双波长腔外同步和频355nm准连续全固态激光器

田 明，王 菲，车 英

（长春理工大学光电工程学院，长春130022）

双波长腔外同步和频355nm准连续全固态激光器

田 明，王 菲，车 英

（长春理工大学光电工程学院，长春130022）

为了获得能够实用化的大功率355nm准连续全固态激光器，采用同一台双通道射频驱动源对准连续1064nm激光器和532nm激光器中的声光Q开关同时进行调制的方法来实现二者的同步，通过消色差透镜将1064nm光和532nm光同时耦合到Ⅱ类相位匹配LBO晶体进行和频产生355nm紫外激光。在总注入电功率为436W、重复频率为6kHz时，355nm激光最大输出功率6.8W，脉宽为67ns，总转换效率为1.56%。结果表明，采用双波长腔外同步和频的方法可以获得大功率355nm准连续激光输出。

激光器；全固态激光器；355nm激光器；同步调Q；和频

引 言

紫外激光器具有能量集中、单光子能量高和分辨率高等优点，在军事、科研、工业和农业等各领域获得广泛的应用［1-3］。半导体抽运的全固态紫外激光器具有良好的光束质量、高的可靠性、好的工作稳定性及体积紧凑等突出优势，在实际中取得了更多的应用［4-7］。355nm波长激光器是紫外波段应用最为成熟的激光器之一，如何提高该类激光器的输出功率、转换效率和光束质量是研究人员所关注的热点［8-11］。LD侧面抽运Nd∶YAG激光器通过非线性变换是获得大功率355nm激光的重要手段之一，目前较常用的方式是对来自同一台激光器中的基频光和倍频光进行和频来产生355nm激光［9-11］，由于大功率时激光晶体热效应严重，影响基频光和倍频光的光束质量，从而限制和频转换效率的提高。

本文中采用一台LD侧面抽运Nd∶YAG激光器产生基频光，而用另一台LD侧面抽运Nd∶YAG激光器产生倍频光，通过同一台双通道射频驱动源对基频光激光器和倍频光激光器中的声光Q开关进行调制，从而实现基频光和倍频光的同步，采用消色差透镜将基频光和倍频光同时耦合到LBO晶体进行和频，从而获得了准连续波（quasi-continuous wave，QCW）355nm紫外激光输出。

1 实验装置

实验装置如图1所示。1064nm和532nm分别由两个LD侧面抽运声光调Q Nd∶YAG激光器产生，此两个激光器的谐振腔均采用平行平面对称腔结构，这种方式可以有效缓解单个Nd∶YAG晶体在高功率抽运下热效应严重的问题，提高1064nm和532nm的光束质量，从而利于提高和频转换效率。Nd∶YAG晶体的掺杂原子数分数为0.01，尺寸为3mm×65mm，双端面镀制对1064nm的减反射膜（反射率R1064≤0.3%）谐振腔等效腔长均为400mm。

Fig.1 Experimental setup of LD pumped QCW 355nm laser

平面镜M1和M3构成1064nm波长激光的谐振腔，平面镜M4和M5构成532nm波长倍频激光器的谐振腔。平面镜M1和M4为激光器的高反射镜，其对1064nm波长高反射（R≥99.8%）；M3为倍频输出镜，其对1064nm高反射，对532nm减反射，（R1064≥99.7%，R532≤0.3%）；M5为1064nm激光器输出镜，对1064nm透射率为20%；M2为高通滤光片，其对1064nm的透射率高于99.7%，对532nm的透射率低于0.2%，从而保证倍频产生的绿光能够被充分的利用。GM1和GM2均为LD侧面抽运模块，每个LD抽运模块最大注入电功率均为218W，同一个电源供电。QS1和QS2为英国古奇公司生产的50W水冷型27MHz声光Q开关，两个Q开关由一个驱动源进行驱动，且同步性较好。二倍频晶体采用高抗灰迹的KTP晶体（high gray track resistance-KTiOPO4，HGTR-KTP），尺寸为3mm×3mm×8mm，双面镀制532nm和1064nm的减反射膜（总反射率R1064，532≤0.3%）。

平面镜M6和M7均为45°反射镜，M6对1064nm波长反射率高于99.5%，M7对1064nm波长透射率高于99.5%，而对532nm波长反射率高于99.6%。平面镜M8为平面分色镜，与光轴呈45°角放置，其对45°角入射的1064nm和532nm波长光透射率高于99.5%，且对355nm波长光反射率高于99.7%。M9为凹面镜，凹面曲率半径为120mm，凹面镀制1064nm，532nm和355nm 3个波长的高反射膜层（总反射率R1064，532，355≥99.6%）。L为消色差透镜，对532nm和1064nm两个波长的焦距均为60mm，其焦点与凹面反射镜M9的凹面焦点重合，从而利于532nm和1064nm两个波长在和频晶体中达到良好的模式匹配。

532nm倍频光和1064nm基频光被消色差透镜耦合到Ⅱ类相位匹配的三倍频晶体LBO晶体中进行和频，从而产生355nm紫外激光。三倍频晶体的相位匹配角θ＝42.4°，方位角φ＝90°。该LBO晶体的双端面均镀制1064nm，532nm和355nm 3个波长的减反射膜层（总反射率R1064，532，355≤0.3%），尺寸为3mm×3mm×20mm，通过在其4个侧面包裹一层铟箔，然后将其装夹到铜热沉中进行控温。

2 实验结果与分析

图2中给出了注入电功率为436W不同重复频率下355nm波长激光最大输出功率和脉冲宽度曲线。从图中可以看出，随着重复频率的提高，输出激光脉冲宽度逐渐变宽，在2kHz和20kHz时分别为46ns和156ns。根据声光调Q速率方程理论，上能级反转粒子数越多及初始反转粒子数和阈值反转粒子数的比值越大，获得调Q脉冲的脉冲宽度越窄。在高重复频率时，对上能级反转粒子的抽空速率较大，上能级反转粒子积累的时间变短，从而导致在每个调Q脉冲产生时上能级粒子数减少，因此在高重复频率时调Q脉冲宽度变宽。图2还反映了在不同重复频率下355nm波长激光的最大输出功率，在6kHz时获得最大的输出功率为6.8W。在低重复频率时，脉冲宽度较窄，脉冲峰值功率密度相对较高，相应的和频转换效率也较高，但由于此时基频光和倍频光的平均功率较低，因此获得355nm波长激光最大输出功率也相应地降低。在重复频率过高时，基频光平均功率较高，但脉冲宽度较宽和脉冲峰值功率密度相对较低，从而导致倍频和和频转换效率变低，因此获得355nm波长激光最大输出功率也相应的降低。综上所述，激光器存在一个最佳重复频率对应着最大的355nm波长激光输出功率，相应的最佳重复频率为6kHz。

Fig.2 Pulse width and maximum laser power of355nm at different repetition rate

图3 中给出了重复频率为6kHz时1064nm，532nm和355nm波长激光输出功率曲线，三者最大输出功率分别为26.6W，15.4W和6.8W。该重复频率下相应355nm波长激光输出脉冲波形如图4所示，脉冲宽度为67ns。

Fig.3 The curve of laser power at6kHz

Fig.4 The pulse shape of 355nm laser at6kHz

3 结 论

采用两台LD侧面抽运准连续Nd∶YAG激光器分别产生基频光和倍频光，通过同一台双通道射频驱动源对基频光激光器和倍频光激光器中的声光Q开关进行调制，从而实现基频光和倍频光的同步，采用消色差透镜将基频光和倍频光耦合到LBO晶体进行和频，从而获得准连续355nm紫外激光输出。在总注入电功率为436W且重复频率为6kHz时，获得功率为6.8W、波长为355nm激光输出，其脉冲宽度为67ns，总转换效率为1.56%。

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LD pumped QCW 355nm laser by extra-cavity sum-frequency-mixing using double synchronized wavelength lasers

TIAN Ming，WANG Fei，CHE Ying
（College of Opto-Electronics Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China）

In order to get practical high power quasi-continuous wave（QCW）laser at 355nm，the 1064nm and 532nm QCW lasers were synchronized by radio frequency drive source with double channels via an acousto-optic modulator.The two wavelengths were coupled into typeⅡLBO crystal simultaneously by an achromatic lens and the ultraviolet laser at 355nm was generated.The highest output power of355nm laser is6.8W，pulse width is67ns，conversion efficiency of the 355nm laser is about1.56%when the injected electrical power is 436W and the repetition frequency is 6kHz.The results show that the high power 355nm QCW laser can be obtained by extra-cavity sum-frequency with double wavelength synchronized lasers.

lasers；all solid state laser；355nm laser；Q switched synchronized；sum frequency

TN248.1

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.06.017

1001-3806（2014）06-0804-03

吉林省科技发展计划资助项目（20110328）

田 明（1971-），男，副教授，现主要从事光电技术方面的研究。

E-mail：tianming＠cust.edu.cn

2013-12-25；

2014-03-10