高光子能量的大功率深紫外(DUV)短脈沖激光器應(yīng)用廣泛，如高強度伽馬射線產(chǎn)生、材料加工、半導(dǎo)體檢測等。DUV固體激光器采用固體激光和變頻技術(shù)，可以實現(xiàn)高光束質(zhì)量，便于通過透鏡聚焦到小光斑尺寸。此外，DUV固態(tài)激光器比傳統(tǒng)的準(zhǔn)分子激光器更容易操控，消耗的電能更少（準(zhǔn)分子激光目前用于工業(yè)應(yīng)用，如精密和高質(zhì)量激光加工）。

01

高功率DUV固態(tài)激光器發(fā)展歷程

上世紀(jì)八九十年代，隨著硼酸鹽基非線性光學(xué)晶體的發(fā)展，波長在300 nm以下的高功率DUV固態(tài)激光器得到了發(fā)展。而后，隨著高功率近紅外激光器的發(fā)展，四次諧波光源的研制也得到了推進。關(guān)于四次諧波的平均輸出功率，自2000年以來，多橫模高功率納秒脈沖激光器作為基波的DUV平均輸出功率為12 ~ 40 W。自2009年以來，單橫模高功率納秒脈沖激光器作為基波的DUV平均輸出功率為10 ~ 15 W。

最近，以單橫模高功率皮秒脈沖激光器為基波的DUV平均輸出功率為12 ~ 20 W。據(jù)報道，2020年，使用由皮秒脈沖振蕩器和Yb:YAG innoslab放大器和BBO晶體組成的基波，在258 nm處得到的平均輸出功率為20 W，重復(fù)率為1 kHz。2021年，據(jù)報道，使用由皮秒脈沖振蕩器和Yb:YAG碟片放大器組成的基波，在258 nm處得到的平均輸出功率為20 W。

除了高平均功率外，穩(wěn)定的長期DUV輸出對工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。2002年，據(jù)報道，在20 W的功率下連續(xù)產(chǎn)生DUV 100小時，然而，功率退化很明顯，20 W的功率僅維持了50小時。其他研究也顯示了類似的功率退化，實現(xiàn)高功率DUV固體激光器的長期穩(wěn)定運行仍然是一個關(guān)鍵問題。

02

如何滿足DUV激光的穩(wěn)定運行

為了解決這一問題，必須解決產(chǎn)生DUV光的非線性光學(xué)晶體的激光誘導(dǎo)損傷（LID），以滿足DUV激光的長周期穩(wěn)定運行。在BBO的DUV光產(chǎn)生中，相位匹配條件(光譜、角度和溫度)的三種接受帶寬都很窄，常規(guī)脈沖激光器無法同時滿足所有條件，因此，高效變頻，長期運行中的功率退化問題是不可避免的。

2013年相關(guān)DUV報道，使用增益開關(guān)LD和線寬0.1 nm、峰值功率2.1 MW的混合放大器的基波輸出。高峰值功率皮秒脈沖與大口徑長BBO晶體的組合滿足了DUV生成的光譜和角度接受帶寬，同時避免了時間和空間走離引起的轉(zhuǎn)換效率波動。從532 nm到266 nm的轉(zhuǎn)換效率超過50%。BBO晶體特性很好地解決了由線性吸收和雙光子吸收引起的溫升，并通過滿足熱接受帶寬保持較高的轉(zhuǎn)換效率。

此外，光束發(fā)散低于BBO的角接受帶寬，這種基礎(chǔ)激光源使DUV激光器具有高功率和長期穩(wěn)定運行。

03

奧創(chuàng)光子的研究進展

此前奧創(chuàng)光子曾開發(fā)了一款脈沖為10 ps，平均功率為50 W，線寬為0.5 nm，峰值功率為25 MW，重復(fù)頻率為200 kHz的基波激光器。DUV的平均功率為14 W，脈沖持續(xù)時間為7 ps，使用BBO晶體，在200 kHz的重復(fù)頻率下，從532 nm到266 nm轉(zhuǎn)換效率為50%。此外，在平均功率為10 W的情況下持續(xù)5000小時，在266 nm處的長期DUV運轉(zhuǎn)，在運行期間沒有功率或光束輪廓退化。

獲得的最大DUV功率受到可用基波功率的限制，工業(yè)應(yīng)用需要更高功率的DUV激光器，通過將基波功率提高到平均140 W，線寬0.4 nm，峰值功率23.3 MW，使用BBO晶體，在1000 kHz重復(fù)頻率下，DUV的最大平均功率可以達到28 W，從532 nm產(chǎn)生266 nm的轉(zhuǎn)換效率約為30%左右，實現(xiàn)平均功率為20 W和光束質(zhì)量因子(M2)小于1.3下預(yù)計可以保持10000小時。

下圖顯示了激光源的設(shè)置，該激光源由種子激光部分和功率放大器部分組成。種子激光器由種子源、PULSEPICKER和兩級光纖前置放大器組成，功率放大器由四級固體放大器和聲光調(diào)制器(AOM)組成。

種子激光部分采用被動鎖模光纖激光種子源，結(jié)合鎖模器件的特性和設(shè)計優(yōu)化，保證匹配固體放大所需的基頻信號光特性。

固體放大器用于功率放大級的放大器有1到4級。放大晶體為釹摻雜釩酸釔(Nd:YVO4)晶體。為了防止寄生振蕩，增加了1°的楔形角，并將AR涂層在1064 nm處的反射率設(shè)置為小于0.1%。Nd:YVO4晶體的四面被銦箔包裹，并固定到水冷散熱器上。使用波長為880 nm的鎖波長LD作為泵浦源，該泵浦源是帶內(nèi)泵浦源，在晶體中熱效應(yīng)較小。泵浦源通過400 μm芯徑漸變折射率光纖傳輸，并通過準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡模塊入射到Nd:YVO4晶體中。

泵浦功率、放大功率和放大器各級的增益

功率放大器的平均功率特性

奧創(chuàng)光子分別使用光譜分析儀的光纖測量了種子激光部分的光譜，使用自由空間波長計測量了功率放大器的光譜。結(jié)果如下圖所示。

為了由1064nm 產(chǎn)生266 nm的DUV光，使用兩個非線性光學(xué)晶體來產(chǎn)生二次和四次諧波。對于二次諧波(SHG)，采用元件尺寸為4 mm × 4mm， 臨界相位匹配(LBO)晶體和兩端分別為1064 nm和532 nm的AR涂層作為非線性光學(xué)晶體。LBO晶體放置在帶有內(nèi)置加熱器的銅支架中，支架溫度設(shè)置為60°C。直徑為φ2 mm的1064 nm入射波束產(chǎn)生532 nm波束。

四次諧波采用BBO晶體作為非線性光學(xué)晶體，該晶體尺寸為4 mm × 4 mm，臨界相位匹配。僅在輸入端涂上AR532&266-nm涂層，并在兩端涂上1.5°楔形。為避免激光回射，輸出端涂AR@266 nm&532 nm涂層。晶體被放置在一個干燥室中，以防止BBO晶體的潮解。

平均功率為125 W光束直徑為φ2.0 mm的1064 nm激光射入的LBO晶體，在532 nm處的平均功率為88.9 W，轉(zhuǎn)換效率為71.9%。測量線寬和脈沖持續(xù)時間，分別為0.042 nm和11 ps，峰值功率為13.6 MW，光束質(zhì)量因子M2= 1.2。平均功率為87.9 W直徑為φ1.6 mm的532 nm激光射BBO晶體，在266 nm處的平均功率為25.4 W，轉(zhuǎn)換效率為28.9%。

光束質(zhì)量因子M2= 1.5。光束直徑和圓度分別為φ2.2 mm和95%，由于光線的高度準(zhǔn)直，在266 nm生成后，無需任何光束整形光學(xué)即可獲得滿意的光束特性。注意：光束直徑是用光束輪廓儀(Ophir)在距離出光口1000 mm處測量。DUV的短時間穩(wěn)定性測試曲線如下圖所示：

奧創(chuàng)光子自2018年創(chuàng)立以來，已申請60余項專利，已掌握了高能高功率飛秒脈沖放大技術(shù)、啁啾體布拉格光柵色散補償技術(shù)、波長轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵核心技術(shù)，結(jié)合自主設(shè)計制造的超快種子源、溫度調(diào)諧式啁啾光纖光柵等核心器件已成功推出系列化飛秒激光器產(chǎn)品，并在國內(nèi)率先實現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域批量出貨，打破了該領(lǐng)域被國外產(chǎn)品長期壟斷的局面。

目前奧創(chuàng)光子不斷迎合當(dāng)前市場對于航天航空，新能源鋰電，電子消費等高端精密行業(yè)的發(fā)展節(jié)奏壯大自身，不斷為先進制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級夯實基礎(chǔ)，促進發(fā)展。

（文章轉(zhuǎn)載自網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請聯(lián)系刪除）