用于制备体布拉格光栅的330nm紫外全固态激光器新成果|奥创光子
发布时间：2023-08-17 来源：奥创光子
体布拉格光栅作为紧凑的色散器件，可用于啁啾脉冲放大激光系统中实现脉冲展宽或压缩的功能，尤其是大色散量的体布拉格光栅能够将啁啾脉冲展宽到数百皮秒（或将数百皮秒啁啾脉冲压缩至飞秒），支持了大能量超短脉冲激光系统的运行。
体布拉格光栅脉冲展宽器（或压缩器）结构紧凑、组装便捷、调试简单，是紧凑型飞秒激光系统的最佳色散补偿器件之一，因而奥创光子致力于将其制作和应用技术提升到关键战略元器件的高度，体布拉格光栅的制备工艺及相关制备、检测设备也是奥创光子布局的外围关键器材。
体光栅基质热光玻璃（PTR玻璃）的光学特性决定了其对波长325nm的紫外光最为敏感，因而325nm波长紫外激光器是紫外曝光刻写体光栅的有效光源；传统制作体光栅的紫外光源采用波长匹配的氦镉激光器，这种气体激光器使用寿命较固体激光器短，且日常维护复杂。从制作设备的稳定性、可靠性角度出发，奥创光子采用固体激光方案研发了波长接近热光玻璃吸收峰的330nm固体紫外激光器，即将开展基于此激光器的热光玻璃内部光栅刻写实验。除此应用之外，波长330nm紫外激光器也是能够在纳离子导星应用中有效产生单光子激发的光源。
奥创光子固体激光实验室开发的330nm波长紫外激光基于Nd:YAG激光晶体的1319nm红外激光辐射形成的基频激光。该波长基频光经过二倍频、四倍频过程，可输出四倍频的330nm紫外激光。
图1.330nm紫外激光器实验装置示意图
这种全固态紫外激光器的实验装置如图1。激光器基本结构为侧面泵浦的直线谐振腔，内置声光调制器作为Q开关实现1319nm激光的调Q脉冲输出，便于提升倍频效率。端镜M1、M2构成激光谐振腔，其中M1是曲面曲率半径500mm的平凸镜，凸面作为谐振腔反射腔镜，镀膜1319nm反射率>99.5%，900~1100nm波段反射率<0.5%；M2是曲面曲率半径500mm的平凸镜，凸面作为谐振腔反射腔镜，镀膜 900~1100nm波段反射率<0.5%，1319nm反射率~90%，成为1319nm激光谐振腔的输出腔镜。
设计这种双凸谐振腔的出发点在于提升腔内振荡模体积，同时这种非稳腔可以支持较好的输出横模模式，实现基模激光振荡。泵浦源采用2个808nm侧泵Nd:YAG模块，每个模块激光棒侧面有3个808nm半导体激光器阵列，每一个阵列有四个20W功率的808nm的半导体激光器，构成了总泵浦光功率480W的侧泵系统。侧泵Nd:YAG模块中的Nd:YAG激光棒尺寸φ 3 mm × 80 mm，钕离子掺杂原子百分比0.6%，激光晶体两端镀覆盖1064nm及1319nm的AR膜（R<0.2%），杜绝自激振荡；两个激光模块之间装有旋光90°的石英片，目的是补偿热效应引起激光晶体的双折射效应。
调Q元件采用1.3um波段声光开关。M3是镀金的衍射光栅，衍射效率>85%，具有高刻线密度，能够将发射谱接近的两个波长1319nm、1338nm的光线以一定的角度朝不同方向衍射，起到了选波长的作用；同时衍射光栅的偏振特性也可以作为谐振腔内的起偏器件，使激光谐振输出线偏振光。将调Q重复频率设置为与泵浦源的脉冲泵浦频率一致，在1KHz重复频率时1319nm激光输出功率随侧泵模块泵浦电流变化如图2，输出激光的光束质量测量如图3，可见M2值在最大输出功率下能够保持在~1.60，维持了基横模输出，为后续的激光谐波转换提供了较好的光强空间分布。
图2.在1319nm激光输出功率随侧泵模块泵浦电流变化图
图3.波长1319nm输出激光的光束质量测量
倍频系统包括了二倍频光路和四倍频光路。期中二倍频的基频光聚焦透镜f1焦距300mm，LBO1是4╳4╳45mm3LBO倍频晶体，采用II 类非临界相位匹配(θ = 1.9°, ϕ = 0°)，相位匹配温度42℃。f1汇聚光束腰斑在LBO1晶体中间位置，晶体两端面镀1319nm和660nm的AR膜（R<0.2%）。
45°放置的M4平面反射镜镀膜1319nm HR(R>99%)，用于将基频光导入倍频光路；平面双色膜反射镜M5和M6镀以45℃入射1319nm HT(T>98%)和660nm HR（R>99%），可以滤除二倍频过程残余的红外基频光，保持仅有660nm红光进入四倍频光路。λ/2是660nm的1/2波片，用于调整四倍频之前的光场偏振方向；f2和f3构成望远镜系统，使660nm激光束光斑减小为原来光斑的1/2（半径~350um）；这样经过整形的光束入射到对660nm激光进行二倍频的LBO晶体（4╳4╳30mm3）LBO2上，采用Ⅰ类相位匹配(θ = 90°, ϕ = 49.7°)实现四倍频的谐波转换。
图4.330nm紫外激光功率随着1319nm基频光功率变化动力学曲线
使用石英楔形镜wedge对穿过LBO2的红光/紫外混杂光束进行折射，以分开两束光的传播方向，实现分光的目的。激光功率计监测紫外光的平均功率，旋转λ/2，使330nm四倍频激光输出功率最高。图4是330nm紫外激光功率随着1319nm基频光功率变化动力学曲线。图5、图6分别是330nm脉宽及远场光斑的测量图、330nm紫外激光功率0.65W，能够满足光刻等精密干涉曝光应用的需求。
图5. 紫外激光脉冲时序特性测量
图6. 紫外激光光斑图样（可见光相机拍摄）
奥创光子自2018年创立以来，公司已申请100余项专利，已掌握了高能高功率飞秒脉冲放大技术、啁啾体布拉格光栅色散补偿技术、波长转换等关键核心技术，结合自主设计制造的超快种子源、温度调谐式啁啾光 纤光栅等核心器件已成功推出系列化飞秒激光器产品，并在国内率先实现工业领域批量出货，打破了该领域被国外产品长期垄断的局面。目前奥创光子不断迎合当前市场对于航天航空，新能源锂电，电子消费等高端精密行业的发展节奏壮大自身，不断为先进制造产业转型升级夯实基础，促进发展。
