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紫外波段的激光拥有波长短、更好的聚焦效果、高单光子能量等特点，在工业加工、科学研究、军事及医疗等领域被广泛应用[1]。用紫外激光对体硅进行加工可以减少对环境的污染，减少繁琐的步骤[2]。激光器因工作物质的不同分为固体激光器、气体激光器和半导体激光器。紫外激光器也同样分为这三种。固体激光器的转换效率一般较低，而使用激光二极管作为抽运源的全固态激光器具有效率更高等特点。
一般产生紫外激光的常规方法是先利用倍频效应，然后再利用和频效应，最后得到紫外激光。但是这种获得紫外激光的方式需要进行两次频率变换的过程，最终会导致转换效率很低。
很多三价稀土离子都具有可见的辐射跃迁，其中三价镨离子（Pr3+）是实现高效可见激光最成功的稀土离子之一。由于Pr3+具有能直接通过下转换的方式输出可见光的特性，受到了科研人员的广泛关注[3-4]，它在可见光谱范围内（包括720、695、640、605、522、490 nm）存在多条跃迁。Pr3+的发现使只利用一次频率转换进而实现输出紫外激光有了可能性。其中，Pr:YLF晶体被认为是最有前途的一种晶体，具有能级寿命较长、受激发射截面较大、生长工艺较成熟等优势[5]。近年来，国内相继报道了几种获得紫外激光的方法[6-9]。
2004年，A.Richer和E.Humann等采用氮化镓激光二极管泵浦Pr:YLF晶体[10]，成功输出了640 nm的红色激光，斜效率达24%。2006年，Richer等[11]使用光泵半导体激光器作为泵浦源，并且使用折叠腔的结构对Pr:YLF晶体进行抽运，将三硼酸锂(LBO)晶体作为倍频晶体进行倍频，获得了功率为19 mW的320 nm连续紫外激光。2007年，Richter等又使用更高功率的光泵半导体作为抽运源，使用LBO晶体作为倍频晶体，输出了320 nm紫外激光，其最高输出功率为364 mW，光光转换效率达22%。2019年，Naoto Sugiyama等[12]使用锁模Pr:YLF振荡器成功输出5.9 µJ 320 nm激光。国内对320 nm紫外激光的研究较少，文中将四个蓝光激光二极管作为抽运源，采用合光双端抽运的方式抽运Pr:YLF晶体，再用LBO晶体实现腔内倍频，最后得到了1005 mW的320 nm连续紫外激光。
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640 nm作为三价镨离子(Pr3+)在可见光波段的辐射跃迁之一，对640 nm激光进行频率转换就可以输出320 nm激光。如图1所示，Pr:YLF晶体在蓝光波段存在着三个比较大的吸收谱，但是单管蓝光激光二极管存在功率不高的劣势，而且不同偏振方向的抽运光注入Pr:YLF晶体的吸收效率不同。其中，π偏振方向的抽运光注入Pr:YLF晶体的吸收效率最高。π偏振方向和δ偏振方向抽运光注入Pr:YLF晶体的吸收对比如图2所示。所以使用多个蓝光激光二极管进行抽运Pr:YLF晶体。为了提高晶体对抽运光的吸收效率，采用自由空间合束的方式进行合光，这种合光的方式可以保留抽运光的偏振特性。同时，为了让Pr:YLF晶体对抽运光尽可能多的吸收，将激光二极管的固定方向调整为π偏振方向固定。同侧的两个LD使用透镜进行准直，透镜的焦距为4.2 mm，再用两个柱面镜将慢轴的光进行整形，使整形后的抽运光具有更好的对称性，最后使用45°合光片将两束抽运光整合为一条光路，将对444 nm高透射、对469 nm高反射的膜镀在合光片的表面。经过合束后的光再经过柱面镜组整形，整形后的光斑尺寸约为4.3 mm×3.2 mm，谐振腔两侧分别使用120、150 mm焦距的平凸透镜对抽运光进行聚焦。
Figure 1. Absorption spectra of Pr:YLF crystal in bule band
Figure 2. Polarized absorption spectra of Pr:YLF crystal
实验的谐振腔结构采用V型折叠腔，如图3所示。
Figure 3. Schematic diagram of resonator structure
采用尺寸为Ø5×12 mm、0.3%掺杂浓度的Pr:YLF晶体作为激光晶体，将对444~469 nm抽运光和640 nm基频光高透射的膜镀在激光工作物质表面。将切割角度分别为θ=90°和ψ=53.4°的10 mm长的LBO晶体作为倍频晶体，并在两个端面镀有对640、320 nm增透的膜。使用半导体制冷器(TEC)来精确控制激光工作物质和倍频晶体的温度。
由于V型折叠腔结构对谐振腔内光斑的调整更方便，同时又可以兼顾倍频晶体处的基频光光斑直径，进而提高倍频效率。腔镜M1为曲率半径为50 mm的凹面镜，并镀有对640 nm高反射、对444~469 nm抽运光增透的膜。腔镜M2为曲率半径为100 mm的凹面镜，并镀有对640、320 nm高反射的膜。腔镜M3为曲率半径为50 mm的凹面镜，并镀有对640、320 nm高反射、对444~469 nm抽运光增透的膜。在LBO与腔镜M3之间插入平面镜M4，M4两个表面镀640 nm增透膜，朝向LBO方向镀320 nm高反膜。谐振腔臂长L1=145 mm，L2=133 mm，Pr:YLF晶体距腔镜M1的距离为20 mm，LBO晶体距腔镜M3的距离为77 mm。如图4所示，使用Matlab软件模拟谐振腔内光斑尺寸，得到激光晶体处光腰直径ω
1约为71 µm，倍频晶体处光腰直径ω2约为48 µm。 
Figure 4. Spot diameters at different positions within resonator cavity
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当注入抽运功率为5700 mW时，测试得到经焦距为120 mm的聚焦镜后对444、469 nm抽运光的吸收效率分别约为93%、83%，经焦距为150 mm聚焦镜后对444、469 nm抽运光的吸收效率分别约为95%、85%。
按照所设计的腔型搭建实验光路，仔细调节LD准直透镜、柱面整形镜组的相对位置，使LD泵浦光具有更好的对称性。使用TEC对抽运源的温度进行精确控制，让抽运源的发射波长更好地吻合晶体的吸收峰。仔细调节腔长与晶体制冷温度，使激光器达到最佳状态。
使用光谱仪测试得到319.706 nm为谱线中心波长，如图5所示。
Figure 5. Spectrum of 320 nm UV laser
使用型号为PS19Q的Coherent功率计测试功率，连续测量2 h，获得了最大功率为1005 mW的320 nm紫外激光，光光转换效率约为17.6%，得到该激光器2 h的功率稳定性为2.37%，平均功率为962.9 mW，测试结束时功率为995 mW，测试结果如图6所示。
Figure 6. Power stability of 320 nm UV laser
使用轮廓分析仪测得激光光斑如图7所示。
Figure 7. Light spot of 320 nm UV laser
使用Thorlabs的光束质量因子（M2）测量系统测量该激光器的M2，测量结果显示为M2 X:1.20，M2 Y:1.02，如图8所示。
Figure 8. Beam quality factor （M2）
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采用444 nm和469 nm不同波长的蓝光LD合光双端泵浦的方式抽运Pr:YLF晶体，并进行腔内倍频输出320 nm紫外激光。通过对LD光束的整形和对腔长的优化，当5700 mW的抽运功率注入激光晶体时，获得了320 nm紫外激光输出，其最大输出功率为1005 mW，光光转换效率约为17.6%，连续测量2 h后，得到输出320 nm紫外光的功率稳定性为2.37%，该项成果已实现产业化。
320 nm ultraviolet laser in blue laser diode double end pumped Pr:YLF crystal (Invited)
doi: 10.3788/IRLA20201070
- Received Date: 2020-10-24
- Rev Recd Date: 2020-11-27
- Available Online: 2021-01-14
- Publish Date: 2020-12-24
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Key words:
- 320 nm UV laser /
- double-end-pumped /
- different wavelength /
- Pr:YLF crystal
Abstract: A 320 nm ultraviolet laser with Pr:YLF crystal was pumped by different wavelength blue laser diode was designed and double end pumping mode was adopted. The structure of the laser is V-folded cavity. A 444 nm blue laser diode with pump power of 3 W and a 469 nm blue laser diode with pump power of 1.4 W was used as pump source. The Pr:YLF crystal has a length of 12 mm and a doping concentration of 0.3%. The phase-matched LBO crystal was used as frequency doubling crystal. By optimizing the resonator parameters, when the incident pump power is 5700 mW, the maximum output power of 320 nm ultraviolet continuous laser with 1005 mW is output, and the optical conversion efficiency is about 17.6%.
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