2024年4月15日发(作者：智昂雄)
第４２卷 第３期
２０１２年３月
激光与红外
ＩＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖｏ１．４２．Ｎｏ．３
Ｍａｒｃｈ，２０１２
文章编号：１００１－５０７８（２０１２）０３－０２７９－０４
・
激光器技术・
ＬＤ端面泵浦３５５ ｎｍ紫外激光器
杨涛，赵书云，张弛，刘 磊，王旭，姜东升
（华北光电技术研究所，北京１０００１５）
摘要：采用大功率激光二极管模块光纤耦合端面泵浦Ｎｄ：ＹＶＯ 晶体，声光调Ｑ，腔外三倍频
方式实现３５５ ｎｍ紫外激光输出。通过计算设计了高效稳定基频谐振腔，在腔外采用ＬＢＯ Ｉ类
相位匹配和ＬＢＯ１Ｉ类相位匹配的方式倍频与和频，并采用４．厂系统对１０６４ ｎｍ基频光和５３２ ｎｍ
倍频光进行聚焦，减小了球差效应对光束的影响以提高和频效率。在泵浦功率３２．３ ｗ，得到
１５．９ Ｗ １０６４ ｎｍ连续基频激光输出，光光效率４９％。在２０ ｋＨｚ调制频率下，得到１．４５ ｗ
３５５ ｎｍ紫外激光输出。通过Ｓｐｉｒｉｃｏｎ光束质量分析仪进行测试，在大功率输出时，紫外激光光
束质量因子 ＝１．６， ：１．５６。
关键词：ＬＤ端面泵浦；声光调Ｑ；三倍频；紫外激光器；４，系统；球差
中图分类号：ＴＮ２４８．１ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－５０７８．２０１２．０３．００８
ＬＤ ｅｎｄ ｐｕｍｐｅｄ ３５５ ａｍ ＵＶ ｌａｓｅｒｓ
ＹＡＮＧ Ｔａｏ，ＺＨＡＯ Ｓｈｕ－ｙｕｎ，ＺＨＡＮＧ Ｃｈｉ，ＬＩＵ Ｌｅｉ，ＷＡＮＧ Ｘｕ，ＪＩＡＮＧ Ｄｏｎｇ－ｓｈｅｎｇ
（Ｎｏａｈ Ｃｈｉｎａ Ｒｅｓｅａｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃｓ，Ｂｅｒｉｎｇ １０００１５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｄｉｏｄｅ—ｅｎｄ—ｐｕｍｐｅｄ Ｎｄ：ＹＶＯ４ ａｌｌ－ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｌａｓｅｒ ｗａｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｕｎｄｅｒ ａｃｏｕｓｔｏ－ｏｐ—
ｔｉｃ Ｑ—ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅ ａ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｈｉ【ｇｈ ｅｆｉｃｆｉｅｎｔ ｆｕｎｄａｍｅｎｔｌａ ｗａｖｅ ｃａｖｉｔｙ，ｕｓｉｎｇ ｔｙｐｅ Ｉ ｐｈａｓｅ・ｍａｔｃｈｅｄ
ＬＢＯ ａｓ ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｃｒｙｓｔａｌ ａｎｄ ｔｙｐｅｌｌｐｈａｓｅ－ｍａｔｃｈｅｄ ＬＢＯ ａｓ ｔｈｉｒｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｃｒｙｓｔａ１．Ｔｏ ｉｍ—
ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ—ｔｒｉｐｌｅｄ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ，ａ ４ｆ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｕｓｄ ｅｔｏ ｆｏｃｕｓ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｉｎｔｏ ＴＨＧ ＬＢＯ ｃｒｙｓｔｌ，ａｗｈｉｃｈ ｒｅｄｕｃｅ ｓｐｈｅｉｒ—
ｃａｌ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｌｅｎｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ＣＷ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｗａｖｅ ｉｓ １５．９ Ｗ ａｔ ｔｈｅ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｐｕｍｐ
ｏｗｅｒｐ ｏｆ ３２．３ Ｗ．ｏｐｔｉｃａｌ・ｔｏ・ｏｐｔｉｃａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｓ ４９％．Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ３５５ ｎｎｌ ＵＶ ｌｓｅｒ ｒｅａｃｈｅｓ ｔｏ １．４５ Ｗ ａｔ ａ
２０ ｋＨｚ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ．Ｂｙ ｔｈｅ ｔｅｓｔ，ｕＶ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｉｓ １．６， ２ ｉｓ １．５６ ａｔ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｏｕｔｐｕｔ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｏｄｅ—ｅｎｄ—ｐｕｍｐｅｄ；ａｃｏｕｓｔｏ－ｏｐｔｉｃ Ｑ・ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ；ｔｈｉｒｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｌａｓｅｒ ４ ｆ ｓｙｓｔｅｍ；
ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ
１ 引 言
细钻孔等微电子加工的最理想激光光源。全固态紫
外激光器已成为激光技术研究领域的热点之
一
全固态紫外激光器的发展和应用是当前国内外
引人关注的研究热点之一，全固态紫外激光器与传
统的准分子紫外激光器相比较，具有体积小、效率
高、寿命长、光束质量好、无毒、不需要更换特殊气
【ｌ一 』
。
在实验中，我们采用简易稳定的直线腔、光
纤耦合端面泵浦Ｎｄ：ＹＶＯ 晶体的方式实现基频激
光输出，在腔外采用ＬＢＯ晶体Ｉ类相位匹配倍频和
ＩＩ类相位匹配和频的方式，实现了瓦量级基模紫外
激光功率的输出。
作者简介：杨涛（１９８０一），男，工程师，主要从事高功率固体
体、价格便宜等许多优点。而且紫外激光具有更短
的波长，可以获得更小的聚焦光斑。加工材料时，高
能量的光子直接破坏材料的化学键，热影响区域微
乎其微。因此，全固态紫外激光器在激光微加工、激
光精密加工等应用方面有着广阔的前景。在国外工
业发达国家，全固态紫外激光器已成为激光划片、微
激光器的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｙａｎｇｔａｏｔｏｍ＠ｓｏｈｕ．ｔｏｍ
收稿日期：２０１２－０１－１３；修订日期：２０１２－０２－２３
２８０ 激光与红外 第４２卷
２理论分析
２．１ 泵浦光与谐振腔基模的匹配
螬．
在端面泵浦结构中，通过选择合适的聚焦光学
元件能够调节二极管泵浦辐射的束腰位置、大小和
发散角，使聚焦的泵浦光束与谐振腔的基模光束实
现良好空间匹配。图１为使用ＬＡＳＣＡＤ软件模拟得
到的泵浦光在激光晶体内的分布图。当泵浦光束腰
与激光晶体人射端面之间距离为２ ｍｍ，晶体内泵浦
光束发散角较小，近似呈直线传播，这样分布的泵浦
光与谐振腔内激光模式有更好的交叠，更容易得到
较好的光束质量和更高的光光效率。
Ｕ ｍｍ Ｚ ＩＢｍ ｍｍ
图１ ＬＡＳＣＡＤ软件模拟Ｎｄ：ＹＶ０ 晶体内部泵浦光分布
２．２端面泵浦谐振腔研究
根据标准的ＡＢＣＤ传输矩阵理论，利用数值计算
方法，设计了谐振腔参数。计算中把激光晶体中的热
透镜等效于一个凹面反射镜 ，等效谐振腔如图２所
示，腔参数为Ｌ＝３００ ｍｍ，Ｒ，＝２００ ｍＥ。在我们感兴
趣的泵浦功率范围内，测得的热透镜焦距 变化范
围为１２０～１８０ ｍｍ，Ｒ，的曲率半径变化范围与之一
致。此腔有如下特点：①在 ＝１２０～１８０ ｍｍ范围
内，ｇ。ｇ ＝０．７５～０．３３，均在稳区中心附近变化。图３
为稳定性参数ｇ ｇ 随 的变化关系； ＝１２０～
２００ ｍｍ的变化范围内，基模半径 的变化范围为
０．３２～０．３４ ｍ，如图４所示，变化率低于１０％，这样的
设计更易获得高效稳定的基模激光输出。
｝－＿————— ——
图２等效谐振腔
兰
§
留
写
茜
ｔｈｅｍａｌ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ／ｒａｍ
图３稳定性参数ｇｊｇ２随 的变化
１００ １２０ １４０ １６０ １８０ ２Ｏ０ ２２０ ２４０ ２６０ ２８０ ３ＯＯ
ｔｈｅｍａｌ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ／ｔｕｒｎ
图４基模半径 随 的变化
２．３ 高效率倍频及和频技术
２．３．１高效倍频技术
倍频效率为二次谐波功率与入射基波功率之
比，其表达式为 ：
ｓＨ。
。
一
＝
等＝Ｌ— 三 ｎ２ － 。２ ３２ ｒｃ－＾２乙 【２１ ２／［ ＼ｓｉｎ（ 、 Ｉ／（ Ｊ２）】Ｊ
由上式，倍频转换效率强烈的依赖于 ，当
Ａｋ：０时，相位因子ｓｉｎｆ １／ｆ １：１，才可能获
得最高的转换效率。
在实验中，采用了ＬＢＯ晶体Ｉ类非临界相位匹
配的方式，通过精确控温在１５０．４℃，相位匹配角
０ ＝９０。， 一０，走离角接近于零，并选择倍频晶体
前透镜的焦距和位置，实现了高效率倍频。
２．３．２高效和频技术
在高效和频技术的研究中，除了需要考虑和频
晶体中激光功率密度等因素外，还要考虑和频晶体
中倍频光与基频光的空间交叠 Ｊ。实验中采用
ＬＢ０晶体Ｉ类非临界相位匹配的方式进行倍频，倍
频光与基频光几乎没有走离角，和频晶体中两光束
的交叠区域会更大。
由于色散等原因，倍频光与基频光通过透镜后，
它们各自的焦点并不重合，为了使两光束的交叠区
域更大，试验中使用４．厂系统。４厂系统可以通过选
择两个平凸透镜的焦距及距离来调节聚焦光斑的大
小，而且球差效应较小；虽然也可以通过选择单个凸
透镜来聚焦，但小焦距的凸透镜会带 ＿．一 球差，而
较大焦距的凸透镜，只有放置在物距较远时才能得
到较小的成像光斑，这样的激光器腔长比较大。
３ 实验装置
实验装置如图５所示，泵浦源采用美国ｎｌｉｇｈｔ
公司生产的光纤输出激光二极管模块，该模块最大
功率４０ ｗ，输出光纤纤芯为４００ ｍ，ＮＡ＝０．２２。通
过自制的放大比例为１：２的耦合透镜端面泵浦
Ｎｄ：ＹＶ０４晶体，晶体尺寸为３ ｍｍ×３ ｍｍ ｘ １０ ｍｍ，
掺杂浓度０．２ａｔ％，晶体的一面镀８０８ ｎｍ增透膜和
１０６４ ｎｍ全反膜，作为基频谐振腔全反镜面；另一面
Ｒ
激光与红外Ｎｏ．３ ２０１２
镀８０８ ｎｍ和１０６４ ｎｍ增透膜。谐振腔总长设计为
３００ ｍｍ，输出镜曲率为平凹２００ ｍｍ，Ｔｌ０６４ ＝１５％。
腔外倍频晶体之前放置的聚焦透镜焦距为５０ ｍｉｎ，
倍频晶体ＬＢＯ采用Ｉ类非临界相位匹配，尺寸为
３ ｍｍ ｘ ３ ｍｍ ｘ ２０ ｍｍ，精确控温在１５０．４ ｏＣ。基频
光与倍频光通过两片焦距为７０ ｍｍ的透镜聚焦在
和频晶体内部，和频晶体ＬＢＯ的尺寸为３ ｍｍ ｘ
３ ｍｍ ｘ１０ ｍｍ，采用Ⅱ类临界相位匹配，角度调谐。
基频谐振腔中用的声光Ｑ开关晶体通光方向长度
为１０ ｍｍ，由中心频率为２７ ＭＨｚ，射频功率为５０ ｗ
的声光驱动电源驱动，在频率１～１００ ｋＨｚ的范围内
连续可调。
图５紫外激光器实验装置
４实验结果
图６给出了１０６４ ｎｍ基频谐振腔在连续运转情
况下输入输出功率曲线，此腔的阈值泵浦功率大约
为１３ ｗ，当泵浦功率Ｐｉ ＞２５ Ｗ时，光光转换效率
接近５０％，在泵浦功率为３２．３ Ｗ，１０６４ ｎｍ最高输
出功率达到１５．９ Ｗ，光光转换效率为４９％。
｛
１
鼍｛
ｇ
Ａ
８０８ｎｍ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｐｕｍｐ ｐｏｗｅｒ／Ｗ
图６ １０６４ ａｍ基频谐振腔输入输出曲线
在１０６４ ｎｍ激光输出功率达到最大时，用Ｓｐｉｒｉ—
ｃｏｎ光束质量分析仪测试其光束质量。
图７（ａ）表示不同距离处测得的光斑直径大小，
得到的光束质量因子值分别为 ＝１．３， ＝１．４８，
为基模输出。图７（ｂ）是激光光束远场空间分布图。
５０衄１５０ｍ ２５０ｍ ３５０Ⅻ４５０ｍ
（ａ）测量点处的激光光斑大小
杨涛等ＬＤ端面泵浦３５５ ａｍ紫外激光器 ２８１
（ｂ）激光远场光强分布
图７测量点处的激光光斑大小及激光远场光强分布图
腔内加入声光调Ｑ晶体，调Ｑ频率为２０ ｋＨｚ，
腔外实现倍频与和频。在不同的泵浦功率条件下，
分别测试了１０６４ ｎｍ，５３２ ｎｍ和３５５ ｎｍ激光的平均
输出功率。测试结果如图８所示，在泵浦功率为
３２．３ Ｗ时，得到１０６４ Ｆｌｍ输出功率１０．２ Ｗ、脉宽
２２ ｎｓ，５３２ ｎｓ最大输出功率５．３ ｗ、脉宽２３ ｎｓ，
３５５ ｎｍ最大输出功率１．４５ Ｗ，脉宽２２ ｎｓ。１０６４ ｎｍ
基频光到５３２ ｎｍ绿光的光光效率为５２％，１０６４ ｎｍ
基频光到３５５ ｎｍ紫外光的光光效率为１４．２％。图
９（ａ）为此时的紫外激光光斑照片。用Ｓｐｉｒｉｃｏｎ光束
质量分析仪测试此时紫外激光输出的光束质量，光
束质量因子值分别为 ＝１．６， ＝１．５６，为ＴＥＭ。。
模。图９（ｂ）为测得的紫外激光远场光斑分布。
芝１２
ｌ １０
８
圣６
暑 ４
§２
０
ｐｕｍｐ ｐｏｗｅｒ／Ｗ
图８激光功率输入输出曲线
（ａ）紫外激光输出光斑图 （ｂ）紫外激光远场光斑分布
图９紫外激光输出光斑图人远场光斑分布
５ 结论
采用大功率光纤耦合泵浦Ｎｄ：ＹＶＯ 激光晶体，
声光调Ｑ实现了高功率高光束质量基频光输出，在
腔外采用ＬＢＯ晶体Ｉ类相位匹配倍频和Ⅱ类相位
２８２ 激光与红外 第４２卷
匹配和频的方式，在和频时首次采用４，系统进行
聚焦，有效地提高了三倍频的倍频效率。最终在泵
浦功率３２．３ Ｗ，调制频率为２０ ｋＨｚ的条件下，紫外
激光输出功率达到最大１．４５ Ｗ。
参考文献：
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『Ｐ１．
2024年4月15日发(作者：智昂雄)
第４２卷 第３期
２０１２年３月
激光与红外
ＩＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖｏ１．４２．Ｎｏ．３
Ｍａｒｃｈ，２０１２
文章编号：１００１－５０７８（２０１２）０３－０２７９－０４
・
激光器技术・
ＬＤ端面泵浦３５５ ｎｍ紫外激光器
杨涛，赵书云，张弛，刘 磊，王旭，姜东升
（华北光电技术研究所，北京１０００１５）
摘要：采用大功率激光二极管模块光纤耦合端面泵浦Ｎｄ：ＹＶＯ 晶体，声光调Ｑ，腔外三倍频
方式实现３５５ ｎｍ紫外激光输出。通过计算设计了高效稳定基频谐振腔，在腔外采用ＬＢＯ Ｉ类
相位匹配和ＬＢＯ１Ｉ类相位匹配的方式倍频与和频，并采用４．厂系统对１０６４ ｎｍ基频光和５３２ ｎｍ
倍频光进行聚焦，减小了球差效应对光束的影响以提高和频效率。在泵浦功率３２．３ ｗ，得到
１５．９ Ｗ １０６４ ｎｍ连续基频激光输出，光光效率４９％。在２０ ｋＨｚ调制频率下，得到１．４５ ｗ
３５５ ｎｍ紫外激光输出。通过Ｓｐｉｒｉｃｏｎ光束质量分析仪进行测试，在大功率输出时，紫外激光光
束质量因子 ＝１．６， ：１．５６。
关键词：ＬＤ端面泵浦；声光调Ｑ；三倍频；紫外激光器；４，系统；球差
中图分类号：ＴＮ２４８．１ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－５０７８．２０１２．０３．００８
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ＹＡＮＧ Ｔａｏ，ＺＨＡＯ Ｓｈｕ－ｙｕｎ，ＺＨＡＮＧ Ｃｈｉ，ＬＩＵ Ｌｅｉ，ＷＡＮＧ Ｘｕ，ＪＩＡＮＧ Ｄｏｎｇ－ｓｈｅｎｇ
（Ｎｏａｈ Ｃｈｉｎａ Ｒｅｓｅａｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃｓ，Ｂｅｒｉｎｇ １０００１５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｄｉｏｄｅ—ｅｎｄ—ｐｕｍｐｅｄ Ｎｄ：ＹＶＯ４ ａｌｌ－ｓｏｌｉｄ－ｓｔａｔｅ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｌａｓｅｒ ｗａｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｕｎｄｅｒ ａｃｏｕｓｔｏ－ｏｐ—
ｔｉｃ Ｑ—ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅ ａ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｈｉ【ｇｈ ｅｆｉｃｆｉｅｎｔ ｆｕｎｄａｍｅｎｔｌａ ｗａｖｅ ｃａｖｉｔｙ，ｕｓｉｎｇ ｔｙｐｅ Ｉ ｐｈａｓｅ・ｍａｔｃｈｅｄ
ＬＢＯ ａｓ ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｃｒｙｓｔａｌ ａｎｄ ｔｙｐｅｌｌｐｈａｓｅ－ｍａｔｃｈｅｄ ＬＢＯ ａｓ ｔｈｉｒｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｃｒｙｓｔａ１．Ｔｏ ｉｍ—
ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ—ｔｒｉｐｌｅｄ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ，ａ ４ｆ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｕｓｄ ｅｔｏ ｆｏｃｕｓ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｉｎｔｏ ＴＨＧ ＬＢＯ ｃｒｙｓｔｌ，ａｗｈｉｃｈ ｒｅｄｕｃｅ ｓｐｈｅｉｒ—
ｃａｌ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｌｅｎｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ＣＷ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｗａｖｅ ｉｓ １５．９ Ｗ ａｔ ｔｈｅ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｐｕｍｐ
ｏｗｅｒｐ ｏｆ ３２．３ Ｗ．ｏｐｔｉｃａｌ・ｔｏ・ｏｐｔｉｃａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｓ ４９％．Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ３５５ ｎｎｌ ＵＶ ｌｓｅｒ ｒｅａｃｈｅｓ ｔｏ １．４５ Ｗ ａｔ ａ
２０ ｋＨｚ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ．Ｂｙ ｔｈｅ ｔｅｓｔ，ｕＶ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｉｓ １．６， ２ ｉｓ １．５６ ａｔ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｏｕｔｐｕｔ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｏｄｅ—ｅｎｄ—ｐｕｍｐｅｄ；ａｃｏｕｓｔｏ－ｏｐｔｉｃ Ｑ・ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ；ｔｈｉｒｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｌａｓｅｒ ４ ｆ ｓｙｓｔｅｍ；
ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ
１ 引 言
细钻孔等微电子加工的最理想激光光源。全固态紫
外激光器已成为激光技术研究领域的热点之
一
全固态紫外激光器的发展和应用是当前国内外
引人关注的研究热点之一，全固态紫外激光器与传
统的准分子紫外激光器相比较，具有体积小、效率
高、寿命长、光束质量好、无毒、不需要更换特殊气
【ｌ一 』
。
在实验中，我们采用简易稳定的直线腔、光
纤耦合端面泵浦Ｎｄ：ＹＶＯ 晶体的方式实现基频激
光输出，在腔外采用ＬＢＯ晶体Ｉ类相位匹配倍频和
ＩＩ类相位匹配和频的方式，实现了瓦量级基模紫外
激光功率的输出。
作者简介：杨涛（１９８０一），男，工程师，主要从事高功率固体
体、价格便宜等许多优点。而且紫外激光具有更短
的波长，可以获得更小的聚焦光斑。加工材料时，高
能量的光子直接破坏材料的化学键，热影响区域微
乎其微。因此，全固态紫外激光器在激光微加工、激
光精密加工等应用方面有着广阔的前景。在国外工
业发达国家，全固态紫外激光器已成为激光划片、微
激光器的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｙａｎｇｔａｏｔｏｍ＠ｓｏｈｕ．ｔｏｍ
收稿日期：２０１２－０１－１３；修订日期：２０１２－０２－２３
２８０ 激光与红外 第４２卷
２理论分析
２．１ 泵浦光与谐振腔基模的匹配
螬．
在端面泵浦结构中，通过选择合适的聚焦光学
元件能够调节二极管泵浦辐射的束腰位置、大小和
发散角，使聚焦的泵浦光束与谐振腔的基模光束实
现良好空间匹配。图１为使用ＬＡＳＣＡＤ软件模拟得
到的泵浦光在激光晶体内的分布图。当泵浦光束腰
与激光晶体人射端面之间距离为２ ｍｍ，晶体内泵浦
光束发散角较小，近似呈直线传播，这样分布的泵浦
光与谐振腔内激光模式有更好的交叠，更容易得到
较好的光束质量和更高的光光效率。
Ｕ ｍｍ Ｚ ＩＢｍ ｍｍ
图１ ＬＡＳＣＡＤ软件模拟Ｎｄ：ＹＶ０ 晶体内部泵浦光分布
２．２端面泵浦谐振腔研究
根据标准的ＡＢＣＤ传输矩阵理论，利用数值计算
方法，设计了谐振腔参数。计算中把激光晶体中的热
透镜等效于一个凹面反射镜 ，等效谐振腔如图２所
示，腔参数为Ｌ＝３００ ｍｍ，Ｒ，＝２００ ｍＥ。在我们感兴
趣的泵浦功率范围内，测得的热透镜焦距 变化范
围为１２０～１８０ ｍｍ，Ｒ，的曲率半径变化范围与之一
致。此腔有如下特点：①在 ＝１２０～１８０ ｍｍ范围
内，ｇ。ｇ ＝０．７５～０．３３，均在稳区中心附近变化。图３
为稳定性参数ｇ ｇ 随 的变化关系； ＝１２０～
２００ ｍｍ的变化范围内，基模半径 的变化范围为
０．３２～０．３４ ｍ，如图４所示，变化率低于１０％，这样的
设计更易获得高效稳定的基模激光输出。
｝－＿————— ——
图２等效谐振腔
兰
§
留
写
茜
ｔｈｅｍａｌ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ／ｒａｍ
图３稳定性参数ｇｊｇ２随 的变化
１００ １２０ １４０ １６０ １８０ ２Ｏ０ ２２０ ２４０ ２６０ ２８０ ３ＯＯ
ｔｈｅｍａｌ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ／ｔｕｒｎ
图４基模半径 随 的变化
２．３ 高效率倍频及和频技术
２．３．１高效倍频技术
倍频效率为二次谐波功率与入射基波功率之
比，其表达式为 ：
ｓＨ。
。
一
＝
等＝Ｌ— 三 ｎ２ － 。２ ３２ ｒｃ－＾２乙 【２１ ２／［ ＼ｓｉｎ（ 、 Ｉ／（ Ｊ２）】Ｊ
由上式，倍频转换效率强烈的依赖于 ，当
Ａｋ：０时，相位因子ｓｉｎｆ １／ｆ １：１，才可能获
得最高的转换效率。
在实验中，采用了ＬＢＯ晶体Ｉ类非临界相位匹
配的方式，通过精确控温在１５０．４℃，相位匹配角
０ ＝９０。， 一０，走离角接近于零，并选择倍频晶体
前透镜的焦距和位置，实现了高效率倍频。
２．３．２高效和频技术
在高效和频技术的研究中，除了需要考虑和频
晶体中激光功率密度等因素外，还要考虑和频晶体
中倍频光与基频光的空间交叠 Ｊ。实验中采用
ＬＢ０晶体Ｉ类非临界相位匹配的方式进行倍频，倍
频光与基频光几乎没有走离角，和频晶体中两光束
的交叠区域会更大。
由于色散等原因，倍频光与基频光通过透镜后，
它们各自的焦点并不重合，为了使两光束的交叠区
域更大，试验中使用４．厂系统。４厂系统可以通过选
择两个平凸透镜的焦距及距离来调节聚焦光斑的大
小，而且球差效应较小；虽然也可以通过选择单个凸
透镜来聚焦，但小焦距的凸透镜会带 ＿．一 球差，而
较大焦距的凸透镜，只有放置在物距较远时才能得
到较小的成像光斑，这样的激光器腔长比较大。
３ 实验装置
实验装置如图５所示，泵浦源采用美国ｎｌｉｇｈｔ
公司生产的光纤输出激光二极管模块，该模块最大
功率４０ ｗ，输出光纤纤芯为４００ ｍ，ＮＡ＝０．２２。通
过自制的放大比例为１：２的耦合透镜端面泵浦
Ｎｄ：ＹＶ０４晶体，晶体尺寸为３ ｍｍ×３ ｍｍ ｘ １０ ｍｍ，
掺杂浓度０．２ａｔ％，晶体的一面镀８０８ ｎｍ增透膜和
１０６４ ｎｍ全反膜，作为基频谐振腔全反镜面；另一面
Ｒ
激光与红外Ｎｏ．３ ２０１２
镀８０８ ｎｍ和１０６４ ｎｍ增透膜。谐振腔总长设计为
３００ ｍｍ，输出镜曲率为平凹２００ ｍｍ，Ｔｌ０６４ ＝１５％。
腔外倍频晶体之前放置的聚焦透镜焦距为５０ ｍｉｎ，
倍频晶体ＬＢＯ采用Ｉ类非临界相位匹配，尺寸为
３ ｍｍ ｘ ３ ｍｍ ｘ ２０ ｍｍ，精确控温在１５０．４ ｏＣ。基频
光与倍频光通过两片焦距为７０ ｍｍ的透镜聚焦在
和频晶体内部，和频晶体ＬＢＯ的尺寸为３ ｍｍ ｘ
３ ｍｍ ｘ１０ ｍｍ，采用Ⅱ类临界相位匹配，角度调谐。
基频谐振腔中用的声光Ｑ开关晶体通光方向长度
为１０ ｍｍ，由中心频率为２７ ＭＨｚ，射频功率为５０ ｗ
的声光驱动电源驱动，在频率１～１００ ｋＨｚ的范围内
连续可调。
图５紫外激光器实验装置
４实验结果
图６给出了１０６４ ｎｍ基频谐振腔在连续运转情
况下输入输出功率曲线，此腔的阈值泵浦功率大约
为１３ ｗ，当泵浦功率Ｐｉ ＞２５ Ｗ时，光光转换效率
接近５０％，在泵浦功率为３２．３ Ｗ，１０６４ ｎｍ最高输
出功率达到１５．９ Ｗ，光光转换效率为４９％。
｛
１
鼍｛
ｇ
Ａ
８０８ｎｍ ｉｎｃｉｄｅｎｔ ｐｕｍｐ ｐｏｗｅｒ／Ｗ
图６ １０６４ ａｍ基频谐振腔输入输出曲线
在１０６４ ｎｍ激光输出功率达到最大时，用Ｓｐｉｒｉ—
ｃｏｎ光束质量分析仪测试其光束质量。
图７（ａ）表示不同距离处测得的光斑直径大小，
得到的光束质量因子值分别为 ＝１．３， ＝１．４８，
为基模输出。图７（ｂ）是激光光束远场空间分布图。
５０衄１５０ｍ ２５０ｍ ３５０Ⅻ４５０ｍ
（ａ）测量点处的激光光斑大小
杨涛等ＬＤ端面泵浦３５５ ａｍ紫外激光器 ２８１
（ｂ）激光远场光强分布
图７测量点处的激光光斑大小及激光远场光强分布图
腔内加入声光调Ｑ晶体，调Ｑ频率为２０ ｋＨｚ，
腔外实现倍频与和频。在不同的泵浦功率条件下，
分别测试了１０６４ ｎｍ，５３２ ｎｍ和３５５ ｎｍ激光的平均
输出功率。测试结果如图８所示，在泵浦功率为
３２．３ Ｗ时，得到１０６４ Ｆｌｍ输出功率１０．２ Ｗ、脉宽
２２ ｎｓ，５３２ ｎｓ最大输出功率５．３ ｗ、脉宽２３ ｎｓ，
３５５ ｎｍ最大输出功率１．４５ Ｗ，脉宽２２ ｎｓ。１０６４ ｎｍ
基频光到５３２ ｎｍ绿光的光光效率为５２％，１０６４ ｎｍ
基频光到３５５ ｎｍ紫外光的光光效率为１４．２％。图
９（ａ）为此时的紫外激光光斑照片。用Ｓｐｉｒｉｃｏｎ光束
质量分析仪测试此时紫外激光输出的光束质量，光
束质量因子值分别为 ＝１．６， ＝１．５６，为ＴＥＭ。。
模。图９（ｂ）为测得的紫外激光远场光斑分布。
芝１２
ｌ １０
８
圣６
暑 ４
§２
０
ｐｕｍｐ ｐｏｗｅｒ／Ｗ
图８激光功率输入输出曲线
（ａ）紫外激光输出光斑图 （ｂ）紫外激光远场光斑分布
图９紫外激光输出光斑图人远场光斑分布
５ 结论
采用大功率光纤耦合泵浦Ｎｄ：ＹＶＯ 激光晶体，
声光调Ｑ实现了高功率高光束质量基频光输出，在
腔外采用ＬＢＯ晶体Ｉ类相位匹配倍频和Ⅱ类相位
２８２ 激光与红外 第４２卷
匹配和频的方式，在和频时首次采用４，系统进行
聚焦，有效地提高了三倍频的倍频效率。最终在泵
浦功率３２．３ Ｗ，调制频率为２０ ｋＨｚ的条件下，紫外
激光输出功率达到最大１．４５ Ｗ。
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『Ｐ１．