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1、 紫外激光器研究進(jìn)展及其 光器研究進(jìn)展及其關(guān)鍵技術(shù) 黃川 摘要：本文詳細(xì)介紹了利用LD泵浦的紫外激光器產(chǎn)生紫外激光的非線性原理，并在此 基礎(chǔ)上介紹了在全固態(tài)紫外激光器中用到的倍頻晶體的種類和各自的應(yīng)用場景；介紹了 近年來高功率固體紫外激光器研制的國內(nèi)外進(jìn)展情況，最后展望了高功率全固體紫外激 光器研制的未來。 關(guān)鍵詞：紫外激光；非線性光學(xué)；相位匹配 1、 引言 因?yàn)樽贤饧す饩哂械亩滩ㄩL和高光子的能量特點(diǎn)，所以紫外激光在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)具 有非常廣泛的應(yīng)用。在工業(yè)微加工領(lǐng)域內(nèi)，相較于紅外激光的熱熔過程，紫外激光加工 時(shí)的“冷蝕效應(yīng)°可以使加工的尺寸更小，達(dá)到提高加工精度的

2、目的。另外，紫外激光器 在生物技術(shù)，醫(yī)療設(shè)備加工，大氣探測等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。 —般而言，可以將紫外激光器劃分為三類：固體紫外激光器，氣體紫外激光器， 半導(dǎo)體紫外激光器。其中固體紫外激光器應(yīng)用最為廣泛的是激光二極管泵浦全固態(tài)激光 器。而利用激光二極管抽運(yùn)的固體UV激光器相較于其他類型的紫外激光器而言，具有效 率高，性能可靠，硬件結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，因此應(yīng)用最為廣泛，基于LD抽運(yùn)的全固態(tài)UV激 光器也得到了迅猛的發(fā)展。 在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)紫外連續(xù)激光輸出的方法一般是利用晶體材料的非線性 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)變頻的方法來產(chǎn)生。產(chǎn)生全固態(tài)紫外激光的方法一般有兩種：一是直接對全固 體激光器進(jìn)行3倍頻或4倍頻

3、來得到紫外激光；另一種方法是先利用倍頻技術(shù)得到二次諧 波，然后再利用和頻技術(shù)得到紫外激光。相較于前一種方法，后者利用的是二次非線性 極化率，其轉(zhuǎn)換效率要高很多。最常見的是通過三倍頻和四倍頻技術(shù)產(chǎn)生355nm和266nm 的紫外激光。下文將簡單介紹紫外激光產(chǎn)生的非線性原理。 2、 非線性頻率轉(zhuǎn)換原理 介質(zhì)的非線性極化 激光作用在非線性介質(zhì)上會(huì)引起介質(zhì)的非線性極化，這是激光頻率變換的非線性基 礎(chǔ)。在單色的電磁波作用下，介質(zhì)的內(nèi)部原子，離子等不會(huì)發(fā)生本征能級的躍遷，但是 這些離子的電荷分布以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都會(huì)發(fā)生一些變化，引起光感應(yīng)的電偶極矩，這個(gè)電 偶極矩作為新的輻射源輻射電磁波。 —般來說，

4、我們用介質(zhì)的電極化矢量P描述介質(zhì)的極化，在入射光較弱的情況下，P 與入射光場E成線性關(guān)系： Pr/E (2-D 其中，E為電場強(qiáng)度，x⑴為線性極化系數(shù)，為真空中的介電常數(shù)。 如果入射光強(qiáng)很大時(shí)，電極化矢量P與電場強(qiáng)度E不再成簡單的線性關(guān)系，而是呈現(xiàn) 出一種非線性關(guān)系： P 才“ ? g + %⑵：滋+無⑶應(yīng)占+…) (2-2) 上式中.x<2). X⑶分別為為二階非線性極化率和三級非線性極化率。非線性極化項(xiàng) 的引入會(huì)導(dǎo)致廣播的頻率發(fā)生改變。在這里假設(shè)有兩書入射光，光波方程如下所示： 當(dāng)兩束光入射到介質(zhì)上，會(huì)引起介質(zhì)的非線性極化，產(chǎn)生的極化強(qiáng)度為： 由于電場強(qiáng)度具有二次項(xiàng)，因此會(huì)

5、引入很多新的頻率成分。 從上式可以看出，上述的頻率成分中包括倍頻，和頻，差頻等，因此當(dāng)不同頻率的 兩束光波入射到非線性介質(zhì)上時(shí)，極化產(chǎn)生的光波中不僅包括基頻光，還存在倍頻，和 頻以及差頻的成分。下面簡述了光倍頻和和頻，差頻的原理。 非線性晶體選擇 非線性是實(shí)現(xiàn)激光非線性頻率變換的物質(zhì)基礎(chǔ)，滿足實(shí)際應(yīng)用場景的非線性晶體應(yīng) 該具備幾個(gè)條件：透明波段寬，有效非線性光學(xué)習(xí)書大，最佳相位匹配角恰當(dāng)，性能穩(wěn) 定，大的接收角度以及大帶寬，生長工藝簡單’價(jià)格較低?；谶@些條件下，非線性晶 體也得到了廣泛的研究。下面介紹幾種常用的高功率紫外激光非線性晶體。 LBO晶體 LBO(LiBg)晶體是由中科

6、院研制的一種新型非線性光學(xué)晶體。屬于正交晶系，負(fù)雙 軸晶體。這種晶體具有不易潮解，透明波段范圍寬的特點(diǎn)，其光學(xué)均勻性高，接受角度 寬，離散角小，激光損傷閾值高，可以實(shí)現(xiàn)非臨界相位匹配，因此被廣泛應(yīng)用于和頻和 差頻等領(lǐng)域。 BBO晶體 BBO (BaB：O;)晶體是中科院研發(fā)的一種激光晶體。該晶體具有大的雙折射效率以及 較低的色散，具有較高的激光損傷閾值，相位匹配范圍寬，溫度穩(wěn)定性好，接收角較 小，而相對的離散角大，因其輕微的潮解特性通常需要鍍膜保護(hù)。同樣廣泛應(yīng)用于紫外 激光倍頻，三倍頻以及四倍頻等。 CLBO晶體 CLBO (CsLiB6O：0)晶體是由日本大阪大學(xué)研制的一種優(yōu)良的紫外

7、激光非線性晶體。 該晶體屬四方晶系，負(fù)單軸晶體，相對于LBO和BBO晶體而言，CLBO警惕的生長較為容 易，但是同樣具有易潮解的特點(diǎn)，因此需要長期保存在溫度高的干燥環(huán)境下或者是密封 使用，因此在商業(yè)領(lǐng)域中還沒有得到應(yīng)用。 CBO晶體 CBO(CsBg)晶體是中科院研制的一種紫外激光非線性晶體。這種晶體具有激光損傷 高閾值的特點(diǎn)，并且較高的透過率，其非線性光學(xué)系數(shù)相較于其他類型的晶體而言較大 同時(shí)離散角較小，滿足紫外激光頻率變換的基本條件，但是目前還沒有在商業(yè)領(lǐng)域內(nèi)廣 泛投入使用。 KBBF晶體 KBBF (KBe：BO3F=)晶體是中科院研制的一種性能優(yōu)異的非線性晶體，負(fù)單軸晶體。 其

8、紫外透光范圍寬，可以輸出六倍頻深紫外激光，在實(shí)現(xiàn)深紫外激光輸出的領(lǐng)域中具有 非常重要的應(yīng)用前景、 非線性頻率變換方式 倍頻有兩種方式：腔內(nèi)倍頻以及腔外倍頻。 腔內(nèi)倍頻是顧名思義是晶體置于腔內(nèi)的倍頻方式，腔內(nèi)倍頻的方式相對而言可以獲 得較高的轉(zhuǎn)換效率。腔內(nèi)倍頻的方式對非線性晶體具有一定的要求，倍頻晶體需要具有 好的光學(xué)均勻性，較高的透過率以及良好的導(dǎo)熱性，同時(shí)要求采用適當(dāng)?shù)姆绞絹磉M(jìn)行溫 控。 另一種倍頻方式腔外倍頻是將晶體放在諧振腔外進(jìn)行倍頻的方式。在這種倍頻方式 中，可以通過調(diào)Q來提高倍頻轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)激光脈沖的長度越短，其產(chǎn)生的峰值功率密 度越高，因此采用小的光脈沖寬度會(huì)提高倍頻轉(zhuǎn)換效

9、率。 3、全固態(tài)紫外激光器的研究進(jìn)展 產(chǎn)生全固態(tài)紫外激光的方法一般有兩種：一是直接對全固體激光器進(jìn)行3倍頻或4 倍頻來得到紫外激光；另一種方法是先利用倍頻技術(shù)得到二次諧波，然后再利用和頻技 術(shù)得到紫外激光。相較于前—種方法，后者利用的是二次非線性極化率，其轉(zhuǎn)換效率要 高很多。而目前市場研發(fā)的全固態(tài)紫外激光器主要才用的是后一種方式，產(chǎn)生355nm和 266nm的激光，下文中將重點(diǎn)介紹這兩種紫外激光器的發(fā)展現(xiàn)狀。 355nm全固態(tài)紫外激光器 2001年，美國Spectra-physics公司采用LD雙端面抽運(yùn)，腔內(nèi)倍頻的方式，采用 Nd : YVO雙棒串接作為基頻源，采樣I類和II類相位匹

10、配的LB0作為三倍頻以及和頻 晶體，在104W的功率條件下，獲得了功率為12W,脈寬為17-75ns的355nm紫外激光輸 出。 2005年，中科院理化研究所和物理研究合作研發(fā)了一套紫外激光器。才用的是外 腔倍頻的方式，利用LB0作為倍頻晶體，CB0作為三倍頻晶體，其中CB0晶體才用的是 II類相位匹配，通過140W, 70ns的基頻光波和頻，獲得了最高輸出位17W的355nm的 紫外激光輸出，比同尺寸的LB0晶體擁有更好的性能，但是其轉(zhuǎn)換效率略低，約為 12%。 2006年，Coherent公司采用同樣端面抽運(yùn)Nd : YV0*的結(jié)構(gòu)，波長為1064nm的基 頻激光通過放大后輸出，利用I

11、類相位匹配LB0倍頻產(chǎn)生532nm的倍頻激光，該倍頻光 經(jīng)過II類相位匹配LB0和頻得到335nm的三倍頻光輸出。最后獲得了 3最高輸出功率 為36比 脈寬為31ns的355nm激光，并且具有很高的轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到了 44%。 2008年，曰本大阪大學(xué)研發(fā)了大于100W的最高輸出功率的355nm紫外激光輸 出。通過利用M0PA結(jié)構(gòu)的Nd : YAG激光器，得到了 300W的基頻光，。在此基礎(chǔ)上，通 過I類相位匹配的LB0背叛，II類相位匹配的CBO和頻，最后得到了輸出功率為 103W,脈寬為58ns的355nm紫外激光輸出，其轉(zhuǎn)換效率約為％。 2009年，Coherent公司研發(fā)了一款平均功

12、率為160W的35onm的紫外激光輸出。 該激光器為內(nèi)腔倍頻結(jié)構(gòu)，腔內(nèi)還有兩組側(cè)面抽運(yùn)的Nd : YAG雙棒串接，同時(shí)腔內(nèi)插入 兩個(gè)Q開關(guān)實(shí)現(xiàn)調(diào)Q。采用I類非臨界相位匹配LBO進(jìn)行倍頻，之后采用II類相位匹配 LBO進(jìn)行和頻得到三倍頻激光。在2.. 7KW抽運(yùn)下，得到了 160W平均功率的355nm紫外 激光輸出。 2010年，山東大學(xué)晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用LD端面泵浦YAG晶體并通過聲光 調(diào)Q腔內(nèi)三倍頻獲得高功率準(zhǔn)連續(xù)335nm激光輸出。在泵浦功率180W時(shí)，獲得平均功 率的335nm激光輸出，其光一光轉(zhuǎn)化效率為敘 同年，清華大學(xué)精密儀器系摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室光子與電子技術(shù)研究中

13、心柳 強(qiáng)、閏興鵬等報(bào)道了平均功率為43嘰脈沖寬度為ns.峰值功率和單脈沖能量高達(dá) 67kW和，激光光束質(zhì)量MZ〈的355nmUV激光。 2012年，華北光電技術(shù)研究所采用大功率LD端面泵浦Nd:YV04晶體，聲光調(diào)Q及 腔外和頻方式獲得穩(wěn)定的3亦nm紫外激光。在泵浦功率為時(shí)，得到W 1064 nm連續(xù)基 頻激光輸出，光一光轉(zhuǎn)化效率49札 在20 kHz調(diào)制頻率下，得到355 nm紫外激光。 266nm全固態(tài)紫外激光器 2000年，曰本三菱公司和大阪大學(xué)合作研發(fā)了輸出功率為20W的266nm的紫外激 光器。該激光器采用532nm激光器作為基頻光，在100W輸出功率，80ns脈寬下，通過 I

14、類相位匹配CLB0晶體進(jìn)行倍頻得到266nm紫外激光輸出。功率的532綠光倍頻得到了 輸出功率為的266nm的紫外激光輸出，其轉(zhuǎn)換效率為敘2003年，同樣是該小組利用同 樣的結(jié)構(gòu)將輸出功率提升到了 23W。2007年，該小組利用CLB0晶體作為倍頻晶體，得 到了輸出功率的266nm紫外激光。 2006年，中科院物理研究所研發(fā)了輸出功率為的266nm紫外激光輸出。采用功率 為120W,脈寬為80ns的532nm綠光激光作為基頻光，采用I類相位匹配CLB0晶體倍 頻，最后得到了輸出功率為的266nm紫外激光輸出，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了％。 4、總結(jié)與展望 隨著工業(yè)市場對高功率的全固態(tài)紫外激光器的性能

15、的需求不斷加深，作為其中關(guān) 鍵技術(shù)部分的新型非線性材料不斷涌現(xiàn)，性能也是日新月異.就目前而言，其最高輸出 功率已經(jīng)達(dá)到了 100W的量級，而這個(gè)數(shù)字同時(shí)在不斷的刷新。在輸出功率不斷提高的 同時(shí)，帶來的一些問題也就亟待解決：非線性光學(xué)晶體的抗損傷問題，紫外激光的轉(zhuǎn)換 效率，光束質(zhì)量以及光學(xué)晶體的壽命等問題。想要進(jìn)一步提高高功率的全固態(tài)紫外激光 器的性能，這些問題都是未來的研究工作中必須要解決的。 4、參考文獻(xiàn) [1] 杜秀蘭，吳峰.固體激光器的燈泵浦和二極管泵浦方式比較.應(yīng)用光學(xué).2004, 25(3) : 37-40 [2] 王路威.固體激光器[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào).2002, 21(

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