短波長（<300nm）、短脈寬（<1ps）激光在與物質作用過程中，以其很小的熱影響作用特性，成為精密激光加工、極端科學研究的先進工具，例如在有機材料冷剝蝕、超快光譜學研究、極紫外光源產生、光參量放大器泵浦等領域有著廣泛的用途。
不同于常見的355nm皮秒、納秒紫外激光器，從1030nm紅外激光的四次諧波轉換而來的257nm深紫外飛秒激光，具備更高的空間分辨率和時間分辨率潛質，能夠推動物質結構深層次研究和特種微納材料制造，但其產生過程存在著諧波轉換效率低、非線性晶體和鍍膜易損傷等難題，一定程度制約了這種深紫外激光功率的提升和推廣應用。
奧創光子在前一代10W平均功率257nm波長飛秒激光器的產品基礎之上，通過一系列技術手段，將平均功率提升到了15W，并且顯著改善了激光光束質量，為高精度絕熱激光微加工升級了光源。
基頻光光源來自奧創型號為OR-200-IR的激光器，中心波長1030nm，輸出功率≥200W，重頻800KHz，單脈沖能量≥250μJ，脈寬約600fs，可用激光器內置的AOM控制入射到諧波發生器的基頻光功率。考慮到峰值功率較高，為了避免晶體損傷并增加后續光學元件的使用壽命，用擴束系統將紅外光斑直徑擴大至3mm(1/e^2)。SHG晶體選用尺寸為12×12×5mm3的LBO非線性晶體，通光面為12×12mm2，足夠接收擴束后的基頻光束，并鍍1030nm和515nm的增透膜；該LBO晶體切割角θ=90°，φ=0°，為非臨界相位匹配，通過嚴格控溫約195℃來滿足相位匹配條件。選擇LBO的原因是在眾多SHG晶體中其具有最高的損傷閾值，非臨界相位匹配避免了空間走離現象，非線性轉換效率通常更高，適用于飛秒激光的諧波轉換。
圖1. 基頻紅外光源的基本指標測量（光譜，脈寬，功率穩定性）
在上述的光路布局下，照射到LBO晶體的最大基頻光峰值功率密度達6GW/c㎡，有效產生了諧波轉換。經過多次微調LBO加熱爐的溫控來優化倍頻效率，在最大注入基頻光時，二倍頻光經過兩片515nmHR/1030nmAR鍍膜的雙色鏡，從殘余的基頻光中分離出來后進入后續的高次諧波發生系統，最高綠光功率達到85.10W。測量得到的綠光光束質量和光斑形貌見圖2，顯然二次諧波過程并未對二倍頻光束造成空間分布的影響，這就保障了后續四倍頻具有良好的注入光光束質量，利于提升四倍頻效率并減小光束質量的劣化。
圖2. 二倍頻綠光光束質量及光斑測量
在工程實踐中，我們的二倍頻模塊對倍頻效率和中低功率的相位匹配條件做了保留，重點關注高功率注入下的綠光性能，這也符合后面四倍頻模塊有效諧波轉換的要求。處于系統穩定性的考慮，對二倍頻激光功率穩定性做了長時間的監測，從實測數據看，其功率穩定性優于0.22%，8小時連續測量功率平均值84.6W（圖3）。
圖3. 二倍頻激光功率穩定性測量
在四次諧波發生（FHG）模塊中，除了兼顧諧波轉換的相位匹配條件，工程化方面重點解決四倍頻晶體的有效散熱，緩解倍頻晶體內部的熱透鏡效應。FHG晶體選用尺寸為10x10x0.4mm3的BBO，10×10m㎡的兩通光面鍍515nm和257nm的增透膜，切割角θ=50°，φ=0°，為一類相位匹配，無需加熱，控制在常溫300K即可。選擇BBO的原因是在眾多FHG晶體中CLBO和BBO具有更高的轉換效率，盡管CLBO比BBO有更大的可接受帶寬和更小的空間走離，但其易潮解，不是工程應用領域的最佳選項。
考慮到高峰值功率的深紫外激光在倍頻晶體中存在雙光子吸收(TPA)和自相位調制等非線性效應，因而限制了晶體長度，對于飛秒脈沖宜使用<1mm厚度的BBO晶體。如此薄的倍頻晶體在高功率基頻光輸入和有效的深紫外激光轉換下，晶體的線性和非線性吸收依然會引起晶體內部升溫，造成的熱透鏡效應直接影響深紫外激光光束質量。
為了有效散熱，我們在對BBO晶體的工程化封裝中采取了夾層設計，使BBO晶體緊密貼在同樣薄片狀的兩片鈦寶石玻璃之間；鈦寶石玻璃的熱導率比BBO晶體高近乎兩個數量級，能夠有效傳導散熱，給BBO晶體降溫。BBO前放置一半波片(λ/2@515nm)用來調整綠光的偏振態，BBO及鈦寶石玻璃夾層結構放置于一個可以精細調節傾角的裝置中，最后用兩片257nmHR/515nmAR鍍膜的雙色鏡將257nm的深紫外激光導出（圖4）。
圖4. 四倍頻光路圖
對于由綠光倍頻產生257nm的BBO晶體，走離角，深紫外波長CDG=464.7（fs2/mm）的群延遲色散，有效非線性系數deff=1.7pm/V；由于選用了0.4mm長的晶體，晶體角容差=4.5mrad，可接受溫度范圍=136.75k，可接受角度=9mard，可接受光譜帶寬=3963.5GHz。實際調試過程中，FHG的效率會隨著注入515nm激光的功率而變化，因而在逐漸增加515nm激光強度的同時，適時對BBO晶體的受光角度進行微調，直至在最大綠光注入功率下保持可接受的紫外倍頻效率。產品的開發并不以追求極致的單一技術指標為重點，而是強調激光器的整體性能指標；所以在微調BBO晶體角度來優化相位匹配程度的同時，檢測了深紫外激光束的遠場光斑分布，選取合適的受光角度來平衡倍頻效率和光束質量的要求。直接輸出的深紫外激光遠場光斑如（圖5a），光斑圓度74%，此時倍頻效率（綠光-深紫外）17.7%；而后采取了柱透鏡整形的措施，將遠場光斑圓度提升至87%（圖5b）。測得的257nm深紫外激光平均功率14.9W，6小時功率穩定性見圖6。
圖5. 四倍頻產生的深紫外激光遠場光斑：a.光束整形前; b. 光束整形后
圖6. 四倍頻深紫外激光功率穩定性測量
功率的緩慢衰減通過微調BBO晶體角度亦可恢復，這是由于晶體和鈦寶石玻璃的溫度場起伏造成的相位匹配偏移，而非倍頻晶體的損傷引起。后續通過改善倍頻晶體及其夾層結構的水冷模塊設計，輔以改進溫控程序算法，預期可保持更好的功率穩定性。
奧創光子升級的這款高平均功率深紫外飛秒激光器FLASH-DUV，平均功率近15W，單脈沖能量18.7μJ，估算峰值功率62MW。可滿足激光光譜學、生物光子學等物質檢測和生物大分子檢測應用中對短波超短脈沖激發光源的要求。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
