全固態紫外激光器研究進展

全固態激光器具有效率高、壽命長、體積小等優點，並且相對其他類型激光器容易得到高功率和高光束質量的激光。這使得全固態激光器開始在科研、國防、醫療、工業等領域廣泛應用。它在相干光檢測、先進位造業、環境監測、材料加工和處理、超高密度存儲、光通信、生物檢測等方面都有重要的應用，所以，全固態紫外激光器成為了國內外光學研究機構研究的重點。

國內外發展現狀

國外發展現狀

20世紀末紫外激光問世以來，科學家利用不同組合的增益介質、激光腔型、抽運方式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用激光二極體抽運增益介質CaF2:U3+，第一次得到了213 nm激光。C.Zimmermann，V.Vuletic等人，採用KN晶體（鈮酸鉀KNbO3晶體），得到了2.1 W的213 nm連續紫外光。M.Oka等人用BBO（偏硼酸鋇）作為倍頻晶體，得到1.5 W的連續激光輸出。

日本東京大學的Y.K.Yap等人使用CLBO（六硼酸鋰銫）晶體，重頻為10 KHz，得到平均功率為10.6 W的紫外脈衝輸出。2000年，日本的TETSUO KOJIMA等人在聲光調Q的Nd:YAG 1064 nm激光器中利用改進後的高質量CLBO晶體獲得了突破性的進展，20 W的266 nm紫外脈衝輸出。

隨著光學元器件加工技術的日益成熟，紫外波段不僅僅只限於355 nm，266 nm和213 nm。2006年，S.Johansson等人使用PPKTP（週期極化KTP）晶體和BBO晶體對被動調Q的準三能級946 nm激光器四倍頻，並獲得了20 mW的236 nm激光。2008年，Ossi Kimmelma等人報道了一種準三能級Nd:YAG主動調Q激光器，可以輸出脈寬為1.9 ns，平均功率為7.6 mW的237 nm激光，到了2014年，Deyra L等人在此基礎上進一步對準三能級Nd:YAG主動調Q激光器進行了優化，得到了600 mW的237 nm激光輸出，這是236 nm紫外波段上波長迄今為止最高的平均功率。

國內發展現狀

20世紀80年代，福建物構所研製出了BBO晶體，同時，浙江大學的尤晨華利用BBO晶體，得到216 nm深紫外激光。20世紀90年代末，LD抽運技術發展十分迅速，紫外激光技術也取得了新的發展。1999年，陳國華等人選用Nd:YVO4作為增益介質，用KTP、BBO作為倍頻晶體，在國內首次得到266 nm的紫外輸出。

在這之後中科院西安光機所和長春光機所的譚成橋等人都對266 nm波段紫外激光進行了研究。2007年，中科院物理所首先做出了第一個瓦級266 nm激光器，其採用重複頻率為20 kHz的聲光調Q、端面抽運Nd:YV04激光器，產生1064 nm基頻光，平均功率為8 W，再用KTP晶體進行腔內倍頻，得到5 W的532 nm綠光，最後用CLBO晶體進行腔外倍頻，產生平均功率為1.3 W、脈寬為11 ns的266 nm激光。

2009年，西北大學光電子技術研究所李修採用重頻為11.2 kHz主動調Q的1064 nm Nd:YAG激光器，通過兩次倍頻轉換，獲得了功率為7.1 W的266 nm激光輸出。2009年，Q.Liu等人採用了重複頻率高達100 kHz被動調Q的1064 nm Nd:YAG激光器，通過兩次倍頻的方式得到14.8 W的266 nm激光輸出，當進一步將重複頻率提高到150 kHz時，得到11.5 W的266 nm激光。

激光關鍵技術

增益介質

從第一臺紅寶石激光器誕生到現在，已經研究出各種類型的增益介質，在全固態激光器中能夠選擇的增益介質卻不多。最常用的增益介質為Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdV04，其中Nd:YAG、Nd:YV04使用頻率最高。三種增益介質產生激光的原理大致相同，它們的主要區別在於材料的理化性質上。表1列出了三種增益介質的比較。

表 1三種增益介質物理特性

對於Nd:YAG晶體來說，晶體本身的發射截面較小，但它有相對較高的熒光壽命和熱導率，所以對激光系統的散熱技術的要求不高，適合在高功率激光器和脈衝激光器中使用。其次，它的基質YAG（釔鋁石榴石Y3Al5O12）晶體機械強度高、導熱性好，激光波長範圍內晶體透過率高。採用提拉法就可以生長出大尺寸高質量的優質晶體。所以，Nd:YAG激光器具有效率高、性能可靠、易小型化、光束質量好和功率穩定性高等優點使得其成為目前激光二極體抽運全固態激光器首選的激光增益介質。

對於Nd:YV04來說，它具有發射截面大、吸收帶寬高，輸出光為偏振光等優點，但是，Nd:YVO4的缺點也有很多。首先，由於晶體本身的物理性質的侷限，無法獲得高質量的大尺寸晶體，並且它的機械性能、均勻性都很差，所以只能製造出小尺寸的激光棒，制約了Nd:YV04晶體在激光器中的應用。其次，由於晶體的熱導率偏低，熱效應明顯，促使激光器對熱處理能力的要求變的更加嚴格，一定程度上加大了實驗設備研製的難度，因此，Nd:YV04晶體比較適合用於薄片激光器和小功率激光器上。

對於Nd:GdV04來說，GdV04是一種與YVO4是同種結構的基質晶體材料。Nd:GdV04和Nd:YVO4有基本相似的激光性能，其吸收峯半高全寬略寬於Nd:YAG，其吸收截面是Nd:YVO4的兩倍，是Nd:YAG七倍多。Nd:GdV04受激發射截面是三種晶體中最大的，並且其熱導率也很優秀，這種晶體可以實現高濃度摻雜並且很容易生長出大尺寸、高質量、光學性能均勻的優質晶體。這些優點讓Nd:GdV04或許可以在未來成為全固態固體激光器的首選增益介質。特別是準三能級系統，大熱導率讓晶體內部溫度梯度較小，熱透鏡不明顯，晶體的絕對溫度低，因此晶體內下能級粒子的再吸收損耗進一步減少。

非線性倍頻晶體

在全固態紫外激光器中，非線性頻率變換晶體是最重要的組成結構之一，在非線性晶體本身的理化性能基礎上，通過非線性頻率轉換技術對激光器基頻光進行四倍頻或五倍頻就可以獲得紫外光。在紫外激光器設計中，紫外激光的輸出功率的和光束質量主要依賴於非線性晶體的好壞。自從非線性晶體問世以來，經過科研人員不懈的努力，有許多優秀的紫外非線性晶體被研製出來並投入到紫外激光器的研製中，其中比較常用的有BBO、LBO、BIBO、CLBO、KBBF。

BBO(偏硼酸鋇、β-BaB2O4)是由福建物構所首次研究成功，透光範圍0.19-3.5 μm，有較大的相位匹配角、高損傷閾值、高倍頻效率，但是會有潮解的問題，保存條件苛刻。其主要應用於四、五倍頻產生紫外波段（266 nm、213 nm）；也可用於染料激光器中二、三倍頻的產生；光學參量振蕩和光學參量放大；氬離子的倍頻等，是一種性能優良的非線性晶體。

LBO（三硼酸鋰、LiB3O5）同樣是由福建物構所研製，它具有相對較寬的透光波段（0.155-3.2 μm），尤其是在紫外波段，具有良好的透光性，輕微潮解，對保存環境要求不高，有較好的物理化學性質，損傷閾值高，非線性光學參數適中，接收角相對較大，走離角小，所以走離效應相對不明顯。現已經廣泛應用於非線性變換中的倍頻、和頻等效應中。由於其非線性係數和倍頻效率較低，折射率對溫度比較敏感，在實驗中尤其需要注意溫控。LBO可以適用於臨界相位匹配，也可以適用於非臨界相位匹配，與鈮酸鹽晶體相比較，LBO的激光損傷閾值高，在非臨界相位匹配中波長調節寬，允許更大的溫度範圍；鈮酸鹽類晶體雖然非線性係數很大，但允許匹配的溫度範圍很窄，這限制了這類晶體的使用。

BIBO（三硼酸鉍BiB3O6）晶體是一種對稱性低的雙軸非線性晶體，雖然其在1962年就已經被報道出來，但是直到1999年才開始應用於倍頻效應中。BIBO晶體的透光波段為0.27-2.6 μm，由於其較寬的透光波段不僅僅用於1064 nm到532 nm的倍頻中，也可以用於1064 nm與523 nm三倍頻到355 nm的效應中，及非線性頻率變換技術中的和頻效應。BIBO物理化學特性穩定，其環境適應能力高不輕易潮解、光學損傷閾值高，並且其有效非線性係數非常大，甚至高於鈮酸鋰類晶體，在外腔倍頻實驗中效率一度高達70%，但是BIBO晶體的雙折射率相差很大，這就導致相位匹配角隨波長變化明顯，因此不僅僅可以用於倍頻、和頻等效應中，也可以用於光參量領域中。

CLBO (硼酸銫鋰CsLiB6010)是由日本的大阪大學首先報導合成的一種性能優良的新型紫外非線性晶體。透光波段範圍在0.18-2.75 μm之間，可以實現四次諧波的產生，與常用的BBO、LBO等晶體相比，該晶體生長方式簡單，可以長出大尺寸、高質量的光學晶體，雖然該晶體的物理化學性能比較優秀，但也存在易潮解的問題，對保存條件要求苛刻需要密封使用並且在150℃條件下保存。

KBBF（KBe2BO3F2）晶體是由福建物構所研製，其透光範圍最寬在0.155-3.5 μm之間，經過實驗驗證，它可以應用在六倍頻效應產生177.3 nm的深紫外激光。

紫外激光器最新研究進展

355 nm紫外激光器

雖然端泵在功率密度、光束質量等方面優勢明顯，但大功率端泵激光器往往需要面對很強的熱效應和再吸收效應，這就阻礙了端泵激光器功率的進一步發展。而側泵激光器由於抽運的均勻性、熱效應都能得到很好的控制，更加容易實現大功率紫外激光輸出。2014年長春理工大學田明等人採用圖1所示結構，利用LD側面抽運Nd:YAG腔內聲光調Q結構作為基頻光源，採用一塊I類非臨界相位匹配的LBO晶體作為倍頻晶體，兩塊相同的LBO晶體作為和頻晶體，在注入功率為939.6 W、重複頻率為8 kHz時，獲得15.3 W的準連續355 nm紫外激光，脈寬為90 ns，光束質量

分別為4.23和4.56。激光輸出特性見下圖。

圖1 15.3 W 準連續355 nm激光器光路圖及輸出特性

236 nm紫外激光器

Lo?c Deyra等人採用圖2所示的激光裝置，使用的基頻光是一臺平均輸出功率為9.2 W、峯值功率為10.2 kW、重頻為20 kHz、脈寬45 ns的主動調Q的Nd:YAG激光器，選取BIBO、BBO作為倍頻晶體得到平均功率為600 mW、脈寬為27 ns、不穩定度在2%的236.5 nm紫外激光輸出。