BBO晶体四倍频全固态小功率紫外激光器

　　激光二极管(LD)泵浦的全固态紫外激光器具有结构紧凑、效率高和寿命长等优点。1999年陈国夫等首次采用BBO晶体获得266 nm紫外激光输出[1-2]。何京良等在2000年获得平均功率为63 mW的紫外激光,转换效率达11%[3];2005年又获得平均功率为196 mW的紫外激光,转换效率为30.1%[3-4]。同年,谭成桥等人对被动调Q激光器四倍频,得到平均功率为215 mW的紫外激光,转换效率为25.2%[5]。为了提高转换效率,在考虑晶体的损伤阈值为0.3 GW/cm2,脉冲重复频率为10 Hz情况下,一般采用对二倍频(SHG)绿光透镜会聚。但BBO晶体e光振动面和o光振动面内倍频接受角不相同,因此在考虑晶体内的功率密度和光束发散引起的相位失配共同作用的情况下,需要优化入射绿光的束腰半径。本文研究了不同功率绿光光束的束腰半径大小和四倍频(FHG)转换效率的依赖关系。测得高效率四倍频优化束腰半径,解释了产生紫外光远场椭圆形光斑以及光斑附近明暗条纹的原因。

　　1　实验装置

　　紫外四倍频实验装置如图1所示,左边虚线方框内是SHG绿光产生装置图,KTP按Ⅱ类匹配切割:入射角θ=90°,φ=23.5°,规格为3 mm×3 mm×9 mm,两端面镀增透膜。基频光为声光调Q的1 064 nm激光;通过KTP二倍频得到532 nm脉冲序列,重复频率在50~200 kHz可调。为了得到高脉冲峰值功率和好的光束质量,将重复频率设定在15 kHz。此时脉宽为32 ns,输出功率为1.15 W。图1右边为紫外实验装置。BBO按照25℃常温的Ⅰ类匹配切割:θ=47.6°,φ=0,规格为4 mm×4 mm×8 mm,两端面镀增透膜。L2为绿光会聚透镜,控制绿光束腰半径。为了保证266 nm远场光斑真实,分光棱镜采用双棱镜补偿的方式,最后对紫外输出功率进行测量。为兼顾BBO的倍频接受角和绿光功率密度,选择合适焦距的L2。倍频晶体采用温控铜热沉。

　　2　实验结果及讨论

　　2.1　二次谐波的产生

　　为了获得高SHG转换效率,将KTP放置于会聚透镜L1后的光束束腰位置处。图2所示为绿光输出功率和转换效率随基频光功率的变化。图2(a)中,随着基频光功率的增加,绿光功率呈增加趋势:当基频光从0·64 W增加到2.99 W时,绿光从0.06 W增加到1.37 W;图2(b)中,当基频光功率小于2.44 W时,转换效率随基频光功率的增加而增加;当基频光功率大于2.44 W时,转换效率随基频光功率增加而缓慢下降。

　　用CCD测量远场光斑图样,发现当基频光小于2.45 W时,绿光远场光斑为均匀的圆形;当基频光在2.45~3.00 W之间时,绿光远场光斑图样有所变形,不再是理想的圆形。图3(a)和图3(b)分别是绿光功率为2·44 W和3.00 W时的远场光斑图样。产生上述现象的原因主要是声光调Q激光器在输出较高功率时,基频光不再具有良好的模式,因而导致SHG转换效率降低。在紫外倍频实验中,为排除绿光光束质量变化对FHG转换效率的影响,将基频光保持在1.50 ~2.44 W之间,即绿光在0.48~1.15 W之间。此时绿光光束质量变化可忽略不计,测量得到绿光的光束质量因子M2为1.4。