雙波長腔外同步和頻355nm準連續全固態激光器

田 明，王 菲，車 英

（長春理工大學光電工程學院，長春130022）

雙波長腔外同步和頻355nm準連續全固態激光器

田 明，王 菲，車 英

（長春理工大學光電工程學院，長春130022）

為了獲得能夠實用化的大功率355nm準連續全固態激光器，采用同一臺雙通道射頻驅動源對準連續1064nm激光器和532nm激光器中的聲光Q開關同時進行調制的方法來實現二者的同步，通過消色差透鏡將1064nm光和532nm光同時耦合到Ⅱ類相位匹配LBO晶體進行和頻產生355nm紫外激光。在總注入電功率為436W、重復頻率為6kHz時，355nm激光最大輸出功率6.8W，脈寬為67ns，總轉換效率為1.56%。結果表明，采用雙波長腔外同步和頻的方法可以獲得大功率355nm準連續激光輸出。

激光器；全固態激光器；355nm激光器；同步調Q；和頻

引 言

紫外激光器具有能量集中、單光子能量高和分辨率高等優點，在軍事、科研、工業和農業等各領域獲得廣泛的應用［1-3］。半導體抽運的全固態紫外激光器具有良好的光束質量、高的可靠性、好的工作穩定性及體積緊湊等突出優勢，在實際中取得了更多的應用［4-7］。355nm波長激光器是紫外波段應用最為成熟的激光器之一，如何提高該類激光器的輸出功率、轉換效率和光束質量是研究人員所關注的熱點［8-11］。LD側面抽運Nd∶YAG激光器通過非線性變換是獲得大功率355nm激光的重要手段之一，目前較常用的方式是對來自同一臺激光器中的基頻光和倍頻光進行和頻來產生355nm激光［9-11］，由于大功率時激光晶體熱效應嚴重，影響基頻光和倍頻光的光束質量，從而限制和頻轉換效率的提高。

本文中采用一臺LD側面抽運Nd∶YAG激光器產生基頻光，而用另一臺LD側面抽運Nd∶YAG激光器產生倍頻光，通過同一臺雙通道射頻驅動源對基頻光激光器和倍頻光激光器中的聲光Q開關進行調制，從而實現基頻光和倍頻光的同步，采用消色差透鏡將基頻光和倍頻光同時耦合到LBO晶體進行和頻，從而獲得了準連續波（quasi-continuous wave，QCW）355nm紫外激光輸出。

1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。1064nm和532nm分別由兩個LD側面抽運聲光調Q Nd∶YAG激光器產生，此兩個激光器的諧振腔均采用平行平面對稱腔結構，這種方式可以有效緩解單個Nd∶YAG晶體在高功率抽運下熱效應嚴重的問題，提高1064nm和532nm的光束質量，從而利于提高和頻轉換效率。Nd∶YAG晶體的摻雜原子數分數為0.01，尺寸為3mm×65mm，雙端面鍍制對1064nm的減反射膜（反射率R1064≤0.3%）諧振腔等效腔長均為400mm。

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

平面鏡M1和M3構成1064nm波長激光的諧振腔，平面鏡M4和M5構成532nm波長倍頻激光器的諧振腔。平面鏡M1和M4為激光器的高反射鏡，其對1064nm波長高反射（R≥99.8%）；M3為倍頻輸出鏡，其對1064nm高反射，對532nm減反射，（R1064≥99.7%，R532≤0.3%）；M5為1064nm激光器輸出鏡，對1064nm透射率為20%；M2為高通濾光片，其對1064nm的透射率高于99.7%，對532nm的透射率低于0.2%，從而保證倍頻產生的綠光能夠被充分的利用。GM1和GM2均為LD側面抽運模塊，每個LD抽運模塊最大注入電功率均為218W，同一個電源供電。QS1和QS2為英國古奇公司生產的50W水冷型27MHz聲光Q開關，兩個Q開關由一個驅動源進行驅動，且同步性較好。二倍頻晶體采用高抗灰跡的KTP晶體（high gray track resistance-KTiOPO4，HGTR-KTP），尺寸為3mm×3mm×8mm，雙面鍍制532nm和1064nm的減反射膜（總反射率R1064，532≤0.3%）。

平面鏡M6和M7均為45°反射鏡，M6對1064nm波長反射率高于99.5%，M7對1064nm波長透射率高于99.5%，而對532nm波長反射率高于99.6%。平面鏡M8為平面分色鏡，與光軸呈45°角放置，其對45°角入射的1064nm和532nm波長光透射率高于99.5%，且對355nm波長光反射率高于99.7%。M9為凹面鏡，凹面曲率半徑為120mm，凹面鍍制1064nm，532nm和355nm 3個波長的高反射膜層（總反射率R1064，532，355≥99.6%）。L為消色差透鏡，對532nm和1064nm兩個波長的焦距均為60mm，其焦點與凹面反射鏡M9的凹面焦點重合，從而利于532nm和1064nm兩個波長在和頻晶體中達到良好的模式匹配。

532nm倍頻光和1064nm基頻光被消色差透鏡耦合到Ⅱ類相位匹配的三倍頻晶體LBO晶體中進行和頻，從而產生355nm紫外激光。三倍頻晶體的相位匹配角θ＝42.4°，方位角φ＝90°。該LBO晶體的雙端面均鍍制1064nm，532nm和355nm 3個波長的減反射膜層（總反射率R1064，532，355≤0.3%），尺寸為3mm×3mm×20mm，通過在其4個側面包裹一層銦箔，然后將其裝夾到銅熱沉中進行控溫。

2 實驗結果與分析

圖2中給出了注入電功率為436W不同重復頻率下355nm波長激光最大輸出功率和脈沖寬度曲線。從圖中可以看出，隨著重復頻率的提高，輸出激光脈沖寬度逐漸變寬，在2kHz和20kHz時分別為46ns和156ns。根據聲光調Q速率方程理論，上能級反轉粒子數越多及初始反轉粒子數和閾值反轉粒子數的比值越大，獲得調Q脈沖的脈沖寬度越窄。在高重復頻率時，對上能級反轉粒子的抽空速率較大，上能級反轉粒子積累的時間變短，從而導致在每個調Q脈沖產生時上能級粒子數減少，因此在高重復頻率時調Q脈沖寬度變寬。圖2還反映了在不同重復頻率下355nm波長激光的最大輸出功率，在6kHz時獲得最大的輸出功率為6.8W。在低重復頻率時，脈沖寬度較窄，脈沖峰值功率密度相對較高，相應的和頻轉換效率也較高，但由于此時基頻光和倍頻光的平均功率較低，因此獲得355nm波長激光最大輸出功率也相應地降低。在重復頻率過高時，基頻光平均功率較高，但脈沖寬度較寬和脈沖峰值功率密度相對較低，從而導致倍頻和和頻轉換效率變低，因此獲得355nm波長激光最大輸出功率也相應的降低。綜上所述，激光器存在一個最佳重復頻率對應著最大的355nm波長激光輸出功率，相應的最佳重復頻率為6kHz。

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

圖3 中給出了重復頻率為6kHz時1064nm，532nm和355nm波長激光輸出功率曲線，三者最大輸出功率分別為26.6W，15.4W和6.8W。該重復頻率下相應355nm波長激光輸出脈沖波形如圖4所示，脈沖寬度為67ns。

Fig.3 The curve of laser power at6kHz

Fig.4 The pulse shape of 355nm laser at6kHz

3 結 論

采用兩臺LD側面抽運準連續Nd∶YAG激光器分別產生基頻光和倍頻光，通過同一臺雙通道射頻驅動源對基頻光激光器和倍頻光激光器中的聲光Q開關進行調制，從而實現基頻光和倍頻光的同步，采用消色差透鏡將基頻光和倍頻光耦合到LBO晶體進行和頻，從而獲得準連續355nm紫外激光輸出。在總注入電功率為436W且重復頻率為6kHz時，獲得功率為6.8W、波長為355nm激光輸出，其脈沖寬度為67ns，總轉換效率為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

吉林省科技發展計劃資助項目（20110328）

田 明（1971-），男，副教授，現主要從事光電技術方面的研究。

E-mail：tianming＠cust.edu.cn

2013-12-25；

2014-03-10