基于三硼酸鋰晶體高功率紫外脈沖激光器

盧一鑫,楊森林，趙小俠，張變蓮

(西安文理學院 應用物理研究所, 西安 710065)

基于三硼酸鋰晶體高功率紫外脈沖激光器

盧一鑫,楊森林，趙小俠，張變蓮

(西安文理學院 應用物理研究所, 西安 710065)

為了獲得高功率、高重復頻率的紫外脈沖激光器，采用1064nm基頻光通過三硼酸鋰(LBO)晶體與3次諧波355nm進行和頻得到4次諧波266nm紫外激光的方法，進行了實驗驗證，取得了重復頻率為20kHz、紫外激光器的平均輸出功率為2.5W、紅外到紫外的轉換效率為12.5%的實驗數據。結果表明，此脈沖激光器利用LBO晶體在高重復頻率下取得了較大的紫外平均輸出功率。

激光器；紫外；2次諧波；3次諧波；4次諧波；三硼酸鋰晶體

引 言

紫外激光器在醫療、科學研究、工業生產[1-5]等方面都有廣泛的應用。相比于紅外和可見光波段的激光器，紫外激光具有較高的單光子能量和更小的光焦。為了得到高重復頻率、高單脈沖能量以及窄線寬的266nm紫外激光，采用1064nm的脈沖激光器利用三硼酸鋰(LiB3O5，LBO)或偏硼酸鋇(β-BaB2O4，BBO)晶體倍頻2次諧波(the second harmonic generation， SHG)得到532nm綠光，再通過工作在紫外波段的如RbBe2BO3F2(RBBF)[6]，K2Al2B2O7(KABO)[7]，KBe2BO3F2(KBBF)[8]，BBO[9]角度相位匹配技術或者KD2PO4(KD*P)[10]非臨界相位匹配技術進行倍頻，即4次諧波效應(the fourth harmonic generation，FHG)獲得266nm的紫外激光輸出。常見的晶體主要有BBO和磷酸二氘鉀(KD2PO4，KD*P)，但上述晶體在紫外波段都易于潮解，而且KD*P具有較低的熱傳導率，只能在重復頻率100Hz以下工作，BBO有較大的走離角、角度相位匹配范圍較窄、較高的吸收率通常在重復頻率10kHz以下可以得到較好的紫外光輸出。

LBO晶體的通光范圍在200nm以下，其光學均勻性好、損傷閾值高、非線性光學系數適中、走離角小、允許角大等優點，可以利用3次諧波技術(the third harmonic generation，THG)獲得355nm[11]的紫外光，由于雙折射效應，利用LBO晶體在Ⅰ類角度匹配條件下不能通過SHG得到的532nm四倍頻輸出266nm的紫外激光，通過四倍頻技術最短波長只能達到277nm[12]。

本文中報道了利用基于電光調Q脈沖激光器1064nm基頻光通過LBO晶體與產生的3次諧波355nm進行和頻得到266nm的紫外激光輸出。全固態紫外脈沖激光器在重復頻率為20kHz條件下獲得平均輸出功率為2.5W的266nm紫外光，其在1.5h內測得輸出功率穩定度為4.6%。

1 實驗裝置

獲得266nm的紫外激光輸出需要具有高單脈沖能量，窄脈沖寬度1064nm基頻光。實驗的光路如圖1所示。基于Bright Solutions公司商用Onda電光(electro-optic，E-O)調Q脈沖激光器，可以獲得脈沖寬度為8ns的1064nm激光輸出，光束質量因子M2<1.5,在重復頻率為20kHz時最大的平均輸出功率可達20W。

Fig.1 Experimental setup of 266nm UV pulsed laser

圖1中ω表示基頻的光波，2ω表示2次諧波，以此類推。基頻光1064nm經過透鏡L1在第1個LBO晶體進行倍頻(SHG)得到532nm的輸出光，再通過透鏡L2后基頻光1064nm和倍頻光532nm經過THG LBO晶體和頻得到3次諧波355nm，最后通過透鏡L3基頻光1064nm與3次諧波355nm在FHG LBO晶體相互作用得到4次諧波266nm的紫外激光輸出。SHG LBO晶體采用的相位匹配(phase-matching，PM)方式

是Ⅰ類非臨界相位匹配(non critical phase matc-hing，NCPM),匹配溫度是148℃，其走離角近似為0mrad，晶體尺寸為3mm × 3mm × 20mm；THG LBO是Ⅱ類角度相位匹配，匹配角θ=47°,φ=90°；FHG LBO是Ⅰ類角度相位匹配，匹配角θ=90°,φ=61°。3個晶體具體參量見表1，其中οz,ω表示入射光為慢光偏振態，偏振方向沿著z軸；exy,2ω表示產生的2次諧波是快光偏振態，偏振方向在x-y平面；下標ω表示基頻的光波，2ω表示2次諧波，以此類推。

光束通過分光棱鏡后，基頻光1064nm、倍頻光532nm、3次諧波355nm被光學吸收器轉化為熱能,從而266nm紫外激光輸出，通過光電探測器和功率計測出266nm的脈沖寬度和平均輸出功率。L1,L2,L3聚焦透鏡的作用是把輸出光匯聚在LBO晶體的中心點，LBO晶體和聚焦透鏡鍍減反膜(anti-reflection，AR)的參量見表2。SHG LBO晶體入射面和出射面鍍對1064nm/532nm波長的減反膜，聚焦透鏡L1入射面和出射面鍍對1064nm波長的減反膜，L2入射面和出射面鍍對1064nm/532nm波長的減反膜，L3入射面和出射面鍍對355nm波長的減反膜，THG LBO 和FHG LBO兩個晶體無需鍍膜。

Table 1 Characteristics of LBO crystal

Table 2 Antireflection coating of optical components

2 實驗結果與討論

基頻光1064nm通過第1個LBO晶體進行倍頻(SHG)得到532nm的輸出光，最大的平均輸出功率為14.5W，轉換效率為72.5%，通過調節SHG LBO晶體的溫度可以得到基頻光1064nm與倍頻(SHG)532nm不同的輸出比率，當SHG LBO晶體溫度為148℃，通過SHG平臺后輸出的基頻光1064nm光功率與倍頻(SHG)532nm光功率的比值為1.2，即1064nm光功率10.8W，532nm光功率9W，可以得到3次諧波(THG)355nm最大輸出功率為6W，轉換效率為30%,如圖2所示。

Fig.2 Dependence of conversion efficiency of SHG(1064nm+1064nm→532nm) and THG(1064nm+532nm→355nm) on temperature of the SHG LBO crystal

基頻光1064nm和3次諧波(THG)355nm通過FHG LBO獲得266nm的激光輸出。分離出來的4次諧波266nm紫外激光在重復頻率20kHz時最大輸出功率為2.5W，轉換效率為12.5%，如圖3所示。

FHG LBO晶體Ⅰ類角度相位匹配角晶體溫度的關系通過基于KATO的LBO Sellmeier方程SNLO軟件計算得到溫度匹配帶寬為55℃，范圍很大，但是實際測量的溫度匹配帶寬比較窄，如圖4所示。這可能是由于在晶體溫度65℃～250℃變化范圍，Sellmeier方程中沒有考慮LBO晶體對于波長200nm～400nm入射光的吸收損耗引起的。

Fig.3 Relationship between 266nm output UV power and 1064nm fundamental radiation power

Fig.4 The experimental and theoretical curves of relationship between FHG LBO temperature and acceptance bandwidth at 266nm

在重復頻率20kHz時測得輸出266nm紫外光的脈沖寬度為10ns,如圖5所示，較基頻光有一定的展寬。

Fig.5 Pulse width of 266nm ultraviolet light with repetition rate of 20kHz

由于FHG LBO的走離角比較小，在距離FHG LBO大約1m處測得266nm紫外光輸出的能量分布，如圖6所示。同時在1.5h內測得輸出功率為0.5W以及1W的穩定度分別好于1.2%和1.4% ，在最大輸出功率為2.5W時，其穩定度可以達到4.6%，如圖7所示。

高功率抽運激光工作較長時間情況下，THG LBO晶體出現了降解現象[14-15]，通過帶有CMOS的數碼顯微鏡觀測到了具體的降解區域，如圖8所示。實驗過程中發現,出現降解現象的特征時間從幾個小時到幾百個小時不等，降解程度與激光以及晶體的諸多參量有關，還需要進一步地研究其原因，進行改善。

Fig.6 Far-field energy distribution of 266nm UV beam

Fig.7 Power stability of the generated UV output power of 0.5W, 1W and 2.5W based on LBO

Fig.8 Magnified image of the degraded LBO crystals

3 結 論

采用電光調Q獲得了脈寬為8ns的高質量1064nm基頻光，通過LBO晶體與產生的3次諧波355nm進行和頻得到266nm的紫外激光輸出。在重復頻率為20kHz時，紫外光最大平均輸出功率為2.5W，脈沖寬度10ns，相應的紅外到紫外的轉換效率為12.5%，其穩定度可以達到4.6% 。同時，后續可以通過增大基頻光的峰值功率提高轉換效率。此外，長時間工作導致LBO晶體出現了降解現象，還需進一步研究。

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HighpowerultravioletpulsedlasersbasedonLBOcrystal

LUYixin,YANGSenlin,ZHAOXiaoxia,ZHANGBianlian

(Institute of Applied Physics， Xi’an University， Xi’an 710065, China)

In order to achieve the ultraviolet pulsed laser with the high power and high frequency, the fourth harmonic 266nm in LiB3O5(LBO)crystal was generated by frequency mixing of the fundamental(1064nm) and third harmonic (355nm) of electro-opticalQ-switched laser，and experiment verification was carried out. Deep ultraviolet (UV) output power of 2.5W at 266nm with the repetition rate at 20kHz and 12.5% infrared(IR)-to-UV conversion efficiency were achieved. The result show that the pulse laser has achieved a large average output power at high repetition frequency by using LBO crystal.

lasers; ultraviolet; the second harmonic generation; the third harmonic generation; the fourth harmonic generation; LiB3O5crystal

1001-3806(2018)01-0100-04

國家自然科學基金資助項目(61401356)

盧一鑫(1982-)，男，實驗師，現從事非線性光學、光電子器件的研究工作。

E-mail:tongy1982@163.com

2017-02-20；

2017-03-09

TN248.1; O437.1

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.01.019