皮秒光纖-固體混合放大紫外激光器

蘇 鑫，姚 吉，王禹凝，楊祥輝，鄭 權,3

(1. 長春新產業光電技術有限公司, 吉林 長春 130103；2. 中國科學院大學，北京 100049；3. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

1 引 言

紫外激光具有波長短、光子能量高、可聚焦性能好的特點[1]。而脈沖寬度為皮秒級的紫外激光，與納秒激光相比，憑借極窄的脈沖寬度，縮短了激光與物質相互作用的時間，可在短時間內破壞物質的分子鍵，不會對加工材料造成熱破壞，被稱為“冷加工”，同時具有較強的時間分辨率[2-3],廣泛應用于TCSPC、高精度激光測距、精細材料加工等方向[4-8]。

紫外波段激光輸出的實現方法常利用晶體材料的非線性效應通過變頻的方法來產生，先利用倍頻技術得到二次諧波，然后再利用和頻或倍頻技術得到紫外激光[8-9]。通過頻率變換技術實現213 nm深紫外激光器的研究有過一些報道。2004年，SAKUMA等人使用CLBO晶體，利用LD泵浦的Nd∶YVO4產生的1.064 μm激光進行五倍頻， 實現平均功率為100 mW的213 nm連續紫外激光輸出[9]。2006年，國內蘇艷麗等人利用BBO晶體對LD泵浦的Nd∶YVO4產生的1.064 μm激光進行五倍頻，獲得重復頻率為20 kHz,平均功率為3 mW的213 nm準連續紫外激光輸出，激光脈沖寬度為7.5 ns[11]。2016年，岱欽等人利用脈沖LD側面泵浦Nd∶YAG晶體，電光調Q的方式，輸出1.064 μm激光，在腔外使用BBO晶體實現五倍頻，輸出重復頻率為1 kHz，脈沖寬度為10 ns，平均功率為151 mW的213 nm激光[12]。這些研究涉及的213 nm激光多為較低重復頻率，脈沖寬度為納秒級或連續激光輸出。在TCSPC、高精度激光測距等方面，激光的脈沖寬度決定了測量系統的最小時間分辨率，更窄的脈沖寬則擁有更高的測量精度；而在精細激光加工方面，納秒激光加工往往伴隨著熱影響區、再鑄層、微裂紋等熱損傷；利用超短脈沖激光可在理論上實現冷加工，避免熱損傷[13]。同時，更高的重復頻率則意味著可以實現更高的采樣速率和加工速率。因此，對脈沖寬度為皮秒級的高重頻213 nm深紫外激光的研制尤為重要。

為了實現皮秒級脈沖寬度、高重頻、高轉換效率的紫外激光輸出，本文設計了一種光纖-固體混合放大激光器。本文使用脈沖寬度為皮秒級的1 064 nm光纖激光器作為種子源，經過兩級端面泵浦的Nd∶YVO4放大后輸出平均功率為10.5 W的1 064 nm基頻光；再利用放大后的1 064 nm基頻光及其四倍頻后得到的266 nm激光進行和頻，得到脈沖寬度690 ps、重復頻率5 MHz、平均功率約61 mW的213 nm紫外激光輸出。利用紫外激光器作為光源應用在不同的生產加工和實驗研究中時，對激光的重復頻率、脈沖寬度等光學指標會有不同的需求。而本文使用的光纖種子源為自制的光纖激光器[14]，可通過調制改變輸出激光的脈沖寬度和重復頻率，配合固體放大級和非線性頻率變換技術具有較大的拓展空間。

2 技術路線

獲得皮秒脈沖激光比較常用的方法有短腔法和鎖模法。其中，短腔法獲得的脈沖寬度約為百皮秒量級，要想獲得更短的脈沖寬度，則需要采用鎖模法。采用半導體可飽和吸收鏡(SESAM) 鎖模輸出的脈沖寬度在幾皮秒到幾十皮秒之間[2,13,15]。為了實現穩定鎖模和高重復頻率，皮秒級高功率輸出往往要求復雜的腔體結構，有些技術甚至采用了被動鎖模與附加相位鎖模相結合的手段。這些方法雖然能夠提高激光器的輸出脈沖質量，但卻減弱了器件的穩定性[16]。本文采用的光纖激光器是通過增益開關的方式輸出皮秒級脈沖寬度的種子光。這種技術是采用電流脈沖或高頻正弦電路直接調制光纖激光器中的半導體種子源，同時具有重復頻率連續可調、結構緊湊、性能可靠等優勢。光纖激光器的種子源輸出的激光再通過主振蕩功率放大(MOPA)的方式提高激光的平均輸出功率。超短脈沖具有脈寬窄、峰值功率高的特點。在放大過程中，具有較高峰值功率的脈沖激光在光纖中傳輸時容易產生自相位調制(SPM)、受激拉曼散射(SRS)以及四波混頻效應(FWH)等非線性效應，從而影響脈沖質量，限制了平均功率的進一步放大[17]。為了避免高峰值功率激光在光纖中傳輸時遇到的諸多弊端，本文采用光纖-固體混合放大的方式，采用兩級半導體端面泵浦的Nd∶YVO4晶體作為放大級，對光纖激光器輸出的種子光再次進行放大。

Nd∶YVO4和Nd∶YAG是最常見的激光工作物質，可選擇作為放大級的工作物質。與各向同性的Nd∶YAG晶體相比，Nd∶YVO4有幾種光譜特征特別適合于激光二極管泵浦，而且吸收系數高、受激發射截面大，比Nd∶YAG晶體大5倍。Nd∶YVO4晶體是自然雙折射晶體，除了具有很強的偏振吸收特征外，還具有很強的偏振輻射特征，激光輸出沿著特殊的π方向，呈線性偏振。偏振輸出有一個顯著優點，即避免了多余的熱致雙折射。Nd∶YVO4晶體在1 064.3 nm處有一較高的熒光峰，熒光譜線寬度為0.9 nm峰值波長與種子源的激光波長相吻合[18]。在本裝置連續泵浦的情況下，選擇Nd∶YVO4作為兩放大級的工作物質。考慮到過高的摻雜濃度會引起較大的熱透鏡效應，放大級工作物質的摻雜濃度選擇為0.3%。采用半導體激光二極管作為泵浦源，可實現泵浦光譜線與增益介質吸收譜線較好的匹配，具有能量轉換效率高、廢熱產生率低的特點，可通過半導體制冷即可導出熱量，大大提高了系統的可靠性、環境適應性及使用壽命[19]。

213 nm紫外激光最常見的獲得方式是采用基頻光1 064 nm及其四倍頻后得到的266 nm光束在和頻晶體中進行和頻[10-12]，并采用Ⅰ類相位匹配的方式1 064 nm(o)+266 nm(o)→213 nm(e)實現。

KTP是一種綜合性能最為優秀的非線性晶體材料之一，在光參量振蕩、和頻、差頻尤其是倍頻中得到了廣泛的應用[20]。在Ⅱ類相位匹配方式時，非線性系數較大，因此，可選擇KTP作為二倍頻晶體。

CLBO和BBO晶體是廣泛用于紫外波段優良的非線性晶體，廣泛應用于Nd∶YAG激光的四次、五次諧波的產生。CLBO晶體的優點是擁有較大的允許角和較小的走離角，而BBO晶體在213 nm的和頻過程中則擁有更高的非線性系數[10-12]。因此，本文選擇BBO作為本裝置中四倍頻及和頻部分的非線性晶體。由于BBO晶體具有較小的允許角和較大的走離角度，因此激光光束質量控制特別重要，不應該采用很強的聚焦。同時為了提高倍頻效率，通過使用長焦透鏡將1 064 nm基頻光進行聚焦，增強非線性晶體上激光的能量密度。

3 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，種子源輸出的波長為1 064.3 nm、重復頻率為5 MHz、脈沖寬度約為52 ps、平均功率為2.5 W。為了避免放大級返回光損傷光纖種子源，在種子源與第一放大級之間放置光隔離器Optoisolator 1。輸出的種子光偏振方向調整為s波，與Nd∶YVO4晶體中π偏振吸收方向一致，Nd∶YVO4晶體尺寸為3 mm×3 mm×10 mm，雙端面鍍有1 064，808 nm雙波長增透膜。兩放大級的泵浦光波長均為808 nm，其中第一級的泵浦功率為14.8 W，第二級泵浦功率為28 W，通過光纖傳輸，光纖芯徑為400 μm。為了保證放大級的提取效率，使用平凸聚焦透鏡M1將種子光聚焦，聚焦后與泵浦光在晶體中的焦點重合。經過模擬，第一級工作物質處泵浦光的聚焦光斑尺寸均為600 μm。其中，M1平凸聚焦鏡的曲率半徑為103 mm，鍍有1 064 nm增透膜；M9，M11為泵浦光的聚焦透鏡，M9焦距為30 mm，M11的焦距為40 mm，鍍有808 nm增透膜；M10，M12為泵浦光的準直透鏡，焦距為20 mm，鍍有808 nm增透膜。在兩放大級之間放有光隔離器Optoisolator 2。透鏡M3為雙凹透鏡，透鏡M2為平凸透鏡，M2，M3兩透鏡構成準直系統，用于調整放大后的1 064 nm基頻光發散角度。M5，M6鍍有45°的808 nm增透膜和1 064 nm全反射膜；M7，M8鍍有45°的1 064 nm全反射膜，實現光路的折疊。

圖1 混合放大213 nm激光器實驗裝置Fig.1 Experimental device of hybrid amplification 213 nm laser

平凸透鏡M4為放大后基頻光的聚焦透鏡，鍍有1 064 nm增透膜，曲率半徑為103 mm，焦點位于四倍頻晶體BBO1與和頻晶體BBO2之間。選擇切割角度θ=90°，Φ=24°的KTP作為二倍頻晶體，匹配方式為Ⅱ類相位匹配，晶體尺寸為4 mm×4 mm×7 mm，雙端面鍍有1 064，532 nm雙波長增透膜；采用切割角度為θ=47°，Φ=0°的BBO作為四倍頻晶體，匹配方式為Ⅰ類相位匹配，晶體尺寸為4 mm×4 mm×8 mm，雙端面鍍有1 064,532,266 nm三波長增透膜；切割角度為θ=51°，Φ=0°的BBO作為和頻晶體，匹配方式為Ⅰ類相位匹配，晶體尺寸為4 mm×4 mm×8 mm，進光端面鍍有1 064,532,266 nm三波長增透膜，出光端面鍍有1 064,532,266,213 nm四波長增透膜，實現最終的213 nm激光輸出。最后，通過石英分光棱鏡Prism將四波長的激光分離開。

4 測量實驗與結果

經過第一級Nd∶YVO4晶體放大后，平均功率為2.5 W的種子光可放大至5.2 W。在第二放大級模式匹配中，泵浦光的聚焦尺寸約為800 μm，較大的聚焦尺寸可防止泵浦光功率過于集中，帶來嚴重且不規則的熱透鏡效應。通過第二級Nd∶YVO4晶體放大后，輸出的1 064 nm激光可達到10.5 W。使用自相關儀(A.P. E Pulse Check)對放大后的1 064 nm激光進行測量，脈沖寬度實測為46 ps，見圖2。

圖2 混合放大后1 064 nm脈沖寬度Fig.2 Pulse width of 1 064 nm laser after mixed amplification

1 064 nm基頻光經過衰減片衰減后，使用CCD相機(Thorlabs BC106N-VIS)探測基頻光經過聚焦鏡M4后不同位置處的光斑直徑，見圖3。縱坐標為此處的光斑直徑，橫坐標為距M4透鏡的距離，其中曲線單側斜率為-0.015 3，光束質量M2=1.24。其中，焦點位于M4透鏡后246 mm處B點，焦點處的光斑直徑約為110 μm。KTP晶體受限于較低的損傷閾值，將KTP晶體放置在200 mm處A點，此處的光斑直徑約為590 μm；BBO晶體擁有較高的損傷閾值，同時為了提升晶體處的激光功率密度，進而提升非線性轉換效率，將四倍頻、和頻晶體緊密放置在焦點B兩側。在非線性匹配過程中，通過單透鏡聚焦的方式提升非線性晶體處的功率密度，從而提高非線性轉化效率?？紤]到不同波長的激光折射率不同，再次經過光學透鏡會聚焦于不同位置，反而影響和頻的轉換效率，本裝置中并未在二倍頻或四倍頻后再次進行準直聚焦。

圖3 經聚焦鏡M4后的光束直徑及M2測量曲線Fig.3 Beam diameter and M2 measurement curve after M4 focusing mirror

經過二倍頻后，輸出532 nm激光的功率為3.6 W，二倍頻效率約為34.2%；經過四倍頻后，得到約為710 mW的266 nm激光輸出，四倍頻效率為1 064 nm的6.76%；將剩余約6.9 W的1 064 nm基頻光與710 mW的266 nm激光進行和頻，最終得到61 mW的213 nm激光輸出，和頻效率約為1 064 nm基頻光的0.58%。由于使用普通的光電探頭很難響應到深紫外的光脈沖信號，為了測量最終獲得的213 nm激光脈沖寬度，采用間接測量的方式，使用熒光光譜儀(Pico Quant)捕獲輸出的213 nm光子，并以時間為橫坐標記錄下213 nm激光的脈沖寬度，見圖4，半高寬為690 ps。由于所用的熒光光譜儀有一定的響應時間，實際激光脈沖寬度會小于測量值。圖5為測量213 nm激光的功率-時間曲線，輸出功率的標準偏差為2.54 mW。圖6為使用光譜儀(鐳科Aurora4000)[14]記錄的213 nm激光光譜。

圖4 213 nm激光脈寬Fig.4 Pulse width of 213 nm laser

圖5 213 nm激光的功率穩定性曲線Fig.5 Power stability curve of 213 nm laser

圖6 213 nm激光中心波長Fig.6 Central wavelength of 213 nm laser

5 結 論

本文采用脈沖寬為皮秒級的光纖激光器作為種子源，通過兩級泵浦功率為14.8,28 W，泵浦波長為808 nm泵浦的Nd∶YVO4放大模塊后，輸出約10.5 W的1 064 nm基頻光。經過光束整形后，使用KTP晶體進行二倍頻，BBO晶體實現四倍頻、五倍頻的頻率變換。最終得到61 mW的213 nm激光輸出，脈沖寬度為690 ps，基頻光到五倍頻的非線性轉換效率達到0.58%。213 nm激光相比與脈沖寬度為納秒級的激光器，在激光精細加工、TCSPC、高精度激光測距等領域的使用光源上有了更好的選擇。