全固態(tài)紫外激光器研究進展

全固態(tài)激光器具有效率高、壽命長、體積小等優(yōu)點，與其他類型的激光器相比，容易獲得高功率、高光束質量的激光。這使得全固態(tài)激光器廣泛應用于科研、國防、醫(yī)療、工業(yè)等領域。全固態(tài)紫外激光器已成為國內(nèi)外光學研究機構研究的重點，用于相關光檢測、先進制造業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、材料加工處理、超高密度存儲、光通信、生物檢測等。

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國外發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀末紫外激光問世以來，科學家們利用不同組合的增益介質、激光腔類型和抽樣方法對紫外激光進行了深入而廣泛的研究。

例如，R.J.Keyes與T.M.Quis用激光二極管抽取增益介質CaF2:U3 ，第一次得到213 nm激光。C.Zimmer nn，V.Vuletic等人，采用KN晶體(鈮酸鉀KNbO3晶體)，得到2.1 W的213 nm連續(xù)紫外線。M.Oka等人用BBO(偏硼酸鋇)作為倍頻晶體獲得1.5 W連續(xù)激光輸出。

日本東京大學Y.K.Yap等人使用CLBO(六硼酸鋰∞)晶體重頻10 KHz，平均功率為10.6 W紫外脈沖輸出。2000年，日本的TETSUO KOJIMA等人在聲光調(diào)QNd:YAG 10 nm改進后的高質量激光器CLBO20年晶體取得突破性進展 W的266 nm紫外脈沖輸出。

隨著光學元件加工技術的日益成熟，紫外波段不僅限于355 nm，266 nm和213 nm。2006年，S.Johansson等人使用PPKTP（周期極化KTP）晶體和BBO準三能級946 nm激光器頻率為4倍，獲得20倍 mW的236 nm激光。2008年，Ossi Kimmel 等人報道了準三級Nd:YAG主動調(diào)Q激光器可輸出脈寬1.9 ns，平均功率為7.6 mW的237 nm到2014年，激光，Deyra L在此基礎上，等人將進一步瞄準三級Nd:YAG優(yōu)化了主動調(diào)Q激光器，得到了600 mW的237 nm這是236 nm到目前為止，紫外波段波長的平均功率較高。

國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

福建物構于20世紀80年代開發(fā)BBO同時，浙江大學尤晨華利用晶體BBO晶體，得到216 nm深紫外激光。20世紀90年代末，LD紫外激光技術發(fā)展迅速，取得了新的發(fā)展。1999年，陳國華等人被選中Nd:YVO用作增益介質KTP、BBO作為倍頻晶體，在中國首次獲得266 nm紫外輸出。

之后，中國科學院西安光機所和長春光機所 譚成橋等人對266 nm研究了波段紫外激光。2007年，中國科學院物理研究所首次制造了第一個瓦級266 nm激光器的重復頻率為20 kHz的聲光調(diào)Q、端面抽運Nd:YV04激光器產(chǎn)生100 nm平均功率為8 W，再用KTP晶體進行腔內(nèi)倍頻，得到5 W的532 nm綠光，最后用CLBO晶體進行腔外倍頻，平均功率為1.3 W、脈寬為11 ns的266 nm激光。

2009年，西北大學光電子技術研究所李秀采用重頻11.2 kHz主動調(diào)Q的10 nm Nd:YAG通過兩次倍頻轉換，激光器獲得了7個功率.1 W的266 nm激光輸出。2009年，Q.Liu等人使用重復頻率高達100 kHz被動調(diào)Q的10 nm Nd:YAG激光器通過兩次倍頻獲得14.8 W的266 nm當重復頻率進一步提高到150時 kHz時，得到11.5 W的266 nm激光。

關鍵激光技術

增益介質

自從第一個紅寶石激光器誕生以來，已經(jīng)開發(fā)出了各種類型的增益介質，但在全固態(tài)激光器中可以選擇的增益介質并不多。較常用的增益介質是Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdV04，其中Nd:YAG、Nd:YV04使用頻率較高。激光產(chǎn)生三種增益介質的原理大致相同，其主要區(qū)別在于材料的理化性質。表1列出了三種增益介質的比較。

表 11三種增益介質的物理特性

對于Nd:YAG就晶體而言，晶體本身的發(fā)射截面較小，但熒光壽命和導熱性相對較高，因此對激光系統(tǒng)的散熱技術要求不高，適用于高功率激光器和脈沖激光器。其次，它的基質YAG(易鋁石榴石Y3Al5O12)晶體機械強度高，導熱性好，激光波長范圍內(nèi)晶體透過率高。大尺寸、高質量的高質量晶體可以通過提拉法生長。所以，Nd:YAG激光器具有效率高、性能可靠、小型化方便、光束質量好、功率穩(wěn)定性高等優(yōu)點，成為激光二極管泵送全固態(tài)激光器的首選激光增益介質。

對于Nd:YV但04具有發(fā)射截面大、吸收帶寬高、輸出光偏振光等優(yōu)點，Nd:YVO也有很多缺點。首先，由于晶體本身的物理性質有限，無法獲得高質量的大型晶體，其機械性能和均勻性很差，只能制造小型激光棒，限制了Nd:YV激光器中04晶體的應用。其次，由于晶體導熱性低，熱效應明顯，激光對熱處理能力的要求更加嚴格，實驗設備的開發(fā)難度在一定程度上增加。Nd:YV04晶體更適合薄片激光器和小功率激光器。

對于Nd:GdV04來說，GdV04是一種與YVO四是同一結構的基質晶體材料。Nd:GdV04和Nd:YVO4具有基本相似的激光性能，其吸收峰半高全寬略寬于Nd:YAG，其吸收截面為Nd:YVO4的兩倍，是Nd:YAG七倍多。Nd:GdV04受激發(fā)射截面是三種晶體中較大的，其導熱性也非常好。該晶體實現(xiàn)高濃度混合，易于生長大尺寸、高質量、均勻光學性能的優(yōu)質晶體。這些優(yōu)點讓Nd:GdV04可能成為未來全固體激光器的首選增益介質。特別是準三能系統(tǒng)，導熱性大，使晶體內(nèi)部溫度梯度小，熱透鏡不明顯，晶體絕對溫度低，進一步減少晶體內(nèi)下能粒子的再吸收損失。

非線性倍頻晶體

在全固態(tài)紫外激光器中，非線性頻率變換晶體是較重要的組成結構之一。在非線性晶體本身的理化性能的基礎上，通過非線性頻率轉換技術可以獲得四倍或五倍的紫外光。紫外激光的輸出功率和光束質量主要取決于非線性晶體的質量。自非線性晶體問世以來，經(jīng)過科研人員的不懈努力，開發(fā)了許多優(yōu)秀的紫外線非線性晶體并投入到紫外激光器的開發(fā)中，其中一些更為常用BBO、LBO、BIBO、CLBO、KBBF。

BBO(偏硼酸鋇，β-BaB2O4)是福建物構首次成功研究，透光率0.19-3.5 μm，相位匹配角大，損傷閾值高，頻率高，但會出現(xiàn)潮解問題，保存條件惡劣。主要用于四、五倍頻產(chǎn)生紫外波段(266 nm、213 nm）；也可用于染料激光器中二、三倍頻率的產(chǎn)生；光學參數(shù)振蕩和光學參數(shù)放大；氬離子倍頻是一種性能優(yōu)異的非線性晶體。

LBO(三硼酸鋰，LiB3O5)也是福建結構開發(fā)的，透光波段比較寬(0).155-3.2 μm），特別是在紫外線波段，透光性好，潮解輕微，對保存環(huán)境要求低，物理化學性能好，損傷閾值高，非線性光學參數(shù)適中，接收角相對較大，分離角較小，分離效應相對不明顯。已廣泛應用于非線性變換中的倍頻、頻等效應。由于其非線性系數(shù)和倍頻效率低，折射率對溫度敏感，在實驗中應特別注意溫度控制。LBO與鈮酸鹽晶體相比，可適用于臨界相位匹配或非臨界相位匹配，LBO激光損傷閾值高，波長調(diào)界相位匹配中波長調(diào)節(jié)寬，允許溫度范圍更大；雖然非線性系數(shù)很大，但允許的溫度范圍很窄，這限制了這些晶體的使用。

BIBO（三硼酸鉍BiB3O6)晶體是對稱性低的雙軸非線性晶體。雖然它在1962年被報道，但直到1999年才被應用于倍頻效應。BIBO晶體的透光波段為0.27-2.6 μm，由于其較寬的透光波段不僅用于10 nm到532 nm也可用于10倍頻 nm與523 nm三倍頻到355 nm和頻效應在非線性頻率變換技術中。BIBO物理化學特性穩(wěn)定，環(huán)境適應性高，不易潮解，光學損傷閾值高，有效非線性系數(shù)大，甚**于鈮酸鋰晶體。在外腔倍頻實驗中，效率一度高達70%，但BIBO晶體的雙折射率差異很大，導致相位匹配角隨波長變化明顯，不僅可以用于倍頻、和頻效應，還可以用于光參量領域。

CLBO (硼酸銫鋰CsLiB6010)是日本大阪大學首次報道合成的新型紫外線非線性晶體。透光波段范圍為0.18-2.75 μm它可以產(chǎn)生四次諧波和常用諧波BBO、LBO與晶體相比，晶體的生長方式簡單，可以生長出大尺寸、高質量的光學晶體。雖然晶體具有優(yōu)異的物理化學性能，但也存在易潮解的問題，對儲存條件要求嚴格，需要密封使用，并在150℃條件下保存。

KBBF（KBe2BO3F2)晶體由福建結構開發(fā)，透光范圍較寬為0.155-3.5 μm經(jīng)實驗驗證，可應用于6倍頻效應產(chǎn)生177.3 nm深紫外激光。

紫外激光器較新研究進展進展

355 nm紫外激光器

雖然端泵在功率密度和光束質量方面具有明顯的優(yōu)勢，但大功率端泵激光器往往需要面對較強的熱效應和再吸收效應，阻礙了端泵激光器功率的進一步發(fā)展。由于泵送的均勻性和熱效應，側泵激光器更容易實現(xiàn)大功率紫外激光輸出。2014年，長春理工大學田明等人使用圖1所示的結構LD側面抽運Nd:YAG腔內(nèi)聲光調(diào)Q結構作為基頻光源，采用I類非臨界相位匹配LBO晶體作為倍頻晶體，頻晶體LBO939.6 W、重復頻率為8 kHz時，獲得15.3 W的準連續(xù)355 nm紫外激光，脈寬為90 ns，光束質量

236 nm紫外激光器

Lo?c Deyra等人使用圖2所示的激光裝置，使用的基頻光平均輸出功率為9.2 W、峰值功率為10.2 kW、重頻為20 kHz、脈寬45 ns主動調(diào)QNd:YAG激光器，選取BIBO、BBO作為倍頻晶體，平均功率為600 mW、脈寬為27 ns、2362%的不穩(wěn)定性.5 nm紫外激光輸出。

紫外激光應用

由于其短波長的特性，紫外激光能被大多數(shù)材料吸收，在激光材料加工中具有獨特的優(yōu)勢。

由于大多數(shù)材料對紫外線激光有很好的吸收，紫外線激光加工產(chǎn)生的熱影響較小，減少了對加工對象的材料損傷。紫外線激光器的波長比可見光波長短，短波長可以實現(xiàn)較小的光斑和線寬，從而更準確地聚焦。因此，紫外線激光器與其他類型的激光器相比，具有獨特的應用和市場。

紫外激光主要用于標記、復合切割、鉆孔、精細加工等領域。

結語

雖然二極管泵送固體激光器越來越成熟，但不可避免地存在許多問題。例如，可用于深紫外波段的倍頻晶體單一，生長尺寸小，轉換效率低。同時，隨著新型增益晶體和倍頻晶體的不斷出現(xiàn)，相信紫外激光的輸出功率越來越高，輸出波段逐漸減少，激光結構簡化，使紫外激光的應用范圍越來越廣。