高能量高轉(zhuǎn)換效率355 nm紫外激光器

崔建豐， 李福玖， 鄔小嬌， 岱 欽， 李業(yè)秋， 張 鵬， 張善春

(1. 沈陽理工大學 理學院， 遼寧 沈陽 110159； 2. 鞍山紫玉激光科技有限公司燈泵實驗室， 遼寧 鞍山 114044)

1 引 言

紫外波段激光相較于紅外波段激光，有著波長短、分辨率高、單光子能量大等優(yōu)點，在工業(yè)、軍事、科研等領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。相較于早期利用繁雜笨重的準分子激光器或氮氣激光器得到紫外波段激光而言，通過固體激光器和頻得到的355 nm紫外光具有更高的穩(wěn)定性、可靠性及便捷性，但目前通過1 064 nm和頻得到355 nm激光的和頻效率不及50%[1]。2011年，Huang等將TEM50和TEM00模的355 nm紫外光的轉(zhuǎn)換效率分別做到了35.6%和28.1%[2]。2013年，Zhu等將1 064 nm到355 nm的轉(zhuǎn)換效率做到了46%[3]。在氙燈泵浦Nd∶YAG激光器領(lǐng)域，其轉(zhuǎn)換效率也不高[4]。轉(zhuǎn)換效率大小在一定程度上限制了其實用價值，所以，得到更高倍頻效率的355 nm激光器具有重要的意義。

本文研究了燈泵電光調(diào)Q脈沖激光器的三倍頻效率，工作物質(zhì)為Nd∶YAG晶體，諧振腔輸出鏡選用高斯鏡來獲得較高的基頻光束質(zhì)量，利用LBO晶體進行腔外二倍頻與三倍頻。從理論和實驗兩方面分析了二倍頻輸出特性等對三倍頻效率的影響，最終獲得重復頻率10 Hz、單脈沖能量608 mJ的355 nm紫外光，倍頻轉(zhuǎn)換效率達60%。

2 實驗原理及裝置

2.1 三倍頻原理及其效率

關(guān)于355 nm激光的轉(zhuǎn)換效率最高時532 nm的最佳轉(zhuǎn)換效率應(yīng)為多少的問題，不同的文獻[5-6]得出的結(jié)論也不盡相同。用1 064 nm的基頻光進行三倍頻得到355 nm的過程中，一個355 nm的光子需要一個1064 nm的光子和一個532 nm的光子合成，而一個532 nm的光子需要2個1 064 nm的光子得到，所以要得到一個355 nm的光子，需要3個1 064 nm的光子，其中有2個光子變成一個532 nm的光子，簡單地看，三倍頻效率最佳時的二倍頻效率應(yīng)為66.7%，但是，轉(zhuǎn)換效率的高低并不是只看光子數(shù)的配比，還由其他因素決定。

光在介質(zhì)中的傳播過程就是光與物質(zhì)相互作用的過程，分為介質(zhì)對光的響應(yīng)過程和介質(zhì)的輻射過程[7-8]、非線性光學現(xiàn)象是高階極化的現(xiàn)象[9]，把非線性光學效應(yīng)看作介電材料內(nèi)部電荷受電場感應(yīng)重新分布而產(chǎn)生電極化來研究，得到其耦合波方程：

(1)

式中，A1、A2、A3分別為3種光波的振幅，ω為各光波的頻率，deff為有效非線性系數(shù)，Δk為相位匹配系數(shù)，n為各光波的折射率，c為光速。小信號的情況下，可以假設(shè)基波是一個常數(shù)，那么可以忽略前兩個方程，對第三個方程進行積分，可得三倍頻光的振幅為：

(2)

式中，L為晶體長度，根據(jù)功率密度I與振幅之間的關(guān)系：

(3)

式中，ε0為真空中的介電常數(shù)，可將得到的三倍頻光量用功率密度表示為：

(4)

式中，λ為各光波的波長。這里我們要討論的是二倍頻的效率對三倍頻效率的影響，所以我們只討論I1、I2對功率密度I3的影響，把其他的變量當成一個常量a，于是設(shè)：

(5)

所以，(4)式可簡化為：

I3=aI1I2，

(6)

由于二倍頻光是由基頻光倍頻而來，所以剩余的基頻光功率密度I1與由基頻光二倍頻得到的二倍頻光功率密度I2之和為基頻光倍頻前的功率密度且為定值I，即I=I1+I2，所以和頻效率η表示為：

(7)

通過計算，當I2=I/2時，其三倍頻轉(zhuǎn)換效率取得最大值，即當二倍頻的轉(zhuǎn)換效率為50%時，其三倍頻的轉(zhuǎn)換效率達到最高。

2.2 倍頻晶體的選擇及匹配方式設(shè)計

相較于其他倍頻晶體，LBO晶體具有很高的損傷閾值，其損傷閾值的能量密度為24.6 J/cm2，功率密度為18.9 GW/cm2，要比KTP、BBO和KD*P等晶體的損傷閾值強很多。本研究的激光為高能量、高峰值功率的355 nm強脈沖紫外光，由于紫外光的單光子能量較大，破壞力較強，這對于晶體損傷閾值的要求較為苛刻。所以本研究的倍頻晶體采用LBO晶體。

圖1是實驗光束匹配方案示意圖。由于本研究用到的1 064 nm基頻光為線偏振光，所以采用的是Ⅰ類相位匹配LBO晶體作為二倍頻，垂直偏振的基頻光倍頻后會得到水平偏振的532 nm的激光，所以采用Ⅱ類相位匹配LBO晶體作為三倍頻。二倍頻LBO晶體的匹配方式采用臨界相位匹配，基頻光偏振方向為垂直偏振。經(jīng)過Ⅰ類的LBO倍頻后，得到水平偏振的532 nm的激光。三倍頻LBO晶體的匹配方式也為臨界相位匹配，水平偏振的532 nm的激光和垂直偏振的基頻光經(jīng)過Ⅱ類的LBO晶體三倍頻后，最終得到垂直偏振的355 nm的激光。

圖1 光束匹配方案示意圖

2.3 實驗裝置

本實驗采用的電源為1 000 W、10 Hz的燈泵電源，單脈沖最大能量100 J，最高電壓1 200 V，采用的冷卻方式為水冷卻。

實驗光路如圖2所示，工作物質(zhì)為Nd∶YAG晶體棒，本振和放大極的晶體棒的尺寸分別為φ8×125 mm和φ10×125 mm，摻雜濃度為1%，晶體棒兩端面的斜切角為0.5°以防止自激振蕩，泵浦方式為氙燈泵浦以得到更高的單脈沖能量。M1為平凹反射鏡，曲率半徑r=9 m，曲面鍍1 064 nm高反膜，反射率R>99.6%。M2為輸出鏡，選用凹凸r=2 m的高斯鏡，端面傾斜角為2°，凸面朝向腔內(nèi)，鍍1 064 nm部分透射膜，透過率T=85%；凹面鍍1 064 nm增透膜，T>99%。諧振腔腔長為410 mm。調(diào)Q方式為電光加壓調(diào)Q。P1、P2、P3為偏振片，水平放置，布儒斯特角為56°。由于得到的本振光發(fā)散角略大，在輸出鏡后放置r=1.5 m的平凸透鏡f進行準直。M3、M4、M5、M6為45°反射鏡，鍍45° 1 064 nm高反膜，反射率R>99.5%。利用φ10×125 mm的Nd∶YAG晶體棒對本振光進行行波放大，得到1.01 J的1 064 nm基頻光。利用LBO晶體對基頻光進行二倍頻，晶體尺寸為12 mm×12 mm×12 mm，雙面鍍1 064 nm與532 nm增透膜，T>98%，角度為θ=90°，Φ=10.8°。溫度控制方式為電溫控，溫度控制在(30±0.1) ℃。將二倍頻得到的532 nm光再與倍頻后剩余的1 064 nm基頻光進行三倍頻，三倍頻晶體為LBO晶體，尺寸為12 mm×12 mm×15 mm，雙面鍍1 064，532，355 nm增透膜，T>96%，角度為θ=43.4°，Φ=90°，其溫度控制在(30±0.1) ℃。最后對其進行分束，M7、M8為45°分光鏡，鍍45° 355 nm高反、1 064 nm和532 nm高透膜，355 nm反射率R>99%，1 064 nm和532 nm透過率T>95%。最終得到355 nm的激光輸出。

圖2 光路示意圖

3 實驗結(jié)果與分析

本實驗中，當電壓為1 150 V、氙燈單脈沖能量注入約為90 J、重復頻率為10 Hz時，得到1.01 J的基頻光。垂直偏振的基頻光經(jīng)過LBO晶體二倍頻后，得到偏振方向為水平偏振的532 nm激光，調(diào)節(jié)二倍頻晶體的角度使其轉(zhuǎn)換效率最高。將其與剩余的1 064 nm基頻光進行三倍頻，調(diào)節(jié)三倍頻晶體角度，使其三倍頻效率最高。最終得到608 mJ垂直偏振的355 nm激光輸出，光譜圖如圖3所示。

1 064 nm基頻光脈寬如圖4所示，脈沖寬度為7.3 ns。355 nm紫外激光脈寬如圖5所示，脈沖寬度為5.7 ns。得到的355 nm紫外光及1 064 nm基頻光光斑形狀如圖6所示，當?shù)玫?08 mJ的355 nm紫外激光輸出時，1 064 nm激光發(fā)散角為1.03 mrad。其能量輸出特性曲線如圖7所示，基頻到三倍頻的轉(zhuǎn)換效率為60%。

經(jīng)過理論計算及實驗數(shù)據(jù)分析可知，當?shù)玫降?55 nm的激光能量最高時，532 nm激光的轉(zhuǎn)換效率并不是66.7%，而是約為50%。當?shù)玫?08 mJ的355 nm激光時，如果將二倍頻效率調(diào)到更接近66.7%，355 nm的能量也會下降。

如圖7所示，當電源電壓較小時，532 nm的輸出能量較低，二倍頻效率相對較差，三倍頻的效率主要受532 nm激光的限制。當加大電壓時，二倍頻的效率隨著電壓的增大而增加，三倍頻的效率也隨著532 nm激光增加而增加，主要的原因是：由于電源注入能量的增加，晶體棒會變熱，由于熱透鏡效應(yīng)，基頻光就會會聚，發(fā)散角變小，如圖6(d)所示光斑，當單脈沖能量注入約為80 J時，光束的發(fā)散角為2.4 mrad；當將單脈沖能量注入增加到約90 J時，光束發(fā)散角減小到了1.03 mrad，從而使二倍頻效率增加，三倍頻效率也隨之增加。當電壓為1 150 V、能量注入約為90 J時，為了得到更為匹配的發(fā)散角，從而使其三倍頻效率達到最佳，我們選擇了r=1.5 m的平凸透鏡作為準直鏡，以使得532 nm的轉(zhuǎn)換效率在50%左右。最終得到了608 mJ的355 nm激光。

圖3 光譜圖

圖4 1 064 nm激光脈寬圖

圖5 355 nm激光脈寬圖

圖6 355 nm及1 064 nm激光光束模式圖。(a)波長355 nm，L=0 m處，電源電壓1 070 V，光斑直徑9.18 mm；(b)波長355 nm，L=1.8 m處，電源電壓1 070 V，光斑直徑13.5 mm；(c)波長1 064 nm，L=0 m處，電源電壓1 150 V，光斑直徑9.00 mm；(d)波長1 064 nm，L=1.8 m處，電源電壓1 150 V，光斑直徑10.85 mm。

圖7 激光能量輸出特性曲線

4 結(jié) 論

實驗研究了以燈泵Nd∶YAG電光調(diào)Q脈沖激光器作為基頻光來對其進行二倍頻和三倍頻以得到355 nm的紫外激光。倍頻方式為腔外倍頻，二倍頻和三倍頻晶體均采用LBO晶體。當氙燈的能量注入約為90 J、重復頻率為10 Hz時，得到單脈沖能量為1.01 J的1 064 nm的基頻光，用 Ⅰ 類的LBO晶體倍頻，將其二倍頻效率調(diào)到最高。加上三倍頻晶體，優(yōu)化其入射角度，使其三倍頻效率達到最大。然后監(jiān)測355 nm激光的能量，并優(yōu)化二倍頻晶體的角度，使355 nm激光的能量達到最高。當三倍頻效率最高時，從1 064 nm到532 nm的轉(zhuǎn)換效率約為50%，最終獲得了608 mJ的355 nm的紫外光輸出，脈寬為5.733 ns，使1 064 nm基頻光到355 nm三倍頻紫外光的轉(zhuǎn)換效率達到了60%。