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5 W 连续波 355nm 光纤激光器

连续波355 nm紫外激光凭借其短波长、高光子能量及低热效应等特性,在精密加工、半导体制造与检测、科学研究等领域具有重要的应用价值。使用1064 nm激光三倍频是当前获得高功率窄线宽355 nm激光的主流技术路线。
由于连续波激光频率变换的效率较低,为提升倍频效率,连续波激光倍频通常采用外腔谐振方案。但谐振腔对腔长与空间模式的严苛要求会使系统结构复杂化,在提升转换效率的同时,也带来了系统成本上升、鲁棒性与稳定性下降的问题。相较于外腔谐振方案,外腔单通方案结构简洁紧凑。近期,团队基于光纤激光采用全单通结构三倍频实现了5 W的连续波355 nm激光输出,并研究了不同相位匹配类型的LBO晶体对获得355 nm激光的影响。
5 W 连续波 355nm 光纤激光器
图1. 高功率 355 nm 激光产生系统
实验装置如图1所示,在1064 nm激光产生阶段采用带宽为5 GHz的白噪声信号对单频种子激光进行线宽展宽。降低了功率谱密度,实现了对SBS的有效抑制,经光纤放大器获得了功率为294.15 W的1064 nm激光。在倍频过程中,选用高损伤阈值的LBO晶体作为倍频晶体,并通过对晶体温度的控制实现I类非临界相位匹配,单通倍频产生了54 W的连续波532 nm激光,532 nm激光输出功率和效率曲线如图2所示。
5 W 连续波 355nm 光纤激光器
图2. 532 nm的输出功率与转换效率
在和频过程中,分别使用I类和II类临界相位匹配LBO晶体作为和频晶体,产生的355 nm 激光的输出功率和效率曲线以及光斑形貌如图3所示。使用I类相位匹配LBO晶体,在基频激光功率为294.15 W时,获得了5.01 W的最大355 nm输出功率,1064-355 nm光-光转换效率为1.7%。在相同泵浦条件下,在II类LBO晶体中仅获得了最大输出功率0.99 W的355 nm输出功率,对应的光-光转换效率为0.34%。这种显著的性能差异是由晶体两种相位匹配类型所对应的不同走离效应和非线性系数导致的。
5 W 连续波 355nm 光纤激光器
5 W 连续波 355nm 光纤激光器
图3. 355 nm的输出功率与转换效率;插图为输出光斑形貌
为了提高I类LBO晶体中获得的激光的光束质量,我们使用了一块长焦距平凸透镜对光束在水平方向进行准直,并在垂直方向进行聚焦。随后,采用了一个放大倍率为5.3的平凸柱面镜组对竖直方向进行扩束。在两个柱面镜之间的焦平面处放置一个可调狭缝进行空间滤波,抑制了竖直方向的高频成分,最终的光束质量因子如图4所示。该空间滤波过程仅导致了11.7%的激光功率损耗,显著改善了光束质量。
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图4. I类LBO晶体输出的355 nm激光进行整形并滤波后的光束质量;插图为对应的光斑形貌
对获得的窄线宽连续波355 nm激光进行了2小时功率稳定性测量,结果如图5所示。I类LBO晶体产生的355 nm激光两小时功率RMS为0.73%,II类LBO晶体产生的355 nm激光两小时功率RMS为1.14%。这种稳定性差异主要归因于两类晶体温度接受带宽的不同,相比于II类LBO,I类LBO具有更大的温度接受带宽。
5 W 连续波 355nm 光纤激光器
图5. 355 nm紫外激光的2小时功率稳定性
以上工作以“Robust 5 W continuous­wave 355 nm laser by single­pass third harmonic generation in LBO crystals”为题发表于Optics Express上。
原文链接:https://doi.org/10.1364/OE.592453

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