蓝光二极管双端抽运Pr:YLF晶体320 nm紫外激光器(特邀) 下载: 507次
0 引 言
紫外波段的激光拥有波长短、更好的聚焦效果、高单光子能量等特点,在工业加工、科学研究、**及医疗等领域被广泛应用[1]。用紫外激光对体硅进行加工可以减少对环境的污染,减少繁琐的步骤[2]。激光器因工作物质的不同分为固体激光器、气体激光器和半导体激光器。紫外激光器也同样分为这三种。固体激光器的转换效率一般较低,而使用激光二极管作为抽运源的全固态激光器具有效率更高等特点。
一般产生紫外激光的常规方法是先利用倍频效应,然后再利用和频效应,最后得到紫外激光。但是这种获得紫外激光的方式需要进行两次频率变换的过程,最终会导致转换效率很低。
很多三价稀土离子都具有可见的辐射跃迁,其中三价镨离子(Pr3+)是实现高效可见激光最成功的稀土离子之一。由于Pr3+具有能直接通过下转换的方式输出可见光的特性,受到了科研人员的广泛关注[3-4],它在可见光谱范围内(包括720、695、640、605、522、490 nm)存在多条跃迁。Pr3+的发现使只利用一次频率转换进而实现输出紫外激光有了可能性。其中,Pr:YLF晶体被认为是最有前途的一种晶体,具有能级寿命较长、受激发射截面较大、生长工艺较成熟等优势[5]。近年来,国内相继报道了几种获得紫外激光的方法[6-9]。
2004年,A.Richer和E.Humann等采用氮化镓激光二极管泵浦Pr:YLF晶体[10],成功输出了640 nm的红色激光,斜效率达24%。2006年,Richer等[11]使用光泵半导体激光器作为泵浦源,并且使用折叠腔的结构对Pr:YLF晶体进行抽运,将三硼酸锂(LBO)晶体作为倍频晶体进行倍频,获得了功率为19 mW的320 nm连续紫外激光。2007年,Richter等又使用更高功率的光泵半导体作为抽运源,使用LBO晶体作为倍频晶体,输出了320 nm紫外激光,其最高输出功率为364 mW,光光转换效率达22%。2019年,Naoto Sugiyama等[12]使用锁模Pr:YLF振荡器成功输出5.9 µJ 320 nm激光。国内对320 nm紫外激光的研究较少,文中将四个蓝光激光二极管作为抽运源,采用合光双端抽运的方式抽运Pr:YLF晶体,再用LBO晶体实现腔内倍频,最后得到了1005 mW的320 nm连续紫外激光。
1 实验设计及装置
640 nm作为三价镨离子(Pr3+)在可见光波段的辐射跃迁之一,对640 nm激光进行频率转换就可以输出320 nm激光。如图1所示,Pr:YLF晶体在蓝光波段存在着三个比较大的吸收谱,但是单管蓝光激光二极管存在功率不高的劣势,而且不同偏振方向的抽运光注入Pr:YLF晶体的吸收效率不同。其中,π偏振方向的抽运光注入Pr:YLF晶体的吸收效率最高。π偏振方向和δ偏振方向抽运光注入Pr:YLF晶体的吸收对比如图2所示。所以使用多个蓝光激光二极管进行抽运Pr:YLF晶体。为了提高晶体对抽运光的吸收效率,采用自由空间合束的方式进行合光,这种合光的方式可以保留抽运光的偏振特性。同时,为了让Pr:YLF晶体对抽运光尽可能多的吸收,将激光二极管的固定方向调整为π偏振方向固定。同侧的两个LD使用透镜进行准直,透镜的焦距为4.2 mm,再用两个柱面镜将慢轴的光进行整形,使整形后的抽运光具有更好的对称性,最后使用45°合光片将两束抽运光整合为一条光路,将对444 nm高透射、对469 nm高反射的膜镀在合光片的表面。经过合束后的光再经过柱面镜组整形,整形后的光斑尺寸约为4.3 mm×3.2 mm,谐振腔两侧分别使用120、150 mm焦距的平凸透镜对抽运光进行聚焦。
实验的谐振腔结构采用V型折叠腔,如图3所示。
采用尺寸为Ø5×12 mm、0.3%掺杂浓度的Pr:YLF晶体作为激光晶体,将对444~469 nm抽运光和640 nm基频光高透射的膜镀在激光工作物质表面。将切割角度分别为θ=90°和ψ=53.4°的10 mm长的LBO晶体作为倍频晶体,并在两个端面镀有对640、320 nm增透的膜。使用半导体制冷器(TEC)来精确控制激光工作物质和倍频晶体的温度。
由于V型折叠腔结构对谐振腔内光斑的调整更方便,同时又可以兼顾倍频晶体处的基频光光斑直径,进而提高倍频效率。腔镜M1为曲率半径为50 mm的凹面镜,并镀有对640 nm高反射、对444~469 nm抽运光增透的膜。腔镜M2为曲率半径为100 mm的凹面镜,并镀有对640、320 nm高反射的膜。腔镜M3为曲率半径为50 mm的凹面镜,并镀有对640、320 nm高反射、对444~469 nm抽运光增透的膜。在LBO与腔镜M3之间插入平面镜M4,M4两个表面镀640 nm增透膜,朝向LBO方向镀320 nm高反膜。谐振腔臂长L1=145 mm,L2=133 mm,Pr:YLF晶体距腔镜M1的距离为20 mm,LBO晶体距腔镜M3的距离为77 mm。如图4所示,使用Matlab软件模拟谐振腔内光斑尺寸,得到激光晶体处光腰直径ω1约为71 µm,倍频晶体处光腰直径ω2约为48 µm。
2 实验结果及分析
当注入抽运功率为5700 mW时,测试得到经焦距为120 mm的聚焦镜后对444、469 nm抽运光的吸收效率分别约为93%、83%,经焦距为150 mm聚焦镜后对444、469 nm抽运光的吸收效率分别约为95%、85%。
按照所设计的腔型搭建实验光路,仔细调节LD准直透镜、柱面整形镜组的相对位置,使LD泵浦光具有更好的对称性。使用TEC对抽运源的温度进行精确控制,让抽运源的发射波长更好地吻合晶体的吸收峰。仔细调节腔长与晶体制冷温度,使激光器达到最佳状态。
使用光谱仪测试得到319.706 nm为谱线中心波长,如图5所示。
使用型号为PS19Q的Coherent功率计测试功率,连续测量2 h,获得了最大功率为1005 mW的320 nm紫外激光,光光转换效率约为17.6%,得到该激光器2 h的功率稳定性为2.37%,平均功率为962.9 mW,测试结束时功率为995 mW,测试结果如图6所示。
使用轮廓分析仪测得激光光斑如图7所示。
使用Thorlabs的光束质量因子(M2)测量系统测量该激光器的M2,测量结果显示为M2 X:1.20,M2 Y:1.02,如图8所示。
3 结 论
采用444 nm和469 nm不同波长的蓝光LD合光双端泵浦的方式抽运Pr:YLF晶体,并进行腔内倍频输出320 nm紫外激光。通过对LD光束的整形和对腔长的优化,当5700 mW的抽运功率注入激光晶体时,获得了320 nm紫外激光输出,其最大输出功率为1005 mW,光光转换效率约为17.6%,连续测量2 h后,得到输出320 nm紫外光的功率稳定性为2.37%,该项成果已实现产业化。
[2] Luo G X, Jing C, Wang Y T. UV picosecond laser direct etching on bulk silicon[J]. Applied Physics, 2019, 39(6): 1002-1005.
[12] Naoto Sugiyama, Shogo Fujita. Diode-pumped 640 nm Pr:YLF regenerative laser pulse amplifier[J]. Optical Society of America, 2019, 44(13): 3370-3373.
李昕奇, 曲大鹏, 陈晴, 刘天虹, 郑权. 蓝光二极管双端抽运Pr:YLF晶体320 nm紫外激光器(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(12): 20201070. Xinqi Li, Dapeng Qu, Qing Chen, Tianhong Liu, Quan Zheng. 320 nm ultraviolet laser in blue laser diode double end pumped Pr:YLF crystal (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(12): 20201070.