瓦級激光二極管端面抽運351 nm紫外激光器

崔建豐， 高 濤， 張亞男， 王 迪， 岱 欽， 姚 俊

(1. 沈陽理工大學 理學院， 遼寧 沈陽 110159； 2. 鞍山紫玉激光科技有限公司， 遼寧 鞍山 114000)

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瓦級激光二極管端面抽運351 nm紫外激光器

崔建豐1，2*， 高 濤2， 張亞男2， 王 迪2， 岱 欽1， 姚 俊1

(1. 沈陽理工大學 理學院， 遼寧 沈陽 110159； 2. 鞍山紫玉激光科技有限公司， 遼寧 鞍山 114000)

研制了輸出功率達瓦級的351 nm準連續紫外激光器。激光器采用激光二極管(LD)端面抽運Nd∶YLF晶體和聲光調Q技術，實現了1 053 nm準連續基波振蕩。在結構簡單的V型腔中，兩塊LiB3O5(LBO)晶體對基頻光進行二倍頻和三倍頻，獲得了高功率351 nm準連續紫外激光輸出。在LD抽運功率為14 W、聲光調Q激光器的調制頻率為 1 kHz 的工作條件下，得到351 nm紫外激光平均輸出功率為1.12 W、脈沖寬度為34 ns、單脈沖能量為1.12 mJ、峰值功率達32.94 kW。 LD抽運光到351 nm紫外激光的光-光轉換效率達到8%，電光效率為3.4%，光束質量良好。

激光器； 351nm紫外激光器； 聲光調Q； Nd∶YLF晶體

1 引 言

紫外激光器具有波長短、可聚焦能力強、聚焦焦深長以及光子能量大等優點，在激光精密加工、激光醫療、光譜分析等領域有著廣泛的應用[1-7]。目前國內外針對355 nm紫外波段的研究報道較多，通過腔內或腔外三倍頻Nd∶YAG、Nd∶YVO4等晶體的1.06 μm譜線，結合調Q技術，獲得不同重復頻率355 nm紫外光輸出，成果顯著[8-19]。而Nd∶YLF晶體的1 053 nm譜線三倍頻獲得351 nm紫外波段的研究報道卻很少，人們只是針對Nd∶YLF的1 053 nm基波譜線和倍頻獲得的527 nm綠光譜線進行了一些研究。 Deana等[20]采用LD側面泵浦Nd∶YLF晶體和被動調Q方式，實現了單脈沖能量1 mJ、重復頻率1 kHz、脈寬10 ns的TEM00模1 053 nm激光輸出。 Huang等[21]采用LD端面抽運Nd∶YLF晶體并在腔內插入Cr4+∶YAG被動調Q晶體，當LD抽運功率為12 W時，獲得了平均功率2.3 W、重復頻率8 kHz的1 053 nm激光，脈寬為9 ns，峰值功率達到32 kW。陸婷婷等[22]通過LD雙端抽運兩塊Nd∶YLF晶體和電光調Q方式，當重復頻率為500 Hz時，在U型腔中利用LBO晶體倍頻獲得了單脈沖能量11 mJ、平均功率5.5 W的527 nm綠光，光-光轉換效率達到22%。

351 nm紫外激光的波長與神光裝置三倍頻光波長相同，可以作為神光裝置的靶瞄準模擬光源[23]。Nd∶YLF晶體具有較長的上能級壽命，在調Q脈沖運轉中更容易獲得高單脈沖能量的基頻光，進而經三倍頻后獲得高單脈沖能量的351 nm紫外光，在激光標刻、打孔等工業領域有著廣泛的應用。雖然Huang等[24]利用半球腔被動調Q腔外三倍頻方式獲得了360 μJ、脈寬5 ns的351 nm紫外激光，但其頻率僅為100 Hz，無法滿足人們對高重頻351 nm紫外激光的要求，且被動調Q方式不能對激光脈沖進行主動控制，限制了其應用范圍。本文采用LD端面抽運Nd∶YLF晶體聲光調Q方式，獲得了高功率、高單脈沖能量、準連續的1 053 nm基頻光，通過腔內倍頻和三倍頻，實現了重復頻率1 kHz、功率1.12 W的351 nm紫外激光運轉，單脈沖能量達到1.12 mJ，脈寬為34 ns。

2 實驗裝置

LD端面抽運Nd∶YLF晶體腔內三倍頻351 nm紫外激光器結構如圖1所示。采用國產808 nm光纖輸出半導體激光器做為抽運源，最大輸出功率為40 W，光纖芯徑為400 μm，數值孔徑為0.22。通過調節制冷系統工作溫度，使其工作波長在806 nm附近，與Nd∶YLF晶體吸收峰匹配。通過耦合透鏡將抽運光整形為直徑700 μm左右的圓形光斑。Nd∶YLF晶體尺寸為3 mm×3 mm×12 mm，Nd3+離子摻雜摩爾分數為1%，a軸切割，通光長度為12 mm，兩個通光面分別鍍1 053 nm和806 nm增透膜。為提高晶體散熱效率，晶體采用銦焊的方式直接焊接到紫銅晶體熱沉上。晶體熱沉采用循環水冷卻，制冷溫度設定在19 ℃。為提高倍頻效率，諧振腔采用簡單的V型腔結構，將激光晶體和倍頻晶體分別置于諧振腔的兩臂內，基頻光形式上兩次通過倍頻晶體，提高基頻光利用率，從而提高倍頻效率。諧振腔腔長180 mm左右，由腔鏡M1、M2和M3組成。平凹鏡M1的曲率半徑R=-500 mm，平面鍍806 nm高透膜，凹面鍍806 nm高透膜和1 053 nm高反膜。平面鏡M2一面鍍1 053 nm全反膜和527 nm、351 nm高透膜，另一面鍍527 nm和351 nm高透膜，作為351nm紫外激光輸出鏡。平面鏡M3一面鍍1 053 nm、 527 nm和351 nm高反膜，另一面不鍍膜。LBO1為倍頻晶體，尺寸為3 mm×3 mm×15 mm，采用Ⅰ類臨界相位匹配，切割角度θ=90°、Φ=12°。LBO2為三倍頻晶體，尺寸為3 mm×3 mm×20 mm，采用Ⅱ類臨界相位匹配，切割角度θ=45.1°、Φ=90°，兩塊晶體通光面均鍍1 053 nm、527 nm和351 nm高透膜以降低腔內損耗。兩塊晶體分別采用制冷系統控溫，控溫精度±0.1 ℃。腔內插入布儒斯特片，抑制1 047 nm譜線振蕩。腔內插入聲光Q開關(QS041-10G-IN2，英國古奇公司)，重復頻率設置為1 kHz。平面鏡M4和M5為45°反射鏡，一面鍍45° 351 nm高反膜和1 053 nm、527 nm高透膜，另一面鍍1 053 nm和527 nm高透膜，用于濾除出射激光中少量的1 053 nm基頻光和剩余的527 nm倍頻光。

3 結果與討論

Nd∶YLF晶體上能級壽命為485 μs左右，使其更適合在重復頻率1～2 kHz左右工作。為了獲得高單脈沖能量的基頻光，提高二倍頻和三倍頻的轉換效率，我們設置脈沖重復頻率為1 kHz。351 nm紫外激光器的激光輸出功率隨抽運光功率變化曲線如圖2所示。

紫外激光器的輸出功率與抽運光功率接近線性變化。當抽運光功率為14 W時，獲得了平均功率為1.12 W的351 nm紫外激光輸出，此時紫外激光的脈沖寬度為34 ns，峰值功率高達32.94 kW。圖3所示為示波器采集的351 nm紫外激光的脈寬圖。

Fig.2 Output power of 351 nm ultraviolet laserversuspump power

采用相紙隨機記錄一組激光器出光口光斑，如圖4所示。光斑為圓形，能量分布均勻，光束質量較好。通過在腔內插入布儒斯特片抑制了Nd∶YLF晶體的1 047 nm強譜線振蕩，獲得了單一的351 nm紫外譜線，如圖5所示。

圖5 351 nm紫外激光光譜圖

Fig.5 Spectrum of 351 nm ultraviolet

4 結 論

本文采用LD端面抽運Nd∶YLF晶體和聲光調Q腔內二倍頻、三倍頻實現了高功率、高單脈沖能量的351 nm準連續紫外激光輸出。當LD注入功率為14 W、重復頻率為1 kHz時，獲得了平均功率1.12 W的351 nm紫外激光輸出，脈沖寬度為34 ns，峰值功率高達32.94 kW，光-光轉換效率達到8%，光束質量較好。所研制的351 nm紫外激光器采用的是簡單的V型腔結構，簡單緊湊，易于調節，實用性好，便于產品化生產。

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崔建豐(1977-)，男，吉林省吉林市人，博士，高級工程師，2007年于長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事半導體抽運、燈抽運高平均功率調Q激光器、大能量激光器及激光微加工系統的研究。

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業技術創新基金(C262100678)； 遼寧省科技計劃(2014220040)； 沈陽市科技計劃(F16-210-6-00)資助項目

TN248.1

A

10.3788/fgxb20163711.1367

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