高效率三倍頻產(chǎn)生355 nm皮秒激光的實驗研究*

程夢堯 王兆華 何會軍 王羨之 朱江峰 魏志義 ?

1)(西安電子科技大學物理與光電工程學院,西安 710071)

2)(中國科學院物理研究所,北京 100190)

1 引 言

高重頻皮秒激光放大器具有平均功率高、脈沖能量大、光束質(zhì)量好等優(yōu)點,在光參量放大[1]、同步抽運[2,3]、激光微加工[4,5]等科學研究與工業(yè)加工領(lǐng)域中具有廣泛應用.同時,利用非線性晶體將近紅外激光轉(zhuǎn)換通過二倍頻(second harmonic generation,SHG)及三倍頻(third harmonic generation,THG)轉(zhuǎn)化為綠光或紫外光后,可使激光具有更高的光子能量與更小的聚焦面積,不但可以有效提高加工精度,也可對一些特殊表面進行加工[6,7],或用于表面物理實驗[8]等研究中.特別是在如藍寶石等透明硬質(zhì)材料的切割中,綠光或紫外皮秒激光器具有獨特的優(yōu)勢.

通常由激光振蕩器直接產(chǎn)生的超短脈沖激光的能量非常低,為了產(chǎn)生高平均功率、高能量的皮秒激光,需要對振蕩器輸出的種子激光進行放大;這可以采用再生放大技術(shù)[9]或者主振蕩功率放大(master oscillator power amplifier,MOPA)技術(shù)[10].高重頻再生放大中,由于脈沖間隔小于增益介質(zhì)的上能級壽命,需要消除倍周期分叉效應[11]以實現(xiàn)穩(wěn)定的脈沖輸出;而采用MOPA結(jié)構(gòu)放大時不會產(chǎn)生此效應,但由于缺少對應重復頻率的皮秒種子源[12],需要對種子源脈沖選單后再放大,這樣會降低放大效率.結(jié)合兩種技術(shù)的特點,我們采用再生放大加兩級單通放大的方案來實現(xiàn)高功率皮秒激光放大.其對再生放大器輸出功率要求低,可以較為容易地消除倍周期分叉效應,從而實現(xiàn)穩(wěn)定的高功率高能量基頻光輸出.

在高效率THG中,一般先使用非線性晶體對基頻光進行倍頻,而后再將倍頻光和基頻光進行和頻,產(chǎn)生紫外激光,常用的非線性晶體有LBO[13],BBO[14],KDP[14],BIBO[15],CLBO[16],CBO[17]等非線性晶體,這些晶體的物理性質(zhì)和光學性質(zhì)如表1[18-20]所列.

表1 非線性晶體參數(shù)Table 1.Parameters of nonlinear crystal.

從表1可以看出,相比于其他晶體,LBO晶體具有損傷閾值高、走離角度小等優(yōu)點,并且LBO晶體具有穩(wěn)定的物理化學性質(zhì)[21],因此選用LBO晶體開展倍頻與和頻實驗.

2013年,北京工業(yè)大學的Chen等[22]報道了利用LBO晶體和再生放大器實現(xiàn)的皮秒紫外激光,他們利用可以輸出6.6 mJ基頻光的Nd：YAG再生放大器實現(xiàn)了2 mJ的355 nm皮秒紫外激光輸出,激光的重復頻率為1 kHz,THG效率為33.3%.這種大能量的皮秒紫外激光在科學研究中有著較為廣泛的應用,但是由于激光器的重復頻率較低,因此無法在工業(yè)加工中使用.同年,德國亞琛工業(yè)大學的Zhu等[13]也利用LBO晶體在1 MHz的重復頻率下實現(xiàn)了39.1 W的355 nm皮秒紫外激光輸出,THG效率為46%;該實驗中基頻光來自于一套多級多通放大系統(tǒng),選單后種子光經(jīng)過多級多通放大后在1 MHz重復頻率下被放大到84 W;這套系統(tǒng)可以實現(xiàn)較高的平均功率,但是存在結(jié)構(gòu)復雜、成本高等缺點.本文利用一套自建的全固態(tài)皮秒激光放大器實現(xiàn)了高效率的SHG與THG.全固態(tài)皮秒激光放大器由種子源、再生放大器和兩級單通放大器組成,輸出23.2 W平均功率、13.4 ps脈沖寬度、500 kHz重復頻率的1064 nm基頻光,基頻光在x和y方向上的M2分別為1.330和1.235.隨后利用兩塊LBO晶體作為SHG和THG晶體,分別得到了中心波長位于532 nm處12.7 W的SHG激光和中心波長位于355 nm處9.25 W的THG激光,相應的光光轉(zhuǎn)換效率分別為54.7%和39.8%.并對倍頻光進行了24 h的穩(wěn)定性測試,其均方根誤差(root mean square,RMS)小于0.2%.這套激光器系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)換效率高、平均功率高、結(jié)構(gòu)簡單、低成本等優(yōu)點,可用于光參量放大、激光加工、材料表面處理等科學研究或工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域.

2 全固態(tài)皮秒激光放大器

實驗中設計研制的全固態(tài)皮秒激光放大器及SHG與THG的光路圖如圖1所示.

圖1 全固態(tài)皮秒激光放大器及SHG與THG光路圖(HR,高反鏡;DM,雙色鏡;LD,二極管激光器;HT 1064 HR 532,在1064 nm處高透,在532 nm處高反)Fig.1.Structure of all-solid-state picosecond laser amplifier,SHG and THG (HR,high reflectivity mirror;DM,dichroic mirror;LD,laser diode;HT 1064 HR 532：high transmittance @ 1064 nm and high reflectivity @ 532 nm).

全固態(tài)皮秒激光放大器由種子源、再生放大器和兩級單通放大器組成.其中振蕩器采用了一臺最大輸出功率為2 W、重復頻率為68 MHz、輸出脈沖寬度8.3 ps的皮秒激光種子源(HighQ公司).我們在振蕩器與再生放大器之間插入了一個隔離器以避免回光入射到振蕩器中影響鎖模穩(wěn)定性.再生放大器中采用一塊20 mm長、a-cut、0.15 at.%摻雜濃度的Nd：YVO4晶體作為增益介質(zhì),而兩級單通放大器中采用兩塊10 mm長、a-cut、0.3 at.%摻雜濃度的Nd：YVO4晶體作為增益介質(zhì).為了實現(xiàn)更高的效率,所有晶體表面均鍍有對808 nm和1064 nm高透的介質(zhì)膜;同時所有晶體均用銦箔包裹后通過銅制通水熱沉進行散熱,冷卻水溫度均為20 ℃.放大激光系統(tǒng)采用3個最大輸出功率為30 W的光纖耦合半導體激光器(laser diode,LD)作為抽運源,分別用于再生放大器和兩級單通放大器中.再生放大器可以將振蕩器種子能量由nJ量級放大到μJ量級,重復頻率經(jīng)過普克爾盒(Pockels cell,PC)選單為500 kHz.由于高重頻皮秒再生放大器中的脈沖間隔(2 μs)遠遠小于增益介質(zhì)的上能級壽命(120 μs),因此在再生放大器中容易產(chǎn)生倍周期分叉效應;需要進行優(yōu)化,并以降低輸出功率為代價,減小再生腔中PC的加壓時間來實現(xiàn)無分叉的穩(wěn)定脈沖輸出.最終,再生放大器將種子光的脈沖能量放大到9.72 μJ,重復頻率為500 kHz,平均功率為4.86 W.此時,再生腔的抽運功率為11.9 W,對應的光光效率為40.8%;再生腔的加壓時間為205 ns.

圖2 種子光和基頻光自相關(guān)曲線(sech2擬合)(a)種子光自相關(guān)曲線;(b)基頻光自相關(guān)曲線Fig.2.Self-reference curve of seed laser and fundamental laser (sech2 fitting)：(a)Self-referencecurve of seed laser;(b)self-reference curve of fundamental laser.

再生放大激光的輸出平均功率較低,需要通過單通放大提高輸出平均功率.第一級單通放大中,在25 W的抽運功率與4.6 W的入射功率下,輸出功率為14.5 W.第二級單通放大中,在25 W的抽運功率下,輸出功率為23.2 W.兩級單通放大后輸出的基頻光為平行激光,光斑半徑約為1 mm.我們利用一臺最大掃描寬度為55 ps的自相關(guān)儀(PulseCheck,APE)分別測量了種子光與基頻光的脈沖寬度,測得基頻光的脈沖寬度為13.4 ps,與種子光的脈沖寬度(8.3 ps)相比有一定的展寬,種子光與基頻光的自相關(guān)曲線如圖2所示.

圖3 基頻光光譜圖和光束質(zhì)量(M2)圖 (a)基頻光光譜圖;(b)基頻光光束質(zhì)量(M2)圖Fig.3.Wavelength and beam quality (M2)of fundamental laser：(a)Wavelength of fundamental laser;(b)beam quality (M2)of fundamental laser.

也利用光譜儀(HR400CG-UV-NIR,Ocean Optics)和光束質(zhì)量分析儀(M2-200S,SPIRICON)分別測量了基頻光的光譜和光束質(zhì)量(M2),如圖3所示.圖3(a)是基頻光的光譜,可以看出基頻光光譜的中心波長位于1064 nm處;圖3(b)是基頻光的光束質(zhì)量(M2),其在x和y方向上的M2分別為1.330和1.235,表明基頻光具有較好的光束質(zhì)量.

3 頻率變換實驗

頻率變換實驗分為倍頻實驗與和頻實驗,其光路圖如圖1所示.在基頻光入射前,一個λ/2波片和薄膜偏振片(thin film laser polarizer,TFP)用于調(diào)節(jié)入射光的功率;另一個λ/2波片用于調(diào)節(jié)入射激光的偏振方向,以調(diào)節(jié)倍頻效率.由于聚焦入射時可以提高激光的功率密度,從而在較短的晶體長度下實現(xiàn)高效率的頻率變換,并減小晶體內(nèi)的走離效應,因此在晶體前使用一個焦距為100 mm的平凸透鏡聚焦入射激光,晶體與平凸透鏡的距離約為90 mm.

為了實現(xiàn)高效率的相位匹配,在倍頻時,選用一類相位匹配,LBO晶體的切割角為θ=90°,φ=11.6°;在和頻時,選用二類相位匹配,LBO晶體的切割角為θ=42.2°,φ=90°.倍頻與和頻晶體表面均鍍有對1064,532和355 nm激光高透的介質(zhì)膜,同時晶體用銦箔包裹后通過銅制通水熱沉進行冷卻,冷卻水溫度為20 ℃.

為了實現(xiàn)較高的和頻效率,利用商業(yè)軟件SNLO對非線性晶體的長度與和頻效率的關(guān)系進行了計算.首先假設入射到倍頻晶體上的基頻光為高斯光束,單脈沖能量約為46.4 μJ,當和頻效率最高時,倍頻效率應為40%,此時假設倍頻時沒有能量損耗,可得到倍頻后剩余基頻光的單脈沖能量為27.8 μJ,倍頻光的單脈沖能量為18.6 μJ.當激光聚焦入射到和頻晶體上時,和頻晶體上的剩余基頻光峰值功率密度約為7 GW/cm2;根據(jù)這個峰值功率密度,計算得到當和頻晶體長度為3 mm時,和頻效率最高,因此選用3 mm長的LBO晶體作為和頻晶體.

在確定了和頻晶體長度后,需要通過計算基頻光與倍頻光在晶體中走離效應來確定倍頻晶體長度,如圖4所示.在和頻晶體,選用二類匹配,因此倍頻光與基頻光在經(jīng)過和頻晶體時,會在yz平面內(nèi)產(chǎn)生走離,走離角為9.3 mrad,經(jīng)過3 mm長晶體后,走離距離為28 μm;而倍頻晶體,選用一類相位匹配,倍頻光與基頻光會在xy平面內(nèi)走離,走離角為7 mrad,因此選用4 mm長的倍頻晶體時,其在空間上走離距離也為28 μm,正好可以補償基頻光與倍頻光的走離,提高和頻效率.

圖4 SHG與THG過程中光束空間走離及補償?shù)脑硎疽鈭DFig.4.Schematic diagram of space walk-off and compensation for SHG and THG.

最終,在SHG時,使用5 mm×5 mm截面的4 mm長LBO晶體,切割角度為θ=90°,φ=11.6°,滿足一類相位匹配;THG時,和頻部分使用一塊5 mm×5 mm截面的3 mm長LBO晶體,切割角為θ=42.2°,φ=90°,滿足二類相位匹配.

在SHG實驗中,通過仔細調(diào)節(jié)激光入射角度、偏振方向和SHG晶體與聚焦透鏡的距離,最終在23.2 W的基頻光下得到了12.7 W的SHG激光,中心波長為532 nm,SHG效率為54.7%.也測量了SHG激光24 h的功率穩(wěn)定性,如圖5所示,其24 h內(nèi)的功率穩(wěn)定性(RMS)小于0.2%,表明SHG激光有很好的功率穩(wěn)定性.

圖5 SHG激光功率穩(wěn)定性Fig.5.Power stability of SHG power.

在進行THG實驗時,為了使和頻輸出功率達到最大,需要在SHG實驗的基礎上,減小倍頻晶體與聚焦透鏡的距離,使倍頻效率降低到約40%左右;此時在SHG晶體后約1 mm處插入和頻晶體,就可在和頻晶體后得到高效率的THG激光輸出.通過仔細調(diào)節(jié)基頻光的各個參數(shù),最終,在23.2 W基頻光下,得到了9.25 W的THG激光,中心波長為355 nm,THG效率為39.8%,其功率曲線如圖6所示.

圖6 THG激光功率曲線圖Fig.6.THG output power versus input power.

圖7 (a)SHG與(b)THG光譜圖Fig.7.Wavelength of (a)SHG and (b)THG.

還測量了SHG和THG的光譜,如圖7所示.從圖7可以看出SHG和THG的中心波長分別為532 nm和355 nm.

4 總 結(jié)

利用一套自建的全固態(tài)皮秒激光放大器進行了高效率的SHG與THG實驗.自建的全固態(tài)皮秒激光放大器由種子源、再生放大器、兩級單通放大器三部分組成,最終可以輸出23.2 W平均功率、13.4 ps脈沖寬度、1064 nm中心波長的基頻光,基頻光的重復頻率為500 kHz,其在x和y方向上的M2分別為1.330和1.235.隨后進行的非線性頻率變換中,利用LBO晶體進行了SHG與THG實驗,分別得到了中心波長位于532 nm處12.7 W的SHG激光和中心波長位于355 nm處9.25 W的THG激光,相應的光光轉(zhuǎn)換效率分別為54.7%和39.8%.這種激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、平均功率高、結(jié)構(gòu)簡單等特點,可以廣泛地用于科學研究與工業(yè)加工中,特別是在如藍寶石等透明硬質(zhì)材料的切割中具有重要的價值.