前言：

在福州由于福建物構所的存在培養出了豐富的 晶體生長，晶體鍍膜，晶體冷加工企業，比如物構所直屬的福晶科技 ，騰景科技 ，當然還包括我本人曾經的工作單位 也是做晶體起家， 晶體在光學領域具有巨大的作用，舉幾個例子，本人曾經曾參與做過的梳狀濾波器，隔離器，固體激光器，紫外激光器等項目。令我印象深刻的是不同于傳統的1064 1550，980，808激光器，直接有現成的芯片，可以提供光源， 310 ，266，355，193，532等很多紫外和其他波長的激光器是通過 晶體的非線性效應二倍頻，四倍頻效應得到，除了我們比較常見的綠光激光器532nm激光器的獲取外，還有下述紫外波長激光器的獲取。

比如本文的310 nm 紫外固體拉曼激光器，是通過 1064的光通過LBO晶體倍頻為 620的光，然后再通過BBO晶體倍頻為310nm的光。實現310nm的光的輸出。M2是一個通過1064nm光，反射620光的一個二向色鏡

再比如910nm的激光通過LBO晶體倍頻為457nm,然后457nm的光通過BBO晶體倍頻為228nm波長的光。實現228nm光的輸出。Ma和Mb是透過457反射914和透過228和反射257的二向色鏡子

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本文來自：上海光機所

310 nm 紫外固體拉曼激光器

摘要利用偏硼酸鋇（BBO）倍頻晶體，實現了 1064 nm 激光泵浦金剛石拉曼激光器的高重復頻率紫外激光脈沖輸出。搭建了腔內倍頻金剛石拉曼激光器，實現了 620 nm 激光輸出。當 1064 nm 泵浦光的功率為 4.0 W 時，620 nm 輸出激光的功率為 550 mW，轉換效率約為 13.7%。通過 BBO 晶體腔外倍頻，獲得了平均功率約為 48 mW 的 310 nm紫外激光脈沖輸出，脈沖重復頻率為 2 kHz，脈沖寬度約為 761.8 ps，倍頻效率約為 8.7%。

1　引言

臭氧是大氣中重要的微量氣體之一,其濃度變化對地球接收到的太陽輻射總量、大氣環流、人類健康等有著重要的影響!。因此,大氣中的臭氧濃度垂直分布探測及其變化趨勢預判引起了廣泛的關注。利用差分吸收紫外激光雷達技術探測大氣臭氧垂直分布線,具有高測量精度、高時空分辨率、可實時獲取等優點[4-6]

紫外激光源是差分吸收臭氧濃度探測激光雷達的核心單元,近年來已有多家科研機構開展不同技術路線的紫外激光光源研發!8]。但是,波長為 300 nm的臭氧濃度探測激光雷達發射光源的研發工作鮮有報道相比于 300 nm 以下的波長,波長為 300~320 nm的激光具有較小的臭氧吸收截面積,能夠穿透更長的距離，可以直接穿過對流層,具有獲取平流層臭氧濃度分布廓線的能力。另外,激光雷達探測的有效距離和信噪比也與發射光源的輸出能量有關,因此研制波長為300~320nm的大能量紫外發射光源對于提升差分吸收臭氧濃度探測激光雷達的探測性能具有重要意義。另一方面,需要考慮太陽輻照產生的背景噪聲對差分吸收臭氧濃度探測雷達信噪比的影響,在300~320 nm 波長范圍內,隨著波長的增加,太陽光輻照強度逐漸增大”,由此產生的背景噪聲會對臭氧濃度的探測精度產生一定的影響。因此,本文針對差分吸收臭氧濃度探測雷達對發射光源的應用需求,利用信頻晶體實現了 1064 nm泵浦金剛石拉曼激光器的 310 nm紫外脈沖激光輸出。

早期獲取 300~320nm紫外脈沖激光的方法是利用XeC1準分子激光器,但是準分子激光器包含有毒氣體(鹵素),成本高昂,且需要高壓維持運行!。隨著非線性光學技術的發展,光參量振蕩(OPO)技術成為實現紫外脈沖輸出的常用技術手段。以532nm激光器作為泵浦光源搭建光參量振蕩器,并對輸出信號光與泵浦光進行和頻處理,能夠實現激光器在300~320 nm波長范圍內的可調諧輸出"”。這種方式可以靈活地調節紫外激光器的波長,但會導致整個系統復雜,降低轉換效率。相比于光參量振蕩技術,固體拉曼激光器具有不需要相位匹配、光東質量好等優勢,逐潮成為固體激光領域的研究熱點“24。并且,與其他拉曼增益介質相比,金剛石品體拉曼頻移量大,拉曼增益系數和熱導率高,光譜透過范圍寬,這使得金剛石拉曼振蕩器在獲得高功率激光輸出方面具有巨大的應用潛能[57]。近年來,已有多家科研機構將金剛石拉曼激光器與倍頻技術相結合,實現了620 nm激光輸出。2017年,Nikkinen等[8]對金剛石拉曼激光器進行腔外倍頻,實現了620nm皮秒激光輸出,平均功率為128 mW。2019年，Yang等[采用腔內倍頻的方式搭建了準連續金剛石拉曼激光器,實現了620 nm準連續激光輸出,平均輸出功率為38W。然而,脈沖運轉620 nm腔內倍頻金剛石拉曼激光器鮮有報道,相比于其他620nm激光器結構,其可以明顯提升倍頻效率。另外,通過在金剛石拉曼諧振腔內插入倍頻晶體,引人非線性損耗,可以抑制脈沖運轉時腔內一階斯托克斯Stokes)光由于功率密度過高而向二階 Stokes光的轉化,從而有效地保證 1240 nm一階 Stokes光及 620 nm倍頻光的轉換效率。

本文以金剛石拉曼激光器腔內倍頻620nm脈沖激光器作為基頻光源,在脈沖重復頻率為2kHz的情況下,獲得了平均功率為48 mW的 310 nm脈沖紫外激光輸出,脈沖寬度約為762ps,倍頻效率約為8.7%。

2 實驗裝置

310nm紫外激光器光路示意圖如圖1所示，其中BBO為偏硼酸鋇,LBO為LiBO。激光器主要由三部分組成,即1064 nm泵浦激光器、腔內倍頻拉曼激光器倍頻器。實驗采用自行研制的Nd:YAG晶體激光放大器作為腔內倍頻金剛石拉曼激光器的泵浦光源!1,泵浦光源經過一個半波片,目的是將泵浦光的偏振方向調整到<111>方向,從而使得金剛石拉曼增益系數最大。隨后利用一個焦距為f200 mm的聚焦鏡聚焦泵浦光,金剛石品體處泵浦光的光斑直徑約為0.4 mm,金剛石品體處泵浦光的峰值功率密度約為 159 MW/cm’小于金剛石品體的膜層損傷閾值500 MW/cm’。

M1為金剛石拉曼諧振腔的輸入腔鏡,是平凹鏡,曲面的曲率半徑為R--200 mm,鍍有 1064 nm高透膜及 1240 nm和 620 nm 高反膜。

M2是平面鏡,為諧振腔的輸出腔鏡,鍍有 1064 nm和 620 nm 高透膜及 1240 nm高反膜同時鍍有 1485 nm增透膜以抑制二階拉曼光產生。

幾何腔長設計為5cm,腔模束腰位置光斑直徑約為0.38 mm,泵浦激光光斑半徑比腔模束腰略大,從而有效提高轉換效率且實現基橫模拉曼光輸出。

圖 1 310 nm 紫外激光器光路示意圖

常用拉曼晶體的關鍵物理特性及拉曼參數特性如表1所示,對比結果表明,金剛石品體不僅具有最大的拉曼增益系數和拉曼頻移,同時,金剛石晶體的寬光譜范圍、極高的熱導率和較低的熱膨脹系數使其相比于其他拉曼增益品體能夠承受更高的泵浦功率。因此在本文的實驗中,拉曼增益介質選用金剛石品體,尺寸為2 mmx2 mmx7 mm,晶體的兩個端面涂覆 1064、1240、1485 nm 抗反射(AR)介質膜。金剛石晶體放置于紫銅熱沉中，通過循環通水進行散熱。

表1　常見拉曼晶體的特性對比

對于波長為1240 nm的拉曼光倍頻的非線性晶體，選用LBO晶體，采用I類相位匹配方式以提高轉換效率。經理論計算，LBO晶體在1240 nm波長處的倍頻走離角為3.74 mrad，走離角較小，因此選用LBO晶體作為波長為1240 nm的拉曼光的倍頻晶體。雖然LBO晶體的非線性系數較小，為0.824 pm/V，但是可以通過延長LBO晶體的長度進行補償。

在小信號近似下，單程倍頻效率可以表示為：

式中:L為晶體長度;d.為倍頻晶體的有效非線性系數;P為人射光的基頻功率;和n,分別為基頻光和倍頻光在倍頻晶體中的折射率;為基頻光波長;為真空中光的傳播速度;為真空介電常數;Ak為相位失配量。

根據式(1)可知,倍頻效率正比于基頻光功率密度,因此聚焦光斑尺寸原則上應盡可能小。但實際上光束發散角與聚焦光斑尺寸成反比，并且BBO晶體接收角較小,如果發散角超出倍頻晶體相應的接收角度范圍,其頻率轉換效率反而會下降,因此聚焦光斑的尺寸和發散角之間存在制約的關系。對于長度為工的晶體,需要滿足聚焦條件:

式中:ω。為晶體處的束腰光斑半徑;n為折射率。對于本文實驗所用的BBO晶體,經計算最佳聚焦光斑半徑為40 μm。但是如此小的聚焦光斑將造成品體膜層的損傷(BBO晶體膜層的損傷值約為900 MW/cm)也會導致較大的發散角,不利于倍頻效率的提高。因此,在本文的實驗中,將基頻光在倍頻晶體處的光斑大小控制在 0.4 mm左右。

目前常用的可用于 620 nm 激光倍頻產生 310 nm紫外光的倍頻晶體特性如表2所示,有LBO、BaB,O(BBO)RbBe,BOF,(RBBF)和KBeBOF(KBBF)晶體等?？梢钥闯?BBO晶體雖然走離角較大,但其非線性系數是其他晶體的4~5倍,且具有較高的損傷閾值。因此,綜合考慮,本文選擇BBO晶體作為產生310 nm 激光的倍頻晶體。

表 2　用于產生 310 nm 紫外激光的倍頻晶體特性

波長為 1240 nm的拉曼光的倍頻晶體選用LBO晶體,尺寸為4mmx4 mmx10 mm,切割角為085.8°和 p一0°,晶體兩端鍍有 1064、1240、620 nm增透膜,采用非臨界相位匹配方式。LBO晶體放置于紫銅熱沉中,使用半導體制冷器(TEC)對紫銅熱沉進行溫度控制,設定溫度為37.1℃,結合溫度控制系統,LBO晶體的溫度保持穩定。將IBO晶體旋轉35,從而使泉浦光偏振方向與由LBO光軸和泵浦光能流方向組成的平面平行。在激光脈沖輸出光路中插入腔鏡M4和 M5,用于濾除殘余的 1064 nm泵浦光和 1240 nm 拉曼光，便于在后續的光路中對620 nm光進行倍頻處理。

BBO晶體的尺寸為4mmX4mmX7mm,兩個端面鍍有 620 nm 和 310 nm增透膜,側面用銦包裹,被夾持置于紫銅熱沉中,由于BBO晶體的折射率具有較好的溫度穩定性,僅采用了被動散熱方式(自然散熱)在 620 nm行進光路中,用焦距為f-160 mm 的鏡片進行聚焦，使得BBO晶體處的聚焦光斑直徑約為0.4 mm。

最終,當620 nm基頻光功率為550 mW時:BBO晶體處的峰值功率密度約為104 MW/cm’，小于BBO晶體膜層的損傷閩值(500MW/cm)。用一片半波片調整 620 nm 激光的偏振方向,使之與由 BBO 晶體的光軸方向和泵浦光能流方向組成的平面平行，從而BBO晶體具有最大的有效非線性系數,用SNLO軟件計算得出BBO晶體的切割角為0-38.9°,非線性系數為 1.9 pm/V。倍頻后用石英棱鏡分離 620 nm基頻光和 310 nm 紫外光。

3.結果與討論

620 nm紅光功率和轉換效率隨1064 nm基頻光功率的變化如圖2所示,620nm光功率值約為2W，當1064 nm泵浦光功率為4W時,620nm光功率為550mW轉換效率約為 13.7%。

圖2　620 nm光功率隨泵浦功率的變化

當620 nm 光功率為 550 mW時,光譜儀測得的輸出光譜如圖3所示,中心波長為620.1 nm,光譜線寬為0.03 nm,已經小于光譜儀的最小分辨率極限。當620 nm紅光的輸出功率為550mW時,用光束輪廓分析儀測得的 620 nm 紅光和 1064 nm泵浦光的光斑分別如圖4(a)、(b)所示,可以看出,由于金剛石拉曼激光器具有光束自凈化特性2,620nm拉曼倍頻光束質量明顯優于 1064 nm泵浦光。

3　輸出功率為 550 mW 時 620 nm 紅光的輸出光譜

圖 4 620 nm 紅光輸出功率為 550 mW 時的光斑圖。（a） 620 nm紅光；（b） 1064 nm 泵浦光

310nm紫外激光功率隨620nm基頻光功率的變化如圖5所示，當620 nm光功率為550mW時,310 nm激光功率為48mW,倍頻效率約為8.7%。倍頻效率較低的原因如下:BBO晶體走離角較大、接收角較小，相對容易導致相位失配現象。

圖 5 310 nm 倍頻光功率隨 620 nm 光功率的變化

利用光譜儀對紫外激光的光譜特性進行測量，測得的 310 nm 光譜如圖6所示,中心波長為 309.8 nm,光譜線寬約為 0.16 nm,小于光譜儀的最小分辨率極限(1 nm)

圖6　310 nm紫外光的輸出光譜

利用雙堿光電倍增管、硅基光電二極管及帶寬為1 GHz的示波器分別測試了620 nm 和310 nm激光的脈沖波形，如圖7所示。310 nm激光脈沖寬度約為762 ps，相比于620 nm激光脈沖的脈寬（1.9 ns），有明顯的脈寬壓窄的現象。由于1064 nm激光為多縱模運轉，因此1240 nm拉曼光、620 nm倍頻光及310 nm紫外激光都有尖峰調制現象。

圖7　620 nm基頻光和310 nm倍頻光的脈沖波形

4　結論

在自主設計的2 kHz重復頻率腔內倍頻620 nm波長金剛石拉曼激光器中，利用BBO晶體進行腔外倍頻，成功獲得了310 nm紫外激光脈沖輸出。當620 nm基頻光功率為550 mW時，310 nm倍頻光功率為48 mW，倍頻效率約為8.7%，紫外脈沖寬度約為762 ps。由于目前腔內1064 nm泵浦光和1240 nm拉曼光的峰值功率密度均遠低于金剛石和BBO晶體的膜層損傷閾值，通過提高620 nm激光功率，有望進一步提升310 nm激光功率和倍頻轉換效率，以滿足差分吸收臭氧濃度探測雷達對發射光源的性能要求，并有效提升激光雷達探測的有效距離和信噪比。