高效率的单频355纳米全固态紫外激光器外文翻译资料

 2022-06-11 09:06

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高效率的单频355纳米全固态紫外激光器

摘要

本文基于和频混频技术，提出了一种新型导电冷却的高能单频355 nm全固态紫外激光器。 在该系统中，由AOM调制的1064nm波长的脉冲播种激光器通过级联直接放大多级混合激光放大器和两个LBO晶体用于SHG和SFG，最终在355 nm波长处获得226 mJ的最大UV脉冲能量，频率三倍转换效率高达55％，脉冲宽度为在30Hz的重复频率下大约12.2ns。 输出深紫外激光的光束质量因子M2分别在两个正交方向上测量为2.54和2.98。

关键词：紫外线，谐波产生和混合，单频，全固态

1.介绍

高能紫外（UV）激光器因其广泛应用于工业和科学研究领域，如微加工，光谱学，医学治疗和大气遥感等而倍受关注。 特别是在快速推进的直接探测多普勒风激光雷达和气溶胶和云的高分辨率激光雷达中，传导冷却的激光二极管（LD）泵浦全固态单频355纳米紫外纳秒脉冲激光器因其它们体积小，效率高，带宽窄，光束质量好，寿命长，易于工程化等诸多优点被广泛应用。 迄今为止，获得这种高能量激光源的最有效的方法是构建高能量主振荡器功率放大器（MOPA）结构化脉冲激光器，该结构激光器以近红外1.064mu;m的高亮度工作，并且具有出色的光谱性能，常常作为基本光束和倍增部分红外激光以及随后的非线性光学晶体中的和频产生（SFG）。

2003年，Hua等人报道了一种单频355 nm紫外激光器，其线宽为90 MHz，脉冲能量为200 mJ，重复频率为20 Hz，通过三次谐波发生（THG）应用于瑞利测温激光雷达，但未提及光束质量和非线性转换效率。 Hovis等人利用II型KTP和II型LBO分别作为倍频和三倍晶体，为Goddard激光雷达激光观测站（GLOW）提供了一种50 Hz高效单频355 nm激光器，其注入Nd： YAG MOPA红外激光器作为泵源于2004年。 最大紫外光输出脉冲能量为61mJ，对应于在两个正交方向上的光束品质因数M2为3.8和3.1的总和频率转换效率52％。2007年，Zhou和Yu等人基于1064 nm注入种子驻波腔，展示了一种100 Hz单纵模（SLM）355 nm激光器，其线宽为傅里叶传输限制，脉宽为15 ns， YAG MOPA激光器，然后是II型KTP倍频器和I型BBO三倍频器。在30mJ的输出UV脉冲能量下测得其M2因子小于1.5，这对空间应用仍然不足。几乎在同一时间，Hovis等人采用导电冷却的单频超高能量注入种子的环形腔Nd：YAG锯齿形板坯MOPA激光器泵浦由两个级联LBO晶体组成的三次谐波发生器，然后获得480mJ355 nm紫外辐射输出，M2系数接近5，适用于基于空间的风激光雷达。 相对于基波的三次谐波转换效率高达54％，并且在50Hz的重复频率下脉冲持续时间为14ns。 一年后，他们还实现了用于对流层风激光雷达技术实验（TWiLiTE）的355 nm激光输出的36.5 mJ，具有49％的光 - 光转换效率（从1064 nm到355 nm）和M2因子1.5，脉冲重复率达到200 Hz，脉冲宽度为14 ns [10]。 2008年，Luttmann等人提出了一种100Hz窄线宽频率三倍注入晶种1064nm Nd：YAG Innoslab MOPA激光器和一对为THG设计的LBO晶体。 输出的355nm激光脉冲能量达到33.5mJ，最大转换效率为50.7％，M2因子为1.7，脉冲持续时间为24.9ns。

上述注射种植MOPA紫外激光器需要复杂的腔长控制技术保持单频操作，这意味着必然存在致命的潜在风险。 振动和快速温度变化会使激光振荡器不稳定，并且播种激光器的注入将失败。相应的多纵模振荡然后形成具有瞬态超高激光峰值功率的拍频，导致损坏后续的晶体功率放大器增益介质。因此，紫外激光器的工作寿命将会缩短，甚至整个激光系统可能会陷入崩溃。本文结合单频混合MOPA系统和高效率导热冷却Z字形激光放大技术，我们构建了一种新型的高能量单频355纳米紫外脉冲激光器来克服上述问题。与注入式MOPA技术相比，它具有紧凑，稳定的优点，不需要单独的主动腔长度控制以及由于声光调制而易于修改脉冲。 实验结果表明，最大355nm的UV脉冲能量为226mJ，并且重复频率转换效率为55％，重复频率为30赫兹。 紫外脉冲持续时间约为12.2 ns，355 nm激光束质量因子M2小于在两个垂直方向分别为2.54和2.98。

2.实验装置

图中示意性地显示了355 nm紫外激光系统的实验装置1。 基于红外（IR）光源，开发了一种利用多级级联混合放大结构的高能量单频窄线宽1064 nm脉冲激光器。 它由三个模块组成，光纤前置放大器链，高增益大容量前置放大器链和高能量板式功率放大器链。

在光纤前置放大器链中，使用线宽为几kHz的单频连续波（CW）NPRO 1064 nm播种机作为播种机激光器。 在通过AOM在30Hz下切入纳秒脉冲序列之后，将脉冲播种机激光器耦合到两个相同的单模掺镱光纤放大器（SM-YDFA）中以提取能量，然后通过双包层（DC） YDFA [13]。 为了增加侧模抑制比（SMSR），在最后一个光纤放大器之前插入另一个AOM。

采用传导冷却的LD端泵浦角度复用双通Nd：YVO4晶体放大器和LD端泵浦偏振复用双通Nd：YAG锯齿形板状激光放大器作为高增益大块前置放大器链来放大从光纤前置放大器输出的激光脉冲.

高能量平板功率放大器链由三个单通导电冷却Nd：YAG锯齿形平板激光放大器组成，LD放大器反射泵浦。 为了减少在高功率泵浦下的热变形并获得高光束质量，在TIR表面处从两个相反的方向交错泵浦Z字形全内反射（TIR）点并冷却与水冷铜散热器接触的晶体采用垂直平面内的铟箔。 第一块板式功率放大器采用布鲁斯特角切割，其余切割角度分别为53°和45°以及接近正常入射。 所有这三个Nd：YAG平板掺杂有1.0原子％Nd3 的晶体在TIR面上在808nm处涂覆抗反射（AR），并在端面上在1064nm处涂覆AR。 泵浦LD阵列中的每个条在QCW操作下能够在808nm波长处发射最大150W的峰值功率，并且泵浦光直接传递到相邻的增益介质中以最大化耦合效率。 LD泵浦脉冲宽度设置为150mu;s，占空比为0.45％。10个4条LD阵列，14个6条LD阵列和10个8条LD阵列分别应用于三级功率放大器。利用从功率放大器1到功率放大器3以及光学粗糙化板坯冷却面逐渐减小的节距宽度来减小寄生振荡。 随着激光能量密度的增加，三块平板晶体分别被设计成尺寸为6毫米times;6毫米times;110毫米，6毫米times;8毫米times;120毫米，8毫米times;10毫米times;110毫米，以及光束扩展以降低损坏晶体的风险。两个LBO晶体用作获得SHG和SFG输出的变频器。 倍频晶体LBO I在theta;= 90°处切割，对于I型相位匹配的phi;= 11°尺寸为12times;12times;15mm。三倍频晶体LBO II在theta;= 42.5°时切割，对于尺寸为12times;12times;15mm3的II型相位，phi;BO= 90°。 （1064nm） o（1064nm）→e（532nm），o（1064nm） e（532nm）→o（355nm）的偏振匹配。 在频率之前放置一个半波片（HWP2）倍频器用于旋转红外光源的偏振方向。 在两个LBO晶体之间插入另一个lambda;/ 2 @ 532 nm和lambda;@ 1064 nm的特殊波片，以实现三倍频器中的偏振匹配。 通过HWP1和线偏振器的组合来调节1064nm IR激光器的入射总光功率。 两个1.3times;demagni-在谐波发生器前面放下示波器用于减小光束尺寸并增加功率密度以实现高谐波产生效率。 使用具有在355nm涂覆的高反射（HR）和在1064nm和532nm涂覆AR的一对分束（BS）反射镜来分离355nm的UV光。 其余的1064nm红外光和532nm绿光由另一个BS镜分开，HR镜在1064nm处涂覆，而AR涂覆在532nm处。

3.0结果与讨论

详细研究了高能量单频355 nm紫外激光系统的输出性能。 经AOM调制后，随后的多级混合放大器逐渐放大10 nJ高光谱亮度1064 nm脉冲激光，脉冲持续时间20 ns作为播种源。 全光纤前置放大器能够生产2.4uJ脉冲能量激光器，脉冲宽度21.9 ns，超高光束质量作为下一个放大器的输入。数字2（a）描绘了在光纤放大器之后通过整个放大链的测量的放大输出IR激光脉冲能量对LD光泵浦能量。 插图表明1064 nm激光脉冲能量按指数函数放大。具有小信号增益的大容量前置放大器为10.2 mJ。 结果，相应的输出脉冲持续时间减少到17.4纳秒，光束品质因数M2为1.30，1.24分别在两个正交方向上。 放大从三个功率放大器输出的IR激光脉冲能量随着泵浦脉冲能量首先以指数形式增加，然后随着输入脉冲能量的增加而线性增加。 最大脉冲能量为540 mJ，相对于总入射泵浦能量，光 - 光效率高达19.6％。 由于每个功率放大器能量流的合理分配，在功率放大器链中没有观察到寄生振荡。 使用激光光束分析仪（Spiricon M（TM））在1064nm激光的输出激光束品质因数M2中在与480mJ的脉冲能量平行和垂直于锯齿形轴的方向上分别测量为1.77和1.91。 TF146）-200s-FW）。 图中显示了远场激光强度的测量结果和激光强度的空间分布2（b）中。IR激光器的脉冲时间特性由高速硅光电探测器（Thorlabs，DET02AFC）和数字示波器（Tektronix DP04102B，1 GHz带宽，5GS sminus;1采样率）记录。 通过调整AOM，可获得脉冲宽度为15.2ns的非常平滑的脉冲轮廓。 高精度波长计（WS-7，高精度）用于确定1064 nm激光的线宽。 测量结果如图所示3 表示拟议文书限制的小于120 MHz的线宽。 通过使用具有优异性能的基频激光器的以下非线性频率转换，自然期望高能量的355nm UV单频激光器。

通过激光束分布分析仪（Spiricon，BGS-USB-620U）测量位于倍频晶体中的1064nm激光的光斑尺寸为4.5mmtimes;4.5mm。 数字4（a）显示了532 nm绿色激光器的测量脉冲能量和倍频效率随功率的变化与入射1064 nm红外激光峰值功率密度。 当通过旋转晶体中光束尺寸不变的HWP1增加注入到LBO晶体中的IR激光脉冲能量时，由于基波峰值功率密度的增加，二次谐波能量和SHG效率正在增加。 在418 mJ 1064 nm激光脉冲入射条件下，对应峰值功率密度为271.60 MW cmminus;2，获得最大脉冲能量为224.67 mJ的绿光激光，倍频效率为53.75％。 在SHG过程中没有观察到饱和和反转换。如图所示4（b）中，532nm激光束质量因子M2分别在两个正交方向上分别为2.32和2.50。由于脉冲中心的入射IR激光功率密度较高，因此脉冲宽度比脉冲宽度更高，因此532nm绿色激光的脉冲持续时间缩短至10.8 ns。

其余的1064 nm激光器及其SHG光束通过和频混频器输入到频率三倍的LBO晶体中，以产生355 nm紫外激光。 数字5（a）描述了入射IR激光峰值功率密度和UV脉冲能量以及和频之间的测量关系

转换效率。结果表明，随着入射红外激光峰值功率密度的增加，紫外激光脉冲能量和和频效率都会增加。 当入射的1064nm激光峰值功率密度达到264MW cmminus;2时，最大脉冲能量为226mJ，最大和频转换效率为55.3％，对应于IR激光器。 数字5（b）显示，在347 s内平均脉冲能量为218 mJ时，355 nm激光脉冲能量的相对标准偏差约为0.72％。 由于在不对非线性晶体施加主动温度控制的情况下测量当前的UV激光能量稳定性，如果将LBO晶体放置在恒温炉中，则预期UV激光脉冲能量的更高稳定性。355 nm紫外激光的光束质量因子M2测量水平和垂直方向分别为2.54和2.98。 图中显示了UV激光束质量的测量结果6（一个）。通过THG，355nm紫外激光器的脉冲宽度稍微变宽至12.2ns。数字6（b）比较了来自SHG的入射1064nm IR激光，532nm绿色激光和来自SFG的355nm UV激光的测量脉冲持续时间。 如果没有时间依赖的强度调制和多纵模拍频，高度平滑的355 nm紫外激光脉冲波形显示其在单频SLM体制下的成功运行。单频355 nm紫外激光器的实际线宽由于缺乏合适的测量仪器而未被测量，但预计为基本激光脉冲线宽的三分之一左右，355 nm紫外激光器输出应该在SLM中工作，因为它是由窄线宽单频基本1064nm脉冲激光器通过腔外频率三倍法产生的。

4.结论

总之，高频单频355纳米脉冲紫外激光器是基于高频三倍频来演示的。能量单频1064 nm脉冲激光通过多级混合放大器实现。 从由一对LBO晶体组成的三次谐波发生器获得对应于频率三倍效率超过55％的最高UV脉冲能量226mJ。 观察到的紫外激光脉冲轮廓非常平滑，脉冲持续时间为12.2ns，重复频率为30Hz。 这种传导冷却的全固态紫外激光器在不失谐分离腔镜的情况下，具有光谱亮度高，效率高，体积小，稳定性好，易于工程化等优点。 它也将成为空基多普勒风激光雷达的理想光源。

LD泵浦被动调Q Nd：YAG激光器产生高功率，高重复率的355nm紫外光

近年来，UV区域中的短波长相干辐射已经引起了快速成型，激光打印，激光打标，激光切割，激光焊接，光谱学，光学数据存储和医疗等多种应用的广泛关注。近年来而激光激光泵浦激光器的开发和商业化，主要集中在红外和可见光。要将这种技术应用于对许多技术和医学应用很重要的紫外线范围，必须采用高效的频率转换的方法。在近红外范围内工作的全固态激光器的非线性光学转换时当前紫外光产生的一种非常有效的方法。与传统的UV激光器相比，二极管泵浦固态UV机关器具有结构紧凑，效率高，寿命长，稳定性高等优点，为了提高非线性频率转换效率，有必要增加非线性晶体中基波波长的功率密度，因此当焦点不能减少时，高峰值功率调Q或者锁模红外激光器时最佳选择，在Q开光脉冲发生的方法中，被动调Q与需要高电压的有源Q开关激光器相比有许多突出的优点。目前，常见的无源Q开关方法是理由Cr：YAG作为可饱和吸收晶体获取高峰值

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