重频可调高功率绿光皮秒激光器

徐思志，夏瀛，高瑜博，2，刘星，2，欧阳德钦，2，陈业旺，2，吴旭，2，徐方华，郭丽，赵俊清，郭春雨，吕启涛，2，，阮双琛，2

（1 深圳技术大学 先进光学精密制造技术广东普通高校重点实验室，深圳 518118）

（2 深圳技术大学 中德智能制造学院，深圳 518118）

（3 大族激光科技产业集团股份有限公司，深圳 518103）

（4 深圳大学 物理与光电工程学院 深圳市激光工程重点实验室，深圳 518060）

0 引言

高功率超快激光具有脉冲宽度窄、峰值功率高、对材料热影响区域小等特点，被广泛应用于航空航天、生物医疗、交通设备、3C 元器件等领域［1-3］。与传统的连续和纳秒红外激光加工相比，超快激光加工具有加工精度高、热影响区小、材料适用性广等优点。此外，高功率绿光皮秒激光光子能量更高、热影响区域更小、加工分辨率更高以及更有利于多种工业材料的吸收，可以有效提高加工精度，特别在电池焊接以及硬脆材料切割等工业应用领域具有独特的优势［4-5］。同时，在深紫外激光产生、空间碎片激光测距和生物芯片封装等前沿领域应用前景极大［6-8］。基于非线性倍频晶体使得1 μm 皮秒激光产生二次谐波（Second-harmonic Generation，SHG）是产生高功率绿光皮秒激光的主流方案，非线性倍频晶体在强激光的作用下产生二次非线性效应，使基频光转换为倍频激光输出［9-12］。

2011 年，中国科学院光电研究院的麻云凤等报道了基于三级功率放大系统的LiB3O5（LBO）倍频实验，最终实现平均功率27.16 W、重复频率80 MHz、脉冲宽度10.45 ps 的532 nm 绿光输出，倍频效率达到50.58%［13］。2012 年，布鲁克海文实验室的ZHI Z 等报道了110 W、1.3 GHz 的亚皮秒光纤放大器倍频产生65 W 绿光的实验［14］。2018 年，中科院半导体所的QI Y 等报道了基于96 W 非保偏掺镱光纤放大器二次谐波产生的46 W 绿光皮秒激光［15］。2020 年，北京工业大学的陈檬等报道了基于改进迈克尔逊干涉仪的100 ps、50 W、1 kHz 绿光脉冲串激光器，输出整体包络约4 ns，该激光器参数适用于空间碎片激光测距领域［16］。2021 年，河北工业大学的陈晖等报道了基于光子晶体光纤放大器（Photonic Crystal Fiber Amplifier，PCFA）及LBO 倍频的百瓦级515 nm 皮秒激光器，其输出最高平均功率为103.1 W，重复频率为57 MHz［17］。2022 年，捷克科学院ZBYNEK H 等报道了基于碟片再生放大器的LBO 腔外倍频实验，实现120 W、1 kHz 的515 nm 绿光皮秒激光输出，过高的基频光单脉冲能量导致倍频过程需要在真空腔中进行，且该装置存在调整要求和使用成本过高的缺点［18］。相较于PCFA 及碟片再生放大技术，主振荡放大技术（Master Oscillator Power Amplifier， MOPA）是实现高功率皮秒激光更直接可靠的技术。在不需要过于复杂光路的前提下，MOPA 系统具有重复频率可调范围广、单脉冲能量适中、技术方案较为成熟等优势，更有利于实现高功率绿光皮秒激光器的高效稳定输出，也有利于超快激光设备加工工艺的开发，在工业加工领域具有更大的应用价值［19-21］。

本文采用大光斑尺寸基频光泵浦LBO 晶体产生近百瓦级高功率绿光皮秒激光，基频光放大器包括光纤预放大器以及四级固体端泵放大器，实现500 kHz～4 MHz 重频可调、平均功率148.7 W、脉冲宽度8 ps 的1 064 nm 激光输出。采用LBO 晶体的温度相位匹配条件，获得了2 MHz、最高平均功率95 W 的绿光皮秒激光稳定输出，倍频光-光转换效率高达65 %，系统重复频率在500 kHz～4 MHz 可调。

1 全固态皮秒激光放大器

高功率绿光皮秒激光的实验光路如图1，系统由种子光、光纤预放大器、串联四级的全固态皮秒激光放大器和倍频转换模块四个部分组成。其中种子光由中心波长1 064 nm、脉冲宽度7.8 ps 和重复频率为20 MHz 的全光纤SESAM 锁模激光器产生，通过声光调制器（Acoustic Optical Modulator， AOM）调制成500 kHz～4 MHz 脉冲序列。为得到足够高的平均功率和脉冲能量，先将毫瓦量级脉冲序列输入至第1 级光纤预放大模块，而后进一步耦合到串联四级的固体端泵放大模块。其中第1 级端泵放大为双通放大器，采用偏振分光棱镜（PBS）、波片（WP）和双色镜（DM1）的组合实现种子光两次通过增益介质，第2、3、4 级端泵放大为单通放大器。

图1 皮秒绿光激光器Fig.1 The picosecond green laser

端泵固体放大器的增益介质均采用4 mm×4 mm×15 mm 的Nd∶YVO4晶体，掺杂浓度为0.3%，晶体两端均镀878.6 nm 和1 064 nm 的高透膜。同时为实现更稳定、高效的皮秒激光输出，所有晶体均固定在水冷铜制热沉上进行散热。皮秒激光放大系统采用光纤耦合的半导体激光器（Laser Diode， LD）作为泵浦源，LD 的中心波长为878.6 nm，输出光纤芯径为400 μm，数值孔径NA 为0.22。其中第一级泵浦LD1 最大输出功率为65 W，泵浦LD2、LD3、LD4 最大功率均为115 W。经过实验研究，半导体激光器相应的耦合镜组倍率分别为1/2、1/2.5、1/2.5、1/2.5 时，放大器转换效率最高。种子光经过第1、2 级的固体放大模块，输出基频激光平均功率分别为13 W、54.5 W，相应的功率提取效率分别为19.9%、36.09%。继而通过3、4 级端泵模块分别将基频光功率放大到117 W、148.5 W，相应的功率提取效率分别为54.35%、27.39%。使用自相关仪（PulseCheck，APE）测量2 MHz 时最大输出功率基频光的脉冲宽度，测量自相关曲线如图2（a），经sech2拟合测得脉冲宽度为8.08 ps，该脉冲激光可以满足超快激光“冷加工”脉宽需求。同时，利用光谱仪（HR4000CG，Ocean Optics）测得基频光的中心波长为1 064.2 nm，如图2（b）。此时，利用光束质量分析仪（Beamsquare SP90449，Ophir）测量基频光的光束质量因子，光束的空间分布情况如图2（c），束腰半径约为250 μm。图2（d）为该激光器满功率运转120 min 稳定性测试曲线，测试结果表明该激光器在148 W 附近稳定工作，功率抖动均方根小于0.7 %，因此该激光器适用于后续二倍频实验。结果表明放大脉冲激光输出功率稳定，光束质量较好，对实现高功率皮秒倍频绿光输出具备良好的适用性。图3 为基频光在不同重复频率下，最大平均功率和相应单脉冲能量的变化曲线。当重复频率为0.5 MHz 时，单脉冲能量为274 μJ，相应的峰值功率为33.415 MW；当重复频率升高至4 MHz 时，单脉冲能量降低至37.875 μJ，相应的峰值功率为4.618 MW。

图2 基频光光束特性（@2 MHz）Fig.2 Beam characteristics of fundamental laser（@2 MHz）

图3 不同重复频率基频光平均功率和单脉冲能量Fig.3 Average power and pulse energy of fundamental laser with different pulse repetition rates

2 高功率激光倍频实验

高功率倍频实验光路如图1 中倍频模块所示，放大器输出的基频光通过倍率为2/1 的透镜组Coupler 5被耦合到倍频晶体中，其中λ/2 波片WP3 用于调节基频光的偏振方向，以提高倍频效率。经过扩束入射到晶体的基频光斑半径约为500 μm，采用较大基频光光斑入射的方式可以有效防止倍频晶体和表面膜层出现阈值损伤，有利于更高功率、高脉冲能量皮秒激光的频率转换，提高高功率绿光皮秒激光输出的稳定性。倍频晶体为6 mm×6 mm×14 mm 的I 类相位匹配（“o+o→e”）LBO，晶体切角为θ=90°，φ=10.4°，两侧端面均镀有对1 064 nm 以及532 nm 的高透膜，以提高倍频效率。晶体通过铟箔包裹后夹持于温度42 ℃～46 ℃可调的恒温模块中，温度调节采用半导体制冷器（Thermoelectric Cooler，TEC），控温精度为±0.1 ℃。输出激光经过一对二色分光镜（HR@532 nm，HT@1 064 nm），用于分离倍频光和残余的基频光。实验通过调节倍频晶体的工作温度以及基频光的重复频率，研究不同晶体温度和重复频率对该绿光皮秒激光器输出功率及转换效率的影响。

利用TEC 进行温度调节，精确调控LBO 晶体恒温模块温度，在温度43.7 ℃时，输出倍频光功率达到最大功率95 W。基频光工作重频为2 MHz 时，输出绿光功率随LBO 晶体温度的变化曲线如图4（a），结果表明使用LBO 晶体倍频时，温度对相位匹配的影响是极其敏感的。在（43.7±0.3）℃能实现较好的相位匹配，输出的倍频光平均功率均可达到90 W 以上，该绿光激光器可以稳定工作。晶体温度在该稳定工作温度范围以外时，二次谐波过程相位失配，倍频效率快速降低。

图4 倍频光功率的参数曲线Fig.4 Parametric curves of SHG power

图4（b）为绿光最大输出功率（黑色实线）及对应的单脉冲能量（红色实线）随基频光重复频率的变化曲线，结果显示：当输入基频光为500 kHz～4 MHz 时均可以达到60 W 以上的倍频激光输出，在800 kHz～4 MHz 均可实现80 W 以上绿光输出；在500 kHz 时，激光器输出最高脉冲能量132 μJ；最高功率随基频光重复频率增大呈先上升后下降的趋势，当基频光重复频率为2 MHz 时，绿光最高输出功率达到95 W。一方面，不同重复频率会致使光路中未进行水冷的光学元件（如Coupler 5）产生不同的热透镜效应，进而使作用在倍频晶体上的光斑尺寸以及热效应存在差异。另一方面，重复频率上升会导致基频光单脉冲能量降低，倍频效率随之降低。实验中使用的耦合透镜组在2 MHz 时平衡了这几点影响，实现最稳定、最高效率倍频激光输出。

图5（a）为2 MHz 绿光输出功率（黑色曲线）和转化效率（红色曲线）与基频光功率的关系曲线。由图可以看出，倍频绿光输出功率及转化效率整体随基频光功率的升高而升高；在基频光为50 W 时出现倍频效率下降，110 W 时出现倍频效率增长速率下降。主要原因是基频光通过不同放大级的光束质量和发散角存在差异而导致倍频晶体热效应不同。当基频激光为145 W 时，绿光输出达到最高平均功率 95 W，对应的峰值功率为7.4 MW，倍频转换效率达到65 %，且倍频光转化效率仍有上升趋势。图5（b）为使用Ocean 光谱仪（USB2000+，Ocean Optics）测量的绿光光谱，其中心波长为532.1 nm。

图5 倍频光的功率特性Fig.5 Power characteristics of the SHG laser

图6（a）是95 W 绿光输出功率下，使用光束质量分析仪测量的聚焦光斑形貌和空间分布趋势，光束质量因子为，光束质量与基频光相比有所提升。图6（b）是95 W 皮秒绿光输出的近场光斑形貌与尺寸，近场光斑的径向尺寸为1.85 mm 以及1.32 mm。图6（c）为2 MHz 绿光皮秒激光的自相关曲线，最终输出绿光的脉冲宽度为6.4 ps，与基频光相比，脉冲宽度有所压缩。测量倍频激光输出93.5 W 连续工作6 h 的稳定性情况如图6（d），功率抖动的均方根小于0.8%。可以看出在连续工作2 h 左右时，输出功率出现小幅度下降（<1.5 W），在可接受范围内。其主要原因在于长时间工作情况下，系统热累积导致耦合透镜组和晶体温度微小波动，从而导致倍频效率降低。该绿光皮秒激光器的光束质量较好，有利于提升聚焦光斑质量及准直光束质量，在激光精密加工和空间探测等领域具有较大应用优势。

图6 倍频光的光束特性Fig.6 Beam characteristics after SHG

3 结论

本文通过多级端泵Nd：YVO4的固体激光放大系统，获得了平均功率148.7 W、脉冲宽度8 ps 的1 064 nm 激光输出，再以1 mm 直径的光斑耦合至LBO 晶体进行倍频，最终输出重复频率500 kHz～4 MHz可调的532 nm 皮秒激光。最高输出功率为95 W@2 MHz，对应最佳的二次谐波转化效率为65%，且转化效率有望随基频光功率进一步提升，光束质量因子为，光束质量较基频光得以优化。在输出平均功率为93.5 W 的情况下，系统稳定工作6 h 以上，功率抖动均方根低于0.8%。此外，研究了LBO晶体温度的精细调控对晶体最佳相位匹配条件的影响，从而实现最高倍频转换效率。该激光系统具有光路简单、平均功率高、光束质量好、重复频率可调以及稳定性高等优点，有望实现电池焊接、硬脆材料加工等重要加工领域更高效、优质的加工，同时有望成为产生高功率紫外、深紫外激光的理想基频光源，在工业加工和科学研究领域具有重要的应用价值。