1 引言

紫外激光因其波长短、单光子能量高、热效应低等优点,在光谱分析、光存储、微细制造中具有独特优势,受到了研究者的广泛关注。

与长波长的激光器相比,紫外激光器的输出光束产生的热效应区小,可以将碳化及其他热应力的影响降至最低。紫外激光在玻璃、树脂和铜这3种材料中都有很高的吸收率,这使其成为工业领域中各种印制电路板(PCB)材料加工的最佳选择,适用于电路板生产、电路布线等基本工艺,以及生产袖珍型嵌入式芯片等高级工艺^[1-2]。244 nm深紫外激光可用于双光子吸收法研究氢原子和氘原子的1S→2S跃迁光谱结构,钠原子的塞曼超精细分裂光谱结构,及斯塔克分裂和位移等光谱结构^[3],还可用于原子冷却、离子定量分析和拉曼光谱分析等领域^[4]。

在全固态激光出现之前,244 nm连续激光通常用昂贵的488 nm氩离子激光器进行腔内倍频实现,且效率很低。直到2003年才陆续出现以光泵半导体倍频的方式替代氩离子的激光器^[5]。2008年,Kaneda等^[6]利用光泵半导体腔内倍频产生488 nm激光,再次倍频实现大于200 mW的连续244 nm激光输出。2017—2018年,Burkley等^[7-8]利用掺钇光纤激光四倍频的方式产生243.1 nm的紫外激光,首先利用掺钇光纤放大产生972.5 nm基频光,再用三硼酸锂(LBO)晶体产生486.3 nm的倍频光,最后用硼酸铯锂(CLBO)晶体获得连续的1.4 W,243.1 nm四倍频紫外激光输出。这是目前报道中在此波段连续输出功率最高的激光器,尚未见244 nm脉冲激光器的报道。

本文利用声光Q开关分别调节掺钕钒酸钇(Nd∶YVO₄)晶体的914 nm激射光和掺钕氟化钇锂(Nd∶YLF)晶体的1047 nm激射光的腔内损耗,即调Q技术。LBO晶体对两个激射光和频后实现488 nm脉冲输出,再通过偏硼酸钡(BBO)晶体倍频获得平均功率为28 mW的244 nm深紫外脉冲激光输出。

2 实验装置与结果

为获得488 nm的和频光,增益介质选择Nd∶YVO₄晶体和Nd∶YLF晶体,对应的基频光波长为914 nm和1047 nm。

Nd∶YVO₄晶体中的 Nd³⁺离子主要有3条激光跃迁谱线,分别为914、1064、1342 nm,其中914 nm谱线对应⁴F_3/2→⁴I_9/2 能级的跃迁,激光下能级是基态分裂的子能级,具有相当数量的粒子存在,所以该谱线为准三能级系统,这会导致914 nm谱线的阈值很高。同时,由于914 nm谱线的发射截面是1064 nm谱线发射截面的1/9,谱线竞争非常激烈。为获得914 nm激光振荡,需从谐振腔的腔镜膜系设计的角度考虑,增加1064 nm谱线的损耗,抑制其振荡^[9-10]。

Nd∶YLF晶体根据不同的偏振吸收,可以获得不同波长的激光振荡^[11]。π偏振吸收可以获得1047 nm和1321 nm的谱线,σ偏振吸收对应1053 nm和1313 nm的谱线。1321 nm和1313 nm的增益很弱,通常的镜片镀膜损耗可以不予考虑。为获得需要的1047 nm激光,晶体选用a轴切割方式。由于Nd∶YLF晶体的应力裂纹极限小,且抽运功率又比较高,分别对钕离子掺杂浓度为0.5%,0.8%,1%(原子数分数)的晶体进行实验,在保证激光角度稳定的前提下折中考虑效率,最终选取掺杂浓度为0.5%,尺寸为3 mm×3 mm×10 mm的晶体。

激光器谐振腔采用复合腔型,两个子腔采用V型折叠腔。实验装置如图1所示,两抽运源LD1和LD2输出波长均为808 nm,使用光纤耦合输出,光纤芯径为400 μm。耦合镜组1(coupler1)和耦合镜组2(coupler2)分别将两个LD输出的抽运光聚焦到晶体中。Nd∶YVO₄晶体(C1)的长度为7 mm,Nd³⁺掺杂浓度为0.3%,靠近抽运源的一端镀914 nm高反膜(HR)和808 nm,1064 nm抗反膜(AR),在1064 nm透射率大于99.5%,可以完全抑制1064 nm的模式竞争,保证914 nm激光的增益;C1的另一端镀914 nm的抗反膜。Nd∶YLF晶体(C2)靠近抽运源的一端镀808 nm的抗反膜和1047 nm的高反膜;C2另一端镀1047 nm的抗反膜。LBO(C3)非线性晶体采用Ⅰ类相位匹配,切割角度θ=90°,φ=27.1°,其θ为波矢方向与光轴方向的夹角,φ为波矢量在XOY面上的投影与X轴的夹角。M1为45°平面合束镜,对914 nm和1047 nm进行合束;M2、M3分别为曲率半径为100 mm的凹面镜和平面镜;C1全反面与M1、M2、M3构成914 nm基频光谐振腔;C2全反面与M2、M3构成1047 nm基频光谐振腔。声光Q开关Q1和Q2分别对914 nm和1047 nm谐振腔起调Q作用,以实现高频激光脉冲振荡,实验中调制信号的重复频率设置为4 kHz。LBO晶体置于距离M3 2 mm处,进而保证488 nm蓝光激光转换效率。凸透镜F的

图 1. 实验装置图

Fig. 1. Experimental setup

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焦距为20 mm,焦点处放置BBO晶体(C4),切割角度θ=54.5°,对488 nm激光进行倍频,最终实现244 nm深紫外激光输出。C1、C2、LBO、BBO放置于紫铜卡具中,由半导体制冷器(TEC)分别控制温度。

除上所述器件的位置关系外,还需要注意Nd∶YVO₄晶体和Nd∶YLF晶体都具有偏振特性,LBO和频晶体采用Ⅰ类相位匹配,要求两个基频光进入晶体的偏振方向一致。两增益介质掺杂离子的上能级寿命不同,且声光Q开关的上升沿和下降沿时间不同,导致两个基频光达到脉冲峰值的时间不同,而只有当两个脉冲在时间上重合时,才能实现基频光向和频光的高效率转换。实验中调节两个脉冲之间的延时使之完全重合。

图 2. 紫外输出激光光谱

Fig. 2. Ultra-violet output spectrum

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为了得到488 nm激光输出功率的最优结果,实验中分别使用长度为5、10、15 mm的3种LBO作为和频晶体。当LD1的输出功率为26 W,LD2的功率为18 W时,3种长度的LBO晶体获得的平均功率分别为232、527、554 mW,但光束质量变差。为兼顾转换效率和光束质量,选择10 mm长的LBO晶体,经相机式光束轮廓分析仪测量的488 nm激光输出光斑近似圆形,直径为2.5 mm,发散角为3.3 mrad,椭圆度为0.90,并测得脉冲重复频率为4 kHz,脉冲宽度为23.6 ns。经长度为8 mm的BBO晶体倍频后,得到244 nm紫外激光光谱,如图2所示,中心波长为244.32 nm。244 nm激光的输出功率随着488 nm激光平均功率的增加呈递增趋势,变化关系如图3所示。获得紫外激光最高输出功率为28 mW,脉冲宽度为17.8 ns,如图4所示。紫外激光的脉冲宽度较488 nm蓝光的脉宽窄是由于脉冲刚开始和将结束时488 nm激光的功率密度低,不足以使BBO晶体产生倍频的紫外激光。244 nm激光输出光斑为椭圆形,大小为2.2 mm×6.9 mm,如图5所示。

图 3. 紫外激光相对于蓝光激光的输出功率

Fig. 3. Output power of ultra-violet laser versus blue laser

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图 4. 紫外激光脉冲宽度

Fig. 4. Pulse width of ultra-violet laser

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图 5. 紫外激光光斑

Fig. 5. Spot of ultra-violet laser

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实验中蓝光向紫外光的倍频转换效率为5.3%,制约其效率的因素主要是BBO晶体的走离角大,产生相位失配;BBO晶体的允许角小,蓝光的光束质量对其影响较大;腔外倍频方式中基频光的功率密度较腔内倍频的方式低。此外倍频转换效率还与蓝光的脉冲宽度、聚焦透镜的焦距等有关。

3 结论

报道了全固态脉冲运转244 nm深紫外激光器。对Nd∶YVO₄和Nd∶YLF两种增益介质的光谱特性进行分析,分别选择两增益介质的914 nm和1047 nm谱线作为基频光;采用Ⅰ类位相匹配LBO晶体对脉冲运转的基频光进行腔内和频,实现488 nm脉冲蓝光激光,再利用BBO晶体腔外倍频方式获得244 nm深紫外脉冲激光输出;测量了紫外激光的光谱、输出功率与输入功率变化曲线、脉冲宽度等参数;对实验结果及影响因素进行了分析。