皮秒光纤-固体混合放大紫外激光器

苏 鑫，姚 吉，王禹凝，杨祥辉，郑 权,3

(1. 长春新产业光电技术有限公司, 吉林 长春 130103；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033)

1 引 言

紫外激光具有波长短、光子能量高、可聚焦性能好的特点[1]。而脉冲宽度为皮秒级的紫外激光，与纳秒激光相比，凭借极窄的脉冲宽度，缩短了激光与物质相互作用的时间，可在短时间内破坏物质的分子键，不会对加工材料造成热破坏，被称为“冷加工”，同时具有较强的时间分辨率[2-3],广泛应用于TCSPC、高精度激光测距、精细材料加工等方向[4-8]。

紫外波段激光输出的实现方法常利用晶体材料的非线性效应通过变频的方法来产生，先利用倍频技术得到二次谐波，然后再利用和频或倍频技术得到紫外激光[8-9]。通过频率变换技术实现213 nm深紫外激光器的研究有过一些报道。2004年，SAKUMA等人使用CLBO晶体，利用LD泵浦的Nd∶YVO4产生的1.064 μm激光进行五倍频， 实现平均功率为100 mW的213 nm连续紫外激光输出[9]。2006年，国内苏艳丽等人利用BBO晶体对LD泵浦的Nd∶YVO4产生的1.064 μm激光进行五倍频，获得重复频率为20 kHz,平均功率为3 mW的213 nm准连续紫外激光输出，激光脉冲宽度为7.5 ns[11]。2016年，岱钦等人利用脉冲LD侧面泵浦Nd∶YAG晶体，电光调Q的方式，输出1.064 μm激光，在腔外使用BBO晶体实现五倍频，输出重复频率为1 kHz，脉冲宽度为10 ns，平均功率为151 mW的213 nm激光[12]。这些研究涉及的213 nm激光多为较低重复频率，脉冲宽度为纳秒级或连续激光输出。在TCSPC、高精度激光测距等方面，激光的脉冲宽度决定了测量系统的最小时间分辨率，更窄的脉冲宽则拥有更高的测量精度；而在精细激光加工方面，纳秒激光加工往往伴随着热影响区、再铸层、微裂纹等热损伤；利用超短脉冲激光可在理论上实现冷加工，避免热损伤[13]。同时，更高的重复频率则意味着可以实现更高的采样速率和加工速率。因此，对脉冲宽度为皮秒级的高重频213 nm深紫外激光的研制尤为重要。

为了实现皮秒级脉冲宽度、高重频、高转换效率的紫外激光输出，本文设计了一种光纤-固体混合放大激光器。本文使用脉冲宽度为皮秒级的1 064 nm光纤激光器作为种子源，经过两级端面泵浦的Nd∶YVO4放大后输出平均功率为10.5 W的1 064 nm基频光；再利用放大后的1 064 nm基频光及其四倍频后得到的266 nm激光进行和频，得到脉冲宽度690 ps、重复频率5 MHz、平均功率约61 mW的213 nm紫外激光输出。利用紫外激光器作为光源应用在不同的生产加工和实验研究中时，对激光的重复频率、脉冲宽度等光学指标会有不同的需求。而本文使用的光纤种子源为自制的光纤激光器[14]，可通过调制改变输出激光的脉冲宽度和重复频率，配合固体放大级和非线性频率变换技术具有较大的拓展空间。

2 技术路线

获得皮秒脉冲激光比较常用的方法有短腔法和锁模法。其中，短腔法获得的脉冲宽度约为百皮秒量级，要想获得更短的脉冲宽度，则需要采用锁模法。采用半导体可饱和吸收镜(SESAM) 锁模输出的脉冲宽度在几皮秒到几十皮秒之间[2,13,15]。为了实现稳定锁模和高重复频率，皮秒级高功率输出往往要求复杂的腔体结构，有些技术甚至采用了被动锁模与附加相位锁模相结合的手段。这些方法虽然能够提高激光器的输出脉冲质量，但却减弱了器件的稳定性[16]。本文采用的光纤激光器是通过增益开关的方式输出皮秒级脉冲宽度的种子光。这种技术是采用电流脉冲或高频正弦电路直接调制光纤激光器中的半导体种子源，同时具有重复频率连续可调、结构紧凑、性能可靠等优势。光纤激光器的种子源输出的激光再通过主振荡功率放大(MOPA)的方式提高激光的平均输出功率。超短脉冲具有脉宽窄、峰值功率高的特点。在放大过程中，具有较高峰值功率的脉冲激光在光纤中传输时容易产生自相位调制(SPM)、受激拉曼散射(SRS)以及四波混频效应(FWH)等非线性效应，从而影响脉冲质量，限制了平均功率的进一步放大[17]。为了避免高峰值功率激光在光纤中传输时遇到的诸多弊端，本文采用光纤-固体混合放大的方式，采用两级半导体端面泵浦的Nd∶YVO4晶体作为放大级，对光纤激光器输出的种子光再次进行放大。

Nd∶YVO4和Nd∶YAG是最常见的激光工作物质，可选择作为放大级的工作物质。与各向同性的Nd∶YAG晶体相比，Nd∶YVO4有几种光谱特征特别适合于激光二极管泵浦，而且吸收系数高、受激发射截面大，比Nd∶YAG晶体大5倍。Nd∶YVO4晶体是自然双折射晶体，除了具有很强的偏振吸收特征外，还具有很强的偏振辐射特征，激光输出沿着特殊的π方向，呈线性偏振。偏振输出有一个显著优点，即避免了多余的热致双折射。Nd∶YVO4晶体在1 064.3 nm处有一较高的荧光峰，荧光谱线宽度为0.9 nm峰值波长与种子源的激光波长相吻合[18]。在本装置连续泵浦的情况下，选择Nd∶YVO4作为两放大级的工作物质。考虑到过高的掺杂浓度会引起较大的热透镜效应，放大级工作物质的掺杂浓度选择为0.3%。采用半导体激光二极管作为泵浦源，可实现泵浦光谱线与增益介质吸收谱线较好的匹配，具有能量转换效率高、废热产生率低的特点，可通过半导体制冷即可导出热量，大大提高了系统的可靠性、环境适应性及使用寿命[19]。

213 nm紫外激光最常见的获得方式是采用基频光1 064 nm及其四倍频后得到的266 nm光束在和频晶体中进行和频[10-12]，并采用Ⅰ类相位匹配的方式1 064 nm(o)+266 nm(o)→213 nm(e)实现。

KTP是一种综合性能最为优秀的非线性晶体材料之一，在光参量振荡、和频、差频尤其是倍频中得到了广泛的应用[20]。在Ⅱ类相位匹配方式时，非线性系数较大，因此，可选择KTP作为二倍频晶体。

CLBO和BBO晶体是广泛用于紫外波段优良的非线性晶体，广泛应用于Nd∶YAG激光的四次、五次谐波的产生。CLBO晶体的优点是拥有较大的允许角和较小的走离角，而BBO晶体在213 nm的和频过程中则拥有更高的非线性系数[10-12]。因此，本文选择BBO作为本装置中四倍频及和频部分的非线性晶体。由于BBO晶体具有较小的允许角和较大的走离角度，因此激光光束质量控制特别重要，不应该采用很强的聚焦。同时为了提高倍频效率，通过使用长焦透镜将1 064 nm基频光进行聚焦，增强非线性晶体上激光的能量密度。

3 实验装置

实验装置如图1所示，种子源输出的波长为1 064.3 nm、重复频率为5 MHz、脉冲宽度约为52 ps、平均功率为2.5 W。为了避免放大级返回光损伤光纤种子源，在种子源与第一放大级之间放置光隔离器Optoisolator 1。输出的种子光偏振方向调整为s波，与Nd∶YVO4晶体中π偏振吸收方向一致，Nd∶YVO4晶体尺寸为3 mm×3 mm×10 mm，双端面镀有1 064，808 nm双波长增透膜。两放大级的泵浦光波长均为808 nm，其中第一级的泵浦功率为14.8 W，第二级泵浦功率为28 W，通过光纤传输，光纤芯径为400 μm。为了保证放大级的提取效率，使用平凸聚焦透镜M1将种子光聚焦，聚焦后与泵浦光在晶体中的焦点重合。经过模拟，第一级工作物质处泵浦光的聚焦光斑尺寸均为600 μm。其中，M1平凸聚焦镜的曲率半径为103 mm，镀有1 064 nm增透膜；M9，M11为泵浦光的聚焦透镜，M9焦距为30 mm，M11的焦距为40 mm，镀有808 nm增透膜；M10，M12为泵浦光的准直透镜，焦距为20 mm，镀有808 nm增透膜。在两放大级之间放有光隔离器Optoisolator 2。透镜M3为双凹透镜，透镜M2为平凸透镜，M2，M3两透镜构成准直系统，用于调整放大后的1 064 nm基频光发散角度。M5，M6镀有45°的808 nm增透膜和1 064 nm全反射膜；M7，M8镀有45°的1 064 nm全反射膜，实现光路的折叠。

图1 混合放大213 nm激光器实验装置Fig.1 Experimental device of hybrid amplification 213 nm laser

平凸透镜M4为放大后基频光的聚焦透镜，镀有1 064 nm增透膜，曲率半径为103 mm，焦点位于四倍频晶体BBO1与和频晶体BBO2之间。选择切割角度θ=90°，Φ=24°的KTP作为二倍频晶体，匹配方式为Ⅱ类相位匹配，晶体尺寸为4 mm×4 mm×7 mm，双端面镀有1 064，532 nm双波长增透膜；采用切割角度为θ=47°，Φ=0°的BBO作为四倍频晶体，匹配方式为Ⅰ类相位匹配，晶体尺寸为4 mm×4 mm×8 mm，双端面镀有1 064,532,266 nm三波长增透膜；切割角度为θ=51°，Φ=0°的BBO作为和频晶体，匹配方式为Ⅰ类相位匹配，晶体尺寸为4 mm×4 mm×8 mm，进光端面镀有1 064,532,266 nm三波长增透膜，出光端面镀有1 064,532,266,213 nm四波长增透膜，实现最终的213 nm激光输出。最后，通过石英分光棱镜Prism将四波长的激光分离开。

4 测量实验与结果

经过第一级Nd∶YVO4晶体放大后，平均功率为2.5 W的种子光可放大至5.2 W。在第二放大级模式匹配中，泵浦光的聚焦尺寸约为800 μm，较大的聚焦尺寸可防止泵浦光功率过于集中，带来严重且不规则的热透镜效应。通过第二级Nd∶YVO4晶体放大后，输出的1 064 nm激光可达到10.5 W。使用自相关仪(A.P. E Pulse Check)对放大后的1 064 nm激光进行测量，脉冲宽度实测为46 ps，见图2。

图2 混合放大后1 064 nm脉冲宽度Fig.2 Pulse width of 1 064 nm laser after mixed amplification

1 064 nm基频光经过衰减片衰减后，使用CCD相机(Thorlabs BC106N-VIS)探测基频光经过聚焦镜M4后不同位置处的光斑直径，见图3。纵坐标为此处的光斑直径，横坐标为距M4透镜的距离，其中曲线单侧斜率为-0.015 3，光束质量M2=1.24。其中，焦点位于M4透镜后246 mm处B点，焦点处的光斑直径约为110 μm。KTP晶体受限于较低的损伤阈值，将KTP晶体放置在200 mm处A点，此处的光斑直径约为590 μm；BBO晶体拥有较高的损伤阈值，同时为了提升晶体处的激光功率密度，进而提升非线性转换效率，将四倍频、和频晶体紧密放置在焦点B两侧。在非线性匹配过程中，通过单透镜聚焦的方式提升非线性晶体处的功率密度，从而提高非线性转化效率。考虑到不同波长的激光折射率不同，再次经过光学透镜会聚焦于不同位置，反而影响和频的转换效率，本装置中并未在二倍频或四倍频后再次进行准直聚焦。

图3 经聚焦镜M4后的光束直径及M2测量曲线Fig.3 Beam diameter and M2 measurement curve after M4 focusing mirror

经过二倍频后，输出532 nm激光的功率为3.6 W，二倍频效率约为34.2%；经过四倍频后，得到约为710 mW的266 nm激光输出，四倍频效率为1 064 nm的6.76%；将剩余约6.9 W的1 064 nm基频光与710 mW的266 nm激光进行和频，最终得到61 mW的213 nm激光输出，和频效率约为1 064 nm基频光的0.58%。由于使用普通的光电探头很难响应到深紫外的光脉冲信号，为了测量最终获得的213 nm激光脉冲宽度，采用间接测量的方式，使用荧光光谱仪(Pico Quant)捕获输出的213 nm光子，并以时间为横坐标记录下213 nm激光的脉冲宽度，见图4，半高宽为690 ps。由于所用的荧光光谱仪有一定的响应时间，实际激光脉冲宽度会小于测量值。图5为测量213 nm激光的功率-时间曲线，输出功率的标准偏差为2.54 mW。图6为使用光谱仪(镭科Aurora4000)[14]记录的213 nm激光光谱。

图4 213 nm激光脉宽Fig.4 Pulse width of 213 nm laser

图5 213 nm激光的功率稳定性曲线Fig.5 Power stability curve of 213 nm laser

图6 213 nm激光中心波长Fig.6 Central wavelength of 213 nm laser

5 结 论

本文采用脉冲宽为皮秒级的光纤激光器作为种子源，通过两级泵浦功率为14.8,28 W，泵浦波长为808 nm泵浦的Nd∶YVO4放大模块后，输出约10.5 W的1 064 nm基频光。经过光束整形后，使用KTP晶体进行二倍频，BBO晶体实现四倍频、五倍频的频率变换。最终得到61 mW的213 nm激光输出，脉冲宽度为690 ps，基频光到五倍频的非线性转换效率达到0.58%。213 nm激光相比与脉冲宽度为纳秒级的激光器，在激光精细加工、TCSPC、高精度激光测距等领域的使用光源上有了更好的选择。