全固態(tài)紫外激光器研究進(jìn)展

時(shí)間：2022-02-12作者：深圳市圳為自動(dòng)化設(shè)備有限公司瀏覽：598

全固態(tài)激光器具有效率高、壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，與其他類型的激光器相比，容易獲得高功率、高光束質(zhì)量的激光器。這使得全固態(tài)激光器廣泛應(yīng)用于科研、*、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域。它在相關(guān)光檢測(cè)、**制造業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、材料加工處理、**高密度存儲(chǔ)、光通信、生物檢測(cè)等方面得到了重要應(yīng)用。因此，全固態(tài)紫外激光器已成為國(guó)內(nèi)外光學(xué)研究機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀(jì)末紫外激光問世以來，科學(xué)家們利用不同組合的增益介質(zhì)、激光腔類型和抽樣方法對(duì)紫外激光進(jìn)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(zhì)CaF2:U3 ，**次得到了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(xué)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TETSUO KOJIMA等人聲光調(diào)Q的Nd:YAG 10 ** nm改進(jìn)后的高質(zhì)量激光器CLBO晶體**突破性進(jìn)展，20 W的266 nm紫外脈沖輸出。

隨著光學(xué)元件加工技術(shù)的日益成熟，紫外波段不**于355 nm，266 nm和213 nm。2006年，S.Johansson等人使用PPKTP（周期較化KTP）晶體和BBO晶體對(duì)被動(dòng)調(diào)節(jié)Q準(zhǔn)三能級(jí)946 nm激光器四倍頻，獲得20 mW的236 nm激光。2008年，Ossi Kimmel ** 等人報(bào)道了準(zhǔn)三能級(jí)Nd:YAG主動(dòng)調(diào)Q激光器的輸出脈寬為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(chǔ)上，等人將進(jìn)一步瞄準(zhǔn)三級(jí)Nd:YAG主動(dòng)調(diào)Q優(yōu)化激光器，獲得600 mW的237 nm這是236 nm到目前為止，紫外波段波長(zhǎng)的平均功率較高。

國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

福建物構(gòu)于20世紀(jì)80年代開發(fā)BBO同時(shí)，浙江大學(xué)尤晨華利用晶體BBO晶體，得到216 nm深紫外激光。20世紀(jì)90年代末，LD抽運(yùn)技術(shù)發(fā)展迅速，紫外激光技術(shù)也**了新的發(fā)展。1999年，陳國(guó)華等人被選中Nd:YVO用作增益介質(zhì)KTP、BBO作為倍頻晶體，在中國(guó)**獲得266 nm紫外輸出。

此后，中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所、長(zhǎng)春光機(jī)所 譚成橋等人對(duì)266 nm研究了波段紫外激光。2007年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所**制作了**個(gè)瓦級(jí)266 nm激光器的重復(fù)頻率為20 kHz的聲光調(diào)Q、端面抽運(yùn)Nd:YV04激光器產(chǎn)生10 ** nm平均功率為8 W，再用KTP晶體進(jìn)行腔內(nèi)倍頻，得到5 W的532 nm綠光，最后用CLBO晶體進(jìn)行腔外倍頻，產(chǎn)生平均功率為1.3 W、脈寬為11 ns的266 nm激光。

2009年，西北大學(xué)光電子技術(shù)研究所李秀采用重頻11.2 kHz主動(dòng)調(diào)Q的10 ** nm Nd:YAG通過兩次倍頻轉(zhuǎn)換，激光器獲得了7個(gè)功率.1 W的266 nm激光輸出。Q.Liu等人采用了重復(fù)頻率高達(dá)100 kHz被動(dòng)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(dāng)重復(fù)頻率進(jìn)一步提高到150 時(shí)kHz時(shí)，得到11.5 W的266 nm激光。

關(guān)鍵激光技術(shù)

增益介質(zhì)

自從**個(gè)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(zhì)，但在全固態(tài)激光器中可以選擇的增益介質(zhì)并不多。較常用的增益介質(zhì)是Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdV04，其中Nd:YAG、Nd:YV04使用頻率較高。三種增益介質(zhì)產(chǎn)生激光的原理大致相同，其主要區(qū)別在于材料的理化性質(zhì)。表1列出了三種增益介質(zhì)的比較。

表 13種增益介質(zhì)的物理特性







對(duì)于Nd:YAG就晶體而言，晶體本身的**截面較小，但熒光壽命和導(dǎo)熱性相對(duì)較高，因此對(duì)激光系統(tǒng)的散熱技術(shù)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(zhì)YAG(易鋁石榴石Y3Al5O12)晶體機(jī)械強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性好，激光波長(zhǎng)范圍內(nèi)晶體透射率高。大尺寸、高質(zhì)量的高質(zhì)量晶體可以通過提拉生長(zhǎng)。Nd:YAG激光器具有效率高、性能可靠、小型化方便、光束質(zhì)量好、功率穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，成為激光二極管泵送全固態(tài)激光器的可以選擇激光增益介質(zhì)。

對(duì)于Nd:YV但04具有**截面大、吸收帶寬高、輸出光偏振光等優(yōu)點(diǎn)，Nd:YVO4.還有許多缺點(diǎn)。首先，由于晶體本身的物理性質(zhì)有限，無(wú)法獲得高質(zhì)量的大型晶體，其機(jī)械性能和均勻性很差，只能制造小型激光棒，限制Nd:YV04晶體在激光器中的應(yīng)用。其次，由于晶體導(dǎo)熱性低，熱效應(yīng)明顯，激光對(duì)熱處理能力的要求較加嚴(yán)格，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的開發(fā)難度在一定程度上增加。Nd:YV04晶體較適合薄片激光器和小功率激光器。

對(duì)于Nd:GdV04來說，GdV04是一種與YVO4是同種結(jié)構(gòu)的基質(zhì)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**截面是三種晶體中較大的，其導(dǎo)熱性也很好。該晶體能實(shí)現(xiàn)高濃度混合，易于生長(zhǎng)大尺寸、高質(zhì)量、均勻光學(xué)性能的優(yōu)質(zhì)晶體。這些優(yōu)點(diǎn)使Nd:GdV04可能成為未來全固態(tài)固體激光器的可以選擇增益介質(zhì)。特別是對(duì)于準(zhǔn)三能系統(tǒng)，導(dǎo)熱，使晶體內(nèi)部溫度梯度小，熱透鏡不明顯，晶體**溫度低，進(jìn)一步減少晶體內(nèi)下能顆粒的再吸收損失。

非線性倍頻晶體

在全固態(tài)紫外線激光器中，非線性頻率變換晶體是較重要的組成結(jié)構(gòu)之一。在非線性晶體本身的理化性能的基礎(chǔ)上，通過非線性頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)可以獲得四倍或五倍的激光基頻光。在紫外線激光器的設(shè)計(jì)中，紫外線激光器的輸出功率和光束質(zhì)量主要取決于非線性晶體的質(zhì)量。自非線性晶體出現(xiàn)以來，經(jīng)過研究人員的不懈努力，開發(fā)了許多優(yōu)秀的紫外線非線性晶體，并投入到紫外線激光器的開發(fā)中，其中較常用BBO、LBO、BIBO、CLBO、KBBF。

BBO(偏硼酸鋇，β-BaB2O4)是福建物構(gòu)**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(huì)出現(xiàn)潮解問題，保存條件惡劣。主要用于紫外線波段(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(xué)參數(shù)振蕩和光學(xué)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(jié)構(gòu)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，具有良好的透光輕微，對(duì)保存環(huán)境要求低，物理化學(xué)性能好，損傷閾值高，非線性光學(xué)參數(shù)適中，接收角相對(duì)較大，分離角較小，分離效應(yīng)相對(duì)不明顯。它已廣泛應(yīng)用于非線性變換中的倍頻和頻率效應(yīng)。由于其非線性系數(shù)和倍頻效率低，折射率對(duì)溫度敏感，因此在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)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(zhǎng)調(diào)界相位匹配中波長(zhǎng)調(diào)節(jié)寬，允許溫度范圍較大；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(duì)稱性低的雙軸非線性晶體。雖然它在1962年被報(bào)道，但直到1999年才被應(yīng)用于倍頻效應(yīng)。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(yīng)在非線性頻率變換技術(shù)中。BIBO物理化學(xué)特性穩(wěn)定，環(huán)境適應(yīng)性高，不易潮解，光學(xué)損傷閾值高，有效非線性系數(shù)非常大，甚**于鈮酸鋰晶體，在外腔倍頻試驗(yàn)中效率一度高達(dá)70%，但是BIBO晶體的雙折射率差異很大，導(dǎo)致相位匹配角隨波長(zhǎng)變化明顯，不僅可以用于倍頻、和頻效應(yīng)，還可以用于光參量領(lǐng)域。

CLBO (硼酸鍶鋰CsLiB6010)是日本大阪大學(xué)**報(bào)道合成的新型紫外線非線性晶體。透光波段在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(zhǎng)方式簡(jiǎn)單，可以生長(zhǎng)出大尺寸、高質(zhì)量的光學(xué)晶體。雖然晶體具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，但也存在易潮解的問題，對(duì)儲(chǔ)存條件要求嚴(yán)格，需要密封使用，并在150℃條件下保存。

KBBF（KBe2BO3F2）晶體是由福建物構(gòu)所研制，其透光范圍較寬在0.155-3.5 μm經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可應(yīng)用于6倍頻效應(yīng)產(chǎn)生177.3 nm深紫外激光。

紫外激光器較新研究進(jìn)展進(jìn)展

355 nm紫外激光器

雖然端泵在功率密度和光束質(zhì)量方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但大功率端泵激光器往往需要面對(duì)較強(qiáng)的熱效應(yīng)和再吸收效應(yīng)，阻礙了端泵激光器功率的進(jìn)一步發(fā)展。由于泵送的均勻性和熱效應(yīng)，側(cè)泵激光器較容易實(shí)現(xiàn)大功率紫外激光輸出。2014年，長(zhǎng)春理工大學(xué)田明等人使用圖1所示的結(jié)構(gòu)LD側(cè)面抽運(yùn)Nd:YAG腔內(nèi)聲光調(diào)Q基頻光源采用結(jié)構(gòu)I類非臨界相位匹配LBO晶體作為倍頻晶體，頻晶體LBO939.6 W、8 重復(fù)頻率kHz時(shí)，獲得15.3 W的準(zhǔn)連續(xù)355 nm紫外激光，脈寬90 ns，光束質(zhì)量







分別為4.23和4.56.激光輸出特性見下圖。













圖1 15.3 W 準(zhǔn)連續(xù)355 nm激光器光路圖及輸出特性

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的主動(dòng)調(diào)Q的Nd:YAG激光，選擇BIBO、BBO作為倍頻晶體，平均功率為600 mW、脈寬為27 ns、不穩(wěn)定度在2%的236.5 nm紫外激光輸出。







圖2236 nm激光光路圖

紫外激光應(yīng)用

由于其短波長(zhǎng)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*特的優(yōu)勢(shì)。

由于大多數(shù)材料對(duì)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(duì)加工對(duì)象的材料損傷。紫外線激光器的波長(zhǎng)比可見光波長(zhǎng)短，短波長(zhǎng)可以實(shí)現(xiàn)較小的光斑和線寬，從而較準(zhǔn)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*特的應(yīng)用和市場(chǎng)。

紫外激光主要用于標(biāo)記、復(fù)合切割、鉆孔、精細(xì)加工等領(lǐng)域。

結(jié)語(yǔ)

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(zhǎng)尺寸小，轉(zhuǎn)換效率低。同時(shí)，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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，使紫外激光的應(yīng)用范圍越來越廣。








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