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351 nm准连续紫外激光器
发表时间:2020-08-11     阅读次数:135     字体:【

高效率、高峰值功率351 nm准连续紫外激光器


摘要:报道了一台高效率、高峰值功率351 nm紫外激光器。采用激光二极管(LD)端面抽运Nd:YLF晶体声光调Q获得准连续窄脉宽1 053 nm基波振荡,腔外两块LiB3O5(LBO)晶体紧贴输出镜放置,对基频光进行二倍频和三倍频,获得了高峰值功率351 nm紫外激光输出。在LD抽运功率为14W、声光调Q激光器的调制频率为1 kHz的工作条件下,基波平均输出功率为1.45W时,得到351 nm紫外激光平均输出功率450mW,1053nm基频光到351nm紫外光转换效率高达31.04%,脉冲宽度为7.5 ns,峰值功率达60 kW,光束质量良好。

关键词:激光器;351 nm紫外激光器;腔外三倍频;高峰值功率

0 引言

紫外激光器因其波长短、可聚焦能力强、光子能量大等优点,在激光精密加工、激光医疗、光谱分析等领域有着广泛的应用[1-3]。目前国内外针对355nm紫外波段的研究主要集中在高重频高功率和低重频高峰值功率紫外激光器上,并取得显著成果[4-6],而Nd:YLF晶体的1 053 nm谱线三倍频获得高重频高峰值功率351 nm紫外波段的研究报道却很少,人们只是针对Nd:YLF的1 053 nm基波谱线和倍频获得的527 nm绿光谱线进行了一些研究[7-8]。因Nd:YLF晶体较长的上能级寿命,在调Q脉冲运转中使其更容易获得高峰值功率的基频光,经三倍频后获得高峰值功率的351 nm紫外光,在激光标刻、打孔等工业领域有着广泛的应用前景。神光装置三倍频光波长为351 nm,高峰值功率的351 nm紫外激光器可以作为神光装置靶瞄准模拟光源[9]。虽然Y.J.Huang等人[10]利用半球腔被动调Q腔外三倍频方式获得了峰值功率72 kW的351 nm紫外激光,但其频率为100Hz,光光转换效率为26%,无法满足人们对高重频351nm紫外激光的要求,且被动调Q方式不能对激光脉冲进行主动控制,限制了其应用范围。文中激光二极管(LD)端面抽运Nd:YLF晶体声光调Q方式,获得了高峰值功率准连续的1053 nm基频光,经腔外二倍频和三倍频,实现了重复频率1 kHz功率450mW的351 nm紫外激光运转,峰值功率达到60 kW,光光转换效率高达31.04%。腔外无聚焦系统,结构简单,易于操作,有利于高峰值功率紫外激光器产品的小型化生产。

1 实验装置

LD端面抽运Nd:YLF腔内三倍频351 nm紫外激光器结构如图1所示。采用国产808 nm光纤输出半导体激光器做为抽运源,最大输出功率为40W,光纤芯径400μm,数值孔径为0.22。通过调节制冷系统工作温度,使其工作波长在806 nm附近,与Nd: YLF晶体吸收峰匹配。通过耦合透镜将抽运光整形为直径600μm左右的圆形光斑,会聚角约为0.147 rad。Nd:YLF晶体尺寸为3mm×3mm×12mm,Nd3+离子掺杂浓度为1.0 at.%,a轴切割,通光长度12mm,两个通光面分别镀1 053 nm和806 nm增透膜,为提高晶体散热效率,晶体采用铟焊的方式直接焊接到紫铜晶体热沉上,晶体热沉采用循环水冷却,制冷温度设定在19℃。谐振腔采用简单的线性腔结构,谐振腔腔长100mm左右,由腔镜M 1和M 2组成。平凹镜M 1,曲率半径R=-500mm,平面镀806 nm高透膜,凹面镀806 nm高透膜、1 053 nm高反膜。平面镜M 2为输出镜一面镀1 053 nm部分透过膜,另一面镀1 053 nm高透膜。腔内插入布儒斯特片,抑制Nd: YLF晶体的1047nm谱线振荡。腔内插入声光Q开关(QS041-10G-IN2,英国古奇公司),重复频率设置为1 kHz。LBO1为倍频晶体,尺寸为4mm×4mm× 25mm,采用Ⅰ类临界相位匹配,切割角度θ=90°,Φ=12°。LBO2为三倍频晶体,尺寸为4mm×4mm× 25mm,采用Ⅱ类临界相位匹配,切割角度θ=45.1°,Φ=90°,基频光在两块LBO晶体中的偏振匹配如图2所示。两块晶体通光面均镀1053nm、527nm和351nm高透膜以降低损耗。两块晶体紧贴输出镜M 2放置,分别采用制冷系统控温,控温精度±0.1℃。平面镜M 3和M 4为45°反射镜,一面镀45°351 nm高反膜,1 053 nm和527 nm高透膜,另一面镀1 053 nm和527nm高透膜,用于滤除出射激光中剩余的1053nm基频光和527nm倍频光。

图1 351 nm紫外激光器实验结构示意图
Fig.1 Schematic diagram for 351 nm ultraviolet laser

图2 两块LBO晶体中二倍频(Ⅰ类)、三倍频(Ⅱ类)光束偏振匹配
Fig.2 Schematic of polarization states of the second(typeⅠ)and third(typeⅡ)harmonic for laser beams in two LBO crystals

2 实验结果及分析

重复频率为1 kHz时,采用LabMax_TOP型激光功率计(Coherent公司),在未加入两块LBO晶体和M 3、M 4分光镜测量了1 053 nm基频光功率,紧贴M 2后加入LBO1晶体,将M 3、M 4换成1 053 nm和527 nm分光镜(镀45°1 053 nm高反膜,527 nm高透膜),测量了527 nm绿光功率,加入LBO2晶体,并将M 3、M 4换成1 053 nm和527 nm高透351 nm高反的分光镜,测试了351 nm紫外光的输出功率,图3给出了三种波长激光功率与LD抽运功率的关系。当LD抽运功率最大14W时,1053nm基频光功率1.45W,光光转换效率为10.36%。527nm绿光功率为665mW,倍频效率为45.86%,351 nm功率为450mW,脉宽7.5 ns、1 053nm基频光到351nm紫外光转换效率达到31.04%。

图3 1 053、527、351 nm激光的输出功率
Fig.3 Laser output power of laser at 1 053,527,351 nm

三种波长激光功率随LD抽运功率增加而增大,实验中LD抽运功率超过14W,继续增加,虽然基频光和绿光功率随之增大,但光束质量变差,影响了351 nm紫外光转换效率,351 nm紫外光功率下降。

图4不同重复频率激光输出功率与抽运功率的关系
Fig.4 Output power versus pump power under different repetition rate

图4 给出了重频为1 kHz和6 kHz时351 nm紫外激光输出功率与LD抽运功率之间的关系,可以看出:重复频率为1 kHz和6 kHz,351nm紫外激光输出功率均随LD抽运功率的增加而增大,LD注入功率为14W,重复频率6kHz时,351nm紫外激光功率最大为324mW。重复频率的增加使得基频激光单脉冲储能时间降低,反转粒子数与阈值反转粒子数的比值下降,从而影响激光脉冲的上升沿时间,使得脉冲宽度变宽,1053nm基频光峰值功率下降,三倍频转换效率下降,导致351nm紫外激光功率下降。

采用的DET10A型探测器(THORLABS公司)和SDS1302CE型存储示波器(SIGLENT公司)测量激光脉冲宽度,重复频率1 kHz时351 nm紫外激光的脉冲形状如图5所示,激光脉冲宽度为7.5 ns。

图5 351 nm激光单脉冲形状
Fig.5 Single pulse shape of the 351 nm laser

采用相纸随机记录一组激光器出光口光斑,如图6所示,光斑为圆形,能量分布均匀,光束质量较好。通过在腔内插入布儒斯特片抑制了Nd:YLF晶体的1 047 nm强谱线振荡,获得了单一的351 nm紫外谱线,如图7所示。

图6 351 nm紫外激光光斑图
Fig.6 Spot shape of 351 nm ultraviolet laser

图7 351 nm紫外激光光谱图
Fig.7 Spectrum of 351 nm ultraviolet laser

3 结论

文中采用LD端面抽运Nd:YLF晶体,声光调Q腔外二倍频、三倍频实现了高效、高峰值功率351nm准连续紫外激光输出。LD注入功率为14W,重复频率为1kHz时,获得了平均功率450mW的351nm紫外激光输出,脉冲宽度仅为7.5ns,峰值功率高达60kW,光光转换效率达到31.04%,光束质量较好。研制的351 nm紫外激光器采用的是简单的线性腔结构,简单紧凑,腔外无聚焦系统,易于调节,实用性好,便于产品化生产。


 
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