全固态紫外激光器研究进展

全固态激光器具有效率高、寿命长、体积小等优点，与其他类型的激光器相比，容易获得高功率、高光束质量的激光器。这使得全固态激光器广泛应用于科研、*、医疗、工业等领域。它在相关光检测、先进制造业、环境监测、材料加工处理、**高密度存储、光通信、生物检测等方面得到了重要应用。因此，全固态紫外激光器已成为国内外光学研究机构研究的重点。

国内外发展现状

国外发展现状

自20世纪末紫外激光问世以来，科学家们利用不同组合的增益介质、激光腔类型和抽样方法对紫外激光进行了深入而广泛的研究。

例如，R.J.Keyes与T.M.Quis用激光二极管抽取增益介质CaF2:U3 ，**次得到了213 nm激光。C.Zimmer ** nn，V.Vuletic等人，采用KN晶体(铌酸钾KNbO3晶体)，得到2.1 W的213 nm连续紫外线。M.Oka等人用BBO(偏硼酸钡)作为倍频晶体获得1.5 W连续激光输出。

日本东京大学Y.K.Yap等人使用CLBO(六硼酸锂∞)晶体重频10 KHz，平均功率为10.6 W紫外脉冲输出。2000年，日本TETSUO KOJIMA等人声光调Q的Nd:YAG 10 ** nm改进后的高质量激光器CLBO晶体取得突破性进展，20 W的266 nm紫外脉冲输出。

随着光学元件加工技术的日益成熟，紫外波段不**于355 nm，266 nm和213 nm。2006年，S.Johansson等人使用PPKTP（周期较化KTP）晶体和BBO晶体对被动调节Q准三能级946 nm激光器四倍频，获得20 mW的236 nm激光。2008年，Ossi Kimmel ** 等人报道了准三能级Nd:YAG主动调Q激光器的输出脉宽为1.9 ns，平均功率为7.6 mW的237 nm到2014年，激光，Deyra L在此基础上，等人将进一步瞄准三级Nd:YAG主动调Q优化激光器，获得600 mW的237 nm这是236 nm到目前为止，紫外波段波长的平均功率较高。

国内发展现状

福建物构于20世纪80年代开发BBO同时，浙江大学尤晨华利用晶体BBO晶体，得到216 nm深紫外激光。20世纪90年代末，LD抽运技术发展迅速，紫外激光技术也取得了新的发展。1999年，陈国华等人被选中Nd:YVO用作增益介质KTP、BBO作为倍频晶体，在中国**获得266 nm紫外输出。

此后，中国科学院西安光机所、长春光机所 谭成桥等人对266 nm研究了波段紫外激光。2007年，中国科学院物理研究所**制作了**个瓦级266 nm激光器的重复频率为20 kHz的声光调Q、端面抽运Nd:YV04激光器产生10 ** nm平均功率为8 W，再用KTP晶体进行腔内倍频，得到5 W的532 nm绿光，较后用CLBO晶体进行腔外倍频，产生平均功率为1.3 W、脉宽为11 ns的266 nm激光。

2009年，西北大学光电子技术研究所李秀采用重频11.2 kHz主动调Q的10 ** nm Nd:YAG通过两次倍频转换，激光器获得了7个功率.1 W的266 nm激光输出。Q.Liu等人采用了重复频率高达100 kHz被动调Q的10 ** nm Nd:YAG激光器通过两次倍频获得14.8 W的266 nm当重复频率进一步提高到150 时kHz时，得到11.5 W的266 nm激光。

关键激光技术

增益介质

自从**个红宝石激光器诞生以来，已经开发出了各种类型的增益介质，但在全固态激光器中可以选择的增益介质并不多。较常用的增益介质是Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd:GdV04，其中Nd:YAG、Nd:YV04使用频率较高。三种增益介质产生激光的原理大致相同，其主要区别在于材料的理化性质。表1列出了三种增益介质的比较。

表 13种增益介质的物理特性

对于Nd:YAG就晶体而言，晶体本身的发射截面较小，但荧光寿命和导热性相对较高，因此对激光系统的散热技术要求不高，适用于高功率激光器和脉冲激光器。其次，它的基质YAG(易铝石榴石Y3Al5O12)晶体机械强度高，导热性好，激光波长范围内晶体透射率高。大尺寸、高质量的高质量晶体可以通过提拉生长。Nd:YAG激光器具有效率高、性能可靠、小型化方便、光束质量好、功率稳定性高等优点，成为激光二极管泵送全固态激光器的可以选择激光增益介质。

对于Nd:YV但04具有发射截面大、吸收带宽高、输出光偏振光等优点，Nd:YVO4.还有许多缺点。首先，由于晶体本身的物理性质有限，无法获得高质量的大型晶体，其机械性能和均匀性很差，只能制造小型激光棒，限制Nd:YV04晶体在激光器中的应用。其次，由于晶体导热性低，热效应明显，激光对热处理能力的要求更加严格，实验设备的开发难度在一定程度上增加。Nd:YV04晶体更适合薄片激光器和小功率激光器。

对于Nd:GdV04来说，GdV04是一种与YVO4是同种结构的基质晶体材料。Nd:GdV04和Nd:YVO4具有基本相似的激光性能，其吸收峰半高全宽略宽于Nd:YAG，其吸收截面为Nd:YVO4的两倍，是Nd:YAG七倍多。Nd:GdV04受激发射截面是三种晶体中较大的，其导热性也很好。该晶体能实现高浓度混合，易于生长大尺寸、高质量、均匀光学性能的优质晶体。这些优点使Nd:GdV04可能成为未来全固态固体激光器的可以选择增益介质。特别是对于准三能系统，导热，使晶体内部温度梯度小，热透镜不明显，晶体**温度低，进一步减少晶体内下能颗粒的再吸收损失。

非线性倍频晶体

在全固态紫外线激光器中，非线性频率变换晶体是较重要的组成结构之一。在非线性晶体本身的理化性能的基础上，通过非线性频率转换技术可以获得四倍或五倍的激光基频光。在紫外线激光器的设计中，紫外线激光器的输出功率和光束质量主要取决于非线性晶体的质量。自非线性晶体出现以来，经过研究人员的不懈努力，开发了许多优秀的紫外线非线性晶体，并投入到紫外线激光器的开发中，其中更常用BBO、LBO、BIBO、CLBO、KBBF。

BBO(偏硼酸钡，β-BaB2O4)是福建物构**成功研究，透光率0.19-3.5 μm，相位匹配角大，损伤阈值高，频率高，但会出现潮解问题，保存条件恶劣。主要用于紫外线波段(266 nm、213 nm）；也可用于染料激光器中二、三倍频率的产生；光学参数振荡和光学参数放大；氩离子倍频是一种性能优异的非线性晶体。

LBO(三硼酸锂，LiB3O5)也是福建结构开发的，透光波段比较宽(0).155-3.2 μm），特别是在紫外线波段，具有良好的透光轻微，对保存环境要求低，物理化学性能好，损伤阈值高，非线性光学参数适中，接收角相对较大，分离角较小，分离效应相对不明显。它已广泛应用于非线性变换中的倍频和频率效应。由于其非线性系数和倍频效率低，折射率对温度敏感，因此在实验中应特别注意温度控制。LBO与铌酸盐晶体相比，可适用于临界相位匹配或非临界相位匹配，LBO激光损伤阈值高，波长调界相位匹配中波长调节宽，允许温度范围更大；虽然非线性系数很大，但允许的温度范围很窄，这限制了这些晶体的使用。

BIBO（三硼酸铋BiB3O6)晶体是对称性低的双轴非线性晶体。虽然它在1962年被报道，但直到1999年才被应用于倍频效应。BIBO晶体的透光波段为0.27-2.6 μm，由于其较宽的透光波段不仅仅用于10 ** nm到532 nm也可用于10 倍频** nm与523 nm三倍频到355 nm和频效应在非线性频率变换技术中。BIBO物理化学特性稳定，环境适应性高，不易潮解，光学损伤阈值高，有效非线性系数非常大，甚**于铌酸锂晶体，在外腔倍频试验中效率一度高达70%，但是BIBO晶体的双折射率差异很大，导致相位匹配角随波长变化明显，不仅可以用于倍频、和频效应，还可以用于光参量领域。

CLBO (硼酸锶锂CsLiB6010)是日本大阪大学**报道合成的新型紫外线非线性晶体。透光波段在0.18-2.75 μm它可以产生四次谐波和常用谐波BBO、LBO与晶体相比，晶体的生长方式简单，可以生长出大尺寸、高质量的光学晶体。虽然晶体具有优异的物理化学性能，但也存在易潮解的问题，对储存条件要求严格，需要密封使用，并在150℃条件下保存。

KBBF（KBe2BO3F2）晶体是由福建物构所研制，其透光范围较宽在0.155-3.5 μm经实验验证，可应用于6倍频效应产生177.3 nm深紫外激光。

紫外激光器较新研究进展进展

355 nm紫外激光器

虽然端泵在功率密度和光束质量方面具有明显的优势，但大功率端泵激光器往往需要面对较强的热效应和再吸收效应，阻碍了端泵激光器功率的进一步发展。由于泵送的均匀性和热效应，侧泵激光器更容易实现大功率紫外激光输出。2014年，长春理工大学田明等人使用图1所示的结构LD侧面抽运Nd:YAG腔内声光调Q基频光源采用结构I类非临界相位匹配LBO晶体作为倍频晶体，频晶体LBO939.6 W、8 重复频率kHz时，获得15.3 W的准连续355 nm紫外激光，脉宽90 ns，光束质量

分别为4.23和4.56.激光输出特性见下图。

图1 15.3 W 准连续355 nm激光器光路图及输出特性

236 nm紫外激光器

Lo?c Deyra等人使用图2所示的激光装置，使用的基频光平均输出功率为9.2 W、峰值功率为10.2 kW、重频为20 kHz、脉宽45 ns的主动调Q的Nd:YAG激光，选择BIBO、BBO作为倍频晶体，平均功率为600 mW、脉宽为27 ns、不稳定度在2%的236.5 nm紫外激光输出。

图2236 nm激光光路图

紫外激光应用

由于其短波长的特性，紫外激光能被大多数材料吸收，在激光材料加工中具有*特的优势。

由于大多数材料对紫外线激光有很好的吸收，紫外线激光加工产生的热影响较小，减少了对加工对象的材料损伤。紫外线激光器的波长比可见光波长短，短波长可以实现较小的光斑和线宽，从而更准确地聚焦。因此，紫外线激光器与其他类型的激光器相比，具有*特的应用和市场。

紫外激光主要用于标记、复合切割、钻孔、精细加工等领域。

结语

虽然二极管泵送固体激光器越来越成熟，但不可避免地存在许多问题。例如，可用于深紫外波段的倍频晶体单一，生长尺寸小，转换效率低。同时，随着新型增益晶体和倍频晶体的不断出现，相信紫外激光的输出功率越来越高，输出波段逐渐减少，激光结构简化，使紫外激光的应用范围越来越广。