紫外激光器研究进展及其关键技术

紫外激光器研究进展及其关键技术
黄川 2120160620
摘要：本文详细介绍了利用LD泵浦的紫外激光器产生紫外激光的非线性原理，并在此基础上介绍了在全固态紫外激光器中用到的倍频晶体的种类和各自的应用场景；介绍了近年来高功率固体紫外激光器研制的国内外进展情况，最后展望了高功率全固体紫外激光器研制的未来。

关键词：紫外激光；非线性光学；相位匹配
1、引言
因为紫外激光具有的短波长和高光子的能量特点，所以紫外激光在工业领域内具有非常广泛的应用。

在工业微加工领域内，相较于红外激光的热熔过程，紫外激光加工时的“冷蚀效应”可以使加工的尺寸更小，达到提高加工精度的目的。

另外，紫外激光器在生物技术，医疗设备加工，大气探测等领域也有广泛的应用。

一般而言，可以将紫外激光器划分为三类：固体紫外激光器，气体紫外激光器，半导体紫外激光器。

其中固体紫外激光器应用最为广泛的是激光二极管泵浦全固态激光器。

而利用激光二极管抽运的固体UV激光器相较于其他类型的紫外激光器而言，具有效率高，性能可靠，硬件结构简单的特点，因此应用最为广泛，基于LD抽运的全固态UV激光器也得到了迅猛的发展。

在实际的应用当中，实现紫外连续激光输出的方法一般是利用晶体材料的非线性效应实现变频的方法来产生。

产生全固态紫外激光的方法一般有两种：一是直接对全固体激光器进行3倍频或4倍频来得到紫外激光；另一种方法是先利用倍频技术得到二次谐波，然后再利用和频技术得到紫外激光。

相较于前一种方法，后者利用的是二次非线性极化率，其转换效率要高很多。

最常见的是通过三倍频和四倍频技术产生355nm和266nm的紫外激光。

下文将简单介绍紫外激光产生的非线性原理。

2、非线性频率转换原理
2.1 介质的非线性极化
激光作用在非线性介质上会引起介质的非线性极化，这是激光频率变换的
非线性基础。

在单色的电磁波作用下，介质的内部原子，离子等不会发生本征能级的跃迁，但是这些离子的电荷分布以及运动状态都会发生一些变化，引起
光感应的电偶极矩，这个电偶极矩作为新的辐射源辐射电磁波。

一般来说，我们用介质的电极化矢量P描述介质的极化，在入射光较弱的情况下，P与入射光场E成线性关系：
（2-1）
为真空中的介电常数。

其中，E为电场强度，χ(1)为线性极化系数，ε
如果入射光强很大时，电极化矢量P与电场强度E不再成简单的线性关系，而是呈现出一种非线性关系：
（2-2）上式中，χ(2)，χ(3)分别为为二阶非线性极化率和三级非线性极化率。

非线性极化项的引入会导致广播的频率发生改变。

在这里假设有两书入射光，光波方程如下所示：
当两束光入射到介质上，会引起介质的非线性极化，产生的极化强度为：
由于电场强度具有二次项，因此会引入很多新的频率成分。

从上式可以看出，上述的频率成分中包括倍频，和频，差频等。

因此当不同频率的两束光波入射到非线性介质上时，极化产生的光波中不仅包括基频光，还存在倍频，和频以及差频的成分。

下面简述了光倍频和和频，差频的原理。

2.2 非线性晶体选择
非线性是实现激光非线性频率变换的物质基础，满足实际应用场景的非线性晶体应该具备几个条件：透明波段宽，有效非线性光学习书大，最佳相位匹配角恰当，性能稳定，大的接收角度以及大带宽，生长工艺简单，价格较低。

基于这些条件下，非线性晶体也得到了广泛的研究。

下面介绍几种常用的高功率紫外激光非线性晶体。

2.2.1 LBO晶体
LBO(LiB
3O
5
)晶体是由中科院研制的一种新型非线性光学晶体。

属于正交晶系，
负双轴晶体。

这种晶体具有不易潮解，透明波段范围宽的特点，其光学均匀性高，接受角度宽，离散角小，激光损伤阈值高，可以实现非临界相位匹配，因此被广泛应用于和频和差频等领域。

2.2.2 BBO晶体
BBO（BaB
2O
4
）晶体是中科院研发的一种激光晶体。

该晶体具有大的双折射效
率以及较低的色散，具有较高的激光损伤阈值，相位匹配范围宽，温度稳定性好，接收角较小，而相对的离散角大，因其轻微的潮解特性通常需要镀膜保护。

同样广泛应用于紫外激光倍频，三倍频以及四倍频等。

2.2.3 CLBO晶体
CLBO（CsLiB
6O
10
）晶体是由日本大阪大学研制的一种优良的紫外激光非线性
晶体。

该晶体属四方晶系，负单轴晶体，相对于LBO和BBO晶体而言，CLBO警惕的生长较为容易，但是同样具有易潮解的特点，因此需要长期保存在温度高的干燥环境下或者是密封使用，因此在商业领域中还没有得到应用。

2.2.4 CBO晶体
CBO(CsB
3O
5
)晶体是中科院研制的一种紫外激光非线性晶体。

这种晶体具有激
光损伤高阈值的特点，并且较高的透过率，其非线性光学系数相较于其他类型的晶体而言较大同时离散角较小，满足紫外激光频率变换的基本条件，但是目前还没有在商业领域内广泛投入使用。

2.2.5 KBBF晶体
KBBF（KBe
2BO
3
F
2
）晶体是中科院研制的一种性能优异的非线性晶体，负单轴
晶体。

其紫外透光范围宽，可以输出六倍频深紫外激光，在实现深紫外激光输出的领域中具有非常重要的应用前景、
2.3 非线性频率变换方式
倍频有两种方式：腔内倍频以及腔外倍频。

腔内倍频是顾名思义是晶体置于腔内的倍频方式，腔内倍频的方式相对而言可以获得较高的转换效率。

腔内倍频的方式对非线性晶体具有一定的要求，倍频晶体需要具有好的光学均匀性，较高的透过率以及良好的导热性，同时要求采用适当的方式来进行温控。

另一种倍频方式腔外倍频是将晶体放在谐振腔外进行倍频的方式。

在这种倍频方式中，可以通过调Q来提高倍频转换效率。

当激光脉冲的长度越短，其产生的峰值功率密度越高，因此采用小的光脉冲宽度会提高倍频转换效率。

3、全固态紫外激光器的研究进展
产生全固态紫外激光的方法一般有两种：一是直接对全固体激光器进行3倍频或4倍频来得到紫外激光；另一种方法是先利用倍频技术得到二次谐波，然后再利用和频技术得到紫外激光。

相较于前一种方法，后者利用的是二次非线性极化率，其转换效率要高很多。

而目前市场研发的全固态紫外激光器主要才用的是后一种方式，产生355nm和266nm的激光，下文中将重点介绍这两种紫外激光器的发展现状。

3.1 355nm全固态紫外激光器
2001年，美国Spectra-physics公司采用LD双端面抽运，腔内倍频的方式，采用Nd：YVO
4
双棒串接作为基频源，采样I类和II类相位匹配的LBO作为三倍频以及和频晶体，在104W的功率条件下，获得了功率为12W，脉宽为17-75ns的355nm紫外激光输出。

2005年，中科院理化研究所和物理研究合作研发了一套紫外激光器。

才用的是外腔倍频的方式，利用LBO作为倍频晶体，CBO作为三倍频晶体，其中CBO 晶体才用的是II类相位匹配，通过140W，70ns的基频光波和频，获得了最高输
出位17W的355nm的紫外激光输出，比同尺寸的LBO晶体拥有更好的性能，但是其转换效率略低，约为12% 。

的结构，波长为1064nm 2006年，Coherent公司采用同样端面抽运Nd：YVO
4
的基频激光通过放大后输出，利用I类相位匹配LBO倍频产生532nm的倍频激光，该倍频光经过II类相位匹配LBO和频得到355nm的三倍频光输出。

最后获得了3最高输出功率为36W，脉宽为31ns的355nm激光，并且具有很高的转换效率，达到了44%。

2008 年，日本大阪大学研发了大于100W的最高输出功率的355nm紫外激光输出。

通过利用MOPA结构的Nd：YAG激光器，得到了300W的基频光，。

在此基础上，通过I类相位匹配的LBO背叛，II类相位匹配的CBO和频，最后得到了输出功率为103W，脉宽为58ns的355nm紫外激光输出，其转换效率约为34.9%。

2009年，Coherent公司研发了一款平均功率为160W的355nm的紫外激光输出。

该激光器为内腔倍频结构，腔内还有两组侧面抽运的Nd：YAG双棒串接，同时腔内插入两个Q开关实现调Q。

采用I类非临界相位匹配LBO进行倍频，之后采用II类相位匹配LBO进行和频得到三倍频激光。

在2..7KW抽运下，得到了160W平均功率的355nm紫外激光输出。

2010年，山东大学晶体材料国家重点实验室采用LD端面泵浦YAG晶体并通过声光调Q腔内三倍频获得高功率准连续355nm激光输出。

在泵浦功率180W 时，获得平均功率7.8W的355nm激光输出，其光一光转化效率为4.3%。

同年，清华大学精密仪器系摩擦学国家重点实验室光子与电子技术研究中心柳强、闰兴鹏等报道了平均功率为43 W，脉冲宽度为10.7 ns，峰值功率和单脉冲能量高达67kW和0.716mJ，激光光束质量MZ<1.5的355nmUV激光。

2012年，华北光电技术研究所采用大功率LD端面泵浦Nd:YV04晶体，声光调Q及腔外和频方式获得稳定的355 nm紫外激光。

在泵浦功率为32.3W时，得到15.9 W 1064 nm连续基频激光输出，光一光转化效率49%。

在20 kHz调制频率下，得到1.45W 355 nm紫外激光。

3.2 266nm全固态紫外激光器
2000年，日本三菱公司和大阪大学合作研发了输出功率为20W的266nm的紫外激光器。

该激光器采用532nm激光器作为基频光，在100W输出功率，80ns 脉宽下，通过I类相位匹配CLBO晶体进行倍频得到266nm紫外激光输出。

105.8W
功率的532绿光倍频得到了输出功率为20.5W的266nm的紫外激光输出，其转换效率为19.4%。

2003年，同样是该小组利用同样的结构将输出功率提升到了23W。

2007年，该小组利用CLBO晶体作为倍频晶体，得到了27.9W输出功率的266nm 紫外激光。

2006年，中科院物理研究所研发了输出功率为28.4W的266nm紫外激光输出。

采用功率为120W，脉宽为80ns的532nm绿光激光作为基频光，采用I类相位匹配CLBO晶体倍频，最后得到了输出功率为28.4W的266nm紫外激光输出，转换效率达到了24.7%。

4、总结与展望
随着工业市场对高功率的全固态紫外激光器的性能的需求不断加深，作为其中关键技术部分的新型非线性材料不断涌现，性能也是日新月异，就目前而言，其最高输出功率已经达到了100W的量级，而这个数字同时在不断的刷新。

在输出功率不断提高的同时，带来的一些问题也就亟待解决：非线性光学晶体的抗损伤问题，紫外激光的转换效率，光束质量以及光学晶体的寿命等问题。

想要进一步提高高功率的全固态紫外激光器的性能，这些问题都是未来的研究工作中必须要解决的。

4、参考文献
[1]杜秀兰，吴峰.固体激光器的灯泵浦和二极管泵浦方式比较.应用光学.2004, 25(3) : 37-40
[2]王路威.固体激光器[J].成都大学学报.2002, 21(3): 4043
[3]高兰兰，檀慧明.LD泵浦全固态355nm紫外脉冲激光器.半导体光电.2003, 24 (2):94-96
[4」周城.半导体激光器泵浦266nm紫外固体激光器的实验研究:[硕士学位论文].长春:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2003
[5]李林，李正佳，何艳艳.全固态紫外激光器研究进展.激光杂志.2005,26(6) [6〕王杨，符史干，薛峰等.紫外激光特性参数与医用生物学软组织消融应用.现代测量与实验室管理.2007, 5:5-9
[7]唐娟，廖健宏，蒙红云等.紫外激光器及其在激光加工中的应用.激光与光电子学进展.2007, 44 (8) : 52-56
[8〕俞君，曾智江，朱三根等.紫外激光在微细加工技术中的优势研究.红外.2008, 29 (6):9-13
[9]柳强，闰兴鹏，陈海龙等.高功率全固态紫外激光器研究新进展.中国激光.2010, 37(9): 2289-2298。