瓦级激光二极管端面抽运351 nm紫外激光器

崔建丰， 高 涛， 张亚男， 王 迪， 岱 钦， 姚 俊

(1. 沈阳理工大学 理学院， 辽宁 沈阳 110159； 2. 鞍山紫玉激光科技有限公司， 辽宁 鞍山 114000)



瓦级激光二极管端面抽运351 nm紫外激光器

崔建丰1，2*， 高 涛2， 张亚男2， 王 迪2， 岱 钦1， 姚 俊1

(1. 沈阳理工大学 理学院， 辽宁 沈阳 110159； 2. 鞍山紫玉激光科技有限公司， 辽宁 鞍山 114000)

研制了输出功率达瓦级的351 nm准连续紫外激光器。激光器采用激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YLF晶体和声光调Q技术，实现了1 053 nm准连续基波振荡。在结构简单的V型腔中，两块LiB3O5(LBO)晶体对基频光进行二倍频和三倍频，获得了高功率351 nm准连续紫外激光输出。在LD抽运功率为14 W、声光调Q激光器的调制频率为 1 kHz 的工作条件下，得到351 nm紫外激光平均输出功率为1.12 W、脉冲宽度为34 ns、单脉冲能量为1.12 mJ、峰值功率达32.94 kW。 LD抽运光到351 nm紫外激光的光-光转换效率达到8%，电光效率为3.4%，光束质量良好。

激光器； 351nm紫外激光器； 声光调Q； Nd∶YLF晶体

1 引 言

紫外激光器具有波长短、可聚焦能力强、聚焦焦深长以及光子能量大等优点，在激光精密加工、激光医疗、光谱分析等领域有着广泛的应用[1-7]。目前国内外针对355 nm紫外波段的研究报道较多，通过腔内或腔外三倍频Nd∶YAG、Nd∶YVO4等晶体的1.06 μm谱线，结合调Q技术，获得不同重复频率355 nm紫外光输出，成果显著[8-19]。而Nd∶YLF晶体的1 053 nm谱线三倍频获得351 nm紫外波段的研究报道却很少，人们只是针对Nd∶YLF的1 053 nm基波谱线和倍频获得的527 nm绿光谱线进行了一些研究。 Deana等[20]采用LD侧面泵浦Nd∶YLF晶体和被动调Q方式，实现了单脉冲能量1 mJ、重复频率1 kHz、脉宽10 ns的TEM00模1 053 nm激光输出。 Huang等[21]采用LD端面抽运Nd∶YLF晶体并在腔内插入Cr4+∶YAG被动调Q晶体，当LD抽运功率为12 W时，获得了平均功率2.3 W、重复频率8 kHz的1 053 nm激光，脉宽为9 ns，峰值功率达到32 kW。陆婷婷等[22]通过LD双端抽运两块Nd∶YLF晶体和电光调Q方式，当重复频率为500 Hz时，在U型腔中利用LBO晶体倍频获得了单脉冲能量11 mJ、平均功率5.5 W的527 nm绿光，光-光转换效率达到22%。

351 nm紫外激光的波长与神光装置三倍频光波长相同，可以作为神光装置的靶瞄准模拟光源[23]。Nd∶YLF晶体具有较长的上能级寿命，在调Q脉冲运转中更容易获得高单脉冲能量的基频光，进而经三倍频后获得高单脉冲能量的351 nm紫外光，在激光标刻、打孔等工业领域有着广泛的应用。虽然Huang等[24]利用半球腔被动调Q腔外三倍频方式获得了360 μJ、脉宽5 ns的351 nm紫外激光，但其频率仅为100 Hz，无法满足人们对高重频351 nm紫外激光的要求，且被动调Q方式不能对激光脉冲进行主动控制，限制了其应用范围。本文采用LD端面抽运Nd∶YLF晶体声光调Q方式，获得了高功率、高单脉冲能量、准连续的1 053 nm基频光，通过腔内倍频和三倍频，实现了重复频率1 kHz、功率1.12 W的351 nm紫外激光运转，单脉冲能量达到1.12 mJ，脉宽为34 ns。

2 实验装置

LD端面抽运Nd∶YLF晶体腔内三倍频351 nm紫外激光器结构如图1所示。采用国产808 nm光纤输出半导体激光器做为抽运源，最大输出功率为40 W，光纤芯径为400 μm，数值孔径为0.22。通过调节制冷系统工作温度，使其工作波长在806 nm附近，与Nd∶YLF晶体吸收峰匹配。通过耦合透镜将抽运光整形为直径700 μm左右的圆形光斑。Nd∶YLF晶体尺寸为3 mm×3 mm×12 mm，Nd3+离子掺杂摩尔分数为1%，a轴切割，通光长度为12 mm，两个通光面分别镀1 053 nm和806 nm增透膜。为提高晶体散热效率，晶体采用铟焊的方式直接焊接到紫铜晶体热沉上。晶体热沉采用循环水冷却，制冷温度设定在19 ℃。为提高倍频效率，谐振腔采用简单的V型腔结构，将激光晶体和倍频晶体分别置于谐振腔的两臂内，基频光形式上两次通过倍频晶体，提高基频光利用率，从而提高倍频效率。谐振腔腔长180 mm左右，由腔镜M1、M2和M3组成。平凹镜M1的曲率半径R=-500 mm，平面镀806 nm高透膜，凹面镀806 nm高透膜和1 053 nm高反膜。平面镜M2一面镀1 053 nm全反膜和527 nm、351 nm高透膜，另一面镀527 nm和351 nm高透膜，作为351nm紫外激光输出镜。平面镜M3一面镀1 053 nm、 527 nm和351 nm高反膜，另一面不镀膜。LBO1为倍频晶体，尺寸为3 mm×3 mm×15 mm，采用Ⅰ类临界相位匹配，切割角度θ=90°、Φ=12°。LBO2为三倍频晶体，尺寸为3 mm×3 mm×20 mm，采用Ⅱ类临界相位匹配，切割角度θ=45.1°、Φ=90°，两块晶体通光面均镀1 053 nm、527 nm和351 nm高透膜以降低腔内损耗。两块晶体分别采用制冷系统控温，控温精度±0.1 ℃。腔内插入布儒斯特片，抑制1 047 nm谱线振荡。腔内插入声光Q开关(QS041-10G-IN2，英国古奇公司)，重复频率设置为1 kHz。平面镜M4和M5为45°反射镜，一面镀45° 351 nm高反膜和1 053 nm、527 nm高透膜，另一面镀1 053 nm和527 nm高透膜，用于滤除出射激光中少量的1 053 nm基频光和剩余的527 nm倍频光。

3 结果与讨论

Nd∶YLF晶体上能级寿命为485 μs左右，使其更适合在重复频率1～2 kHz左右工作。为了获得高单脉冲能量的基频光，提高二倍频和三倍频的转换效率，我们设置脉冲重复频率为1 kHz。351 nm紫外激光器的激光输出功率随抽运光功率变化曲线如图2所示。

紫外激光器的输出功率与抽运光功率接近线性变化。当抽运光功率为14 W时，获得了平均功率为1.12 W的351 nm紫外激光输出，此时紫外激光的脉冲宽度为34 ns，峰值功率高达32.94 kW。图3所示为示波器采集的351 nm紫外激光的脉宽图。

Fig.2 Output power of 351 nm ultraviolet laserversuspump power

采用相纸随机记录一组激光器出光口光斑，如图4所示。光斑为圆形，能量分布均匀，光束质量较好。通过在腔内插入布儒斯特片抑制了Nd∶YLF晶体的1 047 nm强谱线振荡，获得了单一的351 nm紫外谱线，如图5所示。

图5 351 nm紫外激光光谱图

Fig.5 Spectrum of 351 nm ultraviolet

4 结 论

本文采用LD端面抽运Nd∶YLF晶体和声光调Q腔内二倍频、三倍频实现了高功率、高单脉冲能量的351 nm准连续紫外激光输出。当LD注入功率为14 W、重复频率为1 kHz时，获得了平均功率1.12 W的351 nm紫外激光输出，脉冲宽度为34 ns，峰值功率高达32.94 kW，光-光转换效率达到8%，光束质量较好。所研制的351 nm紫外激光器采用的是简单的V型腔结构，简单紧凑，易于调节，实用性好，便于产品化生产。

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崔建丰(1977-)，男，吉林省吉林市人，博士，高级工程师，2007年于长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事半导体抽运、灯抽运高平均功率调Q激光器、大能量激光器及激光微加工系统的研究。

E-mail: cuijf@163.com

Watt-class Laser Diode End-pumped 351 nm Ultraviolet Laser

CUI Jian-feng1,2*, GAO Tao2, ZHANG Ya-nan2, WANG Di2, DAI Qin1, YAO Jun1

(1.SchoolofScience,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110159,China;2.AnshanZYLaserTechnologyCo.,Ltd.,Anshan114000,China)

A watt-class quasi-continuous 351 nm ultraviolet laser was fabricated by using frequency-doubled and frequency-tripled the radiation at 1 053 nm from laser diode (LD) end-pumped Nd∶YLF crystal under acoustic-opticalQ-switched in a simple V-shaped cavity with two LiB3O5(LBO) crystals. An average output power at 351 nm of 1.12 W is obtained at repetition rate of 1 kHz and pumped power of 14 W. The single pulse energy is 1.12 mJ with the pulse width of 34 ns at 351 nm, and the peak power is up to 32.94 kW. The optical-optical conversion efficiency is 8%, and the electro-optical conversion efficiency is 3.4%. The beam quality is satisfactory.

laser; 351 nm ultraviolet laser; acousto-opticalQ-switch; Nd∶YLF crystal

1000-7032(2016)11-1367-05

2016-05-30；

2016-07-16

科技部科技型中小企业技术创新基金(C262100678)； 辽宁省科技计划(2014220040)； 沈阳市科技计划(F16-210-6-00)资助项目

TN248.1

A

10.3788/fgxb20163711.1367

*CorrespondingAuthor,E-mail:cuijf@163.com