試圖，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。成功實現了波長355nm的25～50kHz紫外準連續激光輸出，最高功率可達3.48W，且很好地抑制了熱效應，光束質量較好。

圖3　光斑圖

3　結論

腔內倍頻準連續紫外激光器光腔內具有較大的模體積，同時倍頻晶體處具有較小的光斑，提高了倍頻轉換效率。利用非球面光學耦合系統，保證泵浦激光與振蕩激光達到很好的模匹配，提高基頻光轉換效率。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?；谇粌缺额l技術，利用腔內較高的光強實現非線性頻率轉換，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，實現高的轉換效率，可以大大減小晶體損壞的幾率，而且此方法對非線性晶體的鍍膜要求相當低，在同樣晶體及鍍膜條件下，激光器的工作壽命也較長，輸出激光穩定性高。

參考文獻

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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：TN248

文獻標識碼：A

文章編號：1672-9870（2016）02-0019-03

收稿日期：2015-09-20

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