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體布拉格光柵作為緊湊的色散器件，可用于啁啾脈沖放大激光系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)脈沖展寬或壓縮的功能，尤其是大色散量的體布拉格光柵能夠?qū)⑦泵}沖展寬到數(shù)百皮秒（或?qū)?shù)百皮秒啁啾脈沖壓縮至飛秒），支持了大能量超短脈沖激光系統(tǒng)的運(yùn)行。

體布拉格光柵脈沖展寬器（或壓縮器）結(jié)構(gòu)緊湊、組裝便捷、調(diào)試簡(jiǎn)單，是緊湊型飛秒激光系統(tǒng)的最佳色散補(bǔ)償器件之一，因而奧創(chuàng)光子致力于將其制作和應(yīng)用技術(shù)提升到關(guān)鍵戰(zhàn)略元器件的高度，體布拉格光柵的制備工藝及相關(guān)制備、檢測(cè)設(shè)備也是奧創(chuàng)光子布局的外圍關(guān)鍵器材。

體光柵基質(zhì)熱光玻璃（PTR玻璃）的光學(xué)特性決定了其對(duì)波長(zhǎng)325nm的紫外光最為敏感，因而325nm波長(zhǎng)紫外激光器是紫外曝光刻寫體光柵的有效光源；傳統(tǒng)制作體光柵的紫外光源采用波長(zhǎng)匹配的氦鎘激光器，這種氣體激光器使用壽命較固體激光器短，且日常維護(hù)復(fù)雜。從制作設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性角度出發(fā)，奧創(chuàng)光子采用固體激光方案研發(fā)了波長(zhǎng)接近熱光玻璃吸收峰的330nm固體紫外激光器，即將開展基于此激光器的熱光玻璃內(nèi)部光柵刻寫實(shí)驗(yàn)。除此應(yīng)用之外，波長(zhǎng)330nm紫外激光器也是能夠在納離子導(dǎo)星應(yīng)用中有效產(chǎn)生單光子激發(fā)的光源。

奧創(chuàng)光子固體激光實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的330nm波長(zhǎng)紫外激光基于Nd:YAG激光晶體的1319nm紅外激光輻射形成的基頻激光。該波長(zhǎng)基頻光經(jīng)過(guò)二倍頻、四倍頻過(guò)程，可輸出四倍頻的330nm紫外激光。

圖1.330nm紫外激光器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

這種全固態(tài)紫外激光器的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1。激光器基本結(jié)構(gòu)為側(cè)面泵浦的直線諧振腔，內(nèi)置聲光調(diào)制器作為Q開關(guān)實(shí)現(xiàn)1319nm激光的調(diào)Q脈沖輸出，便于提升倍頻效率。端鏡M1、M2構(gòu)成激光諧振腔，其中M1是曲面曲率半徑500mm的平凸鏡，凸面作為諧振腔反射腔鏡，鍍膜1319nm反射率>99.5%，900~1100nm波段反射率<0.5%；M2是曲面曲率半徑500mm的平凸鏡，凸面作為諧振腔反射腔鏡，鍍膜 900~1100nm波段反射率<0.5%，1319nm反射率~90%，成為1319nm激光諧振腔的輸出腔鏡。

設(shè)計(jì)這種雙凸諧振腔的出發(fā)點(diǎn)在于提升腔內(nèi)振蕩模體積，同時(shí)這種非穩(wěn)腔可以支持較好的輸出橫模模式，實(shí)現(xiàn)基模激光振蕩。泵浦源采用2個(gè)808nm側(cè)泵Nd:YAG模塊，每個(gè)模塊激光棒側(cè)面有3個(gè)808nm半導(dǎo)體激光器陣列，每一個(gè)陣列有四個(gè)20W功率的808nm的半導(dǎo)體激光器，構(gòu)成了總泵浦光功率480W的側(cè)泵系統(tǒng)。側(cè)泵Nd:YAG模塊中的Nd:YAG激光棒尺寸φ 3 mm × 80 mm，釹離子摻雜原子百分比0.6%，激光晶體兩端鍍覆蓋1064nm及1319nm的AR膜（R<0.2%），杜絕自激振蕩；兩個(gè)激光模塊之間裝有旋光90°的石英片，目的是補(bǔ)償熱效應(yīng)引起激光晶體的雙折射效應(yīng)。

調(diào)Q元件采用1.3um波段聲光開關(guān)。M3是鍍金的衍射光柵，衍射效率>85%，具有高刻線密度，能夠?qū)l(fā)射譜接近的兩個(gè)波長(zhǎng)1319nm、1338nm的光線以一定的角度朝不同方向衍射，起到了選波長(zhǎng)的作用；同時(shí)衍射光柵的偏振特性也可以作為諧振腔內(nèi)的起偏器件，使激光諧振輸出線偏振光。將調(diào)Q重復(fù)頻率設(shè)置為與泵浦源的脈沖泵浦頻率一致，在1KHz重復(fù)頻率時(shí)1319nm激光輸出功率隨側(cè)泵模塊泵浦電流變化如圖2，輸出激光的光束質(zhì)量測(cè)量如圖3，可見M2值在最大輸出功率下能夠保持在~1.60，維持了基橫模輸出，為后續(xù)的激光諧波轉(zhuǎn)換提供了較好的光強(qiáng)空間分布。

圖3.波長(zhǎng)1319nm輸出激光的光束質(zhì)量測(cè)量

倍頻系統(tǒng)包括了二倍頻光路和四倍頻光路。期中二倍頻的基頻光聚焦透鏡f1焦距300mm，LBO1是4╳4╳45mm3LBO倍頻晶體，采用II 類非臨界相位匹配(θ = 1.9°, ? = 0°)，相位匹配溫度42℃。f1匯聚光束腰斑在LBO1晶體中間位置，晶體兩端面鍍1319nm和660nm的AR膜（R<0.2%）。

45°放置的M4平面反射鏡鍍膜1319nm HR(R>99%)，用于將基頻光導(dǎo)入倍頻光路；平面雙色膜反射鏡M5和M6鍍以45℃入射1319nm HT(T>98%)和660nm HR（R>99%），可以濾除二倍頻過(guò)程殘余的紅外基頻光，保持僅有660nm紅光進(jìn)入四倍頻光路。λ/2是660nm的1/2波片，用于調(diào)整四倍頻之前的光場(chǎng)偏振方向；f2和f3構(gòu)成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，使660nm激光束光斑減小為原來(lái)光斑的1/2（半徑~350um）；這樣經(jīng)過(guò)整形的光束入射到對(duì)660nm激光進(jìn)行二倍頻的LBO晶體（4╳4╳30mm3）LBO2上，采用Ⅰ類相位匹配(θ = 90°, ? = 49.7°)實(shí)現(xiàn)四倍頻的諧波轉(zhuǎn)換。

使用石英楔形鏡wedge對(duì)穿過(guò)LBO2的紅光/紫外混雜光束進(jìn)行折射，以分開兩束光的傳播方向，實(shí)現(xiàn)分光的目的。激光功率計(jì)監(jiān)測(cè)紫外光的平均功率，旋轉(zhuǎn)λ/2，使330nm四倍頻激光輸出功率最高。圖4是330nm紫外激光功率隨著1319nm基頻光功率變化動(dòng)力學(xué)曲線。圖5、圖6分別是330nm脈寬及遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的測(cè)量圖、330nm紫外激光功率0.65W，能夠滿足光刻等精密干涉曝光應(yīng)用的需求。

圖6. 紫外激光光斑圖樣（可見光相機(jī)拍攝）