张诗梦，崔 源，贾 真，王 浩，岱 钦

(沈阳理工大学 理学院，沈阳110159)

紫外固体激光器具有光子能量高、脉宽短、分辨率高等特点，在材料的激光微细加工方面具有明显的优势和广阔的应用前景[1-6]。355nm波段激光主要是通过固体激光非线性频率变换的方式来获得。Nd∶YVO4激光晶体，相比于常用的Nd：YAG，具有受激辐射截面大，泵浦带宽宽，对工作温度变化不敏感等优点，因此，采用电光效率高，容易实现近基模运转的LD端面泵浦方式，可使Nd∶YVO4激光器获得高功率、高光束质量的激光输出。体具有很大优势。LD端面泵浦激光器一般通过准直聚焦系统耦合泵浦光，泵浦光与振荡光耦合度高，因此，是目前工程化产品主要采用的方式。

2014年李玉瑶等[7]采用LD端面泵浦Nd∶YVO4腔内倍频和腔外和频相结合的声光调Q准连续355nm紫外激光器。在泵浦功率为28.6W时，355nm紫外激光最大输出功率为4.2 W，激光脉冲宽度为20.6ns，重复频率为20kHz。2015年报道了采用LD端面泵浦Nd∶YVO4激光晶体通过补偿角度偏差引起的相位失配，当LD泵浦功率为13.33W、调Q频率为15kHz时，355nm紫外激光输出平均功率达到1.24W、其脉冲宽度为9.8ns[8]。2016年报道了采用LD端面泵浦声光调Q 技术，对基频光进行频率变换，在LD 泵浦功率为14W时，得到紫外激光平均输出功率为1.12W、脉冲宽度为34 ns，激光重复频率为1kHz[9]。文献[10]采用LD端面泵浦Nd∶YAG激光晶体和声光调Q产生高重频基频光，利用3块LBO晶体进行非线性频率变换，实现了输出平均功率2.7W，重复频率12kHz，光-光转换率43.4%的高效腔外频率变换紫外激光器。

本文针对Nd∶YVO4激光晶体，采用激光二极管(LD)端面泵浦方式和声光Q开关，利用LBO晶体进行腔内三倍频，实现高重频、窄脉宽的355nm紫外激光输出，在不同重复频率运转条件下，分析了紫外激光器的输出特性。

1 激光器光路及调试

LD端面泵浦Nd∶YVO4激光实验光路如图1所示，激光谐振腔采用V型腔结构，端泵LD采用808nm波段光纤输出激光二极管，激光二极管最大输出功率为50W。采用透镜准直-聚焦系统使泵浦光光与谐振腔中的腔模达到良好的匹配。激光器光路中平面镜M2镀808nm增透，1064nm和532nm波段全反膜(R>99.5%)；M1镜面镀1064nm、532nm和355nm波段全反膜(R>99.5%)；输出镜M3镀1064nm和532nm波段全反膜(R>99.5%)，355nm增透膜。精密调节温控系统，使激光二极管的出射波长固定在808nm。激光晶体Nd∶YVO4的尺寸为3mm×3mm×15mm，a轴切割，掺杂摩尔分数为0.2%。采用GOOCH&HOUSE声光Q开关，调Q波长为1064nm，透过率大于99.6%，通光口径为4mm，利用射频驱动声光Q开关对激光进行Q调制。倍频晶体LBO1采用Ⅰ类相位匹配，θ=90°，φ=11.2°，尺寸为5mm×5mm×25mm。和频晶体LBO2采用Ⅱ类相位匹配，θ=43.3°，φ=90°，尺寸为5mm×5mm×30mm。两块晶体双端面均镀1064nm、532nm和355nm波段增透膜。非线性晶体LBO1和LBO2、Nd∶YVO4晶体及声光Q开关采用离子水循环方式进行冷却，温控保持在25℃。谐振腔的总腔长为360mm。

图1 声光调Q Nd∶YVO4激光器实验装置

2 实验结果分析

2.1 激光器输出特性分析

利用准直激光调试激光器光路中的光学元件，使激光器输出参数达到最佳状态。利用激光功率计(PM150-50相干公司)，在激光重复频率为30kHz条件下，实验测量了紫外激光器的平均输出功率随泵浦电流的变化情况，如图2所示，当LD泵浦电流为9.4A时，紫外激光平均功率达到5.38W，激光阈值约为5.2A。

图2 激光输出平均功率随泵浦电流变化曲线

利用探测器(DET10A/M，Thorlabs公司)和300MHz示波器(TDS3034B，Tektronix公司)，在激光重复频率为30kHz条件下，测量了输出激光脉冲宽度随LD泵浦电流的变化情况，如图3所示。由图3可以看出，输出紫外激光脉冲宽度随着泵浦电流的增大而减小。随着泵浦电流的增大，亚稳态上的反转粒子数会随之增加，导致单脉冲能量增加，平均功率增大，脉冲宽度减小。

图3 激光脉冲宽度随泵浦电流的变化曲线

2.2 激光器的重复频率影响分析

通过控制声光调Q频率，测量分析了激光器不同重复频率运行条件下，激光输出平均功率和脉冲宽度的变化情况，如图4所示。

由图4可以看出，随着激光重复频率的提高，输出激光平均功率下降，激光脉冲宽度变宽。当激光重复频率变高时，单脉冲的储能时间降低，激光上能级的反转粒子数变少，使得基频激光净增益减小，导致输出基频激光单脉冲能量下降，脉冲宽度变宽。同时非线性频率转换效率降低，紫外激光平均输出功率随重复频率的增大而减小。

图4 输出激光脉冲宽度及平均功率随声光Q信号重复频率的变化曲线

图5为重复频率30kHz，泵浦电流为9.4A时测试的输出激光脉冲波形图。

图5 355nm激光单脉冲波形

在重复频率为30kHz，泵浦电流为9.4A时，355mm紫外激光输出平均功率为5.38W，脉冲宽度17.5ns。

3 结束语

针对增益高、泵浦带宽宽的Nd∶YVO4激光晶体，采用了LD端面泵浦方式，利用声光Q开关，设计了腔内三倍频V型谐振腔结构获得了高重频、高增益的355nm紫外激光输出。分析了不同重复频率条件下的紫外激光输出特性。在重复频率为30kHz、泵浦电流为9.4A时，获得了最高平均功率5.38W、脉冲宽度为17.5ns的355nm紫外激光输出。