5.2 W 高重频257 nm 深紫外皮秒激光器

范灏然，陈 曦 ，郑 磊，谢文侠，季 鑫，郑 权,2

（1.长春新产业光电技术有限公司,吉林 长春 130012；2.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

高重频深紫外皮秒激光器，因具有分辨率高、加工速率快、热损伤低等特性，被广泛应用于半导体检测、光刻以及精密材料加工等工业领域[1-6]。相较于传统激光器所采用的纳秒脉冲，皮秒脉冲的峰值功率高，同时热影响区域更小。此外，由于其脉宽更窄，大大减少了加工过程中与器件的作用时间，可更快地破坏物质分子结构，降低热效应的影响。这种低热损伤的烧蚀加工，更有利于提高加工精度，在加工质量方面实现了光学“冷加工”[7-11]。而深紫外激光相较于可见光与红外波段，其波长更短、单光子能量高、能量密度更加集中、成像分辨率相对更高，加工过程中也会降低热效应的影响。而对于半导体检测而言，其使用的光源波长越短，检测灵敏度越高。因此，采用深紫外波段的激光器可有效提高检测灵敏度[12-17]。由此可知，深紫外皮秒激光器在工业加工及半导体检测方面具有较高的应用价值。

257 nm 深紫外激光可通过940 nm 激光二极管抽运全固态工作物质Yb:YAG 形成1 030 nm激光，之后再通过四倍频方式直接获得。但因其属于准三能级结构，不可避免地会受到由低转化效率引起的废热的影响，由此会引发热透镜效应以及热致双折射等，会极大地影响此类激光器的输出功率和光束质量，并对后期的倍频产生较大影响。相较于传统晶体介质放大的方式，光纤放大器具有高增益、单模输出等优势，但受限于光纤中的非线性效应及损伤阈值，采用光纤放大器难以提高皮秒脉冲的峰值功率[18]。而由于掺镱双包层光子晶体光纤放大器的模场面积较大，在功率提升方面极具优势，并且能保证单模输出。2021 年，河北工业大学的陈晖等人利用两级大模场面积的光子晶体光纤放大器，获得了输出功率为190 W 的1 030 nm 基频光，倍频后得到输出功率为103.1 W 的515 nm 绿光[19]。2022 年，深圳大学的He H J 等人利用端面泵浦Yb:YAG 晶体再生放大结构，在10 Hz 重复频率下，经腔外倍频得到的257 nm 紫外激光输出的单脉冲能量为120 μJ，脉宽为2.4 ps[20]。2022 年，美国Advalue Photonics 公司采用全光纤放大结构获得了14.5 W、257 nm 深紫外激光[21]，目前处于商品化257 nm紫外激光器世界领先水平。

本文利用掺镱双包层光子晶体光纤放大器（Photonic Crystal Fiber Amplifier,PCFA），为输出功率为20 mW，重频为19.8 MHz，脉冲宽度为50 ps的光纤激光器作为种子源，通过一级光子晶体光纤棒作为预放大器，得到输出功率为6.1 W 的1 030 nm 激光。再通过一级光子晶体光纤棒作为主放大器，获得平均功率为86 W 的1 030 nm 基频光输出，经过Ⅰ类相位匹配三硼酸锂（LBO）晶体倍频后得到输出功率为20.7 W 的 515 nm 倍频光，再经过Ⅰ类相位匹配偏硼酸钡（BBO）晶体倍频后，得到输出功率为5.2 W 的257 nm 深紫外激光，相较于基频光的转换效率为6.05%。

2 实验装置

2.1 光路结构

高功率、高光束质量、高峰值功率的1 030 nm基频光是获得257 nm 倍频光的基础。本实验采用PCFA 以及光纤种子源获得高性能的1 030 nm基频光，再经过二倍频晶体LBO 和四倍频晶体BBO 进行非线性频率变换，最终获得257 nm紫外激光输出，具体光路结构如图1 所示。

图1 257 nm 深紫外皮秒激光器实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system of 257 nm deep ultraviolet picosecond laser

2.2 实验器件

实验装置选用了中心波长为（1 030±0.15）nm，光谱宽度小于0.2 nm，重复频率为19.8 MHz，脉冲宽度为50 ps，偏振消光比大于20 dB，平均功率为20 mW 的光纤种子源（Seed）。使用NKT 公司型号为aeroGAIN-ROD module 的掺镱双包层光子晶体光纤棒作为放大器，吸收峰为976 nm。该光子晶体光纤为双包层（65 μm/275 μm）结构，纤芯直径为85 μm，内层截面为正六边形，长度为800 mm，在976 nm 处的吸收系数为15 dB 左右，光子晶体光纤棒两端镀有1 030 nm 抗反膜（R@1 030 nm≤0.2%）和976 nm 抗反膜（R@976 nm≤0.3%）。两级双包层光子晶体光纤棒经中心波长为976 nm±0.5 nm 的波长锁定（△λ/△T≈0.02）半导体激光模块进行泵浦（Laser Diode 1&2）。预放部分的半导体泵浦模块（Laser Diode 1）输出功率为67 W，主放部分的半导体泵浦模块（Laser Diode 2）输出功率为210 W。泵浦光经泵浦准直Laser lens A（f=35 mm，R@976 nm≤0.5%），双色片M1 和M6（R@976 nm≤0.3%，R@1 030 nm≥99.6%），泵浦耦合镜Laser lens B（f=45 mm，R@976 nm≤0.3%；R@1 030 nm≤0.2%）入射掺镱双包层光子晶体光纤棒放大器。皮秒种子源经1 030 λ/2 波片、PBS1、法拉第旋转器、PBS2、45°全反镜M5 和M2（R@1 030 nm≥99.6%）、种子耦合镜Laser lens C（f=67 mm，R@1 030 nm≤0.2%）进入预放掺镱光子晶体光纤棒放大器（Photonic crystal Yb ROD fiber gain module 1）中进行放大，并通过双色片M1、45°全反镜M3（R@1 030 nm≥99.6%）、1 030 λ/4 波片、0°全反镜M4（R@1 030 nm≥99.6%）后按原路返回。最终在PBS2 处向下经45°全反镜M7（R@1 030 nm≥99.6%）、主放级激光耦合镜Laser lens D（f=60 mm，R@1 030 nm≤0.2%）进入主放级掺镱双包层光子晶体光纤放大器（Photonic crystal Yb ROD fiber gain module 2）中进行放大，并通过双色片M6、45°全反镜M8（R@1 030 nm≥99.6%）和1 030 λ/2 波片进入倍频光路。倍频光路由倍频聚焦镜Laser lens E、二倍频晶体LBO（θ=90°，φ=12.8°）和四倍频晶体BBO（θ=49°φ=0°）组成。最终通过三角棱镜分光，获得257 nm 紫外激光输出。该装置中，两级掺镱双包层光子晶体光纤棒经过去离子水冷却，水温设置为25 °C，LBO 和BBO 置于由TEC 精确控温的热沉上，温度设置为50 °C。

3 实验结果及分析

3.1 基频光实验结果

在预放大阶段，为了给主放大器提供足够功率，采用双程放大结构，即种子光两次通过由功率为67 W 的976 nm 半导体模块泵浦的掺镱双包层光子晶体光纤棒放大器，当种子光输出为20 mW时，单次通过预放光纤棒可获得1.2 W 的稳定输出，两次经过预放光纤棒后得到的1 030 nm 放大激光输出功率6.1 W，双程预放结构对种子光的总放大倍率达300 倍左右，光束质量因子M2<1.2。通过以上测量结果可知，经过预放的皮秒信号光功率和光束质量满足进入二级主放掺镱双包层光子晶体光纤棒的要求。信号光经过主放级激光耦合镜进入主放级掺镱双包层光子晶体光纤放大器中再次放大，在波长锁定976 nm 半导体泵浦模块抽运功率为210 W 时，实现1 030 nm 86 W 的激光输出功率。

在本装置中，双包层光子晶体光纤棒的掺杂浓度为0.15 mol%，纤芯直径为85 μm，包层直径为275 μm，光纤棒放大器长度为800 mm，信号光的中心波长为1 030 nm，平均功率为6.1 W。泵浦光使用反向抽运方式，主放大器在210 W 泵浦的情况下可得到最佳放大效果。此时，在两级放大系统总泵浦功率为277 W 时，最终实现1 030 nm放大激光86 W 输出功率。图2（彩图见期刊电子版）为CCD 相机测试经两级放大后，1 030 nm基频光光斑的能量分布图。

图2 1 030 nm 基频光光斑能量分布Fig.2 Spot energy distribution of 1 030 nm fundamental frequency laser

3.2 紫外激光实验结果及分析

放大系统输出的1030 nm 基频光经聚焦后，入射到LBO 和BBO 倍频晶体中，得到515 nm 绿光和257 nm 紫外激光，四次谐波测量光谱如图3 所示，中心波长为256.93 nm。为了得到较高的倍频效率和较好的输出光斑分布，倍频聚焦镜分别采用f为60、80、100、120 mm 共4 种规格的平凸聚焦镜进行聚焦，与之对应，将分别获得4.8 W、5.4 W，5.2 W、4.7 W 的257 nm 紫外激光。需要说明的是：虽然使用f=100 mm 聚焦镜时，功率相较于使用f=80 mm 聚焦镜时略低，但其输出激光的发散角较小，且光斑椭圆度相对高一些，因此采用f=100 mm 的聚焦镜更合适。此时，二倍频得到输出功率为47.5 W 的515 nm 绿光，倍频转换效率为55.2%，四倍频得到输出功率为5.2 W 的257 nm 紫外激光，其四倍频转换效率约为6.05%。

图3 257 nm 紫外激光测量光谱图Fig.3 Measurement spectrum of 257 nm ultraviolet laser

基频光和紫外光输出功率随总泵浦功率的变化关系如图4 所示。用CCD 相机测量四倍频257 nm 深紫外激光输出光斑能量分布如图5（彩图见期刊电子版）所示。图6（彩图见期刊电子版）为Thorlabs 公司狭缝式光束质量分析仪测试257 nm 紫外激光光束质量因子M2分布图，其中，Mx2=1.31,My2=1.69。

图4 1 030 nm 基频光输出功率和257 nm 紫外光输出功率随总泵浦功率的变化关系Fig.4 Laser output powers of 1 030 nm fundamental frequency light and 257 nm ultraviolet light as a function of total pump power

图6 257 nm 紫外激光光束质量因子M2 测量图Fig.6 Measurement chart of quality factor M2 for 257 nm UV laser beam

使用APE 公司，型号为SM150 的自相关仪测得脉冲宽度如图7 所示，τ=50.241 ps（Gaussian）。图8 为使用示波器测得的输出光频率测量图，可知，其重复频率为19.8 MHz。

图7 自相关仪测得的脉冲宽度Fig.7 Measurement of pulse width by autocorrelator

图8 257 nm 紫外激光频率测量图Fig.8 257 nm UV laser frequency measurement chart

4 结论

本文应用非线性频率变换的方式，利用Ⅰ类相位匹配LBO 晶体作为二倍频晶体和Ⅰ类相位匹配BBO 晶体作为四倍频晶体，将976 nm 波长锁定半导体激光二极管作为泵浦源，抽运掺镱双包层光子晶体光纤放大器，产生1 030 nm 基频光，再通过腔外四倍频结构将其转化为257 nm深紫外激光。以光纤锁模激光器为种子源，通过 一级放大器双程放大作为预放和二级放大器作为 主放的结构，合理设计信号光和泵浦光的耦合系统，在976 nm 波长输出总泵浦功率为277 W 下时，得到1 030 nm 基频光输出功率为86 W，腔外倍频后得到二次谐波515 nm 绿光功率47.5 W，四次谐波257 nm 深紫外激光5.2 W，四次谐波倍频转换效率为6.05%，脉冲宽度为50.241 ps，重复频率为19.8 MHz。通过这种方式获得的深紫外 激光光束质量好、系统稳定性高、结构简单、易于 产品化，有较高的市场应用价值。